一种基于碳排放激励方案的综合能源系统最优碳调度方法

本发明涉及综合能源系统最优碳调度，特别是一种基于碳排放激励方案的综合能源系统最优碳调度方法。

背景技术：

1、高比例新能源并网是实现能源最优化转型的重要举措，然而新能源的投资成本相对较高，新能源发电的间歇性也对能源供应系统安全运行造成极大影响。鉴于上述背景，天然气有望成为能源系统脱碳的重要过渡燃料。与其他化石燃料(煤和石油)相比，天然气的碳排放量相对较低。目前，已将天然气定义为气候友好型绿色能源。此外，将新能源制备的氢气注入天然气网络的技术有助于实现天然气的最优化。然而近年来，高昂的天然气价格严重阻碍了天然气的发电比例并造成边际定价市场的批发电价上升。为解决这一问题，目前的相关研究主要对天然气发电商提供的报价实施了价格上限，对低成本发电的煤/石油等发电商征收电税。然而，这些调度方法会对短期电力系统运行效率和长期发电投资造成负面影响。环境税和碳排放许可机制有助于提高最优排天然气发电的比例，但由于计入环境成本会增加边际发电成本，因此通常会导致电价上涨。

2、基于此，基于碳排放激励方案的综合能源系统最优调度方法需考虑以下两方面：一是建立合适的碳排放激励机制，降低能源系统的碳排放；二是缓解高天然气价格对电价的影响。

技术实现思路

1、技术问题：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于碳排放激励方案的综合能源系统最优碳调度方法，本发明首先提出了一种基于发电机组碳排放量制定激励的方案，即对燃煤机组单位发电量征收碳排放额外费用，对燃气机组单位发电量给予补贴；其次，建立基于碳排放激励方案的综合能源系统双层优化调度模型，其中，上层为碳排放监管机构的运行模型，下层为日前独立的天然气系统运行与电力系统运行模型；然后，利用原始和对偶约束的规划方法将综合能源系统双层优化调度模型转换为最优条件问题进行求解。本发明能够提升燃气机组的发电占比进而降低系统碳排放同时缓解高气价对电价的影响，有望为电力和天然气部门制定环境政策设计提供技术参考。

2、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于碳排放激励方案的综合能源系统最优碳调度方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤1、获取综合能源系统运行参数，所述运行参数包括发电机组、输电线路、天然气运营商、天然气运输管道、管道压缩机的参数信息；

4、步骤2、获取电负荷、气负荷及风光出力的场景信息；

5、步骤3、针对获取的综合能源系统运行参数、负荷及风光出力的场景信息，建立基于碳排放激励方案的综合能源系统双层优化调度模型，其中，上层为碳排放监管机构的运行模型，下层为日前独立的天然气系统运行与电力系统运行模型；

6、步骤4、针对步骤3的综合能源系统双层优化调度模型，利用原始和对偶约束的规划方法将下层运行模型转化为最优条件问题进行求解，获得基于碳排放激励方案的综合能源系统最优碳调度方法。

7、进一步的，步骤3中，上层的碳排放监管机构的运行模型是以综合能源系统总的碳排放量最小为目标函数，包含发电机组的额外碳排放费用和补贴约束；

8、1)目标函数

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10、式中，σt表示运行场景t的权重；下标v表示发电机组；δr表示燃煤机组集合；δg

11、表示燃气机组集合；表示发电机组v的碳排放速率eg；表示运行场景t时发电机组v的有功出力pg；

12、2)发电机组的额外碳排放费用和补贴约束

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15、式中，表示燃煤机组单位发电量的额外碳排放费用；表示燃气机组单位发电量的补贴；γ表示燃煤机组额外碳排放费用系数；表示燃煤机组的发电成本系数。

16、进一步的，步骤3中，下层日前独立的天然气系统运行模型是以天然气系统利润最大为目标函数，计及节点流量平衡约束、气负荷和天然气供应商出力上下限约束、压缩机运行约束、节点压力约束等天然气系统运行约束；

17、1)目标函数

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19、式中，下标e表示气负荷；下标w表示天然气供应商；表示运行场景t时气负荷e的售气价格cl；表示运行场景t时气负荷e的实际吸收流量fl；表示运行场景t时天然气供应商w的供气成本系数；表示运行场景t时天然气供应商w的供气流量；

20、2)天然气系统运行约束

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32、式中：下标c表示压缩机；下标m与n表示天然气节点；为与天然气节点m相连接的天然气供应商集合；为与天然气节点m相连接的气负荷集合；为与天然气节点m相连接的燃气轮机组集合；为与天然气节点m相连接的压缩机集合；为与天然气节点m相连接的天然气节点集合；ηv表示发电机组v的转换效率；θc为压缩机c消耗的气体流量占输送流量的百分比；为运行场景t时流过压缩机c的天然气流量fc；fmn,t为运行场景t时管道m-n首端的天然气流量；um,t表示运行场景t时天然气节点m的流量平衡方程的对偶变量；表示运行场景t时气负荷e的消耗流量上限fl,max；和表示运行场景t时气负荷e的实际吸收流量上下限约束的对偶变量；表示天然气供应商w的供气能力fs,max；和表示运行场景t时天然气供应商w的供气流量上下限约束的对偶变量；表示压缩机c的输送能力fc,max；和表示运行场景t时流过压缩机c的天然气流量上下限约束的对偶变量；与分别表示运行场景t时压缩机c入口和出口压力值；与分别为压缩机c压缩比上下限；和表示运行场景t时压缩机c出口压力值和入口压力值比值的上下限约束的对偶变量；πm,t为运行场景t时天然气节点m的压力平方；πn,t为运行场景t时天然气节点n的压力平方；与分别为天然气节点m的压力平方上下限；和表示运行场景t时天然气节点m的压力平方上下限约束的对偶变量；表示运行场景t时管道m-n首端的天然气流量下限约束的对偶变量；表示天然气管道集合；cmn表示管道m-n的weymouth常数；和表示运行场景t时管道m-n的赋值变量；和分别表示式(a-12)、(a-13)和(a-14)的对偶变量；式(a-5)为天然气节点流量平衡方程；式(a-6)为气负荷实际吸收流量的上下限约束；式(a-7)为天然气运营商产能限制约束；式(a-8)为压缩机输送能力约束；式(a-9)为压缩机压缩比限制；式(a-10)为天然气节点压力限制；式(a-11)固定管道内天然气的流动方向；式(a-12)-(a-15)为基于二阶锥松弛的weymouth方程，该方程描述了管道内天然气的流量与该管道两端的天然气节点压力之间的关系。

33、进一步的，步骤3中，下层日前独立的电力系统运行模型是以电力系统的利润最大为目标，包含功率平衡约束、负荷与发电机组出力上下限约束、新能源出力约束和线路传输容量约束等电力系统运行约束；

34、1)目标函数

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36、式中，下标d表示电负荷；表示运行场景t时电负荷d的售电价格cd；表示运行场景t时电负荷d的实际吸收出力pd；表示燃气机组的发电成本系数；m(v)表示与燃气机组v相连接的天然气节点；um(v),t表示运行场景t时与发电机组v相连接的天然气节点流量平衡方程的对偶变量；

37、2)电力系统运行约束

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43、式中：下标i和j表示电力节点；下标r表示新能源机组；和分别表示与电力节点i相连接的电负荷、电力节点、发电机组和新能源机组的集合；表示运行场景t时新能源机组r的实际出力pres,d；bij表示线路ij的电纳；δi,t表示运行场景t时电力节点i的电压相角；δj,t表示运行场景t时电力节点j的电压相角；λi,t表示运行场景t时电力节点i的功率平衡方程的对偶变量；为运行场景t时电负荷d的最大吸收出力pd,max；和表示运行场景t时电负荷d的实际吸收出力上下限约束的对偶变量；为发电机组v的装机容量pg,max；和表示运行场景t时发电机组v的有功出力上下限约束的对偶变量；表示运行场景t时新能源机组r的预测功率和表示运行场景t时新能源机组r的实际出力上下限约束的对偶变量；为线路ij的最大传输容量；和表示运行场景t时线路ij传输容量上下限约束的对偶变量；ε表示线路集合；式(a-17)为电力节点功率平衡方程；式(a-18)为电负荷吸收的出力限制；式(a-19)为发电机组有功出力限制；式(a-20)为新能源机组出力限制；式(a-21)为电力线路传输容量限制。

44、进一步的，步骤4中，利用原始和对偶约束的规划方法将下层运行模型转化为最优条件问题；

45、3)天然气系统最优条件运行模型

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57、式中，m(e)表示与气负荷e相连的天然气节点；um(e),t为运行场景t时与气负荷e相连接的天然气节点流量平衡方程的对偶变量；m(w)表示与天然气供应商w相连的天然气节点；um(w),t为运行场景t时与天然气供应商w相连接的天然气节点流量平衡方程的对偶变量；和分别为压缩机c的入口节点和出口节点；和分别为压缩机c的入口节点和出口节点的流量平衡方程的对偶变量；和表示入口节点和出口节点分别与节点m相连接的压缩机的集合；式(a-22)-(a-31)为天然气系统运行模型式(a-4)-(a-15)的对偶约束；式(a-32)为天然气系统运行模型的强对偶等式约束；

58、4)电力系统最优条件运行模型

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69、式中，i(d)表示与电负荷d相连接的电力节点；λi(d),t为运行场景t时与电负荷d相连接的电力节点的功率平衡方程的对偶变量；i(v)表示与发电机组v相连接的电力节点；λi(v),t为运行场景t时与发电机组v相连接的电力节点的功率平衡方程的对偶变量；i(r)表示与新能源机组r相连接的电力节点；λi(r),t为运行场景t时与新能源机组r相连接的电力节点的功率平衡方程的对偶变量，式(a-33)-(a-41)为电力系统运行模型式(a-16)-(a-21)的对偶约束；式(a-42)为电力系统运行模型的强对偶等式约束。

70、有益效果，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

71、(1)通过碳排放激励方案激励燃气机组参与发电，使得燃气机组发电占比提高，降低了系统运行成本和碳排放量，提高了系统的经济效益和环境效益。

72、(2)对燃气机组进行发电补贴，降低了天然气价格对燃气机组发电的影响，缓解了电价的波动情况。