综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法技术方案

本发明专利技术提供一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，涉及综合能源系统经济运行技术领域。该方法基于能量枢纽概念，提出多能量枢纽合作运营模式，建立包含可再生能源发电和储电设备的多能量枢纽经济运行模型；分析参与合作的各主体的成本效益计算方法，并基于合作博弈理论对各主体实行合作经济运行策略所增加的成本和效益进行分配。本发明专利技术提供的方法充分考虑了综合能源系统供能侧多能互补、用能侧负荷可转移的特点，多能量枢纽优化运行模型具有经济性和有效性，适应绿色低碳的能源系统发展要求，基于Shapley值法分配参与合作的各主体的成本和效益，设计分裂倾向指标验证了此方法对维持合作稳定的积极性。

Multi-Agent Cooperative Optimal Operation and Cost-Benefit Distribution Method of Integrated Energy System

【技术实现步骤摘要】
综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法
本专利技术涉及综合能源系统经济运行
，尤其涉及一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法。
技术介绍
近年来，随着社会经济迅速发展，化石能源的大规模使用导致了传统能源枯竭、环境污染和全球气候恶化等一系列问题。因此，研究清洁高效的可持续能源系统成为了解决问题的必然选择。多能互补的能源互联形式借助传统化石能源和可再生能源之间的互补转换提高了能源可利用率，弥补了各能源单独规划，单独运行的系统的不足；同时，信息系统的发展也使得电、气、热等多种形式的能量流和信息流在整体运行规划时有着更强的耦合关系。多能源的协同规划和调度问题逐渐成为了当前的研究热点，多能源系统将发展迅速并得到广泛应用。快速发展的信息通信、控制和能源技术的融合与能源短缺、环境污染等问题的出现催生了新型能源利用体系—能源互联网。综合能源系统是能源互联网在物理层面上的主要载体，能量枢纽即为综合能源系统的主要集成表现形式。现有研究对包含需求响应的综合能量系统能量枢纽的优化运行做了积极的探索，通常考虑单个能量枢纽的建模，对能量枢纽合作形式和枢纽内能量流方向分析较少；同时，对于能源系统带来的环境问题，发展清洁能源和减少温室气体排放是未来能源系统发展的必要形式，考虑其他温室气体对多能源优化的影响研究较少；已有研究表明，储能装置虽然在可再生能源的接入起到了重要的作用，但其仍然存在着排放的弊端；大量的电动汽车和储能设备接入电网，是良好的需求响应实施主体，可以起到削减用电高峰的作用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，在综合能源系统的背景下考虑了多个能量枢纽互联的模式，适应绿色低碳的能源系统发展要求，合理分配合作下的成本和效益，对合作稳定性具有积极作用。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，包括多能量枢纽合作优化运行策略及基于博弈理论的成本效益分配方法，具体包括以下步骤：步骤1、基于综合能源系统的概念，提出多能量枢纽互联合作的系统架构和各能量枢纽内部结构，分析系统运营模式：步骤1.1、多能量枢纽系统的优化运行的能源供应侧有光伏发电、燃气轮机和电网购电满足枢纽内负荷需求，多能量枢纽系统采用电气联供形式，负荷侧可参与调度的的弹性负荷参与需求响应，可调度的负荷包括电动汽车和制冷空调，每个能量枢纽配备储电设备以提高系统运行经济性；步骤1.2、对能量枢纽内能量流向做出限制，目的是减少线路改造支出；步骤2、建立多能量枢纽数学模型，确定目标函数及优化运行约束条件：步骤2.1、建立能量生产设备、储电设备和弹性负荷运行的数学模型；多能量枢纽外部接入电网和天然气网，能量枢纽内部的能量产生设备为燃气轮机和光伏发电设备；燃气轮机的输出功率表达式为；其中，为第i个能量枢纽在t时刻燃气轮机的电功率；为第i个能量枢纽在t时刻的燃气消耗量；λgas为天然气热值；△T为调度时段时长；光伏输出功率表达式为：其中，是第i个能量枢纽的光伏在t时刻的输出功率；ηGT、ηpv分别为燃气轮机和光伏的发电效率；Si和I分别为第i个能量枢纽光伏辐射面积和强度；θtout为t时刻的室外气温；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电，其荷电状态的表达式为：其中，为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的荷电状态，和分别为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电功率和放电功率，ηES.ch和ηES.dis为储电设备的充电效率和放电功率，ΩESi为储电设备的容量；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率，其荷电状态表达式为：其中，电动汽车k在t时刻的荷电状态；为电动汽车k在t时刻的充电功率；为电动汽车k的充电效率；为电动汽车k的电池容量；其中，为t时刻第i个能量枢纽的室内温度；τ＝R·C，R为建筑物的等效热阻，C为空气的比热容；为第i个能量枢纽在t时刻制冷机输出的冷功率；步骤2.2、确定多能量枢纽合作后以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标的目标函数及各类污染物排放的计算模型，各类污染物包括二氧化碳、氮氧化物和SOx；以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标，其目标函数为：minC＝CG+CP+F其中，CG为能量枢纽的总购买天然气成本、CP为能量枢纽购买电力的成本减去售电费用、F表示能量枢纽上交的污染物排放费用成本πG、πTOU和πS分别为购气价格、购电价格和售电价格；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的购电功率和售电功率；和分别为污染物交易市场的超出部分的二氧化碳排放价格和其他污染物的排放价格，其他污染物包括氮氧化物和SOx；和分别为第i个能量枢纽在t时刻的碳交易配额、总碳排放量和其他污染物的实际排放量；多能量枢纽总碳排放量为：其中，为第i个能量枢纽在t时刻能源供应中实际的碳排放总量，表示储能设备在第i个能量枢纽在t时刻碳排放量，EPG、EGT、EP、EG和ES分别为电网、燃气轮机、电力、天然气和储能的单位碳排放系数；电力消耗和天然气消耗产生的氮氧化物和SOx的排放的表达式为：其中，分别为消耗电力时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；分别为消耗天然气时的氮氧化物和SOx的单位温室气体排放量系数；步骤2.3、确定系统运行约束、电动汽车约束、储电设备约束、用户期望约束和功率平衡约束条件；系统运行约束为：其中，分别表示燃气轮机输出功率的上限、燃气轮机消耗天然气量的上限和燃气轮机的爬坡上限；电动汽车约束为：其中，分别表示第k辆电动汽车的荷电状态上、下限；表示t时刻第k辆电动汽车的功率；和分别为电动汽车k接入和断开第i个能量枢纽充电桩的时刻，两者限定了电动汽车的可调度时段；Sdep.k为可以满足出行距离的SOC值；Sk.min为第k辆电动汽车荷电状态的最小值；dk.max为最大续航里程；PkEV.max为第k辆电动汽车输出功率的最大值；储电设备约束为：其中，分别表示储电设备荷电状态的最小值和最大值；和分别表示第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电状态和放电状态的二进制变量；分别表示第i个能量枢纽中储电设备充电功率的最大值和放电功率的最大值；分别表示在第i个能量枢纽中储电设备在第1时刻和最末时刻T的荷电状态；用户期望约束为：其中，表示t时刻的室内温度；分别表示用户期望的舒适室内温度的最小值和最大值；功率平衡约束为：其中，分别表示第i个能量枢纽中t时刻的售电功率、基本电负荷和电制冷机输出功率；为第i个能量枢纽在t时刻电制冷机的输出的冷功率，COPEC为电制冷机的制冷系数；步骤3、分析多能量枢纽合作运营模式的成本与效益，设计成本计算模型和效益计算方法；步骤3.1、建立多能量枢纽系统实行多主体合作运营模式和多能互补策略所增加的成本计算模型，如下式所示，其中，CM表示多能量枢纽合作运行和实行优化策略所增加的成本；Lpv、Lgas和LES分别为光伏发电、燃气轮机发电和储能装置的平准化成本，Ai为第i个能量枢纽的加班成本；步骤3.2、分析综合能源系统多主体合作实行优化运行策略所获得的效益计算方法，效益来源于用户侧负荷和储电装置响应转移的电量所节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，其特征在于：包括多能量枢纽合作优化运行策略及基于博弈理论的成本效益分配方法，具体包括以下步骤：步骤1、基于综合能源系统的概念，提出多能量枢纽互联合作的系统架构和各能量枢纽内部结构，分析系统运营模式：步骤1.1、多能量枢纽系统的优化运行的能源供应侧有光伏发电、燃气轮机和电网购电满足枢纽内负荷需求，多能量枢纽系统采用电气联供形式，负荷侧可参与调度的的弹性负荷参与需求响应，可调度的负荷包括电动汽车和制冷空调，每个能量枢纽配备储电设备以提高系统运行经济性；步骤1.2、对能量枢纽内能量流向做出限制，目的是减少线路改造支出；步骤2、建立多能量枢纽数学模型，确定目标函数及优化运行约束条件：步骤2.1、建立能量生产设备、储电设备和弹性负荷运行的数学模型；多能量枢纽外部接入电网和天然气网，能量枢纽内部的能量产生设备为燃气轮机和光伏发电设备；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率；步骤2.2、确定多能量枢纽合作后以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标的目标函数及各类污染物排放的计算模型，各类污染物包括二氧化碳、氮氧化物和SOx；步骤2.3、确定系统运行约束、电动汽车约束、储电设备约束、用户期望约束和功率平衡约束条件；步骤3、分析多能量枢纽合作运营模式的成本与效益，设计成本计算模型和效益计算方法；步骤3.1、建立多能量枢纽系统实行多主体合作运营模式和多能互补策略所增加的成本计算模型；步骤3.2、分析综合能源系统多主体合作实行优化运行策略所获得的效益计算方法，效益来源于用户侧负荷和储电装置响应转移的电量所节省的费用、清洁能源优化运行节省的电量费用、多余电量上网的售电费用和减少的排放费用；步骤4、分配多主体合作运营模式所增加的成本和效益；步骤4.1、建立多主体合作博弈模型，根据联盟内各主体对整体贡献，采用Shapley值法确立分配策略；步骤4.2、设计分裂倾向分析指标，确定各主体在实行分配策略下的倾向性；如果所设计的分裂倾向指标小于1，则表示各个参与合作的主体倾向于合作运营；步骤5、结合MATLAB环境下的YALMIP语言调用gurobi求解器得到多能量枢纽优化运行模型的解，并通过合作博弈得到参与合作的各主体的成本效益分配值。...

【技术特征摘要】
1.一种综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，其特征在于：包括多能量枢纽合作优化运行策略及基于博弈理论的成本效益分配方法，具体包括以下步骤：步骤1、基于综合能源系统的概念，提出多能量枢纽互联合作的系统架构和各能量枢纽内部结构，分析系统运营模式：步骤1.1、多能量枢纽系统的优化运行的能源供应侧有光伏发电、燃气轮机和电网购电满足枢纽内负荷需求，多能量枢纽系统采用电气联供形式，负荷侧可参与调度的的弹性负荷参与需求响应，可调度的负荷包括电动汽车和制冷空调，每个能量枢纽配备储电设备以提高系统运行经济性；步骤1.2、对能量枢纽内能量流向做出限制，目的是减少线路改造支出；步骤2、建立多能量枢纽数学模型，确定目标函数及优化运行约束条件：步骤2.1、建立能量生产设备、储电设备和弹性负荷运行的数学模型；多能量枢纽外部接入电网和天然气网，能量枢纽内部的能量产生设备为燃气轮机和光伏发电设备；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率；步骤2.2、确定多能量枢纽合作后以多能量枢纽合作后购买能源费用与污染物排放成本之和最小为目标的目标函数及各类污染物排放的计算模型，各类污染物包括二氧化碳、氮氧化物和SOx；步骤2.3、确定系统运行约束、电动汽车约束、储电设备约束、用户期望约束和功率平衡约束条件；步骤3、分析多能量枢纽合作运营模式的成本与效益，设计成本计算模型和效益计算方法；步骤3.1、建立多能量枢纽系统实行多主体合作运营模式和多能互补策略所增加的成本计算模型；步骤3.2、分析综合能源系统多主体合作实行优化运行策略所获得的效益计算方法，效益来源于用户侧负荷和储电装置响应转移的电量所节省的费用、清洁能源优化运行节省的电量费用、多余电量上网的售电费用和减少的排放费用；步骤4、分配多主体合作运营模式所增加的成本和效益；步骤4.1、建立多主体合作博弈模型，根据联盟内各主体对整体贡献，采用Shapley值法确立分配策略；步骤4.2、设计分裂倾向分析指标，确定各主体在实行分配策略下的倾向性；如果所设计的分裂倾向指标小于1，则表示各个参与合作的主体倾向于合作运营；步骤5、结合MATLAB环境下的YALMIP语言调用gurobi求解器得到多能量枢纽优化运行模型的解，并通过合作博弈得到参与合作的各主体的成本效益分配值。2.根据权利要求1所述的综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，其特征在于：所述步骤2.1中的具体数学模型如下：燃气轮机的输出功率表达式为；其中，为第i个能量枢纽在t时刻燃气轮机的电功率；为第i个能量枢纽在t时刻的燃气消耗量；λgas为天然气热值；ΔT为调度时段时长；光伏输出功率表达式为：其中，是第i个能量枢纽的光伏在t时刻的输出功率；ηGT、ηpv分别为燃气轮机和光伏的发电效率；Si和I分别为第i个能量枢纽光伏辐射面积和强度；为t时刻的室外气温；储电设备根据分时电价的引导，通过在用电低谷时段充电，在用电高峰时段放电，其荷电状态的表达式为：其中，为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的荷电状态，和分别为第i个能量枢纽中储电设备在t时刻的充电功率和放电功率，ηES.ch和ηES.dis为储电设备的充电效率和放电功率，ΩESi为储电设备的容量；电动汽车通过接受调度中心的指令调整自身充电时段和充电功率，其荷电状态表达式为：其中，电动汽车k在t时刻的荷电状态；为电动汽车k在t时刻的充电功率；为电动汽车k的充电效率；为电动汽车k的电池容量；其中，为t时刻第i个能量枢纽的室内温度；τ＝R·C，R为建筑物的等效热阻，C为空气的比热容；为第i个能量枢纽在t时刻制冷机输出的冷功率。3.根据权利要求2所述的综合能源系统多主体合作优化运行与成本效益分配方法，其特征在于：所述步骤2.2中的目标函数为：minC＝CG+CP+F其中，CG为能量枢纽...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗艳红，张馨文，杨东升，周博文，赵胜楠，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21