一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法技术方案

本发明专利技术公开了属于电力系统优化分析技术领域的一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法。所述方法包括：对碳排放总量限值进行初始分配；采用区域级多能源系统模型优化区域级多能源系统的最优配置；采用跨区级多能源系统模型优化跨区级多能源系统中的输电线路、天然气管道以及电源点；求解多能源系统碳排放流分布确定各区域级多能源系统的碳排放量，对比各区域碳排放总量限值以及区域级多能源系统的计算碳排放量，对各区域碳排放总量限值进行调整，并重新进行规划，通过迭代实现多能源系统的协同低碳规划。本发明专利技术通过对整体碳排放总量限值合理分配，得到整体最优的多能源系统协同低碳规划方法，为能源系统的低碳化规划奠定良好的基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法
本专利技术属于电力系统优化分析
，尤其涉及一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法。
技术介绍
随着能源问题与气候变化问题日益凸出，实现低碳发展、减少化石能源的过度消耗逐渐成为人类社会的共同目标。低碳发展的核心是技术创新、制度创新和发展观的改变，这将涉及生产模式、生活方式、价值观念的重新调整，与国家权益密切相关。多能源系统通过将电力、热力、天然气等多种形式的能源在不同时空环节相互耦合，实现了不同能源系统的协同效应，可提升能源的整体利用效率，提高可再生能源的消纳能力，有效降低碳排放，从而具备显著的低碳效益。从空间维度上，可以将多能源系统分成跨区级多能源系统和区域级多能源系统两类。跨区级多能源系统主要包括输电网和输气网，实现能源的大规模传输；区域级多能源系统是指各类能源在相对较小的空间范围内相互耦合而形成的有机整体，如园区级能源系统等。目前多能源系统的规划问题中大多以经济最优作为目标函数，考虑常规的能源网络方程约束，较少考虑碳排放的限制，没有充分发挥多能源系统的低碳减排效益，也无法区分不同区域多能源系统的碳排放责任。在低碳发展目标下，多能源系统的规划模式将发生显著改变。在低碳发展目标下，多能源系统的规划模式将发生显著改变。碳排放总量控制目标的引入将同时改变跨区级多能源系统和区域级多能源系统的规划结果。与现有技术中的单一能源系统相比，多能源系统的低碳规划需要统筹考虑多种能源形式、多个能源网络。多能源系统的低碳规划，需要综合考虑不同的能源形式以及不同的区域能源系统，通过合理分摊碳排放责任，实现多能源系统的联合规划。在当前气候变化问题日益严峻的背景下，研究面向低碳的多能源系统规划问题具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，其特征在于，所述方法将包含电、热、气的多能源系统划分为上层跨区级多能源系统和下层区域级多能源系统，采用电网和天然气网的网络方程对上层跨区级多能源系统进行规划建模，采用能量枢纽对下层区域级多能源系统进行规划建模，分别得到上层跨区级多能源系统规划模型和下层区域级多能源系统规划模型，并采用碳排放流计算方法求解模型，将整体碳排放总量在各区域级多能源系统之间进行分配，实现跨区级多能源系统与区域级多能源系统之间的协同规划，具体包括以下步骤：1)根据设定的整体碳排放总量目标，将多能源系统整体碳排放总量限值在各区域级多能源系统之间进行初始分配；2)以区域级多能源系统的碳排放总量限值为边界条件，采用下层区域级多能源系统规划模型，优化区域级多能源系统各能量转换元件的最优配置；3)根据步骤2)得到的各区域级多能源系统的输入能源需求，采用上层跨区级多能源系统规划模型，优化跨区级多能源系统中的输电线路、输气管道以及可再生能源发电机组的投资决策；4)根据步骤2)和步骤3)的规划结果，采用碳排放流计算方法求解得到多能源系统的碳排放流分布，确定各区域级多能源系统的碳排放量；通过对比各区域碳排放总量限值以及区域级多能源系统的计算碳排放量，对各区域碳排放总量限值进行调整；5)重新进行区域级多能源系统规划以及跨区级多能源系统规划，利用上下层多能源系统规划模型相互迭代的计算方法，实现多能源系统的协同低碳规划。所述步骤1)具体包括：1-1)计算碳排放量，在不考虑碳排放总量约束的前提下，分别求解上层跨区级多能源系统规划模型和下层区域级多能源系统规划模型，并采用碳排放流计算方法计算各区域级多能源系统的碳排放量；1-2)对碳排放总量限值进行初始分配，若各区域级多能源系统的碳排放量之和大于碳排放总量限值，则根据各区域级多能源系统的实际碳排放量大小等比例设定各区域碳排放总量限值的初始值；若各区域级多能源系统的碳排放量之和小于碳排放总量限值，则设置各区域碳排放总量限值为不考虑碳排放约束对应的实际碳排放量。所述下层区域级多能源系统规划模型为：(1)目标函数式中：ΩCC、ΩCB、ΩCF分别表示待建热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉的集合；分别表示待建热电联产机组j、电锅炉q、燃气锅炉c的0-1决策变量；分别为对应的各类设备的投资成本；δGas、δEle分别表示向跨区级多能源系统购买电力和天然气的价格；分别表示时段t能量枢纽h的电力和天然气需求；表示时段t的持续时间；(2)约束条件(2-1)区域级多能源系统负荷约束对于电力负荷：式中：ΩEC表示已有热电联产机组的集合；ηge分别表示时段t热电联产机组j的能源输入和电能转化效率；表示时段t直接供给的电力；表示时段t的电力负荷；对于热力负荷：式中：ΩEB、ΩEF分别表示已有电锅炉和燃气锅炉的集合；ηgh表示热电联产机组j的热能转化效率；ηEB分别表示时段t电锅炉q的能源输入和转化效率；ηGF分别表示时段t燃气锅炉c的能源输入和转化效率；表示时段t的热力负荷；(2-2)能量枢纽的稳态能量守恒约束对于电能和热能分别有：(2-3)能源转化设备的运行约束对于已有热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉，分别有：式中：分别表示热电联产机组j、电锅炉q、燃气锅炉c的最大允许输入能源；对于待建热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉，分别有：(2-4)区域碳排放量约束其中，式中：Rh,t为时段t区域级多能源系统的碳排放量；分别为时段t区域级多能源系统h所在的电网节点和气网节点的节点碳势值，为区域碳排放总量限值。所述上层跨区级多能源系统规划模型为：(1)目标函数式中：ΩCR、ΩCL、ΩCP分别表示待建可再生能源发电机组、输电线路、天然气管道集合；Xw、Yl、Zp分别为待建可再生能源发电机组w、输电线路l、天然气管道p的0-1决策变量；分别表示待建可再生能源发电机组w、输电线路l、天然气管道p的等年值投资成本；ΩTG、ΩGS分别表示常规火电机组和气源集合；分别表示时段t常规火电机组i的有功出力和平均发电成本；分别表示时段t气源s的天然气输出和平均成本；(2)约束条件：(2-1)电力系统节点负荷平衡约束式中：ΩB表示电网节点集合；A、G、W、H分别表示电网中的节点-线路关联矩阵、节点-发电机组关联矩阵、节点-可再生能源发电机组关联矩阵以及能量枢纽-节点关联矩阵；ΩEL、ΩER、ΩEH分别表示已建线路、已建可再生能源发电机组以及能量枢纽的集合；表示时段t线路l的潮流；表示时段t可再生能源发电机组w的有功出力；表示时段t节点b的负荷；(2-2)线路潮流约束已建线路潮流约束：式中：分别表示时段t线路l首端节点和末端节点的相角；xl、分别为线路l的电抗和容量；待建线路潮流约束：式中：M为一个正数；若规划结果为新建线路l，即Yl＝1，则线路潮流满足潮流方程和容量约束；若规划结果为非新建线路l，即Yl＝0，则线路潮流限制为0；(2-3)发电机组出力约束对于常规火电机组：式中：PiTG分别为时刻t常规火电机组i的最大出力与最小出力；对于已建可再生能源发电机组和待建可再生能源发电机组：式中：为时段t可再生能源发电机组w的预测有功出力；(2-4)天然气系统节点负荷平衡约束式中：ΩN表示天然气网节点集合；B、C、D分别表示天然气网中的节点-管道关联矩阵、节点-气源关联矩阵以及能量枢纽-节点关联矩阵；ΩEP表示已建管道集合；表示时段t管道p本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，其特征在于，所述方法将包含电、热、气的多能源系统划分为上层跨区级多能源系统和下层区域级多能源系统，采用电网和天然气网的网络方程对上层跨区级多能源系统进行规划建模，采用能量枢纽对下层区域级多能源系统进行规划建模，分别得到上层跨区级多能源系统规划模型和下层区域级多能源系统规划模型，并采用碳排放流计算方法求解模型，将整体碳排放总量在各区域级多能源系统之间进行分配，实现跨区级多能源系统与区域级多能源系统之间的协同规划，具体包括以下步骤：1)根据设定的整体碳排放总量目标，将多能源系统整体碳排放总量限值在各区域级多能源系统之间进行初始分配；2)以区域级多能源系统的碳排放总量限值为边界条件，采用下层区域级多能源系统规划模型，优化区域级多能源系统各能量转换元件的最优配置；3)根据步骤2)得到的各区域级多能源系统的输入能源需求，采用上层跨区级多能源系统规划模型，优化跨区级多能源系统中的输电线路、输气管道以及可再生能源发电机组的投资决策；4)根据步骤2)和步骤3)的规划结果，采用碳排放流计算方法求解得到多能源系统的碳排放流分布，确定各区域级多能源系统的碳排放量；通过对比各区域碳排放总量限值以及区域级多能源系统的计算碳排放量，对各区域碳排放总量限值进行调整；5)重新进行区域级多能源系统规划以及跨区级多能源系统规划，利用上下层多能源系统规划模型相互迭代的计算方法，实现多能源系统的协同低碳规划。...

【技术特征摘要】
1.一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，其特征在于，所述方法将包含电、热、气的多能源系统划分为上层跨区级多能源系统和下层区域级多能源系统，采用电网和天然气网的网络方程对上层跨区级多能源系统进行规划建模，采用能量枢纽对下层区域级多能源系统进行规划建模，分别得到上层跨区级多能源系统规划模型和下层区域级多能源系统规划模型，并采用碳排放流计算方法求解模型，将整体碳排放总量在各区域级多能源系统之间进行分配，实现跨区级多能源系统与区域级多能源系统之间的协同规划，具体包括以下步骤：1)根据设定的整体碳排放总量目标，将多能源系统整体碳排放总量限值在各区域级多能源系统之间进行初始分配；2)以区域级多能源系统的碳排放总量限值为边界条件，采用下层区域级多能源系统规划模型，优化区域级多能源系统各能量转换元件的最优配置；3)根据步骤2)得到的各区域级多能源系统的输入能源需求，采用上层跨区级多能源系统规划模型，优化跨区级多能源系统中的输电线路、输气管道以及可再生能源发电机组的投资决策；4)根据步骤2)和步骤3)的规划结果，采用碳排放流计算方法求解得到多能源系统的碳排放流分布，确定各区域级多能源系统的碳排放量；通过对比各区域碳排放总量限值以及区域级多能源系统的计算碳排放量，对各区域碳排放总量限值进行调整；5)重新进行区域级多能源系统规划以及跨区级多能源系统规划，利用上下层多能源系统规划模型相互迭代的计算方法，实现多能源系统的协同低碳规划。2.根据权利要求1所述的一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：1-1)计算碳排放量，在不考虑碳排放总量约束的前提下，分别求解上层跨区级多能源系统规划模型和下层区域级多能源系统规划模型，并采用碳排放流计算方法计算各区域级多能源系统的碳排放量；1-2)对碳排放总量限值进行初始分配，若各区域级多能源系统的碳排放量之和大于碳排放总量限值，则根据各区域级多能源系统的实际碳排放量大小等比例设定各区域碳排放总量限值的初始值；若各区域级多能源系统的碳排放量之和小于碳排放总量限值，则设置各区域碳排放总量限值为不考虑碳排放约束对应的实际碳排放量。3.根据权利要求1所述的一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，其特征在于，所述下层区域级多能源系统规划模型为：(1)目标函数式中：ΩCC、ΩCB、ΩCF分别表示待建热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉的集合；分别表示待建热电联产机组j、电锅炉q、燃气锅炉c的0-1决策变量；分别为对应的各类设备的投资成本；δGas、δEle分别表示向跨区级多能源系统购买电力和天然气的价格；分别表示时段t能量枢纽h的电力和天然气需求；表示时段t的持续时间；(2)约束条件(2-1)区域级多能源系统负荷约束对于电力负荷：式中：ΩEC表示已有热电联产机组的集合；ηge分别表示时段t热电联产机组j的能源输入和电能转化效率；表示时段t直接供给的电力；表示时段t的电力负荷；对于热力负荷：式中：ΩEB、ΩEF分别表示已有电锅炉和燃气锅炉的集合；ηgh表示热电联产机组j的热能转化效率；ηEB分别表示时段t电锅炉q的能源输入和转化效率；ηGF分别表示时段t燃气锅炉c的能源输入和转化效率；表示时段t的热力负荷；(2-2)能量枢纽的稳态能量守恒约束对于电能和热能分别有：(2-3)能源转化设备的运行约束对于已有热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉，分别有：式中：分别表示热电联产机组j、电锅炉q、燃气锅炉c的最大允许输入能源；对于待建热电联产机组、电锅炉、燃气锅炉，分别有：(2-4)区域碳排放量约束其中，式中：Rh,t为时段t区域级多能源系统的碳排放量；分别为时段t区域级多能源系统h所在的电网节点和气网节点的节点碳势值，为区域碳排放总量限值。4.根据权利要求1所述的一种基于碳排放流的多能源系统协同低碳规划方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程耀华，张宁，康重庆，王毅，杨经纬，黄武靖，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11