一种考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法

1.本发明涉及一种综合能源利用的调度方法，具体涉及一种考虑碳减排因素的多区域综合能源系统的调度方法。


背景技术：

2.在大力发展低碳经济的背景下，确定实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标、启动碳交易市场，成为加快经济发展绿色低碳转型的新动力。作为实施节能减排的重要载体，区域综合能源系统(regional integrated energy system,ries)将碳交易成本纳入到影响系统优化运行的因素当中，不仅可以降低系统的碳排放，还能保证良好的经济性。然而，在多区域综合能源系统调度问题中，ries的碳交易成本往往独立计算，这样虽然实现了各ries经济性和低碳性的良好兼顾，但多区域综合能源系统总体的经济性和低碳性并未达到最优。因此，有必要进一步挖掘碳交易在多区域综合能源系统中的减碳潜力并制定新的调度计划。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，为挖掘碳交易在多区域综合能源系统调度问题中的减碳潜力，提出一种考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，所述方法首先计及碳交易市场中碳排放权的供求互动构建多区域综合能源系统的碳交易成本联合计算模型；然后以总成本最小为目标构建优化调度模型；最后通过求解所述优化调度模型，得到最优的多区域综合能源系统调度结果。
6.上述考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，所述碳交易成本联合计算模型的构建如下：
7.采用基准线法计算单个ries的无偿碳配额：
[0008][0009]
式中，e为单个ries的碳配额；λe是单位发电量的无偿碳配额系数；t表示时段；ωg是ries中燃煤发电机的集合；k为发电机的编号；p
gk,t
是燃煤发电机的功率；λh是单位供热量的无偿碳配额系数；k是发电量转换成供热量的折算系数；是热电联产机组的发电功率；是热电联产机组的供热功率；是燃气锅炉的供热功率。
[0010]
计算单个ries的碳排放：
[0011][0012]
式中，d为单个ries的碳排放；λ
gk
是发电机k的碳排放系数；是发电机k所配备
碳捕集系统的运行功率，当发电机k为燃煤机组时，λr是碳捕集系统捕集单位碳排放所需的电量；λ
p2g
是电转气设备的转换系数；p
p2g,t
是电转气设备的用电功率；λ
chp
是热电联产机组的碳排放系数；λ
gb
是燃气锅炉的碳排放系数。
[0013]
上述考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，所述单个ries进行碳交易时需要考虑碳市场的碳排放权购买上限；因此，得到多区域综合能源系统中第i个ries的碳交易成本计算公式如下：
[0014][0015]
式中，y
car,i
是第i个ries的碳交易成本；c
car
是碳价；di和ei分别是第i个ries的碳排放和碳配额；τ是处罚价格与碳价的比值；d
b,i
是碳排放权的购买量；d
c,i
是碳排放权购买上限。
[0016]
上述考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，由于多区域综合能源系统中各ries之间存在着碳排放权供求互动，所以第i个ries的碳排放权购买上限由多区域综合能源系统中其他ries共同决定，因此得到第i个ries的碳交易成本联合计算公式如下：
[0017][0018]
式中，n是ries的集合；dj和ej分别是第j个ries的碳排放和碳配额；是其他ries向碳市场出售的碳排放权，决定了第i个ries的碳排放权购买上限。
[0019]
对上式进行线性化处理，有：
[0020]
[0021]
式中，m1和m2为无穷大正数；n1和n2为两个0-1决策变量。
[0022]
上述考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，在构建以总成本最小为目标的多区域综合能源系统优化调度模型时，模型的约束条件包括发电机运行约束、风电出力约束、光伏发电约束、天然气传输约束、电转气设备约束、电锅炉约束、热电联产机组约束、燃气锅炉约束、储能装置约束和电负荷、热负荷、气负荷的功率平衡约束。
[0023]
上述考虑碳减排的多区域综合能源系统的优化调度方法，所述优化模型采用商业求解器gurobi求解。
[0024]
有益效果
[0025]
本发明提出一种考虑碳减排的多区域综合能源系统优化调度方法，该方法在综合考虑了碳交易过程中碳排放权的购买上限以及不同区域综合能源系统之间供求互动的基础上，构建了碳交易成本联合计算模型，并以总成本最小为目标构建多区域综合能源系统优化调度模型。本发明加强了综合能源系统与碳交易之间的联系，将能源优化调度与不同区域综合能源系统的电力生产、运行、碳排放量、排放成本放在一起考量，挖掘了碳交易在多区域综合能源系统调度问题中的减碳潜力，完善了碳交易成本的计算，在保证系统良好经济性的同时还降低了系统的碳排放。
附图说明
[0026]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027]
图1为本发明的三区域综合能源的结构图；
[0028]
图2为ries1的负荷功率预测；
[0029]
图3为ries2的风电、光伏发电、负荷功率预测；
[0030]
图4为ries3的风电、光伏发电、负荷功率预测；
[0031]
图5为ries1的电功率优化调度结果；
[0032]
图6为ries2的电功率优化调度结果；
[0033]
图7为ries3的电功率优化调度结果。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0035]
参见图1，本发明以一个三区域综合能源系统进行说明，各ries均从天然气网络购买天然气。ries1的电能全部来源于燃煤机组，碳排放强度较高；ries2的电能来源于燃煤机组、风力发电和光伏发电，碳排放强度适中；ries3的电能来源于碳捕集机组、风力发电和光伏发电，碳排放强度较低。本发明中，多区域综合能源系统优化调度方法包括如下步骤：
[0036]
步骤1：考虑碳减排构建碳交易成本联合计算模型；
[0037]
(1)基于基准线法计算ries的无偿碳配额：
[0038][0039]
式中，e为单个ries的碳配额；λe是单位发电量的无偿碳配额系数；t表示时段；ωg是ries中燃煤发电机的集合；k为发电机的编号；p
gk,t
是燃煤发电机的功率；λh是单位供热量的无偿碳配额系数；k是发电量转换成供热量的折算系数；是热电联产机组的发电功
率；是热电联产机组的供热功率；是燃气锅炉的供热功率。
[0040]
(2)计算ries的碳排放：
[0041][0042]
式中，d为单个ries的碳排放；λ
gk
是发电机k的碳排放系数；是发电机k所配备碳捕集系统的运行功率，当发电机k为燃煤机组时，λr是碳捕集系统捕集单位碳排放所需的电量；λ
p2g
是电转气设备的转换系数；p
p2g,t
是电转气设备的用电功率；λ
chp
是热电联产机组的碳排放系数；λ
gb
是燃气锅炉的碳排放系数。
[0043]
(3)ries碳交易时需要考虑碳市场的碳排放权购买上限，其碳排放权购买量不能超过该上限。基于此，计算第i个ries的碳交易成本：
[0044][0045]
式中，y
car,i
是第i个ries的碳交易成本；c
car
是碳价；di和ei分别是第i个ries的碳排放和碳配额；τ是处罚价格与碳价的比值；d
b,i
是碳排放权的购买量；d
c,i
是碳排放权购买上限。
[0046]
(4)碳交易过程中，多区域综合能源系统中各ries之间存在着碳排放权供求互动。第i个ries的碳排放权购买上限由多区域综合能源系统中其他ries共同决定。基于此，在(3)的基础上联合计算第i个ries的碳交易成本：
[0047][0048]
式中，n是ries的集合；dj和ej分别是第j个ries的碳排放和碳配额；是其他ries向碳市场出售的碳排放权，决定了第i个ries的碳排放权购买上限。
[0049]
(5)线性化式(4)以降低计算难度：
[0050]
记d
v,i
＝max{d
i-e
i-d
b,i
,0}，引入无穷大正数m1和0-1决策变量n1进行线性化处理：
[0051][0052]
当n1＝0时，有：d
i-e
i-d
b,i
≤0，d
v,i
＝0；
[0053]
当n1＝1时，有：d
i-e
i-d
b,i
≥0,d
v,i
＝d
i-e
i-d
b,i
；
[0054]
同理，对于引入无穷大正数m2和0-1决策变量n2进行处理：
[0055][0056]
将式(5)和式(6)代入式(4)得到线性化后的碳交易成本联合计算公式：
[0057][0058]
步骤2：构建以总成本最小为目标的多区域综合能源系统综合调度模型；
[0059]
(1)考虑碳减排的多区域综合能源系统优化调度的目标函数：
[0060][0061][0062][0063]
[0064][0065]yg,i
是第i个ries的发电成本；α
i,k
、β
i,k
和δ
i,k
分别为第i个ries中燃煤发电机k的燃料成本系数；p
i,gk,t
为第i个ries中燃煤机组k的功率；c
cap
为碳捕集价格；为第i个ries中燃煤发电机k的碳捕集系统的运行功率；c
i,gk
为机组启动成本系数；u
i,gk,t
为机组启停0-1变量；在本发明中，碳捕集机组由燃煤机组加装碳捕集系统而成，当ries中无碳捕集机组时，反之，碳捕集机组的发电成本为燃煤机组发电成本和碳捕集系统运行成本之和。
[0066]ynew,i
是第i个ries的新能源发电成本；p
i,w,t
和分别为第i个ries风力发电的实际功率和预测功率；p
i,pv,t
和分别为第i个ries光伏发电的实际功率和预测功率；c
iw
和c
ipv
分别为第i个ries风电和光伏发电的运维价格；和分别为第i个ries风电和光伏发电的弃风弃光惩罚价格。
[0067]yg,i
是第i个ries的天然气购买成本；c
gas
为单位天然气价格；p
i,g,t
为第i个ries的购气功率；q
gas
为天然气低位热值。
[0068]you,i
是第i个ries的耦合设备运维成本；c
p2g
、c
eb
、c
chp
和c
gb
分别为电转气设备、电锅炉、热电联产机组和燃气锅炉的运维价格；p
i,p2g,t
、p
i,eb,t
、p
i,chp,t
和p
i,gb,t
分别为第i个ries电转气设备、电锅炉、热电联产机组和燃气锅炉的输入功率。
[0069]ycar,i
是第i个ries的碳交易成本，计算公式详见式(1)-(7)。
[0070]
(2)模型约束
[0071]
考虑碳减排的多区域综合能源系统优化调度模型的约束条件包括发电机运行约束、风电出力约束、光伏发电约束、天然气传输约束、电转气设备约束、电锅炉约束、热电联产机组约束、燃气锅炉约束、储能装置约束、电负荷平衡约束、热负荷平衡约束和气负荷平衡约束。
[0072]
步骤3：求解多区域综合能源系统优化调度模型得到最优调度结果。
[0073]
实施例
[0074]
本发明以一个三区域综合能源系统为实施例进行说明。
[0075]
一个三区域综合能源系统如图1所示，对所提模型进行验证。图2为ries1的电、热、气负荷预测，图3为ries2的电、热、气负荷预测和风电、光伏发电预测，图4为ries3的电、热、气负荷预测和风电、光伏发电预测，将图2-图4的负荷数据和风电、光伏发电数据导入到模型中，采用商业求解器gurobi进行求解，可以得到ries1、ries2和ries3的最优调度计算结果。根据该计算结果调整次日的调度计划可以提高三区域综合能源系统的经济性。这里以电功率优化调度结果为例进行说明。图5为ries1的最优电功率优化调度结果。由图可知，ries1中，燃煤机组3需要承担主要的发电任务，多数时段内电转气设备和电锅炉需要通过消耗较多的电能而分别输出热功率和气功率。图6为ries2的最优电功率优化调度结果。可以看出，ries2中，风力发电和光伏发电需要承担一部分发电任务，储电装置需要部分时段充电、部分时段放电，从而进行负荷平移。图7为ries3的最优电功率优化调度结果。由图可知，ries3中，碳捕集机组、风力发电和光付发电需要共同承担发电任务，电锅炉需要将电功
率源源不断的转化为热功率。
[0076]
此外，为了验证本发明所提模型在减碳方面的有效性，基于上述实施例比较以下两种情形的计算结果，如表1所示。
[0077]
情形1：碳交易成本联合计算；
[0078]
情形2：碳交易成本独立计算(先计算ries3的碳交易成本以确定碳市场中可交易碳排放权的数量，再依次计算ries2、ries1的碳交易成本)；
[0079]
表1结果对比
[0080][0081]
由表1可知，两种情形下ries1和ries2均需要购买碳排放权，ries3出售碳排放权。情形1与情形2相比而言，ries1的成本下降了9.46％，ries2和ries3的成本分别上升了0.02％、5.77％，但系统总成本却下降了3.57％。同时，情形1总碳排放相比于情形2下降了1.92％。此外，情形1中各ries均能够完成碳排放指标，而情形2中ries1的碳排放却超标了370.77吨。上述结果说明了本发明所提模型既降低了三区域综合能源系统的总成本，又降低了总碳排放，还避免了碳排放超标的情况发生。
[0082]
经过本发明提出的的多区域综合能源系统优化调度方法计算后，就可以执行相应的调度措施了。可采取的调度手段有多种，包括：调节燃煤机组或碳捕集机组的出力；调节风力发电或光伏发电的并网功率；调节电锅炉、电转气设备、热电联产机组或燃气锅炉等耦合设备的输入功率，从而实现不同形式能源之间的功率转化；调节储电、储热或储气装置的充放行为以实现负荷平移。
[0083]
综上所述，本发明所提模型对提高多区域综合能源系统的经济性和低碳性具有一定的参考意义。