考虑风-光-碳捕集-电转气综合能源系统低碳优化调度

1.本发明涉及综合能源系统的低碳优化调度技术领域，尤其涉及一种考虑风-光-碳捕集-电转气联合的多能互补综合能源系统低碳优化调度方法。


背景技术：

2.电力行业作为能源消耗的主体，其碳排放量在碳排放总量中占了很大的比重，实现低碳电力将有望加速实现碳减排的目标。综合能源系统内部耦合了多种能源进行联合供应，能满足终端多能负荷需求。发展多能互补的综合能源系统对实现低碳减排和提高能源利用率有很重要的作用。
3.目前已有部分研究关注于综合能源系统的多能互补和低碳减排策略。li xiaozhu 等在《应用能源》(applied energy)第285卷(2021年)发表的题为《hybrid time-scaleenergy optimal scheduling strategy for integrated energy system with bilateral interactionwith supply and demand》一文中考虑了综合能源系统的多能耦合和经济性，但未考虑低碳性。李鹏等在《电力系统自动化》第43卷第14期第81-89页(2019年)发表的题为《基于重复博弈的区域综合能源系统优化运行分析》一文中建立了微网与配电网的重复博弈模型，结合等效碳排放系数将co2排放成本纳入经济成本中，但没有发挥碳交易市场对低碳的引导作用。wang yongli等在《应用能源》(applied energy)第 251卷(2019年)发表的题为《operation optimization of regional integrated energy systembased on the modeling of electricity-thermal-natural gas network》一文中引入了碳交易机制，提出了计及碳交易成本的综合能源系统优化调度模型，但未通过碳捕集、电转气等措施来降低系统碳排放。印月等在《电测与仪表》第57卷第16期第51-58页发表的题为《风-光-水-火多能互补系统随机优化调度》一文中利用风-光-水电的互补特性，促进可再生能源的消纳，但仍存在弃风、弃光问题。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种考虑风-光-碳捕集-电转气联合的多能互补综合能源系统低碳优化调度方法，通过风-光-碳捕集-电转气联合和系统多种能源的互补，在保持经济性的情况下实现风光消纳和低碳减排。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何研究多能互补综合能源系统的可再生能源消纳和低碳优化调度问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种考虑风-光-碳捕集-电转气联合的多能互补综合能源系统低碳优化调度方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1、构建风-光-碳捕集-电转气联合的综合能源系统，所述综合能源系统包括风电、光伏、火电机组、碳捕集系统、cchp机组、燃气锅炉、储能设备、电制冷设备、电转气设备；
8.步骤2、考虑综合能源系统参与碳交易市场，建立多能互补的综合能源系统的低碳
优化调度模型；
9.步骤3、求解所述低碳优化调度模型的优化结果；
10.步骤4、根据所述优化结果，通过调节风光发电提供给碳捕集系统能耗的功率，实现对风光发电的灵活调度，将碳捕集过程捕获的二氧化碳用于电转气，以提高能源利用率。
11.进一步地，所述步骤1中所述储能设备包括储电、储热、蓄冷设备。
12.进一步地，所述步骤1中所述cchp机组包括内燃机、余热锅炉、溴化锂制冷机组。
13.进一步地，所述步骤2中所述低碳优化调度模型以综合运行成本最低为目标函数，所述综合运行成本包括碳交易成本、发电设备运行成本、购电成本、购气成本、储能充放电成本。
14.进一步地，所述碳交易成本由火电机组和cchp机组的碳交易成本构成，所述火电机组和cchp机组的碳交易成本由碳排放量和碳分配额决定。
15.进一步地，所述火电机组和cchp机组的碳分配额如下表示：
[0016][0017]
式中，
[0018][0019][0020]
分别为t时刻碳捕集机组、cchp机组的碳分配额，σg、σ
cchp
分别为碳捕集机组、cchp机组的单位电量碳排放配额，为t时刻碳捕集机组的净发电功率，为t时刻碳捕集机组的等效发电出力，为t时刻由火电提供的碳捕集能耗，为t时刻cchp机组输出的电功率，t为调度周期，dt为时间间隔，为t时刻输入cchp机组天然气量，ηe为cchp机组的电效率，h
gas
为天然气低热值；
[0021]
火电机组和cchp机组的碳排放量如下表示：
[0022][0023]
式中，为t时刻cchp机组的碳排放量，λg、λ
cchp
分别为碳捕集机组、cchp 机组单位出力的碳排放强度。
[0024]
进一步地，所述碳交易成本如下表示：
[0025][0026]
式中，cc为碳交易成本系数。
[0027]
进一步地，所述发电设备运行成本如下表示：
[0028][0029]
式中，cy为单位电量的运行成本系数，为t时刻发电设备的发电功率；
[0030]
所述购电成本如下表示：
[0031]
[0032]
式中，为t时刻的电价，为t时刻的购电功率；
[0033]
所述购气成本如下表示：
[0034][0035]
式中，cg为天然气价格，为t时刻消耗的天然气量；
[0036]
所述储能充放能成本如下表示：
[0037][0038]
式中，c
es
为储能充放能成本系数，分别为t时刻储能设备的充放能功率，η
ech
、η
edis
分别为储能设备的充放能效率。
[0039]
进一步地，所述步骤2中所述低碳优化调度模型的约束条件包括：
[0040]
电功率平衡约束：
[0041][0042]
式中，为t时刻风电上网功率，为t时刻光伏上网功率，为t时刻储电设备的放电功率，为t时刻储电设备的充电功率，l
t
为t时刻电负荷功率，为t 时刻电转气能耗，为t时刻电制冷设备消耗的电能；
[0043]
热功率平衡约束：
[0044][0045]
式中，分别为t时刻cchp机组输出的热功率和燃气锅炉输出的热功率，h
t
为t时刻热负荷功率；
[0046]
冷功率平衡约束：
[0047][0048]
式中，为t时刻cchp机组输出的冷功率，为t时刻电制冷设备输出的冷功率，为t时刻蓄冷设备放冷功率，为t时刻蓄冷设备充冷功率，c
t
为t时刻冷负荷功率；
[0049]
冷、热、电功率不等式约束：
[0050][0051]
式中，为分别发电设备的发电功率上下限，为t时刻产热设备的热功率，分别为产热设备的热功率上下限，为t时刻制冷设备的冷功率，为t时刻制冷设备的冷功率，分别为制冷设备的冷功率上下限；
[0052]
购电约束：
[0053][0054]
式中，为购电功率上限，为售电上限；
[0055]
储能设备约束：
[0056][0057]
式中，分别为t时刻储能设备的充能状态变量和放能状态变量；分别为储能设备的充能上下限；分别为储能设备的放能上下限，为t时刻储能设备容量状态，分别为储能设备容量上下限，分别为储能设备容量的始末状态。
[0058]
进一步地，所述步骤2中所述低碳优化调度模型的约束条件具体包括：
[0059]
风力、光伏机组不等式约束
[0060][0061][0062]
式中，为t时刻风电提供的碳捕集功率，为t时刻光伏提供的碳捕集功率，为t时刻风电预测功率，为t时刻光伏预测功率；
[0063]
火电机组不等式约束
[0064][0065]
式中，为t时刻火电机组状态变量，分别为火电机组的发电功率上下限，
△
pg为火电机组爬坡率；
[0066]
碳捕集不等式约束：
[0067][0068]
式中，δ
t
为t时刻烟气分流比，为t时刻碳捕集运行能耗，为碳捕集运行能耗上限，
△
p
op
碳捕集能耗爬坡率；
[0069]
电转气不等式约束：
[0070][0071]
式中，为电转气能耗上限，
△
p
p2g
为电转气爬坡率；
[0072]
cchp机组不等式约束
[0073][0074]
式中，分别为cchp机组发电功率上下限，
△
p
ecchp
为cchp机组发电功率爬坡率，分别为cchp机组输出的热功率上下限，分别为燃气锅炉热功率上下限，为t时刻输入燃气锅炉的天然气量，v
gasmax
为cchp 机组和燃气锅炉消耗的天然气上限，分别为cchp机组输出的冷功率上下限；
[0075]
电制冷不等式约束：
[0076][0077]
式中，为电制冷能耗上下限。
[0078]
本发明的有益效果为：
[0079]
本发明在现有技术的基础上构建风-光-碳捕集-电转气联合系统，通过调节风光发电提供给碳捕集的功率来实现对风电和光伏的灵活调度，从而促进风光消纳；碳捕集过程捕获的二氧化碳用于电转气，提高能源利用率。考虑综合能源系统参与碳交易市场，通过碳交易机制引导综合能源系统在节能减排中发挥主力军作用，通过碳捕集和电转气设备联合充分降低系统的碳排放，实现低碳减排和提高能源。
附图说明
[0080]
图1是本发明的一个较佳实施例的多能互补综合能源系统框架；
[0081]
图2是本发明的一个较佳实施例的分时电价；
[0082]
图3是本发明的一个较佳实施例的电力系统调度结果；
[0083]
图4是本发明的一个较佳实施例的热系统调度结果；
[0084]
图5是本发明的一个较佳实施例的冷力系统调度结果；
[0085]
图6是本发明的一个较佳实施例的碳捕集能耗。
具体实施方式
[0086]
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0087]
本发明研究了多能互补综合能源系统的可再生能源消纳和低碳优化调度问题。首先建立了风光碳捕集-电转气联合系统，通过调节风光发电提供给碳捕集能耗的功率，实现对风光发电的灵活调度，碳捕集过程捕获的二氧化碳用于电转气，提高能源利用率；其次，依托碳捕集、电转气、可再生能源发电、冷热电联产(combined cooling, heating and power,cchp)、储能等技术，构建多能互补综合能源系统模型。最后，考虑综合能源系统参与碳交易市场，通过碳交易机制引导能源行业在节能减排中发挥主力军作用，建立多能互补
综合能源系统低碳优化调度模型。
[0088]
1、多能互补综合能源系统模型
[0089]
多能互补综合能源系统框架如图1所示。在该系统中，火电机组、风电机组、光伏机组、cchp中的内燃机提供电能，联合储能调峰，满足电负荷需求；碳捕集的能耗由风电、光伏和火电提供，捕集过程中的二氧化碳用于电转气过程，提高能源利用率。cchp中的内燃机、燃气锅炉(gas boiler,gb)提供热能，联合储热，满足热负荷需求。cchp中内燃机的余热提供给溴化锂制冷机组(lithium bromide refrigeration, lbr)用于制冷、电制冷设备同样提供制冷，联合蓄冷设备，满足冷负荷需求。综合能源系统(integrated energy system,ies)内的冷、热、电储能设备可以能量存储，实现能量的时移。
[0090]
2、风-光-碳捕集-电转气联合系统
[0091]
火电机组与碳捕集系统组合后即形成碳捕集机组。碳捕集能耗主要包括基本能耗和运行能耗。基本能耗的数值恒定不变。运行能耗为捕获二氧化碳过程中消耗的能量，受设备的运行功率和状态的影响。碳捕集机组出力与碳捕集运行能耗表达式如下：
[0092][0093][0094]
式中，为t时刻碳捕集机组的净发电功率，为t时刻碳捕集机组的等效发电出力，为t时刻由火电提供的碳捕集能耗，为t时刻碳捕集运行能耗，pb为碳捕集固定能耗。
[0095]
碳捕集过程中的二氧化碳有如下关系：
[0096][0097]
式中，为t时刻碳捕集机组的净碳排放量，为t时刻碳捕集机组的总碳排放量，为t时刻的碳捕集量，为t时刻的碳处理量，ηb为碳捕集率。
[0098]
将风电、光伏与碳捕集机组联合运行，一部分风电和光伏功率当作碳捕集能耗直接供给碳捕集系统，另一部分功率输入电网中，表达如下：
[0099][0100][0101][0102]
式中，为t时刻风电提供的碳捕集功率，为t时刻光伏提供的碳捕集功率， w为处理单位质量二氧化碳的运行功耗，为t时刻风电上网功率，为t时刻风电预测功率，为t时刻光伏上网功率，为t时刻光伏预测功率。
[0103]
碳捕集过程收集的二氧化碳可用于电转气，通过将碳捕集技术和电转气技术结合可以的提高设备和资源的利用率，降低系统运行成本。电转气的数学模型如下：
[0104][0105]
式中，为t时刻电转气能耗，η
p2g
为电转气效率，λ
p2g
为转换单位质量二氧化碳的电转气能耗。
[0106]
3、其他机组设备模型
[0107]
(1)cchp和gb模型
[0108]
cchp中内燃机输出电功率的同时，产生的高温蒸汽经余热锅炉(heatrecoveryboiler,hrb)、储热设备(heatstorage,hs)和lbr分别输出灵活可变的热功率和冷功率，其电、热、冷出力表达式和gb热出力分别如以下所示：
[0109][0110]
式中：分别为t时刻cchp输出的电、热、冷功率(单位为mw)和gb输出的热功率(单位为mw)；t为调度周期，dt为时间间隔；和分别为t时刻输入cchp和gb的天然气量，单位为m3；为t时刻输入lbr的热功率(单位为mw)；分别为t时刻hs的蓄热、放热功率(单位为mw)；ηe、η
hr
、η
lbr
和η
gb
分别为cchp的电效率、hrb、lbr和gb的效率；h
gas
为天然气低热值，取9.97kw
·
h/m3。
[0111]
(2)储能设备模型
[0112]
本发明考虑了储电、储热、蓄冷三种储能设备，数学模型如下：
[0113][0114]
式中，soc
t
、qhs
t
、qcs
t
分别为t时刻储电设备的荷电状态、储热设备容量状态、蓄冷设备容量状态；ws为储电设备容量；分别为t时刻储电、储热、蓄冷设备的充能功率，η
ch
、η
chs
、η
ccs
分别为储电、储热、蓄冷设备的充能效率；蓄冷设备的充能效率；分别为t时刻储电、储热、蓄冷设备的放能功率，η
dis
、η
dhs
、η
dcs
分别为储电、储热、蓄冷设备的放能效率。
[0115]
(3)电制冷设备模型
[0116]
电制冷设备的数学模型为：
[0117][0118]
式中，为t时刻电制冷设备输出的冷功率，cop为电制冷能效比，为t时刻电制冷设备消耗的电能。
[0119]
4、多能互补综合能源系统低碳优化调度模型
[0120]
(1)目标函数
[0121]
本发明以综合运行成本最低为目标函数，包括各个机组的运行成本、运维成本、碳交易成本、碳处理成本和购电成本等。详细情况如下所示：
[0122]
obj＝min(f1 f2 f3 f4 f5)(11)
[0123]
1)第一个成本函数为碳交易成本，由火电机组和cchp机组的碳交易成本构成。机组的碳交易成本由碳排放量和碳分配额决定。火电机组和cchp机组的碳分配额如下表示：
[0124]
[0125]
式中，分别为t时刻碳捕集机组、cchp机组的碳分配额，σg、σ
cchp
分别为碳捕集机组、cchp机组的单位电量碳排放配额。
[0126]
如果实际生产过程中碳排放源的碳排放量大于碳分配额，发电商需要到碳交易市场购买超出的部分，反之，则可向碳交易市场出售剩余的部分。火电机组和cchp机组的碳排放量可如下表示：
[0127][0128]
式中，为t时刻cchp机组的碳排放量，λg、λ
cchp
分别为碳捕集机组、cchp 机组单位出力的碳排放强度。
[0129]
因此碳交易成本函数如下表示：
[0130][0131]
式中，cc为碳交易成本系数。
[0132]
2)第二个成本函数为发电设备运行成本
[0133][0134]
式中，cy为单位电量的运行成本系数，为t时刻发电设备的发电功率。
[0135]
3)第三个成本函数为购电成本
[0136][0137]
式中，为t时刻的电价，为t时刻的购电功率。
[0138]
4)第四个成本函数为购气成本
[0139][0140]
式中，cg为天然气价格，为t时刻消耗的天然气量。
[0141]
5)第五个成本函数为储能充放能成本
[0142][0143]
式中，c
es
为储能充放能成本系数，分别为t时刻储能设备的充放能功率，η
ech
、η
edis
分别为储能设备的充放能效率。
[0144]
(2)约束条件
[0145]
1)电功率平衡约束：
[0146][0147]
式中，l
t
为t时刻电负荷功率。
[0148]
2)热功率平衡约束：
[0149][0150]
式中，分别为t时刻cchp机组输出的热功率和燃气锅炉输出的热功率，h
t
为t时刻热负荷功率。
[0151]
3)冷功率平衡约束：
[0152][0153]
式中，c
t
为t时刻冷负荷功率，为t时刻蓄冷设备放冷功率，为t时刻蓄冷设备充冷功率。
[0154]
4)冷、热、电功率不等式约束：
[0155][0156]
式中，分别为发电设备的发电功率上下限；为t时刻产热设备的热功率，分别为产热设备的热功率上下限；为t时刻制冷设备的冷功率，为t时刻制冷设备的冷功率，分别为制冷设备的冷功率上下限。
[0157]
5)购电约束：
[0158][0159]
式中，为购电功率上限，为售电上限。
[0160]
6)储能设备约束：
[0161]
对冷、热、电储能设备采用通用模型进行处理，建立设备充、放能功率的上限约束，充放能状态互斥约束等。
[0162][0163]
式中，分别为t时刻储能设备的充能状态变量和放能状态变量；分别为储能设备的充能上下限；分别为储能设备的放能上下限；为t时刻储能设备容量状态，分别为储能设备容量上下限，分别为储能设备容量的始末状态。
[0164]
设备约束详细展开如下：
[0165]
1.1风力、光伏机组不等式约束：
[0166][0167][0168]
1.2火电机组不等式约束：
[0169][0170]
式中，为t时刻火电机组状态变量，分别为火电机组的发电功率上下
限，
△
pg为火电机组爬坡率。
[0171]
1.3碳捕集不等式约束：
[0172][0173]
式中，δ
t
为t时刻烟气分流比，为碳捕集运行能耗上限，
△
p
op
碳捕集能耗爬坡率。
[0174]
1.4电转气不等式约束：
[0175][0176]
式中，为电转气能耗上限，
△
p
p2g
为电转气爬坡率。
[0177]
1.5cchp机组不等式约束：
[0178][0179]
式中，分别为cchp发电功率上下限，
△
p
ecchp
为cchp发电功率爬坡率，分别为cchp热功率上下限，分别为gb热功率上下限， v
gasmax
为cchp和gb消耗的天然气上限，分别为cchp输出的冷功率上下限。
[0180]
1.6电制冷不等式约束：
[0181][0182]
式中，为电制冷能耗上下限。
[0183]
以下是算例分析和算例结果。
[0184]
1、算例分析：
[0185]
调度周期t为24h，时间粒度为dt为1h。分时电价见图2，天然气价取2.8元/ (mw
·
h)，碳交易价格为50元/t。火电机组单位电力的碳排放配额σg＝0.60t/(mw
·
h)，碳排放强度为λg＝1.12t/(mw
·
h)。cchp机组单位电力的碳排放配额σ
cchp
＝0.46 t/(mw
·
h)，碳排放强度为λ
cchp
＝0.76t/(mw
·
h)。碳捕集率为ηb为0.55，碳捕集运行成本系数c
pc
为25元/(mw
·
h)，电转气效率η
p2g
为0.75，电转气运行成本系数c
p2g
为20 元/(mw
·
h)。
[0186]
2、算例结果：
[0187]
图3、图4、图5为给出的电、热、冷综合能源系统的优化调度结果。
[0188]
由图3可知，电能的主要来源为火电机组，其次是cchp机组，风光发电互补，购电用来弥补机组出力空缺；储能发挥削峰填谷的作用，并可以与碳捕集协同消纳风光发电。
[0189]
从图4可知，燃气锅炉和cchp为主要的热能来源。cchp系统产生的热功率有部分余热提供给溴化锂制冷机制冷使用。结合图5冷功率供应情况可以看出，lbr制冷出力高峰期
对应cchp产热功率的低谷。燃气锅炉在cchp机组产热低谷期增加出力满足热负荷需求形成互补，电制冷则在lbr低谷期增加出力满足冷负荷需求形成互补。
[0190]
图6显示碳捕集可以消纳大量的风电和光伏发电。通过碳捕集机组、风电、光伏相结合，可以协调风电和光伏提供给碳捕集能耗的功率，增强风电和光伏的可调度性。再加上储电以及风光的互补性，可以解决弃风弃光问题，减少风光波动对实际运行的影响。
[0191]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。