面向碳中和的电-气-热综合能源系统优化调度方法

摘要

本发明提供一种面向碳中和的电‑气‑热综合能源系统优化调度方法。属于综合能源优化调度技术领域。方法包括以下步骤：步骤一：建立综合能源系统模型；步骤二：建立约束条件，根据综合能源系统内的运行设备，建立单元设备元件的约束条件，包括电网子系统约束、气网子系统约束、热网子系统约束、能量枢纽约束；步骤三：利用步骤一和步骤二，对综合能源系统模型进行求解，找到最优解，对电‑气‑热综合能源系统进行优化调度。本发明的方法使可再生能源风能的消纳达到了最大化，即无风电浪费的情况，对于未来新能源的规划和运行模式提供了新思路，也给未来微电网的建设提供了很大参考价值。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源优化调度技术领域，具体涉及一种面向碳中和的电-气-热综合能源系统优化调度方法。

背景技术

综合能源系统(integrated energy systems,IES)是根据电、热、气等多种能源类型的互补特性以及能量梯级利用原则，对多能系统进行统一规划和协调优化运行，提高能源利用率的重要途经。在环境问题日渐突出的背景下，建立综合能源系统被认为是降低碳排量的有效举措，电制氢综合能源系统的运行优化一直是该领域的研究热点。目前，有关综合能源系统的研究集中大都集中在经济调度方面，国内在有关综合能源系统的环境效益方面还没有一个统一定义。与此同时，国内在电力设备运行产生的碳排放管理方面的研究甚少，没有足够的信息来形成科学可靠的低碳综合能源系统运行策略。通过CiteSpace分析的近几年综合能源系统类研究及引用频次处于极少数目。目前大多数研究都是通过电转气和热电联产的协调运作的方式提高系统整体的经济性，但并未考虑市场参与下系统的经济调度和环境问题。

多数文献建立的综合能源系统模型过于简单，未充分考虑碳交易市场的作用；在运用P2G促进风电负荷消纳时，鲜有考虑P2G和电-气-热综合能源协调运行过程具备的效益。同时，鲜有文献综合考虑阶梯式碳交易机制、细化P2G运行协同运行对IES调度的影响。未来能源系统将迎来多种转型与变革，尤其是各种低碳与清洁技术的应用，各种转型与变革并非孤立存在，而是相辅相成，协同发展。因此有必要对电-气-热综合能源系统协调运行进行深入研究。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明提供一种面向碳中和的电-气-热综合能源系统优化调度方法。

具体的技术方案为：

面向碳中和的电-气-热综合能源系统优化调度方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立综合能源系统模型，综合考虑IES的购能成本

步骤二：建立约束条件，根据综合能源系统内的运行设备，建立单元设备元件的约束条件，包括电网子系统约束、气网子系统约束、热网子系统约束、能量枢纽约束；

步骤三：利用步骤一和步骤二，对综合能源系统模型进行求解，找到最优解，对电-气-热综合能源系统进行优化调度。

进一步的，所述方法步骤一中：

购能成本

式中：P

阶梯式碳交易成本

实际碳排放模型如下：

式中：E

阶梯式碳交易成本为：

式中：μ为碳交易基价，m为价格增长率，L为碳排区间长度；

弃风成本

式中：δ

进一步的，所述方法步骤二中电网子系统约束具体包括：

配电网采用交流潮流模型，其中静态安全约束条件包括节点功率平衡方程，线路热稳定约束，和节点电压约束；

节点功率平衡方程如下：

式中，P

线路热稳定约束如下：

式中，P

节点电压约束如下：

V

该式代表各节点电压均处于合理范围内。

进一步的，所述方法步骤二中气网子系统约束具体包括：

配气网的静态安全约束条件包括节点流量平衡方程；具体如下：

A

式中，A

V

进一步的，所述方法步骤二中热网子系统约束具体包括：

热网管道静态约束为节点热功率与温度平衡方程，节点温度与管道始末温度平衡方程，节点温度约束，管道中温度约束；

节点热功率与温度平衡方程如下：

式中，φ为热网管道节点热功率；M

节点温度与管道始末端温度平衡方程如下：

式中，T

节点温度约束如下：

该式代表各节点温度均处于合理范围内；

管道温度约束如下：

该式代表各管道温度均处于合理范围内。

进一步的，所述方法步骤二中能量枢纽约束具体包括：

通过耦合矩阵来表征系统中的能量输入与输出关系，能源枢纽的输入端口由电网线路输入的功率Pe，天然气管道输入的天然气G

上式中，H

进一步的，所述方法步骤三中通过蚁群算法求解综合能源系统模型。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明针对现有技术没有考虑综合能源的环境问题，设计引入阶梯碳交易模型，建立电-气-热综合能源系统协调运行优化调度方法。

本发明建立模型求解优化调度方法对于综合能源系统来说是一种可靠且新颖的思路，为未来的微电网能源系统规划提供参考模型。

本发明对难以直接得出影响程度的影响因素，通过数学软件得到确切结果，有理有据，具有说服力。

本发明分析处理模型进行求解过程中所涉及的变量，通过建立的模型带入实际数据进行计算验证，不再仅限于假设和推理阶段。

本发明的综合能源优化调度方法是一种可靠且新颖的方法。通过建立电-气综合能源模型、引入碳交易机制，并结合P2G技术吸收CO2特点和传统的综合能源系统对比，明显的可以看出本发明的优化调度策略能够兼顾环境效益和经济效益。同时本发明的方法使可再生能源风能的消纳达到了最大化，即无风电浪费的情况，这对于未来新能源的规划和运行模式提供了新思路，也给未来微电网的建设提供了很大参考价值。

附图说明

图1为本发明实例中面向碳中和的电-气-热综合能源系统结构示意图。

图2为本发明实例中面向碳中和的电-气-热综合能源系统方法流程图。

图3为本发明实例中能量枢纽模型的结构图。

图4为本发明实例中面向碳中和的电-气-热综合能源系统阶梯碳交易模型求解流程图。

图5为本发明实例中各时间段负荷曲线图。

图6a、图6b、图6c分别为最优电负荷、最优热负荷、最优气负荷示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种电-气-热的综合能源系统优化调度法，提高可再生能源消纳和提高风机利用率，减少弃风现象，引入阶梯式碳交易机制，细化P2G运行过程以及运行策略对IES优化调度的影响，构建了以购能成本、碳排放成本、弃风成本最小的低碳经济运行目标，并将原来问题转化为混合整数线性问题，运用cplex和yalmip求解器进行求解，并通过对比分析不同情景的调度结果，验证了所提策略的有效性。

综合能源系统结构示意图如图1所示，其中：

EH:(Electric heater)电热器；

GB:(Gas boiler)燃气锅炉；

CCHP:(combined cooling heating and power)冷热电联产技术；

P2G:(Power to gas)电解制氢；

GT:(generator)发电机；

GE：蒸汽轮机。

面向碳中和的电-气-热综合能源系统方法流程图如图2所示，具体如下：

步骤一：建立综合能源系统模型。综合考虑IES的购能成本

(1)购能成本

式中：P

(2)阶梯式碳交易成本

实际碳排放模型如下：

式中：E

阶梯式碳交易成本为：

式中：μ为碳交易基价，m为价格增长率，L为碳排区间长度

(3)弃风成本

式中：δ

步骤二：建立约束条件，根据综合能源系统内的运行设备，建立单元设备元件的约束条件，

(1)电网子系统约束：

本发明中配电网采用交流潮流模型，其中静态安全约束条件包括节点功率平衡方程，线路热稳定约束，和节点电压约束。

节点功率平衡方程如下：

式中，P

线路热稳定约束如下：

式中，P

节点电压约束如下：

V

该式代表各节点电压均处于合理范围内。

(2)气网子系统约束。

配气网的静态安全约束条件包括节点流量平衡方程，环路压力平衡方程，气源约束和管道传输约束。

节点流量平衡方程如下：

A

式中，A

V

(3)热网子系统约束

配热网中的热量在源荷间传输需要通过媒介传递的。假设热网管道中媒介在热能传输时，其质量保持不变。则其静态约束为节点热功率与温度平衡方程，节点温度与管道始末温度平衡方程，节点温度约束，管道中温度约束。

节点热功率与温度平衡方程如下：

式中，φ为热网管道节点热功率；M

节点温度与管道始末端温度平衡方程如下：

式中，T

节点温度约束如下：

该式代表各节点温度均处于合理范围内。

管道温度约束如下：

该式代表各管道温度均处于合理范围内。

(4)能量枢纽约束

能量枢纽模型将综合能源系统的能量输入和输出在宏观上相联系，将电力线路推广成能量互联器。其核心思想是通过耦合矩阵来表征系统中的能量输入与输出关系，能量枢纽模型的结构如图3所示.

能源枢纽的输入端口由电网线路输入的功率Pe，天然气管道输入的天然气G

上式中，H

步骤三：算例验证。模型求解流程图如图4所示。本方法所提的是一个单目标优化问题，采用鲁棒性好，搜索能力强的蚁群算法(ACO)进行求解。以一天24小时为一个计算周期进行优化调度，在该IES内部代入符合其预测的风力，电负荷和气负荷数据如图5所示，分时电价取河南2019年版分时电价，天然气价取0.35kg/(kw/h),单位弃风惩罚成本δ

表1分时电价

表2设备参数

表3实际碳排放模型参数

表4储能参数

步骤四：结果分析。优化结果如下表5所示，最优电负荷、最优热负荷、最优气负荷示意图分别如6a、图6b、图6c所示。在情景1中以传统的经济运行为优化目标，即不考率环境因素，由于各个时段气价均比电价便宜，IES系统会尽可能多地购买天然气，通过燃气轮机进行供电，但大量购买天然气会导致燃烧的天然气产生的实际碳排量远远高于碳排放权配额量，这也增大了总成本。情景2优化时考虑碳交易成本，虽然购气比购电便宜，但由于此时燃烧天然气处于高碳排放状态，碳排放成本较高，因此相比于情景1，情景2减少了购气，增加了购电；而情景3由于阶梯式碳交易机制的缘故，碳排放权配额呈现阶梯式增长，在一定程度上进一步限制了系统的碳排放量，因此情景3再次减少购气，增加购电。对比三种场景，明显可以看出增加阶梯式碳交易机制下，IES在降低CO2排放的的同时，又有较低的运行成本，同时验证了本调度方法的可行性。

表5蚁群算法优化结果

本发明通过引入阶梯式碳交易模式，以混合整数线性问题的形式并通过cplex和yalmip求解器进行求解，并通过对比分析不同情景的调度结果，验证了本发明提出的优化策略既能保证系统的经济性又能保持系统的碳排放在较低的水平。

建立的综合能源优化调度模型可以很好的推广到未来的微网建设中去，同时本发明的优化调度使风电消纳实现了无浪费的情况，促进了可再生能源的消纳，对于未来其他可再生能源系统运行模式提供了参考模式。

本发明克服了现有电气综合能源系统优化调度算法没有考虑电转气和低碳化的优化运行目标的缺陷，能适应低碳化运行新趋势下的电气综合能源系统优化调度需求。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。