考虑重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法

本发明属于综合能源系统的优化调度，具体涉及一种考虑弱化碳-绿色证书联合交易下重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法和系统。

背景技术：

1、为促进电力系统的稳步脱碳，缓解政府部门对电力系统中高比例新能源(风、光)的财政补贴压力，我国相继提出了碳排放权交易和绿色证书交易机制。综合能源系统可使异质能源在发输配用等环节有机协调，提高异质能源利用效率，推动环境友好型的综合能源系统建设可促进电网的节能减排。借助碳排放权和绿色证书联合交易机制可有效优化综合能源系统中的能源结构，降低温室气体排放量。在碳和绿证联合交易机制下，可有效减少综合能源系统的碳排放量，提高新能源消纳量。综合能源系统为获得绿证收益而优先消纳新能源，此时系统的电力平衡部分由新能源承担，降低微燃机的碳排放量，增加园区的碳收益。实施cet的出发点在于利用新能源电量代替了微燃机组出力，使微燃机碳排放量低于政府部门的碳配额标准。由此看来，碳和绿色证书的交易基础都在于新能源发电，即度电新能源既带来碳收益，又带来绿证收益，重复收益问题由此产生。对于综合能源系统来说，重复收益问题将诱导综合能源系统寻求高额的重复利润，过度依赖新能源电量而忽略园区用户的电能质量。从市场层面来看，重复收益将影响其他碳或绿证市场主体参与市场的公平性，阻碍碳-绿色证书联合市场的健康发展。市场中多赢利方数量的增加，可能出现市场主体寡头竞争现象，影响电力市场、绿证市场和碳市场的良性互动。因此，如何量化综合能源系统中度电新能源带来的碳和绿证收益，在重复收益问题中觅得均衡值得深入探讨。

2、公开专利号为cn113222465a的发明中提出了一种计及碳-绿色证书交易机制的综合能源系统优化运行方法，公开专利号为cn116404676a的发明中提出了一种基于碳捕集电厂深度调峰补偿的多主体调峰双层优化调度方法，公开专利号为cn115907575a的发明中提出了一种基于acp和碳-绿证交易的工业综合能源系统协同运行方法，均对综合能源调度优化进行了研究，然而包括前述发明在内的现有技术都不涉及弱化碳-绿色证书联合交易下重复收费的技术问题。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明提出了一种重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法，建立了一种弱化碳-绿色证书联合交易下重复收费的综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，第一阶段调度目标为综合能源系统运行成本及外购能源成本最小，第二阶段调度目标为综合能源系统购电和购气调控成本最小，同时将重复收益的量化模型引入到第二阶段的调度模型中。与现有技术比较，碳-绿色证书交易权重因子的引入，可有效弱化联合交易重复收益费用，增加碳和绿色证书联合市场的良性互动；采用综合能源系统两阶段鲁棒优化调度，考虑了设备的调控出力，增加设备运行的灵活性。

2、技术方案：

3、一种考虑重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法，所述鲁棒优化调度方法包括以下步骤：

4、s1，构建碳-绿色证书联合交易模型，在碳-绿色证书联合交易模型中引入交易权重因子，建立碳-绿证联合交易下的重复收益量化模型；

5、s2，将重复收益量化模型引入综合能源系统调度模型中，构建最小化-最大化-最小化结构的两阶段鲁棒优化调度模型；

6、s3，利用盒式不确定集合刻画新能源出力的不确定性，采用分布式鲁棒优化方法对两阶段鲁棒优化调度模型进行求解，获得优化调度结果。

7、进一步地，步骤s1中，构建碳-绿色证书联合交易模型的过程包括以下步骤：

8、采用预分配和基准线法确定综合能源系统中免费碳排放配额量，免费碳配额由式(1)确定：

9、

10、式中：cl为碳排放配额，cp为碳排放量；为t时刻微燃机的发电功率；bgt为微燃机co2排放基准，单位：tco2/mwh；为t时刻燃气锅炉输出功率；bgb为燃气锅炉供热co2碳排放基准，单位：tco2/gj；δgt和δgb分别为微燃机和燃气锅炉的co2排放系数；

11、阶梯型碳排放权交易成本的计算模型为：

12、

13、式中：ccet为综合能源系统cet成本；λ为市场上cet价格；d为碳排放量区间长度；σ为每个阶梯cet价格增长幅度；

14、绿色证书交易成本为：

15、

16、式中：cgct为综合能源系统绿色证书收益；表示购买或出售绿证价格；pres为可再生能源日配额量；为实际消纳量；cf为惩罚系数；nbuy/nsell为购买和销售的绿证数量。

17、进一步地，步骤s1中，在碳-绿色证书联合交易模型中引入交易权重因子，建立碳-绿证联合交易下的重复收益量化模型为：

18、crep＝ωgctcgct+ωcetccet (4)；

19、通过调整gct权重因子ωgct和cet权重因子ωcet以缓解碳-绿证联合交易机制带来的重复收益，gct权重因子ωgct为度电新能源所带来的绿证收益占比，cet权重因子ωcet为度电新能源所带来的碳收益占比。

20、进一步地，步骤s2中，将重复收益量化模型引入综合能源系统调度模型中，构建最小化-最大化-最小化结构的两阶段鲁棒优化调度模型的过程包括以下步骤：

21、构建第一阶段调度模型，第一阶段调度模型包括第一阶段调度的目标函数、第一阶段调度的等式约束条件和第一阶段调度的不等式约束条件；

22、第一阶段调度的目标函数为：

23、min(cop+cen) (5)；

24、

25、式中：cop和cen分别为综合能源系统的运行成本和外购能源成本；为t时刻微燃机出力，ηgt为其发电效率，λgt为微燃机运行成本系数；和分别为t时刻蓄电池出力，和分别为蓄电池充电和放电效率，λes为蓄电池的运行成本系数；为t时刻电锅炉出力，λeb为其运行成本系数；为t时刻燃气锅炉出力，λgb为其运行成本系数，ηgb为其产热效率；为t时刻蓄热槽出力，λhs为其运行成本系数；cgas为综合能源系统外购天然气价格，cgrid为综合能源系统购电价格，为t时刻综合能源系统的电网交互功率；

26、第一阶段调度的等式约束条件包括：

27、电力平衡约束：

28、

29、热力平衡约束：

30、

31、气平衡约束：

32、

33、冷平衡约束：

34、pec，tηhc+pac，tηac＝lcool，t (10)；

35、式中：pec，t为t时刻电制冷机功率，ηec为其制冷效率；pac，t为t时刻吸附式制冷机功率，ηac为其制冷效率；

36、绿色证书配额约束：

37、

38、式中：g为量化系数，表示生产单位绿色电能可获得绿证数量；αi为第i个发电企业在规定时间内发电量占比；ηi为第i个发电企业初始分配电量；pi为第i个发电设备实际发电量；pi0为第i个发电企业初始分配电量；

39、燃气轮机热电平衡方程：

40、

41、式中：ηwh表示余热回收效率，pwh，t表示t时刻余热回收的功率；αgt表示燃气轮机的热电比；

42、第一阶段调度的不等式约束条件包括：

43、燃气轮机运行约束：

44、

45、式中：表示微燃机功率上下限，pgt，t为微燃机爬坡功率；

46、购电功率约束：

47、

48、式中：为系统向电网购电的上限值；

49、光伏、风电出力约束：

50、

51、式中：和分别表示风电机组和光伏机组的预测出力；

52、构建第二阶段调度模型，将重复收益量化模型引入到第二阶段调度模型中，第二阶段调度模型包括第二阶段调度的目标函数、第二阶段调度的等式约束条件和第二阶段调度的不等式约束条件；

53、第二阶段调度的目标函数为：

54、

55、式中：和分别为综合能源系统购电和购气功率的调控成本；和分别为t时刻综合能源系统向电网购买和售出的功率，λgrid，t为购电成本的调控系数，λgas，t为购气成本的调控系数；

56、第二阶段调度的等式约束条件包括：

57、

58、

59、

60、第二阶段调度的不等式约束条件包括：

61、微燃机调控出力及爬坡约束：

62、

63、式中：为t时刻微燃机的上、下调控出力，pgt为微燃机的爬坡功率；

64、燃气锅炉调控出力约束：

65、

66、式中：为t时刻燃气锅炉的上、下调控出力，pgb为燃气锅炉的爬坡功率。

67、电锅炉调控出力约束：

68、

69、式中：为t时刻电锅炉的上、下调控出力，peb为电锅炉的爬坡功率；

70、天然气交互调控量约束：

71、

72、式中：为t时刻综合能源系统购气量的上、下调控出力。

73、气泵储气量与压力调控约束：

74、

75、式中：为气泵进出气功率上下限；分别为t时刻气泵充、放气调控出力；ugas，t表示气泵充放气状态；

76、蓄热槽调控出力约束：

77、

78、式中：为蓄热槽的冲放热状态；表示储热设备充热功率的上下限；表示储热设备放热功率的上下限；whs，t表示储热设备在t时刻储存的热值；σhs为储热设备自放热率；分别为储热设备的充、放热效率；表示储热设备储热功率的上下限；为t时刻蓄热槽充、放电调控出力；

79、蓄电池调控出力约束：

80、

81、式中：表示蓄电池充电功率的上下限；表示蓄电池放电功率的上下限；为蓄电池充、放电状态标记位；wes，t表示蓄电池在t时刻储存的电能；σes为蓄电池自放电率；分别为蓄电池的充、放电效率；表示蓄电池储能的上下限；为t时刻蓄电池充、放电调控出力。

82、进一步地，步骤s3中，利用盒式不确定集合刻画新能源出力的不确定性，采用分布式鲁棒优化方法对两阶段鲁棒优化调度模型进行求解，获得优化调度结果的过程包括以下步骤：

83、采用盒式不确定集合来刻画新能源出力的波动范围，表达式如下：

84、

85、式中：u为新能源不确定性集合；pwt，t和ppv，t分别为t时刻考虑不确定性后的风电和光伏出力；和分别为t时刻风电和光伏出力不确定变量的最大波动量，均为正数；

86、采用分布式鲁棒优化方法进行鲁棒优化调度模型的求解，具体为：

87、两阶段鲁棒优化调度模型属于np-hard问题，概括为如下两层形式：

88、

89、其中，a、d、l、r、q和mu分别为对应约束变量的系数矩阵，b、e和r为对应的常数列向量，首行为第一阶段调度的等式约束条件和不等式约束条件，第2行至第4行为第一阶段调度的等式约束条件和不等式约束条件，第5行为风电和光伏预测场景下的取值约束；ω(x，u)为优化变量y的可行域，不同的不确定变量对应不同的可行域；ctx为外层的综合能源系统第一阶段调度成本最小化函数，为内层的综合能源系统第二阶段调控成本dt y函数；x和y为模型的优化变量，具体为：

90、

91、在指定一组不确定变量(x，u)情况下，两阶段鲁棒问题转换为确定性优化问题，两阶段鲁棒优化目标函数的表达式如下：

92、

93、式中：v1、v2、v3、v4为约束条件对应的对偶变量；

94、行列生成求解时，先解耦两阶段鲁棒优化目标函数，并在主问题约束的基础上添加子问题的最优和可行割平面约束，得到主问题的形式为：

95、

96、其中，l表示当前时刻的迭代次数，yl表示子问题在经过第l次迭代之后的值；ul表示不确定变量u在经过第l次迭代之后的值；

97、解耦后子问题的形式为：

98、

99、将子问题中的最小化问题对偶转换成最大化形式，再与外层最大化问题结合，得到如下对偶问题：

100、

101、式中：urv4为多次项，当式(30)中的对偶问题取得最优解时，其对应的不确定变量u为不确定集u的一个极点，u取式(33)中不确定变量波动范围边界值；引入不确定性调节参数，将式(33)不确定性集改写为如下形式：

102、

103、式中：表示t时段风电不确定变量取区间边界值的状态；当bwt，t＝[1，0]t时，表示该时段取区间的上边界值；取值为bwt，t＝[0，1]t时表示取区间的下边界值；取值为bwt，t＝[0，0]t时，取值为风电预测值；fwt和γpv分别为风电和光伏不确定参数；

104、引入连续的辅助变量和相关约束对风电出力不确定变量进行线性化处理，具体为：

105、

106、式中：为对偶变量上界，取值为足够大的正数；

107、在求解时，设定一组光伏、风电预测值为初始最恶劣场景，对主问题进行求解；基于所求得的主问题最优解，求出子问题对应的光伏、风电功率最恶劣场景，同时，将子问题对应的光伏、风电功率最恶劣场景的约束添加到主问题中，继续求解主问题；按上述过程不断重复，直至原问题收敛，得到最优调度方案。

108、进一步地，在matlab中利用yalmip调用cplex对最优调度方案进行求解；求解步骤如下：

109、s31，设置综合能源系统数据，初始优化方案目标函数的上界为ub＝+∞，lb＝-∞，迭代次数k＝1，设定收敛阈值ε；

110、s32，通过最恶劣场景ul对主问题进行求解，得出最优值(xk，ek，y1，…，yk)，将目标值下界更新为lb＝ctxk+ek；

111、s33，将步骤s32中所得到的xk作为已知量，代入到子问题中，得出其目标函数值fk(xk)与相对应的最恶劣场景下的值uk+1并反馈给主问题，设定新的上界ub＝min{ub，ctxk+fk(xk)}；

112、s34，若收敛阈值满足ub-lb≤ε，则停止迭代，输出最优调度方案xk、yk；否则，添加最优割平面约束α≥dtyk+1；跳转至步骤s32继续执行，直到满足条件。

113、本发明公开了一种考虑重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度系统，所述优化调度系统。包括：

114、设计单元：设计碳-绿色证书联合交易市场，在联合交易市场中加入cet和绿色证书交易权重因子，并将该市场机制引入综合能源系统，分析联合交易市场对综合能源系统调度和经济性的影响；构建最小化-最大化-最小化结构的综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，第一阶段为综合能源系统确定性优化调度，第二阶段考虑设备的调控出力，提高设备运行的灵活性；通过算例分析验证所提方法在降低碳-绿证重复交易收益率、提高系统运行经济性和提高新能源消纳率的作用。

115、建模单元：建立综合能源系统两阶段鲁棒优化模型，第一阶段为综合能源系统确定性优化模型，第二阶段考虑设备的调控出力，将含交易权重因子的碳-绿色证书联合交易模型引入综合能源系统目标函数，利用盒式不确定集合来刻画新能源出力的不确定性，通过调节不确定参数求解综合能源系统参与不同市场下的最优成本。

116、不确定性描述单元：利用盒式不确定集合来刻画新能源出力的不确定性，首先建立考虑不确定性后的风电和光伏出力集合，在每个不确定出力量附加不确定出力的最大波动量，通过调节不确定参数控制其波动程度。

117、计算单元：采用鲁棒优化方法对模型进行求解，确定最优弱化碳-绿色证书联合交易重复收费因子，通过调节不确定参数求解综合能源系统的最优成本和设备出力。

118、有益效果：

119、第一，本发明的重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法，构建得到一种综合能源系统两阶段鲁棒优化模型，第一阶段以综合能源系统运行成本和外购能源成本最小为目标，第二阶段考虑系统中不同设备的调控出力，提高设备运行的灵活性；

120、第二，本发明的重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法，利用盒式不确定集合来考虑新能源出力的不确定性，通过调节不确定参数求解综合能源系统参与不同市场下的最优成本；

121、第三，本发明的重复收费的综合能源系统鲁棒优化调度方法，引入碳-绿证交易权重因子来量化度电新能源带来的碳和绿色证书收益，在不同的权重因子下，碳和绿色证书的收益均会不同程度的减少，因而缓解联合交易机制带来的重复收益问题，促进碳-绿证市场的平衡发展，降低综合能源系统的经营风险和市场管理的难度。