考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置的制作方法

1.本发明属于综合能源系统优化运行技术领域，尤其涉及一种考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置。


背景技术：

2.能源是当今经济社会发展的必需品，由于化石能源不可再生及环境污染等问题，在能源安全供应的前提下提升清洁能源利用效率成为了当前能源领域关注的重点。除优化综合能源系统设备运行策略外，用户侧可变负荷也是综合能源系统重要的灵活性资源，有效引导用户需求响应行为能够提升综合能源系统的清洁能源消纳能力。
3.由于风、光等清洁能源受自然因素影响较大，具有较强的间歇性和不确定性，“极热无风”“晚高峰无光”现象显著，随着清洁能源高比例接入，弃风弃光和间歇性缺电现象同时存在。通过价格信号，有效引导用户需求响应行为，一方面能够充分利用风、光等清洁能源，减少综合能源系统运行时向外购能成本，另一方面减少煤电、燃气等消耗，降低系统运行的二氧化碳排放量，减少对环境的污染。目前，从降低购能费用角度开展用户需求响应研究较多，但尚未考虑碳排放成本对于用户用能特性的影响，不能准确反应各时段用能的环境成本。
4.随着“双碳”发展目标提出，我国能源系统清洁低碳转型进程不断加快，通过考虑不同时段综合能源系统运行的碳排放量，通过购能成本和碳排放成本双重价格信号引导，能够更为有效鼓励用户消纳清洁能源，在节约系统运行购能成本的同时，降低对环境的影响，提升系统运行的环保性。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提出了一种考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置，基于计算机系统，通过分析燃煤发电机组和燃气锅炉的碳排放特性，构建综合能源系统二氧化碳排放模型及阶梯型碳排放成本模型，计算各时刻用能的二氧化碳排放成本；在此基础上，构建考虑碳排放成本及购能价格双重信号引导的用户需求响应模型，并以综合能源系统购能成本及碳排放成本最小为目标，构建综合能源系统运行调度模型。本发明能够充分反应煤电、燃气等设备运行的环境成本，更有效地鼓励用户在清洁能源出力高峰期多用能，促进清洁能源消纳，减少系统弃风、弃光情况，同时减少了对外部能源的依赖程度，减少了综合能源系统购能成本，在兼顾系统运行环保性的同时，提升经济效益。其在在节约系统运行成本的同时，促进可再生能源消纳，降低系统二氧化碳排放量。
6.其具体采用以下技术方案：
7.一种考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置，基于计算机系统，其特征在于，包括：
8.数据采集处理模块，用于采集综合能源系统内i负荷t时刻的电负荷需求和热负荷
需求；
9.模型建立模块，用于进行考虑碳排放成本下用户需求响应特性的优化调度模型构建，包括构建碳排放计算模型、阶梯型碳排放成本模型、考虑碳排放成本和购能成本的用户侧需求响应模型；通过建立电网运行模型、热网运行模型、气网运行模型，进而以综合能源系统购能成本和碳排放成本最低为目标，构建热综合能源系统优化调度模型；
10.计算模块，用于结合数据采集出力模块得到的参数和模型建立模块构建的优化模型，求解得到综合能源系统最优运行策略。
11.进一步地，所述模型建立模块构建获得的能源系统运行的碳排放计算模型，如下式所示：
[0012][0013][0014]
式中，am、bm和cm表示燃煤机组的二氧化碳排放系数，ag、bg和cg表示燃气锅炉的二氧化碳排放系数；pm和hg表示燃煤机组和燃气锅炉的出力；fm表示燃煤机组的排放量，fg表示燃气锅炉的排放量，t时刻代表的是小时数，一年有8760小时；
[0015]
氢气合成甲烷时吸收二氧化碳，计算式为：
[0016][0017]
式中，η表示单位氢气制成甲烷吸收的二氧化碳量；表示t时刻电制氢制取的氢气量，f
p2g
表示氢气合成甲烷时吸收二氧化碳的量；
[0018]
得到综合能源系统运行二氧化碳排放量为：
[0019]fies
＝fm f
g-f
p2g
ꢀꢀ
(4)。
[0020]
进一步地，所述模型建立模块构建获得的阶梯型碳排放成本计算模型，如下式所示：
[0021]
设随着系统运行排放的二氧化碳总量增加，需要购买的碳配额越多，对应的碳交易价格也越高；对碳交易价格cc进行线性化处理得到：
[0022][0023]
式(5)为阶梯型碳排放成本模型，式中λ1、λ2和λ3分别表示在不同区间下单位碳排放成本，l1、l2表示碳排放量区间。
[0024]
进一步地，所述模型建立模块构建获得的考虑碳排放成本和购能成本的用户侧需求响应模型，具体内容包括：
[0025]
根据式(6)-(7)计算得到各时刻燃气轮机及燃气锅炉碳排放成本f
m,t
和f
g,t
，据此得到t时刻下单位电、热负荷碳排放成本f
e,t
、f
h,t
：
[0026][0027][0028]
式中，p
l,t
和h
l,t
分别表示需求响应前t时刻的电负荷和热负荷需求；
[0029]
以鼓励用户尽可能利用低碳能源，促进清洁能源消纳为目的，根据各时段的购能价格和二氧化碳排放价格，构建电、热负荷的需求弹性矩阵，具体计算如下：
[0030][0031][0032]
式中，p
l,i
和h
l,i
分别表示i时刻需求响应前的电负荷和热负荷，p
′
l,i
和h'
l,i
表示需求响应后的电负荷和热负荷，ρi和gi表示i时刻的单位购电价格和单位购气价格。
[0033]
进一步地，所述计算模块在模型建立模块构建获得的考虑碳排放成本下用户需求响应特性的优化调度模型的基础上，基于原设负荷数据，采用cplex求解器进行求解，得到各时段的购能成本和碳排放成本，计算用户需求响应行为，并根据响应后的负荷需求再次进行迭代求解，直到综合能源系统运行总成本达到一定精度后，得到最优的运行方案。
[0034]
进一步地，所述计算模块的具体工作方式为：
[0035]
建立线性规划模型：
[0036]
min c＝cc ce cgꢀꢀꢀ
(10)
[0037]
其中：
[0038][0039][0040]
式中，ρ
t
和g
t
分别表示t时刻购电价格和购气价格，p
tup
和分别表示t时刻向外部购电量和购气量；
[0041]
模型需满足约束条件包括：
[0042]
(1)电功率平衡：
[0043][0044]
式中，p
tpt
和p
twt
表示t时刻光伏和风机的有功出力；和表示t时刻光伏和风
机的无功出力；表示t时刻储能的充放电状态，当储能处于充电状态时取值为1、处于放电状态取值为0；和表示储能的充放电效率；p
tup
和表示t时刻向上级电网购电的有功功率和无功功率，p
tp2g
表示t时刻电制氢装置的运行功率；p
tet
表示t时刻电锅炉出力；p
tl
和表示t时刻负荷有功功率和无工功率；vi表示节点i电压，g
ij
和b
ij
表示线路ij的电导和电抗；θ
ij
表示节点ij的电压相角差；
[0045]
(2)热功率平衡：
[0046][0047]
式中，σ
et
表示电锅炉的热转换效率；σ
gt
表示燃气锅炉的热转换效率；表示t时刻燃气锅炉的耗气量；表示t时刻的热负荷；
[0048]
(3)气网功率平衡：
[0049][0050]
式中，表示t时刻向上级气网购气量，表示p2g装置t时刻产生的甲烷量；
[0051]
(3)电制氢装置运行约束：
[0052][0053]
式中，p
p2g
表示电制氢装置的额定容量；n
h,t
为t时刻电解槽制成的氢气量；h
lv
表示氢气低热值；δt表示电制氢装置运行时长，设为1h；ηh表示电制氢装置转换效率；
[0054]
(4)p2g装置运行约束：
[0055][0056]
式中，表示t时刻p2g装置制成的甲烷，λ表示氢气制甲烷的转换效率，n
g,t
为t时刻p2g装置制成的氢气量；
[0057]
(5)储能运行约束
[0058][0059]
式中，φ表示储能集合，k表示第k类储能的额定容量，表示t时刻k类型储能容量，表示储能状态，蓄能状态时取值为1，放能状态时取值为0，和分别表示蓄能和放能效率；
[0060]
所述计算模块基于matlab-yalmip平台，通过cplex求解器对上述线性规划模型进行求解。
[0061]
进一步地，所述模型建立模块工作的具体过程为：
[0062]
步骤s1：构建考虑购能成本和碳交易成本的需求响应模型；
[0063]
步骤s2：构建综合能源系统运行模型，包括电网运行模型、热网运行模型和气网运行模型；
[0064]
步骤s3：以综合能源系统综合运行成本最低为目标，构建考虑综合需求响应的综合能源系统优化调度模型。
[0065]
进一步地，步骤s1具体包括：
[0066]
步骤s11：构建综合能源系统碳排放模型；
[0067]
步骤s12：构建阶梯型碳交易成本模型；
[0068]
步骤s13：构建考虑购能成本和碳交易成本的综合需求响应模型。
[0069]
进一步地，在步骤s2中，构建综合能源系统运行模型，包括电网运行模型、热网运行模型和气网运行模型，用以在考虑碳排放成本下用户需求响应特性的优化调度模型的计算中作为约束条件。
[0070]
相比于现有技术，本发明及其优选方案通过分析燃气轮机、燃煤锅炉及p2g等设备运行时的二氧化碳排放特性，构建综合能源系统内碳排放成本模型；在此基础上，构建在购能成本、碳排放成本双重信号引导下，用户的需求响应模型；进而以碳排放成本和运行成本最小为目标构建综合能源系统运行优化模型，优化综合能源系统调度策略。
[0071]
所提出的装置通过构建了考虑碳排放成本的需求响应模型，能够更精确地反映各时段能源消费的环境成本，通过碳排放成本和购能成本双重信号的引导，更为有效地引导用户消纳清洁能源，降低系统运行的弃风、弃光量，提升清洁能源的利用效率。通过用户的需求响应，使得综合能源系统负荷时序特性与风、光出力特性曲线更为贴合，减少燃煤机组和燃气锅炉出力，在降低购电、购气成本的同时，减少系统运行碳排放成本，提高综合能源系统运行经济性。
附图说明
[0072]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0073]
图1为本发明实施例构建的综合能源系统结构示意图。
[0074]
图2为本发明实施例的模型框架图。
具体实施方式
[0075]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0076]
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
[0077]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0078]
如图1、图2所示，本实施例对所提供的考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置当中最核心的模型建立模块部分的工作机制分步骤进行详细说明
[0079]
步骤s1：构建考虑购能成本和碳交易成本的需求响应模型；
[0080]
步骤s2：构建综合能源系统运行模型，包括电网运行模型、热网运行模型和气网运行模型；
[0081]
步骤s3：以综合能源系统综合运行成本最低为目标，构建考虑综合需求响应的综合能源系统优化调度模型；
[0082]
步骤s1中考虑购能成本和碳交易成本的需求响应模型，包括：
[0083]
步骤s11：构建综合能源系统碳排放模型；
[0084]
步骤s12：构建阶梯型碳交易成本模型；
[0085]
步骤s13：构建考虑购能成本和碳交易成本的综合需求响应模型；
[0086]
步骤s11碳排放模型具体为：
[0087]
燃煤机组及燃气锅炉产生的二氧化碳与运行功率呈二次函数关系，燃煤机组和燃气锅炉的二氧化碳排放量计算式为：
[0088][0089][0090]
式中，am、bm和cm表示燃煤机组的二氧化碳排放系数，ag、bg和cg表示燃气锅炉的二氧化碳排放系数；pm和hg表示燃煤机组和燃气锅炉的出力。
[0091]
氢气合成甲烷时吸收二氧化碳，计算式为：
[0092][0093]
式中，η表示单位氢气制成甲烷吸收的二氧化碳量。
[0094]
得到综合能源系统运行二氧化碳排放量为：
[0095]fies
＝fm f
g-f
p2g
ꢀꢀꢀ
(4)
[0096]
步骤s12碳交易成本模型具体为：
[0097]
随着系统运行排放的二氧化碳总量增加，需要购买的碳配额越多，对应的碳交易价格也越高。对碳交易价格cc进行线性化处理得到：
[0098][0099]
式(5)为阶梯型碳排放成本模型，式中λ1、λ2和、λ3分别表示在不同区间下单位碳排放成本。
[0100]
步骤s13考虑购能成本和碳交易成本的综合能源需求响应模型具体内容包括：
[0101]
根据式(6)-(7)可计算得到各时刻燃气轮机及燃气锅炉碳排放成本f
m,t
和f
g,t
，据此得到t时刻下单位电、热负荷碳排放成本f
e,t
、f
h,t
：
[0102]
[0103][0104]
式中，p
l,t
和h
l,t
分别表示需求响应前t时刻的电负荷和热负荷需求。
[0105]
为鼓励用户尽可能利用低碳能源，促进清洁能源消纳，本实施例根据各时段的购能价格和二氧化碳排放价格，构建电、热负荷的需求弹性矩阵，具体计算如下：
[0106][0107][0108]
式中，p
l,i
和h
l,i
分别表示i时刻需求响应前的电负荷和热负荷，p
′
l,i
和h'
l,i
表示需求响应后的电负荷和热负荷，ρi和gi表示i时刻的单位购电价格和单位购气价格。
[0109]
步骤s2当中综合能源系统运行模型包括电网运行模型，热网运行模型和气网运行模型，具体如下所示：
[0110]
(1)电功率平衡：
[0111][0112]
式中，p
tpt
和p
twt
表示t时刻光伏和风机的有功出力；和表示t时刻光伏和风机的无功出力；表示t时刻储能的充放电状态，当储能处于充电状态时取值为1、处于放电状态取值为0；和表示储能的充放电效率；p
tup
和表示t时刻向上级电网购电的有功功率和无功功率，p
tp2g
表示t时刻电制氢装置的运行功率；p
tet
表示t时刻电锅炉出力；p
tl
和表示t时刻负荷有功功率和无工功率；vi表示节点i电压，g
ij
和b
ij
表示线路ij的电导和电抗；θ
ij
表示节点ij的电压相角差。
[0113]
(2)热功率平衡：
[0114][0115]
式中，σ
et
表示电锅炉的热转换效率；σ
gt
表示燃气锅炉的热转换效率；表示t时刻燃气锅炉的耗气量；表示t时刻的热负荷。
[0116]
(3)气网功率平衡：
[0117][0118]
式中，表示t时刻向上级气网购气量，表示p2g装置t时刻产生的甲烷量。
[0119]
(3)电制氢装置运行约束：
[0120][0121]
式中，p
p2g
表示电制氢装置的额定容量；n
h,t
为t时刻电解槽制成的氢气量；h
lv
表示氢气低热值；δt表示电制氢装置运行时长，在本实施例中为1h。
[0122]
(4)p2g装置运行约束：
[0123][0124]
，表示t时刻p2g装置制成的甲烷，λ表示氢气制甲烷的转换效率。
[0125]
(5)储能运行约束
[0126][0127]
式中，φ表示储能集合，k表示第k类储能的额定容量，表示t时刻k类型储能容量，表示储能状态，蓄能状态时取值为1，放能状态时取值为0，和分别表示蓄能和放能效率。
[0128]
步骤s3当中，综合能源系统调度优化模型是以综合运行成本最小为目标，对各设备的运行状态进行优化，目标函数表示如下：
[0129]
min c＝cc ce cg[0130][0131][0132]
在完成以上模型构建之后，本实施例装置的计算模块首先对电网功率平衡方程进行线性化出力，采用cplex求解器进行求解，得到未考虑需求响应特性下的运行调度方案，在此基础上计算各时刻的碳排放成本及用户需求响应结果，其次基于需求响应后的负荷需求，进行运行方案求解，通过多次迭代直到前后两次方案的总成本变化程度小于一定阈值，即得到最优的运行方案。
[0133]
具体可以基于matlab-yalmip平台，通过cplex求解器对上述线性规划模型进行求解。
[0134]
本实施例方案通过分析燃气轮机、燃煤锅炉及p2g等设备运行时的二氧化碳排放特性，构建综合能源系统内碳排放成本模型；在此基础上，构建在购能成本、碳排放成本双重信号引导下，用户的需求响应模型；进而以碳排放成本和运行成本最小为目标构建综合能源系统运行优化模型，优化综合能源系统调度策略。
[0135]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0136]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0137]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0138]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0139]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0140]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0141]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0142]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的考虑碳排放成本下用户需求响应特性的综合能源系统运行优化装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。