一种园区综合能源系统低碳优化调度方法

本发明属于能源调度，具体涉及一种园区综合能源系统低碳优化调度方法。

背景技术：

1、园区综合能源系统(community integrated energy system，cies)作为“智慧城市”建设中的用能主体，可以实现不同能源之间的优势互补，已成为“双碳”战略目标下低碳园区建设领域的研究热点。

2、清洁能源的不稳定特性导致弃能问题尤为突出，提高其消纳能力是低碳园区建设的重要工作。论文《考虑电转气消纳风电的电-气综合能源系统双层优化调度》中详细介绍了电转气(power to gas，p2g)技术的基本理念，建立了含p2g和风电的双层优化调度模型，结果表明运用p2g将盈余电能转化为天然气，可以有效提高风电的消纳能力。然而，在该论文中，建立的p2g运行模型过于简单，未精细化建立p2g两阶段运行模型；并且，未考虑p2g甲烷化过程强放热的反应特性，且未进一步分析该反应特性的供热能力。

3、碳交易机制的引入是减少园区碳排放量的有效手段之一。论文《碳交易机制下计及用电行为的虚拟电厂经济调度模型》中提出将综合能源系统参与到碳交易市场，验证了引入碳交易机制后系统碳减排能力的提升。但该论文仅以固定碳价的方式进行交易，市场的引导作用有限；论文《考虑阶梯式碳交易的电-气-热综合能源系统低碳经济调度》进一步提出了阶梯式碳交易机制，通过构建阶梯碳价，进一步约束了综合能源系统的碳排放。但上述论文中碳交易机制主要是针对碳配额不足情形，设计不同程度的惩罚措施，未充分考虑实际情况存在碳配额冗余的情形。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中p2g运行模型建立过程中，未精细化构建p2g两阶段运行模型且未考虑p2g甲烷化过程反应热供热，从而容易导致风、光等可再生能源不能得到最大化利用的技术问题；以及现有碳交易机制模型建立过程中，未充分考虑实际情况存在碳配额冗余，从而容易导致园区碳排放量不能得到充分约束的技术问题，而提供的低碳优化调度技术。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种园区综合能源系统低碳优化调度方法，具体包括如下步骤：

4、步骤1：建立园区综合能源系统中所包含的热电联产机组、燃气锅炉及储能设备等机组运行模型，从而建立园区综合能源系统运行拓扑结构；

5、步骤2：精细化构建电转气两阶段运行模型，基于此建立电转气甲烷化过程反应热供能模型；

6、步骤3：基于现有碳交易机制，建立含补偿系数的园区综合能源系统阶梯式碳交易机制模型；

7、步骤4：以运行成本、弃能功率、碳排放量最小为目标函数，基于步骤2和步骤3，建立园区综合能源系统优化运行模型，并设计该模型的约束条件，利用cplex求解器对该模型进行多目标优化计算。

8、步骤1具体包括以下步骤：

9、步骤1)建立热电联产机组运行模型

10、热电联产机组由燃气轮机和余热锅炉构成，燃气轮机通过燃烧天然气进行发电，排出的余热由余热锅炉回收用于供热，其运行模型如式(1)所示：

11、

12、式中：pchp,e(t)、pchp,h(t)——t时刻chp机组的供电、供热功率，kw；qgt(t)——t时刻燃气轮机的排气余热量，kw；ηe——燃气轮机的发电效率；hl——天然气低热值，kwh/m3，hl＝9.7kwh/m3；gchp,g(t)——t时刻chp机组的耗气量，m3；ηloss——散热损失率；ηh——余热回收效率；cop,h——为余热锅炉的烟气回收率；

13、步骤2)建立燃气锅炉机组运行模型

14、燃气锅炉通过燃烧天然气用于供热，其运行模型如式(2)所示：

15、hgb(t)＝ηgb,hhlggb,g(t) (2)

16、式中：hgb(t)——t时刻gb的供热功率，kw；ηgb,h——燃气锅炉的制热效率；ggb,g(t)——t时刻gb的耗气量，m3；

17、步骤3)建立储能设备机组运行模型

18、储能设备主要包括蓄电池及蓄热槽，运行模型如式(3)-(4)所示：

19、

20、

21、式中：——t时刻蓄电池的荷电状态；——t时刻蓄电池的充、放电功率，kw；ηbt,chg、ηbt,dis——t时刻蓄电池的充、放电效率；——t时刻蓄热槽的蓄热能；——t时刻蓄热槽的蓄、放热功率，kw；γh——蓄热槽能量自损率；ηhst,chg、ηhst,dis——蓄热槽的蓄、放热效率。

22、步骤2具体包括以下步骤：

23、步骤1)分析电转气两阶段运行机理，分别为电解水制氢和甲烷化两个阶段，电解水制氢是甲烷化的前置反应，基于此精细化构建电转气两阶段运行模型；

24、步骤2)关注电转气甲烷化过程的强放热反应特性，分析该反应特性的供热能力，基于此建立电转气甲烷化过程反应热供能模型；

25、在步骤1)中，精细化构建电转气两阶段运行模型时步骤如下：

26、①建立质子交换膜电解槽装置运行模型：

27、

28、式中：——t时刻电解槽输出的氢能，m3；pp2g(t)——t时刻电转气耗电量，kw；ηew为电解水制氢效率；——电解槽设备耗电量上、下限值，kw；

29、②建立甲烷反应器运行模型：

30、

31、式中：——t时刻甲烷反应器输出的天然气量、耗氢量，m3；ηmr——甲烷反应器的能量转化效率；——甲烷反应器耗氢量上、下限值，m3；

32、在步骤2)中，建立电转气甲烷化过程反应热供能模型时步骤如下：

33、①分析甲烷化过程热化学反应式，电转气甲烷化过程中，每生成1mol的甲烷，会释放165.01kj热量，如式(7)所示：

34、

35、式中：δh——化学反应的熵，kj/mol，当数值为负时表示放热；

36、②分析电转气甲烷产率与甲烷化反应放热的转换关系，考虑将电解水制氢生成的h2全部用于甲烷化过程，则单位时间内电转气甲烷产率与甲烷化反应放热的转换关系如式(8)-(9)所示：

37、

38、

39、式中：——ch4产率，m3/mwh；——电转气单位耗电量下甲烷化过程反应热功率，kw；——h2产率，nm3/kwh；——h2、ch4的密度，g/nm3；——h2、ch4的摩尔质量，g/mol；——电转气甲烷化过程放热量用于供热的比重，

40、③由于热力网的储热热性，考虑将甲烷化的反应热直接注入热网用于供热。则电转气甲烷化过程反应热的供能模型如式(10)所示：

41、

42、式中：hmr(t)——t时刻电转气甲烷化过程反应热供热功率，kw。

43、步骤3具体包括以下步骤：

44、步骤1)分配系统碳排放量初始额

45、采用基准线法确定系统的初始碳排放配额，系统的碳排放源主要包括外购电力、燃气锅炉、热电联产机组。由于热电联产机组可以同时提供电能和热能，故将热电联产机组发电量折算成等效的发热量进行碳排放量初始额分配，系统碳排放量初始额分配模型如下：

46、

47、式中：ea——系统的初始碳配额，kg；δe、δh——单位供电、供热出力碳配额系数，kg/kwh；δe＝0.728kg/kwh，δh＝0.367kg/kwh；pgrid(t)——t时刻系统外购电功率，kw；λ——热电联产机组发电量折算成供热量的折算系数，mj/kwh，λ＝6mj/kwh；

48、步骤2)确定系统实际碳排放量

49、甲烷反应器会消耗co2，因此其碳排为负值，则系统实际碳排放量模型如式(12)所示：

50、

51、式中：ep——系统的实际碳排放量，kg；——电网排放因子，kg/kwh，并根据生态环境部发布的最新数值实时更新；——天然气碳排放系数，ω——甲烷反应器吸收co2的系数；

52、步骤3)建立碳排放交易模型

53、现有碳交易机制基础上，为进一步约束园区碳排，引入补偿系数α，即实际碳排放量低于初始配额时，市场给予一定的补贴作为补偿，基于此，构建含补偿系数的阶梯式碳交易机制模型，如式(13)所示：

54、

55、式中：eies——系统的实际碳排放量ep与初始碳配额ea的差值，kg；——t时刻系统的碳交易成本，元，为正表示购买额度，为负表示利用剩余额度获得补贴；k——当日碳交易基价，元/kg；α——补偿系数；β——价格增长幅度；d——每个阶梯对应的碳排放量区间长度，kg。

56、步骤4具体包括以下步骤：

57、步骤1)通过引入单位弃能惩罚成本和含补偿系数的阶梯式碳交易机制，将弃能功率和碳排放量分别转化为弃能惩罚成本和碳交易成本，构建以运行成本f1、弃能惩罚成本f2及碳交易成本f3为目标的园区综合能源系统优化运行模型，从而将多目标优化转化为单目标优化，如式(15)所示：

58、min f＝f1+f2+f3 (15)

59、步骤2)设计园区综合能源系统优化运行模型的约束条件；

60、步骤3)结合步骤1)和步骤2)，利用优化求解器cplex求解园区综合能源系统优化运行模型。

61、运行成本f1、弃能惩罚成本f2及碳交易成本f3具体如下：

62、1)运行成本f1

63、运行成本f1包括系统与电网及天然气公司的能量交互成本cbuy、设备运维成本co及售能成本csell，如式(16)所示：

64、

65、式中：ce——单位购电价格，元/kwh；cg、cgs——单位购、售气价格，元/m3；gg,buy(t)、gg,sell(t)——t时刻系统的外购、售气量，m3；ki——设备i的单位运行维护费用，元/kwh；pi(t)——t时刻设备i的工作功率，kw；

66、2)弃能成本f2

67、弃能成本包括括弃风成本和弃光成本两部分，如式(17)所示：

68、

69、式中：pwt(t)、ppv(t)——t时刻风电、光伏的输出功率，kw；pwt(t)、ppv(t)——t时刻实际使用的风电、光伏的发电功率，kw；——单位弃风、弃光惩罚成本，元/kwh；

70、3)碳交易成本f3

71、

72、式中：——详见式(13)。

73、设计园区综合能源系统优化运行模型的约束条件，具体包括：

74、1)热电联产机组运行约束

75、实际运行时，热电联产机组要满足运行功率约束和爬坡率约束，如式(19)所示：

76、

77、式中：——热电联产机组的供电量上、下限值，kw；——热电联产机组爬坡率上、下限值，kwh；

78、2)燃气锅炉运行约束

79、燃气锅炉运行约束如式(20)所示：

80、

81、式中：——燃气锅炉的供热量上、下限值，kw；

82、3)储能设备运行约束

83、蓄电池和蓄热槽运行时需满足容量约束和互斥约束以及充、放能约束和爬坡约束，如式(21)-(22)所示：

84、

85、

86、式中：——0-1变量，表示蓄电池和蓄热槽的充、放能状态标记位；和——蓄电池和蓄热槽的充、放能功率上、下限值，kw；和——蓄电池和蓄热槽的充、放能爬坡率上、下限值，kwh；

87、4)电功率平衡约束

88、考虑到实际工业中配电网不允许反向送电的情况，本发明不考虑系统向电网公司售电。电功率平衡约束如式(23)所示：

89、

90、式中：——各时段系统外购电量限值，kw；peload(t)——t时刻用户用电量，kw。

91、5)热功率平衡约束

92、hgb(t)+pchp,h(t)+hmr(t)+phst,dis(t)＝hload(t)+phst,chg(t) (24)

93、式中：hload(t)——t时刻用户用热量，kw。

94、对于步骤3所述碳交易机制涉及的非线性部分，采用大m法对其进行松弛处理，从而转化为混合整数线性模型；然后借助matlab环境，利用yalmip工具箱建立园区综合能源系统优化运行模型；最后调用优化求解器cplex进行求解。

95、一种电转气甲烷化过程反应热供能模型的建立方法，它包括以下步骤：

96、步骤1)分析电转气两阶段运行机理，分别为电解水制氢和甲烷化两个阶段，电解水制氢是甲烷化的前置反应，基于此精细化构建电转气两阶段运行模型；

97、步骤2)关注电转气甲烷化过程的强放热反应特性，分析该反应特性的供热能力，基于此建立电转气甲烷化过程反应热供能模型。

98、在步骤1)中，精细化构建电转气两阶段运行模型时步骤如下：

99、①建立质子交换膜电解槽装置运行模型：

100、

101、式中：——t时刻电解槽输出的氢能，m3；pp2g(t)——t时刻电转气耗电量，kw；ηew为电解水制氢效率；——电解槽设备耗电量上、下限值，kw；

102、②建立甲烷反应器运行模型：

103、

104、式中：——t时刻甲烷反应器输出的天然气量、耗氢量，m3；ηmr——甲烷反应器的能量转化效率；——甲烷反应器耗氢量上、下限值，m3；

105、在步骤2)中，建立电转气甲烷化过程反应热供能模型时步骤如下：

106、①分析甲烷化过程热化学反应式，电转气甲烷化过程中，每生成1mol的甲烷，会释放165.01kj热量，如式(3)所示：

107、

108、式中：δh——化学反应的熵，kj/mol，当数值为负时表示放热；

109、②分析电转气甲烷产率与甲烷化反应放热的转换关系，考虑将电解水制氢生成的h2全部用于甲烷化过程，则单位时间内电转气甲烷产率与甲烷化反应放热的转换关系如式(4)-(5)所示：

110、

111、

112、式中：——ch4产率，m3/mwh；——电转气单位耗电量下甲烷化过程反应热功率，kw；——h2产率，nm3/kwh；——h2、ch4的密度，g/nm3；——h2、ch4的摩尔质量，g/mol；——电转气甲烷化过程放热量用于供热的比重，

113、③由于热力网的储热热性，考虑将甲烷化的反应热直接注入热网用于供热。则电转气甲烷化过程反应热的供能模型如式(6)所示：

114、

115、式中：hmr(t)——t时刻电转气甲烷化过程反应热供热功率，kw。

116、一种园区综合能源系统阶梯式碳交易机制模型的建立方法，它包括以下步骤：

117、步骤1)分配系统碳排放量初始额；

118、步骤2)确定系统实际碳排放量；

119、步骤3)建立碳排放交易模型；

120、在步骤1)中，分配系统碳排放量初始额时；

121、采用基准线法确定系统的初始碳排放配额，系统的碳排放源主要包括外购电力、燃气锅炉、热电联产机组。由于热电联产机组可以同时提供电能和热能，故将热电联产机组发电量折算成等效的发热量进行碳排放量初始额分配，系统碳排放量初始额分配模型如下：

122、

123、式中：ea——系统的初始碳配额，kg；δe、δh——单位供电、供热出力碳配额系数，kg/kwh；δe＝0.728kg/kwh，δh＝0.367kg/kwh；pgrid(t)——t时刻系统外购电功率，kw；λ——热电联产机组发电量折算成供热量的折算系数，mj/kwh，λ＝6mj/kwh；

124、在步骤2)中确定系统实际碳排放量时；

125、甲烷反应器会消耗co2，因此其碳排为负值，则系统实际碳排放量模型如式(12)所示：

126、

127、式中：ep——系统的实际碳排放量，kg；——电网排放因子，kg/kwh，并根据生态环境部发布的最新数值实时更新；——天然气碳排放系数，ω——甲烷反应器吸收co2的系数；

128、在步骤3)中建立碳排放交易模型时；

129、现有碳交易机制基础上，为进一步约束园区碳排，引入补偿系数α，即实际碳排放量低于初始配额时，市场给予一定的补贴作为补偿，基于此，构建含补偿系数的阶梯式碳交易机制模型，如式(9)所示：

130、

131、eies＝ep-ea (10)

132、式中：eies——系统的实际碳排放量ep与初始碳配额ea的差值，kg；——t时刻系统的碳交易成本，元，为正表示购买额度，为负表示利用剩余额度获得补贴；k——当日碳交易基价，元/kg；α——补偿系数；β——价格增长幅度；d——每个阶梯对应的碳排放量区间长度，kg。

133、一种求解园区综合能源系统优化运行模型的方法，

134、具体包括以下步骤：

135、步骤1)通过引入单位弃能惩罚成本和含补偿系数的阶梯式碳交易机制，将弃能功率和碳排放量分别转化为弃能惩罚成本和碳交易成本，构建以运行成本f1、弃能惩罚成本f2及碳交易成本f3为目标的园区综合能源系统优化运行模型，从而将多目标优化转化为单目标优化，如式(11)所示：

136、min f＝f1+f2+f3 (11)

137、步骤2)设计园区综合能源系统优化运行模型的约束条件；

138、步骤3)结合步骤1)和步骤2)，利用优化求解器cplex求解园区综合能源系统优化运行模型。

139、运行成本f1、弃能惩罚成本f2及碳交易成本f3具体如下：

140、1)运行成本f1

141、运行成本f1包括系统与电网及天然气公司的能量交互成本cbuy、设备运维成本co及售能成本csell，如式(12)所示：

142、

143、式中：ce——单位购电价格，元/kwh；cg、cgs——单位购、售气价格，元/m3；gg,buy(t)、gg,sell(t)——t时刻系统的外购、售气量，m3；ki——设备i的单位运行维护费用，元/kwh；pi(t)——t时刻设备i的工作功率，kw；

144、2)弃能成本f2

145、弃能成本包括括弃风成本和弃光成本两部分，如式(13)所示：

146、

147、式中：pwt(t)、ppv(t)——t时刻风电、光伏的输出功率，kw；pwt(t)、ppv(t)——t时刻实际使用的风电、光伏的发电功率，kw；——单位弃风、弃光惩罚成本，元/kwh；

148、3)碳交易成本f3

149、

150、式中：——详见式(9)。

151、设计园区综合能源系统优化运行模型的约束条件，具体包括：

152、1)热电联产机组运行约束

153、实际运行时，热电联产机组要满足运行功率约束和爬坡率约束，如式(15)所示：

154、

155、式中：——热电联产机组的供电量上、下限值，kw；——热电联产机组爬坡率上、下限值，kwh；

156、2)燃气锅炉运行约束

157、燃气锅炉运行约束如式(16)所示：

158、

159、式中：——燃气锅炉的供热量上、下限值，kw；

160、3)储能设备运行约束

161、蓄电池和蓄热槽运行时需满足容量约束和互斥约束以及充、放能约束和爬坡约束，如式(17)-(18)所示：

162、

163、

164、式中：——0-1变量，表示蓄电池和蓄热槽的充、放能状态标记位；和——蓄电池和蓄热槽的充、放能功率上、下限值，kw；和——蓄电池和蓄热槽的充、放能爬坡率上、下限值，kwh；

165、4)电功率平衡约束

166、考虑到实际工业中配电网不允许反向送电的情况，本发明不考虑系统向电网公司售电。电功率平衡约束如式(19)所示：

167、

168、式中：——各时段系统外购电量限值，kw；peload(t)——t时刻用户用电量，kw。

169、5)热功率平衡约束

170、hgb(t)+pchp,h(t)+hmr(t)+phst,dis(t)＝hload(t)+phst,chg(t) (20)

171、式中：hload(t)——t时刻用户用热量，kw。

172、对于步骤3所述碳交易机制涉及的非线性部分，采用大m法对其进行松弛处理，从而转化为混合整数线性模型；然后借助matlab环境，利用yalmip工具箱建立园区综合能源系统优化运行模型；最后调用优化求解器cplex进行求解。

173、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

174、1)本发明根据p2g技术的基本理念，精细化构建了p2g两阶段运行模型，考虑p2g有效提高清洁能源消纳能力的同时，重点关注其甲烷化过程的强放热特性，进一步分析了其甲烷化过程反应热供热对cies运行调度结果的影响；

175、2)本发明在现有阶梯式机制基础上，引入补偿系数，建立含补偿系数的cies阶梯式碳交易机制模型，在保证系统经济性的同时，严格控制系统的碳排放量，促进了园区碳中和的发展。