基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率；基于替代效应和整个过程效率的理论分析，为减少二氧化碳排放量建立优化电力负荷消耗的模型，并考虑经济增长的相关因素改善模型；建立起时间尺度上的优化模型，这是一个求解非线性方程的过程，但若在短期内也可通过假设独立的参数代表部分经济和二氧化碳排放成本来简化为线性规划。由于该方法针对电能替代进程中能源分配与经济成本之间的不协调性，采用类能效函数和双层优化模型求解各类能源替代效应的最优情况。因此该方法能够兼顾环境影响及经济成本对替代能源进行分配，从而使得可再生能源发电量最大。

【技术实现步骤摘要】
基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法
本专利技术涉及一种能源管理技术，特别涉及一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法。
技术介绍
如今，世界上无论是发达国家还是发展中国家所面临的挑战都是调节社会消费和可持续发展之间的矛盾。IEA(国际能源署)的最新研究显示，大多数国家都在用自己的方式达到甚至是超越在巴黎协定中承诺的目标，按目前的进展，它可以有效地抑制由于使用化石能源产生的二氧化碳排放，但还不足以将温升控制在2摄氏度内。面对当前严峻的状况，中国研究人员和电力部门正在讨论通过特高压直流或交流电大规模传输可再生能源的可行性和必要性。中国国家电网提出了跨国电网互联的假设。此外，还有清洁替代和电能替代的“两个替代”国家战略。事实上，这个策略的目的是重建经济和环境友好型的终端能源消费结构，并确保能源开发过程比几十年前更清洁。但是，电能替代必须与经济水平和能源、电气制造的科学技术发展水平相一致，要讲求经济性和合理性，随着经济的发展，人民生活水平的提高，逐步实施，在可能的条件下提高全社会终端能源消费中的电力比重。随着电力工业的发展，电能的生产过程也将越来越经济，越来越清洁，电网的安全性、自动化水平将越来越高，这些都为电能替代提供了良好的支撑，保障了电力的供应。电能替代可以在很多方面得到应用，工业上越来越多的钢铁企业、陶瓷企业用电加热代替煤或油加热；生活上电饭煲、电磁炉、微波炉等电器得到了应用；交通上电气化铁路在快速发展，电动汽车在大力推广。在以后的发展过程中，电能会以自身的优越性而成为社会首选的能源，从而完成人类历史上的第三次能源替代。ChilesIII,J.H分析了长期以来电能使用与国民生产总值之间的相关性。在他的研究中，终端能源的变化主要体现在家里、商业建筑以及工厂设备及流程；电气设备饱和率、电能使用的利用率取决于电能的价格，价格又和化石能源的技术转让成本和可再生能源发电的发展直接相关。IsmetUgursal(1996)研究了在加拿大影响电气设备效率和住宅中终端能源消费上的燃料替代的因素，并通过不同系列的模拟发现了更换低效率电气设备能减少住宅能耗的巨大潜力。然后，研究小组为了建立住宅领域能源消耗评估模型提供了最新的建模技术，评估的技术经济影响采用能源效率和适应住宅应用的可再生能源技术。最新的研究表明，热电和电动汽车直接替代化石能源在终端能源的使用有助于大幅减少二氧化碳的排放。但是，电能替代需要一个过渡过程，如何在终端能源使用量固定的情况下适量的分配各能源的使用使之达到最优还没有相关文献。
技术实现思路
本专利技术是针对能源消耗和能源发展需要更合理能源结构的问题，提出了一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，以可再生能源发电量最大和控制二氧化碳排放量为目标，求解各类能源恰当的电能替代量。本专利技术的技术方案为：一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，量化分析不同种类的能源之间的替代效应，具体包括如下步骤：1)、通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵，从而分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率；2)、建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与CO2排放强度的能源系统等式约束，还包括以CO2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束；该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解；求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时修正成本与CO2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化；3)当双层目标优化模型用于短期工程中时，通过假设独立的参数代表部分经济和二氧化碳排放，设定短期工程时间差内的等式约束和不等式约束，将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解。所述步骤1)分析不同种类的能源之间的替代效应，当两不同种类的能源结构改变时单位的终端能源提供同等效果代表等价替换，两种不同能源的价格取决于能源生成的绝对成本和相关的边际效应，替代效应方程如下：式中的CX和CY表示两种能源的生产成本，而PX和PY代表两种能源的价格，等式的左侧部分取决于绝对成本，MUX和MUY是X和Y的边际效应的缩写，由两者的能源终端利用效率ηX和ηY决定，能源终端利用效率包括生产-网络过程效率和网络-消费过程效率两部分。本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，由于该方法是针对电能替代过程中能源分配与经济成本之间的不协调性而设计的，所以采用类能效函数和双层优化模型求解各类能源替代效应的最优情况。因此该方法能够兼顾环境影响及经济成本对替代能源进行分配，从而使得可再生能源发电量最大。迎合了我国“两个替代”战略，对电能替代进程起到积极影响。附图说明图1为本专利技术基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法流程图；图2为本专利技术实施例中假设的两个不同的终端消费能源在不同效用水平下的替代关系示意图。具体实施方式如图1所示基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法流程图，步骤一：分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率，通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵来进行分析。步骤二：建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与CO2排放强度的能源系统等式约束。还包括以CO2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束。该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解。由于能源系统内电能替代的优化结果是事先未知的，求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时须适当修正成本与CO2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化。步骤三：该模型在满足一定假设条件的前提下可以将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解。例如假设替代能源(清洁能源)使用的经济成本、排放成本、技术替代成本、环境替代成本之和严格小于被替代能源(化石能源)并且参数彼此独立时，则可进行简化处理。实际的具体步骤为：步骤一，首先，分析不同种类的能源之间的替代效应。根据现代经济学理论，两种不同能源的价格取决于能源生成的绝对成本和相关的边际效应。也就是说，当它们的结构发生改变或进行相互替代时，单位终端能源消费所需要的经济与环境成本以及所提供的效用是不相同的，拥有各自的相对比较优势。比如，为了维持交通的需要，用长寿命电池技术更换汽车的液体燃料，使用电动汽车将会导致节能的杠杆效应。替代效应方程如下：式中的CX和CY表示两种能源的生产成本，而PX和PY代表两种能源的价格，等式的左侧部分取决于绝对成本。MUX和MUY是X和Y的边际效应的缩写，由两者的能源终端利用效率ηX和ηY决定。例如，示意图2中X和Y是两个不同的终端消费能源，代表某一行业终端能源的数量，比如煤、电或油、电等组合。根据经济学中无差异曲线的定义可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，其特征在于，量化分析不同种类的能源之间的替代效应，具体包括如下步骤：1)、通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵，从而分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率；2)、建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与CO2排放强度的能源系统等式约束，还包括以CO2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束；该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解；求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时修正成本与CO2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化；3)当双层目标优化模型用于短期工程中时，通过假设独立的参数代表部分经济和二氧化碳排放，设定短期工程时间差内的等式约束和不等式约束，将双层目标优化模型简化为单目标线性优化求解。

【技术特征摘要】
1.一种基于可再生能源电能替代效应的能源结构优化方法，其特征在于，量化分析不同种类的能源之间的替代效应，具体包括如下步骤：1)、通过输入各行业能源消费量及其效率参数计算各类能源消费效率函数，用以输出各行业能源净负荷矩阵，从而分析不同种类的能源之间的替代效应，能量平衡约束和能源最终利用效率；2)、建立电能替代能源结构优化模型并进行优化求解，建立电能替代能源结构优化模型包括以能源净负荷矩阵为基础的初始化生长函数、估计行业能源消费成本与CO2排放强度的能源系统等式约束，还包括以CO2排放及经济发展预期政策目标的能源系统不等式约束；该双层目标优化模型以电能替代规模最大为上层目标，总替代成本最小为下层目标，对此双层目标优化模型进行求解；求解过程中当不满足总体的电能替代规划要求时修正成本与CO2排放强度因数，通过迭代生长函数对能源系统等式约束松弛，直到输出结果满足电能替代规划要求结束优化；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟卿，谈一鸣，李恒，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31