一种基于大型工业区的分布式能源系统低碳规划方法与流程

本发明属于能源系统优化领域，具体涉及一种基于大型工业区的分布式能源系统低碳规划方法。

背景技术：

1、气候变化的严重社会影响促使世界上许多国家和组织已经承诺限制社会对气候的影响，这使得世界转向更可持续的发展模式。加强可持续发展的重点是减少人类的碳足迹。这可以通过一系列不同的方法来实现，包括对清洁能源转换技术(如光伏和风能)的补贴、改变可再生能源占终端用户需求的占比、调整碳定价等等。大型工业区是指政府统一规划、建设规模较大、基础设施配套齐全、适合生产企业单位集中开展生产经营活动的大型区域。作为城市能源系统的重要组成部分，目前，大多数大型工业区通常具有能源供应安全保障不足、能源消费结构不合理、能源管理不善等问题，这导致其能源综合利用效率偏低，很多余热、余能等没有得到有效的回收和利用，能耗高、污染大。事实上，有可以减小成本的技术正在快速发展，其中一些涉及到可再生能源，特别是光伏太阳能系统和风力发电技术。

2、这两种趋势加上具体的政策选择(如激励措施和电价上涨)，促使能源供应和分配基础设施逐步从集中式向分散式转变。然而，向分散式结构的全面转变将取决于当地的情况。尽管如此，从这种新型结构中可以获得显著的好处，例如从面向当地社区的经济利益到技术优势。事实上，更分布式的架构可以更好地根据最终用户的需求定制能量转换系统的特性，减少传输损耗，并实现不同能量的供需之间一定程度的互动，这是传统的大型集中式结构无法实现的，也是可持续发展的潜在巨大资产。此外，分布式能源系统可以显著提高电力和其他配电网络等基础设施的弹性和灵活性，如果寻求深度渗透不可控制的可再生能源，这两者都是强制性的。即使到目前为止，几乎没有一个国家或地区处于这一阶段，但社会能源供应的未来前景将是分布式能源在终端消耗中占越来越大的份额。对碳排放征税，从而利用某些方式转化其他能源，可能会潜在地影响能源系统的设计选择。

3、目前，分布式能源系统规划普遍以经济最优为目标，偏向传统能源网络方程的约束，较少考虑碳排放限制，未充分发挥分布式能源系统的潜在低碳减排效益，也未能明晰不同区域分布式能源系统的碳排放责任。相较于单一能源系统的现有技术，分布式能源系统的低碳规划要求统筹考虑多种能源形式和多个能源网络，通过合理分摊碳排放责任，实现分布式能源系统的协同规划。

4、综上，有必要对大型工业区的分布式能源系统展开进一步研究，以低碳排放量为目标，通过改变碳定价获取更好的规划方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明专利提出了一种基于大型工业区的分布式能源系统低碳规划方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于大型工业区的分布式能源系统低碳规划方法，包括以下步骤：

3、s1、对分布式能源系统的能源枢纽机理分析；

4、s2、基于分析结果，建立分布式能源系统规划模型；

5、s3、建立碳税和天然气价格变化的影响模型，联合分布式能源系统规划模型进行求解，从而获得优化规划方案。

6、s1中，包括：

7、s11：提取目标能源系统的主要能源用户作为系统的能源枢纽，并描述出其主要的能源需求；

8、s12：提取目标能源系统的主要能源载体，并根据能源枢纽的能源需求建立不同能源载体和不同能源枢纽的供应关系；

9、s13：添加从外部供应商获取能源的途径，以及标明所有可能部署的能源转换途径和存储系统。

10、所述分布式能源系统规划模型的目标函数是一年内满足能源中心能源需求的总成本，优化的目标是最小化持续满足能源中心能源需求的总成本，即求出目标函数的最小值min:ctot＝cinv+cmain+cop；

11、其中，ctot是待最小化的总成本，而cinv、cmain和cop分别表示投资、维护和运营成本。

12、能源系统的投资、运营成本和维护费用通过以下方程表示：

13、

14、

15、其中，h是模拟时间跨度内的总小时数，分别表示从电网购买的电力、从天然气网络购买的天然气和出售给电网的光伏电力，分别为相应的购买价格；

16、对于给定系统的购买，由二进制变量xtech表示是否购买以及stech表示购买量的规模，规模乘以特定的投资成本ctech取决于技术类型，而三个量的乘积表示总投资；

17、为了表示仅仅一次年度支付，该成本被乘以考虑了投资利息i和特定技术的技术寿命ntech的因子ftech，表示年度维护成本；

18、只考虑一次投资时的表示方程：

19、

20、所述分布式能源系统规划模型的约束条件包括：

21、s21：列举不等式约束：

22、

23、

24、

25、其中，是表示技术conv的规模的变量，和分别表示下限和上限，二进制变量xconv允许规模等于零，表示技术的输出功率，h为时间步长，表示技术的输入功率，通过单一转换参数来表示其与输出功率的关系，对于天然气发动机是ηtech、对于电/吸收式冷水机组是coptech；

26、若存在光伏系统，则采用不同策略：

27、

28、

29、其中，表示发电容量，为最大发电量，表示每小时的产量，表示总系统电量产出参数，为考虑变压器和其他辅助设备的额外损耗；

30、s22：对存储技术进行模型定义：

31、

32、

33、

34、其中，表示储能容量，表示其最大允许值，表示允许的最小放电状态，和表示时间相关的存储能量，分别对应能量枢纽的每种能源载体，具体为制冷、供热和电力；

35、s23：列举载流子随时间变化的能量平衡方程：

36、

37、其中，分别表示所有入、出站能流之和，dcar表示该特定载体在每个时间步h的需求；

38、电网功率平衡方程和电流约束方程为：

39、

40、

41、其中，dele表示每小时的电力需求，表示由chp系统产生的电力，表示由光伏系统产生的电力，表示本地bess放电的电力，表示从国家电网购买的电力，表示卖给电网的电力，表示本地bess充电的电力，表示本地ec吸收的电力；

42、s24：对运营成本的额外约束：

43、

44、所述影响模型为：

45、

46、

47、其中，表示前一年的价格，vngas表示相对于前一年价格的价格相对变化程度，vctax表示每吨co2的碳税价值，用于量化碳税对电网电力价格的影响，gngas量化了电费中由实际能源成本引起的部分。

48、本发明在工作中，首先根据对不同的能源需求、获得途径和转换与存储，对系统的能源枢纽进行抽象建模，即提取出能源枢纽、其外部连接以及能源网络间所有可能的相互转换关系；

49、其次，以满足用户需求为前提建立总成本最小的目标函数，结合表示能源系统的规模大小、能源输入和功率输出关系的约束条件，建立分布式能源系统的规划模型；

50、最后，估算碳排放税和天然气价格对电网发电和天然气供应成本的影响，建立碳排放税和天然气价格变化的影响模型，并据此进行低碳效果分析。

51、这样，考虑碳定价水平日益提高和市场状况变化而导致的天然气供应价格的变化的影响，改变对分布式能源系统的设计，有利于减少能源使用，最终减少二氧化碳的排放，有助于促进有关分布式能源系统的能源政策措施的知识体系的不断发展。