一种园区级IES优化调度方法及装置

本发明涉及综合能源系统优化调度领域，具体涉及一种园区级ies优化调度方法及装置。

背景技术：

1、在燃烧化石燃料产生大量碳排放致使全球变暖、环境问题日益突出的背景下，当前迫切需要转变能源结构，提高清洁能源接入比例，向绿色低碳、清洁可持续的以可再生能源为主的时代迈进。能源行业尤其是电力行业在温室气体排放中占据较大的比重，承担着节能减排实现绿色低碳发展的重要责任。以可再生能源发电、热电联产(cogenerationcombined heat and power，简称chp)、电转气、储能等技术为支撑，将多种能源通过能源转化设备耦合在一起，充分发挥多能优势互补的综合能源系统(integrated energy system，简称ies)将在能源行业节能减排中发挥重要作用，为绿色低碳经济可持续发展提供良好支撑。

2、当前对碳交易机制从理论研究已逐步走向实际应用，说明了碳交易市场对ies的降碳减排起到了良好的引导。

3、电转气(power-to-gas，简称p2g)技术可以将富余风电转化为天然气，较大程度地解决风电反调峰特性带来的弃风问题。碳捕集与封存(carbon capture andstora，简称ccs)技术可对燃煤机组和燃气机组进行低碳改造，大幅度降低传统火电厂的碳排放，ccs捕集到的co2可供应给p2g实现耦合，对于电力行业实现低碳发展具有重要意义。同时碳捕集技术和电转气技术的耦合既可以解决p2g的co2来源，降低系统的碳排放，也可以提高系统消纳风电的能力。

4、燃料电池是当前氢能利用的主流技术之一，质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，简称pemfc)具有低温运行、快速启动的特点，是理想的分布式电源；固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称sofc)装机容量大，对燃料品质要求低，运行温度超过600℃，适用于热电联产技术。氢燃料电池能有效提高清洁能源供能占比，优化能源结构，在ies系统中有良好应用前景。

5、目前已有大量研究ies考虑需求响应后带来的灵活性提升，但大多数研究仅考虑了负荷在时间维度上的灵活转移，未考虑ies多能耦合带来的多元负荷灵活替代，实际上用户可选择不同的能源供给方式满足自身用能需求。故ies灵活性提升不仅从需求侧入手，从能量供应侧引入灵活性资源也可大幅提高ies的调度灵活性。现有考虑氢能参与ies的研究大多侧重于氢能作为清洁可再生能源在ies中起到的降碳减排作用，对于氢能参与到能量供应侧灵活响应的研究和实践极少。

6、综合来看，现有ies运行优化方法存在多种不足，或较少考虑阶梯式碳交易机制、碳捕集技术、低碳目标与需求侧灵活响应，或未涉及氢能利用场景，较少考虑供应侧灵活响应，未将氢能作为灵活性资源参与到供应侧灵活性研究实践。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种园区级ies优化调度方法及装置，能够大幅提高ies运行的灵活性，以灵活性促进ies的低碳性和经济性。

2、为达到以上目的，本发明提供的一种园区级ies优化调度方法，具体包括以下步骤：

3、建立园区级含氢综合能源系统模型，所述园区级含氢综合能源系统模型包括对ies内包含的能量耦合设备和储能设备进行的数学建模、对ies内供需两侧灵活响应建立的数学模型、对p2g-ccs耦合运行建立的数学模型、对ies运行建立的功率平衡约束条件；

4、建立园区级ies优化调度模型的目标函数并对非线性项进行线性化处理，所述园区级ies优化调度模型包括购能成本模型、基于阶梯式碳交易机制的碳交易成本模型、碳捕集成本和碳封存成本模型、dr补偿成本模型、弃风成本模型；

5、调用求解器对建立的所有模型进行求解，得到优化结果。

6、在上述技术方案的基础上，所述建立园区级含氢综合能源系统模型，具体步骤包括：

7、建立具备供应侧灵活响应能力的热电联产模型，所述ies内的能量耦合设备包括氢燃料电池hfc、燃气轮机gt、余热锅炉whb、电转气p2g、燃气锅炉gb、有机朗肯循环orc、碳捕集与封存ccs，采用氢燃料电池hfc、燃气轮机gt和余热锅炉whb共同实现热电联产；

8、建立p2g-ccs耦合模型和燃气锅炉gb运行模型；

9、建立具备横、纵需求响应能力的需求侧灵活响应模型，考虑电、热、气三种负荷分别在一个调度周期内均具备时间上的横向转移能力，称为横向dr能力，且电、热、气三种负荷在同一时段可互相替代，称为纵向dr能力，dr表示需求响应；

10、建立储能设备模型；

11、建立园区级ies功率平衡运行约束。

12、在上述技术方案的基础上，

13、所述氢燃料电池hfc的设备模型为：

14、

15、其中，表示t时段输入hfc的氢气功率，分别为t时段hfc输出的电、热功率，分别为hfc设备的发电、发热效率，分别为hfc输入功率的上下限，分别为hfc爬坡功率的上下限；

16、所述燃气轮机gt的设备模型为：

17、

18、其中，pgas,gt(t)为t时段输入gt的天然气功率，分别为t时段gt输出的电、热功率，分别为gt的发电、发热效率，分别为gt输入功率的上下限，分别为gt爬坡功率的上下限；

19、所述hfc和gt发出的电功率供应电负荷，发出的热功率一部分进入余热锅炉whb供应热负荷，另一部分输入有机朗肯循环orc实现余热发电，再由有机朗肯循环orc供应电负荷；

20、所述hfc、gt、whb、orc组成实现供应侧热、电灵活响应的chp，模型如下所示：

21、

22、其中，分别为t时段hfc输出到whb、orc的热功率，分别为t时段gt输出到whb、orc的热功率，分别为t时段whb、orc的输入热功率，为t时段whb的输出热功率，为t时段orc的输出电功率，ηwhb、ηorc分别为whb、orc的转化效率，分别为whb的输入热功率上下限，分别为orc的输入热功率上下限，为whb的爬坡功率上下限，分别为orc的爬坡功率上下限；

23、所述chp最终输出的电功率、热功率为：

24、

25、其中，分别为chp输出的电、热功率。

26、在上述技术方案的基础上，

27、所述ccs包括碳捕集和碳封存两个环节，捕集到的co2一部分通过管道输入p2g设备循环利用，另一部分通过co2压缩器完成封存；

28、所述碳捕集的过程的能耗包括固定能耗和运行能耗，所述固定能耗为机组发电效率损失带来的能耗，与ccs运行状态无关，所述运行能耗来自co2再生过程消耗的热能，以及压缩过程消耗的电能，与ccs运行状态相关；

29、所述碳捕集的过程的能耗，具体表达式为：

30、

31、其中，pccs(t)为t时段ccs的总功率，为t时段ccs的运行能耗，为ccs的固定能耗，视为常数，pg(t)为t时段燃煤或燃气机组的发电功率，eg为发出单位电功率的碳排放强度，ηc为ccs的碳捕集效率，λge为捕集单位co2消耗的电功率，ecc(t)为t时段co2的捕集量，为ccs运行功率的上限；

32、所述电转气p2g用于消纳风电并转化为天然气储存，以供应给ies内的耗天然气设备；

33、所述电转气p2g的运行包括电解水制氢和甲烷化两个过程，在甲烷化过程中，消耗co2的体积等于生成天然气的体积，具体表达式如下：

34、

35、其中，为t时段输入p2g的电功率，为t时段p2g输出天然气的功率，ηp2g为p2g的转化效率，vgas(t)分别为t时段p2g吸收co2和生成天然气的体积，hg为天然气热值，为t时段p2g吸收co2的质量，为co2密度；

36、所述碳捕集与封存ccs捕集到的co2一部分提供给p2g实现耦合，即为另一部分则被压缩封存；

37、所述燃气锅炉gb运行的约束包括功率限值约束和爬坡约束，具体表达式如下：

38、

39、其中，为t时段gb输出的热功率，pgas,gb(t)为t时段输入gb的天然气功率，ηgb为gb的转化效率，分别为gb输入功率的上、下限，分别为gb爬坡功率的上、下限。

40、在上述技术方案的基础上，

41、根据电、热、气三种负荷的横向dr能力和纵向dr能力，将负荷划分为固定型负荷、可转移负荷、可替代负荷，用公式表示如下：

42、

43、其中，k∈{e,h,g}表示负荷类型，表示e电负荷，h表示热负荷，g表示气负荷，表示dr前第k种负荷在t时段的值，表示第k种负荷在t时段的固定负荷，不参与dr，表示第k种负荷在t时段的可转移负荷，参与横向dr，表示第k种负荷在t时段的可替代负荷，参与纵向dr；

44、在一个调度周期内，可转移负荷可在时间上进行转移，横向dr模型如下式所示：

45、

46、其中，和分别表示第k种负荷在t时段横向dr后的可转移负荷量和参与dr的量，和分别表示t时段第k种可转移负荷的转入和转出功率，和为0-1变量，同一时段有且只有一个取1表示该类型负荷在dr过程中转入或转出，在一个调度周期内可转移负荷的总转移量为0，和分别表示第k种负荷在t时段参与横向dr的上、下限值；

47、在同一时间段，电、热、气负荷可互相替代，可选择不同的能源供给来满足用能需求，纵向dr模型如下式所示：

48、

49、其中，分别表示t时段电、热、气负荷纵向dr后的可替代负荷量，分别表示t时段电、热、气负荷参与纵向dr的量，三者之和为0，分别表示电可替代负荷在t时段的转入和转出功率，分别表示热可替代负荷在t时段的转入和转出功率、分别表示气可替代负荷在t时段的转入和转出功率，为0-1变量，同一时段有且只有一个取1表示该类型负荷在dr过程中转入或转出，分别表示电可替代负荷参与dr的上下限值，分别表示热可替代负荷参与dr的上下限值，分别表示气可替代负荷参与dr的上下限值；

50、需求侧灵活响应后电、热、气三种负荷的表达式如下：

51、

52、其中，k∈{e,h,g}表示负荷类型，pk,load(t)表示dr后第k种负荷在t时段的值。

53、本发明提供的一种园区级ies优化调度装置，包括：

54、第一建立模块，其用于建立园区级含氢综合能源系统模型，所述园区级含氢综合能源系统模型包括对ies内包含的能量耦合设备和储能设备进行的数学建模、对ies内供需两侧灵活响应建立的数学模型、对p2g-ccs耦合运行建立的数学模型、对ies运行建立的功率平衡约束条件；

55、处理模块，其用于建立园区级ies优化调度模型的目标函数并对非线性项进行线性化处理，所述园区级ies优化调度模型包括购能成本模型、基于阶梯式碳交易机制的碳交易成本模型、碳捕集成本和碳封存成本模型、dr补偿成本模型、弃风成本模型；

56、求解模块，其用于调用求解器对建立的所有模型进行求解，得到优化结果。

57、与现有技术相比，本发明的优点在于：

58、(1)本发明在ies运行模型的经济目标中考虑了低碳目标，即为计及ies运行过程产生的实际碳排放并对之收取碳排放费用，表现为ies需在碳交易市场购买相应的碳排放配额，构成目标函数中的碳交易成本，除此之外还有计及ccs完成碳捕集与封存的过程产生的碳捕集和碳封存成本；

59、(2)本发明在计及低碳目标的情况下，采用阶梯式碳排放费用机制，即对单位周期内ies的碳排放总额进行区间递进式价格进行收费；相比于传统的或为单一碳排放价格或竞争均衡定价方式，既优化了单一碳排放价格对不同碳排放水平的用户难以起到区别作用的特性，也一定程度上克服了实际应用中竞价均衡定价方式不适合不具规模的市场参与者参与竞争，且较为复杂的缺点；

60、(3)本发明在技术侧采用p2g-ccs耦合运行的方式，ccs对ies产生的碳排放进行捕集与封存，捕集到的部分co2供应给p2g实现co2在ies系统内的循环利用，剩余部分进行封存处理，可大幅提高ies的低碳性，起到降碳减排的效果；

61、(4)本发明在ies运行的供需两侧引入灵活响应，大幅提高ies运行的灵活性，以灵活性促进ies的低碳性和经济性；

62、(5)本发明在ies能量供应侧引入有机朗肯循环吸收hfc和gt的余热进行发电以供应给用电高峰时段的电负荷需求，尤其是将氢能作为灵活性资源引入供应侧，建立供应侧热、电灵活响应模型，论证了供应侧灵活响应对降碳减排的促进作用；

63、(6)本发明在ies能量需求侧引入电、热、气负荷具备时间上的横向转移能力以及同时段上互相灵活替代的能力，建立需求侧横、纵灵活响应模型，实现了对高峰时段负荷的削峰填谷，优化了负荷曲线，与供应侧灵活响应相结合，可取得良好的降碳减排效益。