考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法。本发明专利技术的技术方案包括步骤：以能源中心模型为基础，对综合能源系统的耦合环节进行建模，输入能源为电能和天然气，输出电能、热能和天然气以供应负荷需求；将碳交易机制引入综合能源系统调度模型中，综合考虑整个能源供应环节的碳排放，并设立了过排放罚金机制；将柔性负荷应用于综合能源系统的低碳经济运行中；在上述基础上，引入电力系统网络约束、天然气系统网络约束和能源中心内部约束，建立了以碳交易成本、柔性负荷调度成本和系统能耗成本为目标的综合能源系统低碳经济调度模型。本发明专利技术能够促进可再生能源消纳，降低系统能耗和碳排放，显著提升系统的综合效益。

【技术实现步骤摘要】
考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法
本专利技术涉及电力系统领域，特别是一种考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法。
技术介绍
随着我国经济社会的不断发展，能源形势和环境污染的日益严峻，多能互补的综合能源系统作为解决能源危机与环境问题的必然选择，已成为社会各界的关注焦点。综合能源系统打破了各能源分开规划、独立运行的既有模式，能够实现多种能源的协同优化互济，是提高清洁能源利用效率，实现节能减排和保障能源供应安全的有力支撑技术。目前，碳交易机制被认为是最有效的节能减排措施之一。至今，已有许多研究将碳交易机制引入传统电力系统，有的进一步研究了电-气互联综合系统的低碳经济模型。然而，目前研究都只计及了电力系统中常规发电机组碳排放的影响，没有考虑其他能源供应环节产生的碳排放。对于综合能源系统，其碳排放成本不应只考虑电力系统，而应该综合考虑整个能源供应系统。此外，柔性负荷能够通过参与系统优化调度，能够削峰填谷，平衡风电波动，减少弃风量和CO2排放量，有利于丰富综合能源系统调度运行手段。因此，在进行综合能源系统的协同优化时就有必要考虑柔性负荷的影响。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其有利于降低能耗和减少碳排放，以显著提高系统整体效益。本专利技术采用以下的技术方案：考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其包括步骤：1)以能源中心模型为基础，对综合能源系统的耦合环节进行建模，输入能源为电能和天然气，输出电能、热能和天然气以供应负荷需求；能源中心模型是一种将能源供应侧和需求侧连接在一起，描述多能源系统中能源供应、负荷需求、网络之间交换、模块间耦合关系的输入-输出端口模型；2)将碳交易机制引入综合能源系统调度模式中，计及整个能源供应环节的碳交易成本，并对于碳排放系数较高的火电机组设置罚金，以进一步约束系统的CO2排放量；3)考虑柔性负荷对综合能源系统优化调度的影响，将柔性负荷分为可削减负荷、可转移负荷和可平移负荷三类；4)建立碳交易机制下计及柔性负荷的综合能源系统低碳经济调度模型；5)对综合能源系统低碳经济调度模型进行线性化处理并求解得到调度结果。本专利技术在含风电的综合能源系统中同时引入碳交易机制和柔性负荷，有利于降低能耗和减少碳排放，显著提高系统整体效益。首先，碳交易机制的引入能够改变以经济调度为主的传统调度模式，实现低碳与经济的协调化和多目标问题单目标化。此外，在碳交易模式下引入柔性负荷，能够通过调整负荷曲线来提升系统风电消纳和降低综合运行成本。作为上述技术方案的补充，整个综合能源系统分为源侧、网侧、能源中心和负荷侧，整个综合能源系统中需考虑的碳排放源为能源中心与火电机组，能源中心主要考虑燃气锅炉和CHP的碳排放成本；对于碳排放系数高的火电机组，将其碳交易过程分为三个阶段：当实际碳排放小于碳交易配额时，出售碳排放权以获取收益；当实际碳排放大于碳交易配额且超额量小于购买的碳权时，只需按碳交易价格购买超额部分；当实际碳排放大于碳交易配额且超额量大于购买的碳权时，除了需要支付购买的碳排放权的交易成本，还需要支付超额部分的罚金；综上，火电机组的碳交易成本计算式如下式所示：式中：F1为IES在一个调度周期T内的总碳交易成本；为火电机组在t时段的碳交易成本；为t时刻火电厂购买到的的碳排放权；σ为购买碳排放权的裕度；为t时段的罚金价格；为t时刻的碳交易价格；和分别为火电机组在t时段碳排放量与碳排放配额；为所有能源中心在时段t的碳交易成本。作为上述技术方案的补充，所述的可削减负荷按照需要对其进行削减，负荷削减后的补偿费用为：式中：fcut为可削减负荷的调度成本；为可削减负荷的固定削减成本；为单位容量负荷削减的调度成本系数；是表示负荷在t时刻是否被削减的0-1变量；为可削减负荷在t时刻的被削减量；考虑到用户的实际需求，可削减负荷需满足负荷削减上下限约束以及削减频次约束：式中：和分别为可削减负荷削减量的上、下限；为一个调度周期内允许的最大负荷削减次数。作为上述技术方案的补充，所述的可转移负荷根据能量管理的需求，部分或全部转移至调度周期内其他时刻，但一个调度周期内总负荷量不变；可转移负荷调度成本与负荷转移量成比例：式中：fmov为可转移负荷调度成本；Cmov为单位容量负荷转移的调度成本系数；为可转移负荷在t时刻的转移量；可转移负荷需满足负荷转移上下限约束以及负荷所需电能不变约束，即：式中，和分别为可转移负荷转移量的上、下限。作为上述技术方案的补充，所述的可平移负荷受生产流程约束，只能将负荷曲线在一定时间段内整体平移；可平移负荷调度成本为：式中：ftr为可平移负荷调度成本；Ctr为单位容量负荷平移的调度成本系数；为可平移负荷的原起始时刻和终止时刻；J为可平移负荷原起始时刻的集合；为原始区间内t时刻可平移负荷功率；t*为负荷平移后的起始时刻；是表示可平移负荷在t时刻是否被平移的0-1变量；可平移负荷需满足在规定时间内启动负荷的需求：式中：Tlim为负荷时间延迟上限。作为上述技术方案的补充，引入电力系统网络约束、天然气系统网络约束和能源中心内部约束，建立以碳交易成本、柔性负荷调度成本和系统能耗成本为目标的综合能源系统低碳经济调度模型。作为上述技术方案的补充，综合能源系统低碳经济调度模型的优化目标为碳交易成本F1、柔性负荷调度成本F2和能源消耗成本F3之和：minF＝F1+F2+F3，式中，F为综合能源系统一个调度周期内的总运行成本；能源消耗成本包括火电机组的燃料成本和天然气的气源出力成本：式中：NG为天然气源集合；ai、bi、ci为第i台火电机组的耗量特性曲线参数；表示t时段第j个天然气源的输出功率；为第j个天然气源成本系数；为t时刻第i台火电机组的输出电功率；NP为火电机组集合。作为上述技术方案的补充，考虑柔性负荷的综合能源系统低碳经济调度模型的约束条件包括能源中心内部约束、电力网络约束和天然气网络约束，其中能源中心内部约束条件包括功率平衡约束、多能流转换约束、设备出力上下限约束和储气装置约束；电力网络约束包括节点功率平衡约束、发电机出力上下限约束和功率传输约束；天然气网络约束包括节点流量平衡约束、气源出力约束、加压站约束和管道传输约束。作为上述技术方案的补充，将综合能源系统低碳经济调度模型进行线性化处理，并采用MATLAB环境下的商业求解器YALMIP+GUROBI进行求解。作为上述技术方案的补充，综合能源系统低碳经济调度模型采用MATLAB环境下的商业求解器YALMIP+GUROBI进行求解的过程如下：天然气管道传输流量与管道两端的节点气压以及管道传输系数有关，天然气管道传输约束表示为：pmin,i≤pi,t≤pmax,i，式中：Knj为管道nj传输系数；表示管道nj传输天然气流量的限值；pmax,i和pmin,i分别为节点i的气压上限和下限；pn,t和pi,t分别表示t时刻节点n与节点j的气压；表示加压站出口节点n至节点j的传输流量。上述约束使得所构建模型是非凸的，且难以通过商业求解器求解；为了能够有效求解，下面采用二阶锥松弛技术将其转化成混合整数二阶锥规划模型，即MISOCP模型：首先，将天然气管道传输约束转化成如下式所示的混合整数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括步骤：1)以能源中心模型为基础，对综合能源系统的耦合环节进行建模，输入能源为电能和天然气，输出电能、热能和天然气以供应负荷需求；2)将碳交易机制引入综合能源系统调度模式中，计及整个能源供应环节的碳交易成本，并对于碳排放系数较高的火电机组设置罚金，以进一步约束系统的CO2排放量；3)考虑柔性负荷对综合能源系统优化调度的影响，将柔性负荷分为可削减负荷、可转移负荷和可平移负荷三类；4)建立碳交易机制下计及柔性负荷的综合能源系统低碳经济调度模型；5)对综合能源系统低碳经济调度模型进行线性化处理并求解得到调度结果。

【技术特征摘要】
1.考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括步骤：1)以能源中心模型为基础，对综合能源系统的耦合环节进行建模，输入能源为电能和天然气，输出电能、热能和天然气以供应负荷需求；2)将碳交易机制引入综合能源系统调度模式中，计及整个能源供应环节的碳交易成本，并对于碳排放系数较高的火电机组设置罚金，以进一步约束系统的CO2排放量；3)考虑柔性负荷对综合能源系统优化调度的影响，将柔性负荷分为可削减负荷、可转移负荷和可平移负荷三类；4)建立碳交易机制下计及柔性负荷的综合能源系统低碳经济调度模型；5)对综合能源系统低碳经济调度模型进行线性化处理并求解得到调度结果。2.根据权利要求1所述的考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，整个综合能源系统分为源侧、网侧、能源中心和负荷侧，整个综合能源系统中需考虑的碳排放源为能源中心与火电机组，能源中心主要考虑燃气锅炉和CHP的碳排放成本；对于碳排放系数高的火电机组，将其碳交易过程分为三个阶段：当实际碳排放小于碳交易配额时，出售碳排放权以获取收益；当实际碳排放大于碳交易配额且超额量小于购买的碳权时，只需按碳交易价格购买超额部分；当实际碳排放大于碳交易配额且超额量大于购买的碳权时，除了需要支付购买的碳排放权的交易成本，还需要支付超额部分的罚金；综上，火电机组的碳交易成本计算式如下式所示：式中：F1为IES在一个调度周期T内的总碳交易成本；为火电机组在t时段的碳交易成本；为t时刻火电厂购买到的的碳排放权；σ为购买碳排放权的裕度；为t时段的罚金价格；为t时刻的碳交易价格；和分别为火电机组在t时段碳排放量与碳排放配额；为所有能源中心在时段t的碳交易成本。3.根据权利要求1或2所述的考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，构建可削减负荷、可平移负荷和可转移负荷三种柔性负荷模型，并应用于综合能源系统的优化调度；所述的可削减负荷按照需要对其进行削减，负荷削减后的补偿费用为：式中：fcut为可削减负荷的调度成本；为可削减负荷的固定削减成本；为单位容量负荷削减的调度成本系数；是表示负荷在t时刻是否被削减的0-1变量；为可削减负荷在t时刻的被削减量；考虑到用户的实际需求，可削减负荷需满足负荷削减上下限约束以及削减频次约束：式中：和分别为可削减负荷削减量的上、下限；为一个调度周期内允许的最大负荷削减次数。4.根据权利要求1或2所述的考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的可转移负荷根据能量管理的需求，部分或全部转移至调度周期内其他时刻，但一个调度周期内总负荷量不变；可转移负荷调度成本与负荷转移量成比例：式中：fmov为可转移负荷调度成本；Cmov为单位容量负荷转移的调度成本系数；为可转移负荷在t时刻的转移量；可转移负荷需满足负荷转移上下限约束以及负荷所需电能不变约束，即：式中，和分别为可转移负荷转移量的上、下限。5.根据权利要求1或2所述的考虑碳交易机制和柔性负荷的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的可平移负荷受生产流程约束，只能将负荷曲线在一定时间段内整体平移；可平移负荷调度成本为：式中：ftr为可平移负荷调度成本；Ctr为单位容量负荷平移的调度成本系数；为可平移负荷的原起始时刻和终止时刻；J为可平移负荷原起始时刻的集合；为原始区间内t时刻可平移负荷功率；t*为负荷平移后的起始时刻；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟民，李志强，张利军，孙可，徐晨博，孙轶恺，王蕾，邹波，尹建兵，郑朝明，林紫菡，文福拴，闫园，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江大学，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33