考虑电动汽车和需求响应的综合能源系统低碳调度方法

1.本发明属于综合能源系统调度研究领域，尤其涉及一种考虑电动汽车和需求响应的综合能源系统低碳调度方法。


背景技术：

2.气候变化是国际社会普遍关注的重大全球性问题，关乎全人类的发展。对于电力行业来说，构建多能互补的集成优化的综合能源系统(integrated energysystem,ies)和碳交易市场是节能减排的两大有效措施。近年来，我国出现了大量的综合能源园区，涉及冷、热、电、气多能耦合，并包含多种设备，整体系统运行情况更为复杂。对于综合能源园区模式的分析研究中，部分研究分析了园区综合能源服务的能量流、信息流与资金流，梳理园区综合能源服务的整体关系；有研究以多能源站和储能站为博弈参与者，基于谈判博弈理论建立二者的利益博弈优化模型来协调双方利益诉求；有研究分析了负荷聚合商的模式下考虑综合能源园区需求响应的负荷预测方法。
3.在碳交易市场方面的研究中，有研究说明了建立碳交易市场的必要性，分析了中国碳交易市场的现状，并对中国未来碳交易的路径进行研究，提出相关建议；有研究关注了中国碳市场的运作和收益情况表现，评估了政策干预的实际结果，同时统计估计了深圳市场的波动程度及其与预期收益溢价的关系；有研究将综合能源系统与碳交易结合，综合考虑碳交易成本和外购能源成本，兼顾系统的低碳性和经济性；有研究在综合能源系统中考虑需求响应与分时电价协调，有效降低了系统碳排放和运行成本。
4.近年来，电动汽车由于其绿色、节能的特点也受到广泛关注。对于电动汽车在综合能源系统中的应用，也已经取得一定的研究成果。有研究研究了含一定数量电动汽车的虚拟电厂参与系统优化调度问题并分析了通过对电动汽车充放电合理调度所带来的碳减排效益；有研究结合我国碳交易市场的建设情况，研究了电动汽车充电设施参与碳交易市场的可行性，并进行了相应的模式设计，但在效益分析中并未考虑需求响应带来的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种考虑电动汽车和需求响应的综合能源系统低碳调度方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑电动汽车和需求响应的综合能源系统低碳调度方法，包括如下步骤：
7.(1)建立综合能源园区的拓扑结构图；
8.(2)建立综合能源园区在实施需求响应后的供能模式；
9.(3)构建电动汽车参与后综合能源园区的模式，包括构建电动汽车的充电模式的模型，和电动汽车参与后园区的成本和收益模型；
10.(4)在考虑碳交易的情况下，构建园区的供能环节碳交易成本模型，和电动汽车参与碳交易的模式；
11.(5)以园区净收益最大化为目标函数，部署综合能源园区。
12.进一步地，步骤(1)包括如下子步骤：
13.(1.1)确立基本要求：园区通过投建的能量供应设备和能量转换设备，满足园区内部用户的电负荷、热负荷、冷负荷需求；
14.(1.2)用户的电负荷需求由光伏发电装置、chp和外部电网供应；用户的热负荷由chp、燃气锅炉和电锅炉满足；用户的冷负荷由电制冷机和吸收式制冷机满足。
15.进一步地，步骤(1.2)中，还设置电储能装置用于削峰填谷。
16.进一步地，步骤(2)包括如下子步骤：
17.(2.1)建立园区购能成本模型：综合能源园区为用户提供用能服务，满足用户的冷、热、电负荷需求，因此园区向用户收取供能费用作为自身收益；同时，园区为了满足用户需求，需要向电网购电、向气网购买天然气，作为购能成本；
18.(2.2)建立园区设备维护费用模型：将设备维护费用分为固定维护费用和可变维护费用，可变维护费用与每个设备的输出功率成正比；
19.(2.3)建立价格型需求响应模型：
20.以弹性矩阵描述用户的电负荷需求和热负荷需求，得到实施需求响应后的电负荷和热负荷；对应的响应模型的约束包括：在一个调度周期内电负荷、热负荷的总量保持不变，每个时刻的负荷变化量不能超过预设的范围，且园区给用户供电、供热的平均价格不能高于购入价格；
21.冷负荷需求响应模型：基于电路模拟的等效热参数方法，建立建筑物一阶热力学模型，反映冷负荷与室内温度的关系，从而得到为了维持室内温度需要提供的冷负荷；
22.根据供能价格和供能量计算供能收益。
23.进一步地，步骤(2.3)中，弹性热负荷比例小于弹性电负荷比例。
24.进一步地，步骤(2.3)中，冷负荷需求响应模型采用pmv指标表征用户的舒适度，根据pmv取值限制提供的冷负荷的范围。
25.进一步地，步骤(3)包括如下子步骤：
26.(3.1)构建电动汽车的充电模式的模型，获得不同类型电动汽车的充电功率；具体地，将电动汽车充电模式分为三类：第一类电动汽车一直以额定功率充电；第二类电动汽车允许充电功率小于额定功率，但不能放电，并且必须在第一预定时间内充满电；第三类电动汽车允许充电功率低于额定功率，并且允许放电，但必须在第二预定时间内完成充电；第一预定时间比第二预定时间短；充电费用从高到低依次为：第一类电动汽车、第二类电动汽车、第三类电动汽车；
27.(3.2)构建电动汽车参与后园区的成本和收益模型；具体地，园区需要在满足自身负荷的基础上，额外满足电动汽车充电所需要的电负荷；在这个过程中，将园区额外向电网购买的电功率费用，和向气网购买的天然气功率费用，以及园区内各个设备出力增加，导致的维护费用上升，作为其为电动汽车提供充电服务的成本；同时将园区向充电的电动汽车收取充电费用作为收益。
28.进一步地，步骤(3.2)中，园区可以在一定的约束下，安排电动汽车的充电方式，使得自身总体负荷更加合理，降低运行成本，包括：对于第二类电动汽车，园区可以决策其各个时刻的充电功率；对于第三类电动汽车，园区可以决策其各个时刻充电功率以及放电功
率。
29.进一步地，步骤(4)包括如下子步骤：
30.(4.1)构建供能环节碳交易成本模型；对于综合能源园区来说，碳排放源包括外购的电力、chp机组和燃气锅炉；根据综合能源园区实际的碳排放量，得到在供能环节的碳交易成本；
31.(4.2)构建电动汽车参与碳交易的模式；其中，园区投入建设充电桩的费用为成本，同时获得碳减排收益，还应考虑电动汽车充电桩建设阶段的二氧化碳排放量；又有电动汽车替代传统的燃油车，获得的核证自愿减排量ccer，通过出售ccer获得收益。
32.本发明的有益效果是：本发明考虑电动汽车和需求响应的综合能源园区模式可以有效地降低运行成本和碳交易成本，提高系统收益，使综合能源系统进一步发挥其经济性和低碳性的优势，而投建电动汽车充电桩在碳交易背景下具备较高的经济性。本发明还能够在matlab 内调用cplex求解器进行求解，使用方便简单。
具体实施方式
33.本发明一种考虑电动汽车和需求响应的综合能源系统低碳调度方法，以综合能源园区为主体，首先建立基于能源集线器模型的综合能源园区结构图，明确园区的供求关系。其次借鉴负荷聚合商的模式，通过价格弹性矩阵以及用户舒适度模型考虑园区实施需求响应的供能模式；然后分析电动汽车参与后园区的方案，总结电动汽车的充电模式，分析园区的成本和收益；再研究电动汽车参与碳交易的情况下园区的成本表达式。最后以园区净收益最大化为目标函数，对比有无电动汽车和有无需求响应的情况，并对电动汽车充电桩的投入资金的回收周期和内部收益率进行计算。
34.具体包含以下步骤：
35.(1)建立综合能源园区的拓扑结构图。包括：
36.(1.1)确立基本要求：园区可以通过投建的能量供应设备和能量转换设备，满足园区内部用户的电负荷、热负荷、冷负荷需求。
37.(1.2)用户的电负荷需求可以由光伏发电装置、chp和外部电网供应；用户的热负荷可以由chp、燃气锅炉和电锅炉满足；用户的冷负荷可以由电制冷机和吸收式制冷机满足。此外，电储能装置的存在可以发挥削峰填谷的作用，使园区的用能方式更加经济和灵活。
38.(2)建立园区在实施需求响应后的供能模式，分析其成本和收益。包括：
39.(2.1)建立园区购能成本模型，综合能源园区为用户提供用能服务，满足用户的冷、热、电负荷需求，因此园区向用户收取一定的供能费用作为自身收益。同时，园区为了满足用户需求，需要向电网购电、向气网购买天然气，作为其购能成本：
[0040][0041]
[0042]
式中，p
net，t
和p
g，t
分别为t时刻向电网购电的功率和向气网购买天然气的功率，ρ
e，t
和ρ
g，t
分别为t时刻向电网购电和向天然气网购买天然气的单位价格；t为调度总时段数；δt为调度时间间隔。ce为向电网购电成本；cg为向气网购买天然气成本。
[0043]
(2.2)建立园区设备维护费用模型，一般可以将设备维护费用c2分为固定维护费用和可变维护费用，可变维护费用与每个设备的输出功率成正比。
[0044]
(2.3)建立价格型需求响应模型。
[0045]
园区可以通过实施需求响应来改变用户的用能情况。需求响应一般可以分为价格型和激励型两种，本发明采取价格型需求响应，以弹性矩阵描述用户的用能行为。
[0046]
(2.3.1)用户的电需求弹性矩阵e可以表示为：
[0047][0048]
式中，e
ij
为需求价格弹性系数，其表征了用户的电消费需求对电价变动响应的敏感程度，表达式为：
[0049][0050]
式中，p
load，t
和δp
load，t
分别表示t时刻原始电负荷和实施需求响应后的电负荷变化量；δρ
e，t
表示t时刻电价的变化量；δe为弹性电负荷的比例。由实际意义可知，当i＝j时， e
ij
为一正值，否则为负值。实施价格型需求响应也要满足一定的约束，在一个调度周期内电负荷的总量保持不变：
[0051][0052]
同时，每个时刻的负荷变化量不能过大，也反映在每个时刻的电价不能过高或者过低，即：
[0053][0054]
式中，k为电价变化的最大比例，一般取值为0.5。
[0055]
此外，为了保证消费者的利益，园区给用户供电的平均价格不能高于电网的售电价格：
[0056][0057]
(2.3.2)由于本实施例考虑的是，园区在典型夏季负荷曲线下的收支情况分析，园区的热负荷大部分是用来满足一些设备运行环境的需求，因此热负荷的需求响应也采用与
上述电需求响应相同的建模方式，但弹性热负荷比例δh较低，应该小于弹性电负荷比例δe。
[0058]
用户的热负荷的需求弹性矩阵e
′
可以表示为：
[0059][0060][0061][0062][0063][0064]
式中，为热负荷的需求价格弹性系数，其表征了用户的热负荷的消费需求对供热价格变动响应的敏感程度。h
load，t
和δh
load，t
分别表示t时刻原始热负荷和实施需求响应后的热负荷变化量；ρ
h，t
为t时刻的供热价格，δρ
h，t
表示t时刻供热价格的变化量；δh为弹性热负荷的比例。k’为供热价格变化的最大比例，一般取值为0.5。
[0065]
(2.3.3)而园区的冷负荷需求大部分是，用户用于保持室内温度在一定舒适度范围内，因此本发明考虑冷负荷需求响应的模式是，基于电路模拟的等效热参数方法，建立建筑物一阶热力学模型，反映冷负荷与室内温度的关系：
[0066][0067]
τ＝rc
[0068]
式中，t
in，t
为t时刻的室内温度；t
out，t
为t时刻的室外温度；r为建筑物等效热阻；c为室内空气的比热容；c
load，t
为t时刻为了维持室内温度需要提供的冷负荷。
[0069]
由于人体不易察觉到一定范围内的温度变化，因此室内温度在一定范围内波动并不影响人体舒适度。因此，采用pmv指标表征用户的舒适度：
[0070][0071]
式中，i
pmv
表示pmv指标的值，其为0时表示舒适状态。据iso7733推荐pmv取值应该保持在[-0.5，0.5]之间才能保持人体的舒适度。因此可以基于pmv数值计算得到t时刻需要
的最大冷负荷值c
load max，t
和最小冷负荷值c
load min，t
，而t时刻的冷负荷应该满足 c
load min，t
≤c
load，t
≤c
load max，t
。
[0072]
(2.3.4)据上述分析，园区通过向用户提供冷、热、电需求而获得的收入为：
[0073]ap
＝ae+ah+acꢀꢀꢀ
(3)
[0074][0075][0076][0077]
式中，a
p
为园区供能获得的收益，ae，ah，ac分别为提供电、热、冷负荷需求获得的收益；ρ
h，t
，ρ
c，t
分别为t时刻的供热价格和供冷价格；h
load，t
为t时刻实施需求响应前的热负荷。
[0078]
(3)构建电动汽车参与后园区的模式，总结电动汽车的充电模式，分析园区新的成本和收益。包括：
[0079]
(3.1)构建电动汽车的充电模式的模型。
[0080]
将电动汽车充电模式分为三类：第一类电动汽车一直以额定功率充电，对应实际中希望以最快速度充满电的需求情况，对应的充电费用较高。第二类电动汽车允许充电功率小于额定功率，但不能放电，并且必须在4个小时内充满电，充电费用较低，对应实际中用车不迫切，希望能减少充电费用的需求。第三类电动汽车允许充电功率低于额定功率，并且允许放电，但必须在6个小时内完成充电，充电费用最低。对应实际中有充裕的时间可以进行充电，希望最小化充电成本的需求。
[0081]
(3.1.1)对于第一类电动汽车的充电功率表达式为：
[0082]
p
i，t
＝p
cr
[0083]
soci(t+1)＝soci(t)+p
i，t
·
ηc·
δt/ec[0084]
式中，v1表示第一类电动汽车的集合；p
i，t
表示第i辆电动汽车在t时刻的充电功率；p
cr
表示充电桩的额定输出功率；soci(t)表示t时刻第i辆电动汽车的电池荷电状态；ηc表示电动汽车充电效率；ec表示电动汽车的电池容量。
[0085]
(3.1.2)对于第二类电动汽车的充电功率表达式为：
[0086]
0≤p
i，t
≤p
cr
[0087]
soci(t+1)＝soci(t)+p
i，t
·
ηc·
δt/ec[0088]
soci(t
i，0
+4)＝1
[0089]
式中，υ2为第二类电动汽车的集合；t
i，0
为第i辆电动汽车的并网时刻。
[0090]
(3.1.3)对于第三类电动汽车的充电功率表达式为：
[0091]-p
cr
≤p
i，t
≤p
cr
[0092]
soci(t+1)＝soci(t)+p
i，t
·
ηc·
δt/ec[0093]
soci(t
i，0
+6)＝1
[0094]
式中，v3为第三类电动汽车的集合。
[0095]
(3.2)构建电动汽车参与后，园区的成本和收益模型。
[0096]
园区投资建设充电桩后，向社会车辆开放充电服务。因此，园区需要在满足自身负荷的基础上，额外满足电动汽车充电所需要的电负荷。在这个过程中，将园区额外向电网购买的电功率费用，和向气网购买的天然气功率费用，以及园区内各个设备出力增加，导致的维护费用上升，作为其为电动汽车提供充电服务的成本。同时将园区向充电的电动汽车收取充电费用作为收益。而电动汽车作为一种灵活性资源，在其并网后，园区可以在一定的约束下，灵活安排其充电方式。对干第二类电动汽车。园区可以决策其各个时刻的充电功率，对干第三类电动汽车，园区可以决策其各个时刻充电功率以及放电功率，从而使得自身总体负荷更加合理，降低运行成本。
[0097]
电动汽车参与后，园区的总成本依然可以用式(1)～(2)表示，但相应的p
net，t
和p
g，t
的值将会发生变化。而园区的总收益则在原来的供能收益，即式(3)～(6)的基础上，加入向电动汽车提供充电服务的收益：
[0098]acar
＝a
c1
+a
c2
+a
c3
[0099][0100]
式中，a
car
为园区向电动汽车提供充电服务的收益；a
cj
表示向第j类电动汽车提供充电服务获得的收益；t
0，i
和t
1，i
分别表示第i辆电动汽车的并网时刻和离网时刻；ρ
cj，t
表示向第j类电动汽车充电收取的费用，取ρ
c1，t
＞ρ
c2，t
＞ρ
c3，t
。
[0101]
(4)在考虑碳交易的情况下，分析园区的碳交易成本和电动汽车参与碳交易的模式。包括：
[0102]
(4.1)构建供能环节碳交易成本模型。
[0103]
碳交易是通过建立合法的碳排放权并允许对其进行买卖，从而实现碳排放量控制的交易机制。对于不同的行业来说，是否需要支付相应对价的要求是不同的，依据此可以将碳排放配额的分配方式分为两种方式：免费方式和付费方式。在免费分配方式中又可以分为历史排放法和基准线法。电力行业往往采用的是基准线法。基准线法是指不同的行业会对应不同的生产力水平，将会依据此对该行业的碳排放基准线(率)进行测算，根据算出的基准线(率) 乘以主体的碳排放量，进而获得该主体碳排放配额。
[0104]
对于综合能源园区来说，碳排放源包括外购的电力、chp机组和燃气锅炉。
[0105]
(4.1.1)外购电力对应的碳配额为：
[0106][0107]
式中，ee为外购电力的碳配额；ξe为单位外购电力的碳排放配额，一般可以取电量边际排放因子和容量边际因子的加权平均值。p
net，t
为t时刻向电网购电的功率。
[0108]
(4.1.2)chp机组发电的同时也提高热量。因为本发明所考虑的chp机组热电比大
于1，因此其碳配额按照等效发热量进行分配：
[0109][0110]
式中，e
chp
为chp机组获得的碳配额；ξh为单位供热量的碳配额；μ为发电量折算成供热量的折算系数；p
chp
和h
chp
分别表示chp机组的发电功率和发热功率。
[0111]
(4.1.3)燃气锅炉提供热负荷，其碳配额为：
[0112][0113]
式中，e
gb
为燃气锅炉的碳配额；h
gb
为燃气锅炉的供热功率。
[0114]
(4.1.4)综合能源园区实际的碳排放量如下式所示：
[0115][0116]heq
＝h
chp
+h
gb
[0117]
式中，er为综合能源园区实际的碳排放量；a1，b1，c1为火电机组碳排放系数；a2，b2，c2为天然气碳排放系数。
[0118]
(4.1.5)由此综合能源园区在供能环节的碳交易成本为：
[0119][0120]
式中，表示园区的碳交易成本；表示碳交易价格。由上式可见，当园区的实际碳排放量高于碳配额时，需要通过碳交易市场购买不足的碳配额，碳交易成本大于0；当实际碳排放量小于碳配额时，可以将多余的配额通过碳交易市场出售，获得利润。
[0121]
(4.2)构建电动汽车参与碳交易的模式。
[0122]
园区投入建设充电桩的费用为其初始成本。而园区通过充电桩除了向电动汽车提供充电服务获取一定的收益，还可以获得碳减排收益。电动汽车替代传统的燃油车，可以减少二氧化碳的排放量，获得核证自愿减排量(ccer)，可以对外出售ccer。但也应该考虑电动汽车充电桩建设阶段的二氧化碳排放量：
[0123][0124]
式中，e
con
为充电桩建设阶段所排放的二氧化碳(tco2)；v
ei
为房地产业的二氧化碳排放强度先进值(29.13kg co2/m3)；v
ec
为电子元器件及组件制造业的二氧化碳排放强度先进值 (319.20kg co2/万元)；s为充电桩的占地面积；cd为充电及配电设施购置费用(万元)。
[0125]
电动汽车代替燃油车，减少二氧化碳排放量，通过出售ccer获得的收益a
ccer
为：
[0126]
[0127]
式中，n为电动汽车数量；χ为电动汽车消耗1kwh电量可以行驶的距离，按照市面上常见的电动汽车类型，可以取χ＝7km/kwh；φc表示燃油车行驶单位距离排放的二氧化碳，按照1.6l排量的燃油车进行计算，可以取φc＝2.7kg/km。
[0128]
(5)在matlab内调用cplex求解器进行求解，以园区净收益最大化为目标函数，部署园区；对比有无电动汽车和有无需求响应的情况。其中，净收益为所有收益减去所有成本。
[0129]
(6)根据步骤(5)部署园区后，可以对电动汽车充电桩的投入资金的回收周期和内部收益率进行计算。
[0130][0131]
式中，c为初始投资金额；n为项目周期；ak为第k年的收益；计算出r的值即为内部收益率。
[0132]
将上式中的r设置为贴现率给定；计算满足下式时最小的整数n即为资金回收周期：
[0133][0134]
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施方式相同或近似的方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明专利的保护范围之内。