强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法

1.本发明涉及能源配置优化利用领域，具体地说是一种强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法。


背景技术：

2.以电力为主的综合能源系统是削减碳排放的先行军，实现综合能源系统的碳排放削减有利于加快整个电力行业实现的削减碳排放的目标。
3.需求响应是综合能源系统促进可再生能源消纳、帮助电网实现削峰填谷的重要手段。智慧园区的大工业用户是综合能源系统中的典型用能主体，其在生产过程往往需要多能耦合和转换，其用能设备和储能设备往往具有很高的自动化水平，具有更高的设备控制能力和更大的需求响应容量，因此在碳排放削减和参与需求响应中扮演着重要角色。
4.目前的研究多集中园区参与碳交易市场的传统调度分析，未有划分强耦合园区工业用户的上级购电来源，且鲜有考虑碳交易机制对用户参与综合需求响应的策略的影响；鲜有研究参与碳交易机制前后用户在传统经济调度模式和需求响应模式下用户用能策略的变化。因此，智慧园区内多源供电的大工业用户亟需一种在传统经济调度模式下和综合需求响应模式下的新响应方法，以进一步调整用能计划和响应策略。


技术实现要素：

5.为了克服上述问题所存在的不足，本发明提供了一种基于碳溯源的强耦合工业用户的综合需求响应方法，可以应用在不同类型的工业用户综合能源系统中。
6.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
7.本发明提供了强耦合工业用户基于碳溯源模型的综合需求响应方法，包括：
8.构建工业用户的用能设备模型；
9.基于用能设备模型，根据工业用户用能设备热能梯级，对各用能设备供能所造成的碳排放进行排放设备溯源，根据溯源结果构建用户的碳排放交易权配额模型，进而确定实际碳排放模型；
10.根据日运行费用构建外层经济调度模型，并建立电功率平衡约束和热平衡约束条件；
11.基于用户参与阶梯式碳交易模型以及实际碳排放模型，根据用户的削峰目标和削峰约束，构建内层综合需求响应模型；
12.基于外层经济调度模型和内层综合需求响应模型进行求解，获得强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法最优策略。
13.进一步地，用能设备的热能梯级包含高温热流、中温热流和低温热流，所述热平衡约束包括高温热流约束、中温热流约束和低温热流约束；
14.高温热流约束表示为：
[0015][0016]
中温热流约束表示为：
[0017][0018]
低温热流约束表示为：
[0019][0020]
式中：为燃气轮机输出的高温热流，h
hr.in
(t)为余热锅炉t时段的输入热功率， h
buy
(t)为用户的外购热功率，h
steam
(t)为用户的中温蒸汽负荷，为吸收式制冷机使用的中温热功率，h
ts.s
(t)为储热罐的储热功率，为余热锅炉的中温热流输出功率,|h
ts.r
(t)为储热罐的放热功率；为园区内工业用户回收的低品位热功率；为余热锅炉的低温热流输出功率，为吸收式制冷机使用的低温热功率， h
water
(t)为用户的热水负荷。
[0021]
进一步地，所述用能设备包括园区chp、用户的燃气轮机和燃气锅炉；所述用户获得的碳排放交易权配额模型如下：
[0022][0023]
式中：e
gas
、e
coal
、e
ind
分别为用户的燃气机组碳排放权配额、燃煤机组碳排放权配额和用户获得总碳排放权配额；和分别为燃煤机组单位电力消耗的碳排放权配额和燃气机组单位天然气消耗的碳排放权配额；p
gas
(t)表示t时段用户使用的燃气功率；p
coal
(t)表示t时段用户使用的燃煤功率。
[0024]
进一步地，所述实际碳排放模型表示如下：
[0025][0026]
式中：e
gas.ac
、e
coal.ac
、e
ind
分别为用户的燃气机组、燃煤机组和用户获得的实际碳排放量；和分别为燃煤机组单位电力消耗所产生的实际碳排放量和燃气机组单位天然气消耗所产生的实际碳排放量；p
gas
(t) 表示t时段用户使用的燃气功率；p
coal
(t)表示t时段用户使用的燃煤功率。
[0027]
再进一步地，t时段用户使用的燃气功率p
gas
(t)和t时段用户使用的燃煤功率p
coal
(t)的确定方法如下：
[0028]
认为用户的外购电功率分为园区chp发电和公网供电两部分，园区chp 发电产生的碳排放为燃天然气产生，公网购电均为燃煤产生，表示如下式：
[0029][0030]
式中：p
buy
(t)为用户t时段的外购电功率，为用户向园区chp 的购买的燃气机组发出的电功率，为用户向公网购买的电功率；
[0031]
用户向园区chp的购买的燃气机组发出的电功率由用户的外购热功率h
but
(t)和系统的热电比r
chp
求得，表示如下：
[0032][0033]
用户产生碳排放的途经有上级购电、上级购热、燃气轮机发电和供热，且他们都能够分为燃气机组供能和燃煤机组供能，表示如下：
[0034][0034]
和分别表示燃气轮机的电功率输出和燃气轮机输出的高温热流；
[0035]
当时，系统的外购电分为燃煤发电和燃气发电两部分；t时段用户使用的燃气功率p
gas
(t)和t时段用户使用的燃煤功率 p
coal
(t)分别为：
[0036][0037]
当时，系统t时段用户使用的燃气功率为系统使用的总功率：
[0038][0039]
再进一步地，所述外层经济调度模型表示如下：
[0040][0041][0042][0043][0044][0045]cinc
＝α
inchsteam-add
；
[0046]
式中：系统的日运行费用包括购电成本ce、购热成本ch、购气成本c
gas
、设备运行维护成本c
on
、碳交易成本工厂提升中温热负荷需求所产生的隐性收益c
inc
；t为单位的长
度，和分别为t时段用户的购电电价、外购中品位热蒸汽价格和天然气价格；α
inc
为隐性收益的系数； c
om，i
为设备i的单位功率运行成本，pi(t)为设备i的运行功率；h
steam-add
为蒸汽驱动设备增加的热输入，g
buy
(t)表示用户的外购天然气的功率。。
[0047]
进一步地，所述内层综合需求响应模型，表示如下：
[0048][0049]
式中：t1、t2表示时刻，为用户向公网购买的电功率，表示用户参与需求响应后用户向公网购的电功率；为工业用户应削减的公网购电功率；
[0050]
其中采用如下公式计算和
[0051][0052][0053][0054][0055]
表示用户参与需求响应后用户向园区chp的购买的燃气机组发出的电功率，p
buy-dr
(t)表示用户参与需求响应后用户t时段的外购电功率， h
buy-dr
(t)表示用户参与需求响应后用户的外购热功率；
[0056]
削峰时段的约束表示如下：
[0057][0058]
需求响应时段的中温热流约束：
[0059][0060]
需求响应时段的低温热流约束：
[0061][0062]
式中：h
buy-dr
(t)为需求响应后用户的外购中温热功率，为用户增加热需求后增加的低温热功率。
[0063]
进一步地，用户参与阶梯式碳交易模型表示如下：
[0064]
进一步地，基于外层经济调度模型和内层综合需求响应模型进行求解，包括对内层综合需求响应模型做去绝对值处理，对实际碳排放模型和用户参与阶梯式碳交易模型的分段函数做线性化处理；内层综合需求响应模型为混合整数线性模型，先行求解，再将其作为约束带入外层经济调度模型中，可将外层经济调度模型转换为混合整数线性线性模型，采用混合整数线性规划法即能够对外层经济调度模型求解。
[0065]
本发明相比现有技术有如下优点：
[0066]
本发明的强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法考虑了高自动化水平的工业用户的梯级能效利用。在考虑碳交易机制的情况下，用户的碳排量降低，日运行成本降低，用户在用能时对清洁能源的使用率更高；根据碳交易机制的成本比重，为用户提供不同需求响应策略，所提出的策略可进一步增加用户参与需求响应的意愿，并为用户在不同模式下参与需求响应提供了不同的响应策略。在考虑碳交易机制下用户参与综合需求响应的运行成本更低，有利于实现碳排放降低、公网削峰和用户运行成本降低的三赢。
附图说明
[0067]
附图1为智慧园区强耦合工业用户的典型碳溯源用能结构和园区互动示意图；
[0068]
附图2为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制前用户的一次供电来源图；
[0069]
附图3为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制后用户的一次供电来源图；
[0070]
附图4为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制前用户的电平衡优化调度结果；
[0071]
附图5为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制后用户的电平衡优化调度结果；
[0072]
附图6为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制前用户的热平衡优化调度结果；
[0073]
附图7为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制后用户的热平衡优化调度结果；
[0074]
附图8为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制前用户的冷平衡优化调度结果；
[0075]
附图9为实例中传统经济调度模式下考虑碳交易机制后用户的冷平衡优化调度结果；
[0076]
附图10为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制前用户的公网购电功率对比；
[0077]
附图11为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制后用户的公网购电功率对比；
[0078]
附图12为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制前用户的电平衡优化调度结果；
[0079]
附图13为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制后用户的电平衡优化调度结果；
[0080]
附图14为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制前用户的热平衡优化调度结果；
[0081]
附图15为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制后用户的热平衡优化调度结果；
[0082]
附图16为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制前用户的吸收式制冷机出力变化；
[0083]
附图17为实例中综合需求响应模式下考虑碳交易机制后用户的吸收式制冷机出力变化。
具体实施方式
[0084]
下面结合附图与实例对本发明作进一步的说明。
[0085]
下面详细说明本发明的建模方法的构建思路。
[0086]
实施例1：强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法，包括：
[0087]
一、确立强耦合工业用户的用能设备模型
[0088]
智慧园区大工业用户在不同时间、不同空间上对冷、热、电等多种能源有不同程度的需求。品类丰富的能源生产设备、能源转换设备和储能设备使得用户有大量的用能策略可以选择。工业用户的用能方案大多以经济性为主，考虑碳排放政策、需求响应政策等外部因素。
[0089]
在碳交易机制下，由于不同机组的碳排放的模型不同，在梯级能效利用的大工业用户用能系统中，用户需要对用能的来源进行溯源，以精确控制自身的碳排放成本。为尽量削减碳排放，传统以购能成本和设备运维成本为导向的用能策略需要做出调整；同时，园区大工业用户是参与需求响应的重要用户，在响应削峰指令时，用户往往会改变自己的用能方式和用能结构，传统的响应策略一般只考虑响应时段的响应效果，用户的成本损失由电网来承担。当碳交易成本加入系统的日运行成本后，用户不得不重新考虑参与综合需求响应时的响应策略。
[0090]
本发明构建的典型综合智慧园区强耦合大工业用户的用能结构和园区互动示意图如图1所示。用户外购多种能源并通过自身的能源生产和存储设备来满足自身的电负荷、中温热负荷、热水负荷和冷负荷。用户可以通过光伏机组和燃气轮机发电、向园区chp和公网购电来满足用电需求；燃气轮机的高温热出力可以通过余热锅炉转化为中温热流和低温热流，用户通过燃气轮机机组供热和向园区chp(热电联产又称汽电共生，英语:cogeneration,combined heat and power，是利用热机或发电站同时产生电力和有用的热量)。
[0091]
购热来满足中温热需求；用户优先使用低温热流来满足热水负荷；中温热流和低温热流均可以通过吸收式制冷机来制冷，用户的冷负荷通过吸收式制冷机和电制冷设备来共同完成。
[0092]
建立强耦合的工业用户的用能设备模型：
[0093]
1)燃气轮机
[0094]
燃气轮机是用户冷热电联供系统中的重要设备，是园区工业用户用以补充电能和热能的重要设备。燃气轮机的输入和输出关系可由线性表述，其具体模型如下：
[0095][0096][0097]
式中：g
gt
(t)为t时段燃气轮机的天然气输入功率；和分别表示燃气轮的电功率输出和高温热功率输出；和分别是他们的对应转换效率。
[0098]
2)余热锅炉
[0099]
余热锅炉通常与燃气轮机成对出现。在本发明构建的模型中，余热锅炉收集燃气轮机产生的高温烟气并重新加热，对外输出中温热流和低温热流。其输出的中、低品位热功
率与输入热功率之间关系如下所示：
[0100][0101][0102]
式中：h
hr.in
(t)为余热锅炉t时段的输入热功率，和分别为余热锅炉的中温热流输出功率和低温热流输出功率；和分别中温热流和低温热流的回收效率。
[0103]
3)空调
[0104]
空调输出冷功率与其输入通常有如下关系：
[0105]qair.c
(t)=i
air.c
p
air.c
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0106]
式中：p
air.c
(t)为空调t时段的电功率输入，q
air.c
(t)为对应的制冷量输出，i
air.c
为空调的制冷能效比。
[0107]
4)吸收式制冷机
[0108]
吸收式制冷机可利用中温热流或低温热流进行制冷作业，单效吸收式制冷机的制冷效率通常与热输入的关系为：
[0109]qbr
(t)＝i
brhbr
(t)
ꢀꢀꢀ
(6)；
[0110]
式中：h
br
(t)为吸收式制冷机t时段的热输入，h
br
(t)为对应的制冷量输出，i
br
为其转化效率。
[0111]
5)蒸汽驱动设备
[0112]
用户的蒸汽驱动设备以中品位热流为驱动，在进行工业生产的同时，可以回收剩余蒸汽，产生低品位热：
[0113][0114]
式中：h
steam
(t)为设备t时段消耗的中品位热负荷，为回收的低品位热功率，表示回收的效率。
[0115]
6)储能设备
[0116]
储能设备是园区工业用户重要的调峰设备，一般用于能源低价时段储存能源以供用户在能源高价时段使用的作用。在考虑碳排放的园区工业用户系统中也可以用其作储存低碳能源，调节用户碳排放。园区大工业用户的储能设备一般有储热、蓄冷和储电三种，其模型可统一由式(8)表示：
[0117][0118]
式中：s
x
(t)为储能设备x在t时段的储能状态，和分别为设备的充能的耗能功率和放能功率，i
trans
为设备的充能转换的能效比，一般用于表示冰蓄冷装置的制冷能效比。和分别表示设备x的充能效率和放能效率。
[0119]
二、构建出用户的碳排放权配额、实际碳排放模型与用户参与阶梯式碳交易机制
的模型
[0120]
园区工业用户的碳排放来源一般可分为燃气机组的碳排放和燃煤机组的碳排放；一般认为园区chp、用户的燃气轮机和燃气锅炉等设备供能所造成的碳排放为燃天然气机产生的碳排放，用户向公网购电为燃煤产生的碳排放。
[0121]
用户向园区chp购买中温热蒸汽来满足中温热需求，园区chp在供热的同时发电；在此模式下，认为用户的外购电功率分为园区chp发电和公网供电两部分，园区chp发电产生的碳排放为燃天然气产生，公网购电均为燃煤产生:
[0122][0123]
式中：p
buy
(t)为用户t时段的外购电功率，为其中用户向园区 chp的购买的燃天气机组发出的电功率，为用户向公网购买的电功率。
[0124]
用户购得的园区chp发电量可由用户的购热量h
buy
(t)和系统的热电比r
chp
求得：
[0125][0126]
式(11)表示用户产生碳排放的途经有上级购电、上级购热、燃气轮机发电和供热，且他们都可以分为燃气机组供能和燃煤机组供能。
[0127][0128]
式中：p
gas
(t)和p
coal
(t)分别表示t时段用户使用的燃气功率和燃煤功率。
[0129]
本发明建立的模型中，认为工业用户外购的中温热流全部来自园区chp，根据园区chp的热电比可得用户向园区chp购得的发电量且认为剩余购电量均为从公网购买的燃煤机组发电。碳排放交易权配额模型如下：
[0130][0131]
式中：e
gas
、e
coal
、e
ind
分别为用户的燃天然气机组碳排放权配额、燃煤机组碳排放权配额和用户获得总碳排放权配额；和分别为燃气机组单位电力消耗的碳排放权配额和燃煤机组单位消耗的碳排放权配额。
[0132]
本发明建立的实际的碳排放模型中，也只需区分燃煤机组提供的能量和燃天然气机组提供的能量。
[0133][0134]
式中：e
gas.ac
、e
coal.ac
、e
ind
分别为用户的燃天然气机组、燃煤机组和用户获得的实际碳排放量；和分别为燃煤机组单位电力消耗所产生的实际碳排放量和燃煤机组单位天然气消耗所产生的实际碳排放量。
[0135]
由于用户的中温热需求和电能需求未必在时间上统一，因此用户购热使 chp所产生的发电量可能超过此时用户的电能需求。当时，系统的外购电分为燃煤发电和燃气发电两部分；此时系统使用的总燃气功率p
gas
(t)为和燃煤功率p
coal
(t)分别为：
[0136][0137]
当时，认为所有外购电功率均为燃气发电，此时系统中无燃煤功率，系统消耗的燃气功率为系统使用的总功率：
[0138][0139]
用户的实际碳排量与碳排放配额作差即可得到用户实际参与碳交易市场的交易份额：
[0140]etrade
＝e
ind.ac-e
ind
ꢀꢀꢀ
(16)；
[0141]
式中：e
trade
为用户的碳排放权交易额。
[0142]
相较于传统碳交易定价机制，阶梯式碳交易机制一般对高碳排放的企业量有着更好的限制效果。用户参与阶梯式碳交易模型可由下式表示：
[0143][0144]
式中：为用户的碳交易成本，λ为碳交易的基价，d为区间长度，交易价格的增长幅度；t
trade
≤0时，用户的碳排放量低于碳排放额度，可以基价通过碳交易市场对外出售碳排放权交易额。
[0145]
(3)结合工业用户的运行优化目标和约束条件，构建出外层经济调度模型
[0146]
1)外层经济调度模型
[0147]
将一天划分为96个时段，模型的外层优化目标为系统的日运行费用，系统的日运行费用由购电成本ce、购热成本ch、购气成本c
gas
、设备运行维护成本c
om
、碳交易成本和
工厂提升中温热负荷需求所产生的隐性收益c
inc
共同构成：
[0148][0149][0150][0151][0152][0153]cinc
＝α
inchsteam-add
ꢀꢀꢀ
(23)；
[0154]
式中：t为单位的长度，和分别为t时段用户的购电电价、外购中品位热蒸汽价格和天然气价格；α
inc
为隐性收益的系数；c
om,i
为设备i的单位功率运行成本，pi(t)为其运行功率。用户向园区chp购电功率的电价与公网电价保持一致。
[0155]
2)约束条件
[0156]
电功率平衡约束：
[0157][0158]
式中：p
load
(t)为电负荷需求，p
pv
(t)为光伏机组出力，p
es.s
(t)和p
es.r
(t)为电池的充电功率和放电功率，p
ice.s
(t)为冰蓄冷装置的耗电功率。
[0159]
热功率平衡约束：
[0160]
1.高温热流约束：
[0161][0162]
2.中温热流约束：
[0163][0164]
3.低温热流约束：
[0165][0166]
式中：h
steam
(t)为用户的中温蒸汽负荷，为吸收式制冷机使用的中温热功率，h
ts.s
(t)和h
ts.r
(t)分别为储热罐的储热功率和放热功率。为吸收式制冷机使用的低温热功率，h
water
(t)为用户的热水负荷。
[0167]
冷功率平衡约束：
[0168]qair.c
(t) q
ice
(t) q
br
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀ
(29)；
[0169]
式中：q
ice
(t)为冰蓄冷装置的制冷功率，q
load
(t)为用户的冷负荷。
[0170]
(4)结合用户的碳排放来源确定用户的内层综合需求响应模型，并确定用户的削峰目标和削峰约束；
[0171]
工业用户从上级购买电功率、蒸汽负荷和天然气来满足自身的负荷需求，购热功
率和部分购电功率由园区chp满足。在削峰时段，园区能量管理中心根据园区内各用户的用能计划和电网的削峰要求，向用户下发削峰指令，要求参与响应的用户在削峰时段减小向电网购买的电功率。用户可在增加热负荷需求的同时减小购电功率以尽量满足削峰需求；工业用户在削峰时段的优化目标应为：
[0172][0173]
式中：和分别表示用户参与需求响应前后用户的公网购电功率，可以由式(9)和式(10)求得；δp
ref
(t)为工业用户应削减的公网购电功率。
[0174]
削峰时段的需求响应约束：
[0175]
认为用户的在需求响应过程中的削减功率应逐渐接近削峰需求：
[0176][0177]
需求响应时段的中温热流约束：
[0178][0179]
式中：h
buy-dr
(t)为需求响应后用户的外购中温热功率，为用户增加热需求后增加的低温热功率。
[0180]
需求响应时段的低温热流约束：
[0181][0182]
(5)对所建立的混合整数非线性优化模型进行线性化处理，并使用混合整数线性规划法进行求解，获得强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法最优策略
[0183]
本发明构建的考虑阶梯式碳交易机制的用户参与综合需求响应的模型为混合整数双层非线性模型；根据式(31)可对削峰时段的优化目标做去绝对值处理，对碳排放模型和阶梯式碳交易模型中的分段函数做线性化处理；内层的综合需求响应模型为混合整数线性模型，可先行求解，再将其作为约束带入上层模型中，可将模型转换为混合整数线性线性模型，采用混合整数线性规划法即可对其求解。
[0184]
该方法首先搭建了智慧园区内工业用户的实际用能设备模型，在考虑能源的梯级能效利用和不同能源的碳排放权配额和实际碳排放量的基础上，以考虑阶梯式碳交易机子下系统的日运行成本最小为目标，构建出系统的经济调度模型。其次，为满足园区下发的削峰需求，以用户向公网购电功率的变化量尽可能接近园区下发的削峰目标建立工业用户的综合需求响应模型，响应上级电网和园区的需求。
[0185]
为了详细分析本技术所提一种强耦合工业用户基于碳溯源的综合需求响应方法对用户优化运行的支撑效果，采用一个智慧园区内自动化水平较高的工业用户综合能源系统作为实例场景，该综合能源系统，该系统中包含高温热流、中温热流和低温热流；工业用户的内部用能系统设备包括光伏机组、燃气轮机、蓄电池、蓄热槽、余热锅炉、吸收式制冷机、冰蓄冷装置、蒸汽驱动设备和空调，用户的外部供能系统主要为园区的热电联供装置和电网。
[0186]
1.传统经济调度分析
[0187]
为验证本发明提出的用能策略的有效性，对两种传统经济调度的运行场景进行了
比较分析，探究两种运行场景下用户的用能策略的差别及其原因。场景1 为阶梯式碳交易情况下，优化目标不考虑碳交易成本，仅考虑购能成本、设备运行维护成本的传统经济调度场景；场景2在考虑碳交易机制的情况下，优化目标考虑购能成本、阶梯式碳交易成本和设备运行维护成本的情况下的经济调度场景。
[0188]
表1为实例中传统经济调度模式下考虑阶梯式碳交易机制前后经济性对比。
[0189][0190]
由表1可知，场景2中用户的购电成本下降，购热成本和购气成本上升；碳排放量相较于场景1中下降了4.7t，碳交易成本下降了60.4％，系统的日运行总成本下降了1 975.1元。
[0191]
由图2-图3可知，分析两个场景用户的一次用电策略，用户在考虑碳交易成本之后，用户全时段的用电功率都有轻微的下降；结合用户的购电成本下降，购热成本和购气成本上升，用户在用能选择上倾向于碳排放量更小的热能和天然气。
[0192]
传统的经济调度中，由于燃气轮机的效率并不高，用户仅在购电成本较高的峰时段使用燃气轮机供能，考虑碳交易机制后，由于使用燃气轮机供电的实际碳排放量小于公网购电产生的碳排放量，燃气轮机在峰时段的出力更高。用户在全时段的向园区chp的购电量明显增加，在部分中品位蒸汽热负荷需求较高的时段，用户仅依靠向园区chp购电和燃气轮机发电来满足自身的电负荷需求；可见在考虑碳交易机制优化后，用户对电网的供能依赖程度明显降低。
[0193]
结合表1和图4可知，用户在考虑碳交易机制前后的总用能策略变化不大。在考虑碳交易机制前，由于谷时段的电价较低，用户选择在此时段对储能设备充能以供峰时段使用；由图1用户的多能耦合关系可知，用户可以通过空调和冰蓄冷设备使用电能来满足冷负荷，或者通过吸收式制冷机使用热能来满足冷负荷；由图2可知，在绝大部分时段，用户增加的用电功率都需要从公网购买，从而显著增加了用户的实际碳排放量；因此在考虑碳交易机制后用户将大部份时段的空调出力降低，且不再在谷时段蓄冷，以降低用户的碳交易成本。
[0194]
由于园区用户存在购热上限，用户在热负荷高峰来临之前存储部分热能以供高峰负荷时使用。由高温热流约束可知，余热锅炉的出力仅受燃气轮机的热出力约束；由图4可知，燃气轮机在峰时段出力较场景1有增加，因此余热锅炉的中品位热出力也响应增加。
[0195]
用户在考虑阶梯式碳交易后，购热成本明显上升；结合图6-图7可知，用户选择增加外购热以供吸收式制冷机制冷使用，同时降低空调出力，节省峰时段和平时段的购电成本；因此，用户在峰时段和谷时段吸收式制冷机达到满发，由于原先的储热时段由于增加吸收式制冷机的购热，用户的储热时段提前且储热过程更加分散。在谷时段，用户部分增加购热，将碳交易额控制在6t，以满足系统运行的经济性。
[0196]
用户的冷负荷主要由吸收式制冷机、户用空调和冰蓄冷装置共同满足。用户的热
水负荷主要由蒸汽驱动设备回收的低温热源和余热锅炉的低温热出力来满足，剩余的低温热流供给吸收式制冷机进行制冷。在考虑阶梯式碳交易机制前，由于平时段和谷时段使用空调的单位制冷的用能成本最低，吸收式制冷机仅使用低温热流进行供冷，剩余部分由空调满足；峰时段用户使用冰蓄冷装置供冷的成本最低，空调其次，因此吸收式制冷机仅使用低温热源工作。
[0197]
在考虑阶梯式碳交易机制后，用户一方面需要增加购热以提升一次用电中园区chp来源的比例，另一方面由于需要削减向公网购电的功率，用户不再使用冰蓄冷设备在谷时段蓄冷，在峰时段和谷时段通过外购中品位热使得吸收式制冷机达到满发，以减少实际的碳排放量。
[0198]
根据上述分析可知，在传统经济调度的场景下，用户在考虑阶梯式碳交易机制后的更新了冷、热和电的用能策略，在削减碳排放的同时尽量减小用能成本，以达到经济性最优。
[0199]
2.综合需求响应分析
[0200]
在削峰时段(16:45-17:45)，园区根据电网的调度指令，确定对此工业用户下发1 550kw的削峰指令。此工业用户在削峰时段，可增加蒸汽热负荷需求，同时以0.2元/(kw
·
h)的收益系数获得隐性收益。
[0201]
为验证本发明提出的模型在参与综合需求响应时的优势，并分析在此模型下考虑碳交易机制前后用户的响应策略，设置场景3为用户在场景1的优化背景下参与综合需求响应，场景4为用户在场景2的优化背景下参与综合需求响应。用户在此场景下的最终优化情况如表2所示。
[0202]
两种场景下用户都可以通过综合需求响应满足园区下发的1 550kw削峰需求。
[0203]
表2为实例中考虑碳交易机制前后用户参与综合需求响应的响应策略对比。
[0204][0205]
由表2可知，由于两种场景下用户在参与综合需求响应后都选择增加了购热功率，使得用户向园区chp购电功率提高，其单位能耗的实际碳排放量有所降低，场景3下用户的碳交易成本降低，因此其碳交易成本都有相应的下降；场景4用户在维持碳交易成本不变的情况下降低了购能成本；因此在相同优化目标下，参与需求响应之后系统的运行成本相较于之前略有下降。
[0206]
场景3中，用户不考虑碳交易机制的情况下参与电热综合需求响应，用户在削峰阶段向公网购电的功率由1 947.82kw下降至397.82kw，完全满足园区下发的削峰需求；其中用户降低外购电功率1 255.99kw，增加外购热功率411.62kw，使得用户使用的外购电功率中园区chp发电的功率上升294.01kw。由表2可知，由于用户的隐形收益系数小于用户的单位购热热成本，用户此时仅选择部分增加热负荷来满足需求响应。由图10-11和表2可知，由
于用户在优化调度时不考虑碳排放，用户在需求响应前后的日运行总购电功率几乎不变，仅将原本削峰时段的部分负荷前移，因此用户在削峰前的时段用户的公网购电功率增加，其他时段用户的购电功率几乎不变。
[0207]
由图11-12可知，在不考虑碳交易机制的情况下，用户参与综合需求响应后，用户依旧选择在谷时段对电池进行充电，在第一个峰时段放电，同时在第二个峰时段来临前进行补电，但将整体的补电时间提前使其错开削峰时段，在削峰时段用户将充电功率降至0；在考虑碳交易后，用户在削峰时段并未完全取消充电行为，而是仅将充电功率降低。
[0208]
用户在需求响应阶段可通过增加热需求、吸收式制冷机增发或增加储热来增加购热需求。为完成削峰目标，用户在两个场景都首先选择将储热时段提前以增大需求响应时段用户的购热功率；由图13-17可知，在考虑碳交易机制前后用户都将储热时段提前至削峰时段；但在不考虑碳交易机制时，用户仅部分增加热需求160.8kw，由于增加热需求后用户回收的低温热功率也增加，吸收式制冷机仅使用这部分热功率进行增发；在考虑碳交易机制后，用户将热需求增加至最大，吸收式制冷机不仅多使用回收的热流，还增加外购热热功率来达到满发。
[0209]
不难看出，虽然用户在考虑碳交易机制前后参加综合需求响应都可以满足园区下发的削峰需求，需求响应前后的成本变化情况也相近，但两种场景下用户的响应原则完全不同。在不考虑碳交易机制时，用户参加需求响应的原则是“以电定热”，用户先尽量削减自身的购电需求，因此用户将电池的充电功率降至最低，剩余的削峰需求，用户再通过提前储热和部分增加热需求来满足，在吸收式制冷机因多回收的余热而略微增发时，用户的空调出力也降低，用户的降低的购电功率仅通过电池和空调来完成。在考虑阶梯式碳交易机制后，用户的需求响应原则变为“以热定电”，用户首先尽量增加自身的热需求，因此即便用户的隐性收益小于增加的购热成本，用户仍然将自身的热需求增至最大并将吸收式制冷机增至满发，剩余的削峰需求，用户再通过部分削减电池的充电功率来完成。
[0210]
结合上述分析可知，在考虑用户的上级购电来源的情况下，是否考虑碳交易机制会使用户参与综合需求响应的响应策略产生根本的变化；在考虑阶梯式碳交易之后，用户的综合需求响应策略会从以电需求响应为主转变为以热需求响应为主。
[0211]
本发明将智慧园区大工业用户的上级购电来源细化，在此基础上提出用户基于阶梯式碳交易机制参与综合需求响应的优化调度模型。该模型以最优经济调度为目标，充分考虑了用户在不同模式下参与综合需求响应的对自身调度情况的改变。通过研究分析，得到以下结论。
[0212]
1)大工业用户在考虑上级购电来源和阶梯式碳交易机制之后，可以在降低日运行成本的同时，降低碳排放，用户对公网供电的依赖程度更低，将减少使用电能来满足其他形式的负荷。
[0213]
2)所提出的模型使得用户参与需求响应后的日运行成本相较于之前稍低，用户的成本减小使得用户参与综合需求响应的意愿更高，用户在参与需求响应后可以优化设备的的配置使用。
[0214]
3)相较传统的需求响应策略，本发明中给出用户在考虑碳交易机制前后需求响应策略，为园区大工业用户提供了两种模式下参与综合需求响应时的基本响应原则。
[0215]
以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。