一种碳约束下工业园区综合能源系统最优调度方法与流程

发明涉及综合能源调度测，尤其涉及一种碳约束下工业园区综合能源系统最优调度方法。

背景技术：

1、随着我国经济的快速发展，工业园区能耗不断增加，能源成本和碳排放问题日益突出。对碳排放的约束和减少已经成为一种趋势。在“双碳目标”下，减少碳排放已成为工业园区可持续发展的重要目标。为了实现这一目标，工业园区需要综合利用和调度各种能源资源，最大限度地降低碳排放，同时保证能源供应的稳定性和经济效益。

2、为了降低能源成本、减少碳排放，需要对工业园区综合能源进行优化调度，本发明对工业园区综合能源在碳排放约束下进行最有调度，考虑碳排放约束下的能源供需平衡关系，以工业园区综合能源系统最优经济调度为目标函数，最大化能源利用率为约束条件，通过建立工业园区碳排放、碳配额模型，制定阶梯式碳价对工业园区能源使用中的碳排放进行约束；提出一种主从博弈模型，考虑运营商和用户之间的能量交易，实现工业园区综合能源低碳调度，旨在满足工业园区能源需求的同时，最大程度的减少碳排放。

3、但是当前，工业园区综合能源系统优化调度问题研究多是以运行成本最低为目标函数。但系统运行中的碳排放并未得到充分考虑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，解决现有技术的不足之处，提出一种碳约束下工业园区综合能源系统最优调度方法，该方法能够有效降低工业园区碳排放、提高能源利用率，减少能源浪费，提高能源系统运行效率，降低生产成本，降低对传统能源的依赖，实现了对环境友好型的能源系统调度。同时，本发明还可以根据实际情况，对不同工业园区的综合能源系统最优调度，具有较好的适用性和实用性。

2、一种碳约束下工业园区综合能源系统最优调度方法，包括以下步骤：

3、步骤1，建立工业园区碳排放与碳配额计算模型，核算得到工业园区实际碳排放量与初始碳配额量；实际碳排放量超过初始碳配额量的部分进入碳交易市场；基于“双碳”下的碳排放要求，制定阶梯式碳交易模型，碳排放量越高需购买的碳排放配额量越多，对应价格也越高，反之购买成本较低；基于阶梯式碳价，对工业园区的碳排放进行价格约束；

4、步骤2，考虑运营商、用户侧之间的能量与碳排放量的交易过程，构建主从博弈模型，建立工业园区综合能源系统的最优经济调度方法，以考虑工业园区低碳调度；

5、步骤3，考虑电功率、天然气、平衡条件，电网侧与气网侧交互功率上下限，对综合能源调度进行约束，在满足工业园区综合能源需求的同时，最大限度地减少碳排放量。

6、优选的，步骤1中，制定工业园区碳排放、初始碳配额计算模型，得出工业园区实际碳排放量，具体为：

7、园区综合能源系统的碳排放量主要来自电、气两个方面，得出综合能源系统碳排放模型，工业园区时段t的碳排放量可通过下式计算：

8、

9、式中，为从上级电网购电生产的碳排放，为以天然气为一次能源的设备的碳排量；

10、可表示为：

11、

12、

13、式中，δe为该系统所在区域电网单位电量碳排放系数，δg为天然气碳排放系数；表示时刻t系统与电网交互功率，为时刻t输入系统的天然气量；

14、碳配额的初始分配与系统发电量、购气量因素有关；时段t的碳排放配额可通过下式计算，工业园区初始碳配额模型：

15、

16、式中，σe、σg、σr分别为购电单位碳配额、购气单位碳配额、绿色电力单位奖励碳配额；

17、基于初始碳配额模型，得出工业园区初始碳排放配额，对于低于初始碳配额的碳排放量，采用无偿的方式对工业园区的碳排放进行初始分配，高于碳配额的部分进入碳交易市场；

18、参与碳交易市场的碳排放量为实际碳排放量与初始碳排放配额差值：

19、

20、式中，δq表示参与碳交易市场的碳排放配额，δq>0表示碳排放超标，需要额外购买碳配额，δq<0表示可以进行正常碳排放。

21、优选的，步骤1中使用的阶梯式碳交易模型具体为：

22、基于实际碳排放量与初始碳配额量的差值，高出初始碳配额量的部分进入碳交易市场，碳排放量越高，对应的碳交易价格就越高，制定阶梯式碳交易模型：

23、

24、式中，cca为碳市场交易成本,λ碳市场交易基础价，ρ为价格增长幅度，l与为碳排放区间长度；

25、随着碳排放量的增多需购买的碳排放配额越多，设置3个区间碳交易价格，每个区间的计价不同，碳排放量越多价格也越高，反之购买成本较低；对工业园区形成碳排放约束。

26、优选的，运营商与用户主从博弈模型的具体构建方法如下：

27、在园区综合能源系统中，运营商根据用户用能需求，制定合理的电价、气价和碳价政策和调度方案，以最大化自身运营收益；而用户会积极响应运营商制定的价格政策，灵活调整自己的电气需求以及碳排放量负荷，追求自己的最大利益；

28、综合考虑综合能源系统对用户的售能收益、购能成本、设备运行维护成本、碳交易成本，以收益最大为优化目标参与博弈，建立运营商模型：

29、maxiieso＝iuser-cbuy-cop-cca

30、式中，iuser为调度期内对用户售能的收益；cbuy为购能成本；cop为设备运维成本；cca为碳交易成本；

31、购买能源成本：

32、

33、式中，为第t个时间段向外购电价格；为第t个时间段向外购天然气价格；

34、设备运维成本：

35、

36、式中，i取1，2，…，n，分别代表风机、热电联产机组、热泵机组、燃气锅炉、蓄电池和储热罐等，n为需要运维的设备总数；pi,t和βi是在t时段内的设备输出功率和运维价格；

37、碳交易成本：

38、

39、式中，cca为碳市场交易成本,λ碳市场交易基础价，ρ为价格增长幅度，l与为碳排放区间长度。

40、优选的，建立运营商与用户主从博弈模型中用户模型：

41、在运营商给定的能源价格下，用户通过优化自身的电负荷、气负荷与碳排放量，积极参与主从博弈，从而降低用能成本与碳排放量；定义用户目标函数为：

42、

43、式中，分别第t个时间段电能、天然气与碳价格；为电负荷，为气负荷，为t的碳排放量；

44、用户电负荷包括刚性电负荷和可平移电负荷，电负荷模型为：

45、

46、式中，为t时刻刚性负荷，其对可靠性要求较高，满足用户基本的生产和生活需要，不能随意改变，因此不参加需求响应；为t时刻的可平移电负荷，参加需求响应，可将一个时段的部分电负荷转移到其他时段。

47、优选的，步骤2中，工业园区综合能源系统最优调度下博弈论模型，具体如下：

48、将运营商作为领导者，用户作为跟随者，研究两者之间的交互行为；该博弈模型可定义为：

49、l＝{{pieso∪puser},{sieso∪suser}}

50、式中,l为主从博弈模型，{pieso∪puser}为参与者集合，pieso代表运营商，puser代表用户；{sieso∪suser}是参与者的策略集，运营商的策略包括调度周期内每个时段向用户出售的电能、气能价格与碳排放价格，购电量和购气量以及系统中能源耦合设备机组出力；用户参与博弈的策略是每小时用户消耗的电能、气能与产生的碳排放；

51、运营商和用户的决策互相依赖于对方的决策，在博弈过程中将不断进行迭代，直到不同利益主体之间达到均衡，{sieso∪suser}中工业园区综合能源系统主从博弈的均衡解；此时，追随者根据运营商的定价策略决策出最优负荷，而运营商接受用户的最优响应，即运营商与用户分获取最优电和气价格政策和最优用能曲线与碳排放量；在这种情况下任何一方都不能单方面改变自己的博弈策略以获取更多利益；

52、对于主从博弈模型进行求解，其双层博弈模型中都有各自的目标函数，上层先给定一个决策变量：

53、

54、w(x,y)≤0

55、z(x,y)＝0

56、式中，f分别为运营商收益的目标函数，w为等式约束条件，z为不等式约束条件，x为决策变量；

57、以该决策变量为参考量，根据用户最低用能成本的目标函数计算出一个最优解：

58、

59、w(x,y)≤0

60、z(x,y)＝0

61、式中，f为工业园区用户最低用能成本的目标函数，w为等式约束条件，z为不等式约束条件，y为决策变量；

62、该值继续回到运营商模型，运营商模型再以该值为参照进行计算，以此往复最终计算得出最优解。

63、优选的，步骤3中，需建立电功率，气功率与电气网侧约束条件：

64、用电功率平衡约束为：

65、

66、式中，为时刻t的chp机组电功率，为时刻t的电负荷，为时刻t的储能充放电功率；

67、天然气平衡约束为：

68、

69、式中，为时刻t热联机组的燃气量，为时刻t锅炉机组的燃气量，为时刻t的燃气负荷；

70、综合能源系统中各设备均有运行功率上、下限范围，包括光伏发电机组、电锅炉、燃气锅炉、热电联产机组和电储能设备；对于各设备出力，有设备出力约束：

71、

72、式中，为第n种设备在t时刻的输出功率，分别为第n种设备输出功率的最大值和最小值；

73、考虑到电网侧和气网侧的运行稳定性，对综合能源系统上级电网和气网的功率交互应有上、下限约束要求综合能源系统最优经济调度进行上下级电网，气网平衡约束：

74、

75、

76、式中，分别为系统与主电网交互功率的上限和下限；分别为系统与主汽网交互功率的上限和下限。

77、本发明的优点及技术效果在于：

78、(1)在总体碳排放约束下，对工业园区综合能源系统总体碳排放、碳配额进行核算，制定阶梯式碳交易模型对工业园区总体碳排放进行有效约束；

79、(2)考虑了运营商、用户侧之间的能量交易过程，上层以运营商收益最大为目标，下层以用户最佳能源使用为目标，提出一种考虑运营商与用户侧的主从博弈模型，建立工业园区综合能源系统最优调度模型；

80、(3)基于综合能源系统最优调度方法，考虑工业园区最低能源需求，在电功率、天然气功率添加约束，考虑电网侧与气网侧交互功率的上下限，在满足工业园区综合能源需求的同时，最大限度地减少碳排放量。