一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法和装置

本发明属于源荷系统优化，尤其涉及一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法和装置。

背景技术：

1、随着全球气候变化问题的日益突出，减缓温室气体排放成为国际社会的共同责任。碳交易作为一种经济手段，通过对排放权的交易，激励企业减少二氧化碳等温室气体的排放，从而推动低碳经济的发展。

2、阶梯式碳交易是碳市场的一种成熟模式，它根据企业的排放水平设定不同的排放阶梯和相应的交易价格，从而引导企业逐步减少排放。这种模式在一定程度上能够平衡企业的经济利益和环保需求，鼓励企业在逐步减排的过程中保持经济的可持续性。

3、然而，现有的的碳交易模式还存在一些问题。首先，碳交易市场的运作需要有一个完善的监管和管理体系，以确保交易的公平、公正和透明。其次，传统碳交易模式往往只考虑了企业的排放量，而没有充分考虑到企业的实际产能和运营状况，这可能导致一些企业在碳交易中面临不公平的情况。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法和装置。

2、第一方面，本发明提供一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法，包括：

3、构建热电联供型能源系统模型；所述热电联供型能源系统模型包括出力模型和储能模型；

4、根据热电联供型能源系统模型构建碳交易模型；所述碳交易模型包括碳排放额模型、实际碳排放模型和阶梯式碳交易成本模型；

5、利用差分进化算法改进阶梯式碳交易成本模型，以阶梯式碳交易成本最小为目标，迭代计算最优固定碳排放量区间长度和最优不固定价格系数；

6、构建源荷系统模型；所述源荷系统模型以燃气消耗成本、购电成本、弃风弃光惩罚成本、电热储能充放电成本、阶梯式碳交易成本、需求响应成本以及绿证成本之和为目标函数；

7、构建约束条件；所述约束条件包括功率平衡约束、购电购热约束、风光出力约束、热电联产机组出力约束、电转气设备耗电量约束和储能元件约束；

8、将源荷系统模型、约束条件以及最优固定碳排放量区间长度和最优不固定价格系数输入至cplex求解器，以调度碳排放和经济成本。

9、进一步地，所述构建热电联供型能源系统模型，包括：

10、以固定24小时出力值作为风光出力模型；

11、构建热电联产机模型表达式：

12、hchp＝ηh·ρh·fchp；

13、pchp＝ηe·ρe·fchp；

14、其中，hchp为热电联产机组的热功率；ηh为热电联产机组的热能转换效率；ρh为单位燃气产生的热能；fchp为热电联产机组的燃气消耗速率；pchp为热电联产机组的电功率；ηe为电能转换效率；ρe为单位燃气产生的电能；

15、构建燃气锅炉模型表达式：

16、hgb＝ηgb·ρh·fgb；

17、其中，hgb为燃气锅炉的热功率；ηgb为燃气锅炉热能转换效率；fgb为燃气锅炉燃气消耗速率；

18、构建电转气模型表达式：

19、

20、其中，pt,t为t时间段源荷系统的总能耗；pa,t为t时间段碳捕集电厂的固定能耗；pcc,t为t时间段的碳捕集能耗；λcc为单位质量co2的捕集能耗；为t时间段系统的碳捕集量；ηcc,t为t时间段碳捕集电厂碳捕集率；rg为燃气机组的单位碳排放强度；eg,t为t时间段燃气机组总出力；pg,t和qg,t分别为t时间段燃气机组的电出力和热出力；k1为燃气机组的热电比；为t时间段电转气设备的碳利用量；为一个标准大气压下co2的密度；为t时间段电转气设备的产气量；pp2g,t为t时间段电转气设备的能耗；hl为天然气低热值；

21、构建蓄电池组模型表达式：

22、

23、构建储热器模型表达式：

24、

25、其中，和分别表示t时间段内蓄电池组的储电量和储热器的储热量；βbat和βhot分别表示蓄电池组存储自损失系数和储热器的存储自损失系数；为蓄电池组的充电状态；表示蓄电池组不充电；表示蓄电池组充电；为储热器的充电状态；表示储热器不充电；表示储热器充电；为蓄电池组的放电状态；表示蓄电池组不放电；表示蓄电池组放电；为储热器的放电状态；表示储热器不放电；表示储热器放电；为蓄电池组的充电效率；为储热器的充电效率；为蓄电池组的放电效率；为储热器的放电效率；和分别表示蓄电池组在t时间段的充电功率和放电功率；和分别表示储热器在t时间段的储热功率和放热功率。

26、进一步地，所述根据热电联供型能源系统模型构建碳交易模型，包括：

27、构建碳排放额模型表达式：

28、

29、其中，ebuy、echp、egb和esls分别为购电碳配额、热电联产碳配额、燃气锅炉碳配额和源荷系统总碳配额；γbuy和γe分别为单位购电碳配额系数和单位发热量碳配额系数；ηe,h为热电联产机组发电量向发热量的转化系数；pbuy(t)、pchp(t)、hchp(t)和hgb(t)分别为t时间段的购电量、热电联产机组发电量、热电联产机组产热量和燃气锅炉产热量；n为时间段数；t为总的时间长度；δt为时间变化量；

30、构建实际碳排放模型表达式：

31、

32、其中，ebuy′、echp′、egb′和esls′分别为实际的购电碳排放额、热电联产碳排放额、燃气锅炉碳排放额和源荷系统总碳排放额；γbug’和γe’分别为单位购电碳排放额系数和单位发热量碳排放额系数；qccs(t)为t时间段碳捕集设备捕集到的二氧化碳量；δe为碳交易量；

33、构建阶梯式碳交易成本模型表达式：

34、

35、其中，为阶梯型碳交易成本；d为碳排放量区间长度；α1、α2、α3、α4和α5均为价格系数；表示获得碳交易收益。

36、进一步地，所述构建源荷系统模型；所述源荷系统模型以燃气消耗成本、购电成本、弃风弃光惩罚成本、电热储能充放电成本、阶梯式碳交易成本、需求响应成本以及绿证成本之和为目标函数，包括：

37、构建目标函数表达式：

38、

39、其中，f为源荷系统调度模型的调度成本；和分别为t时间段的燃气消耗成本、购电成本、弃风弃光惩罚成本、电热储能充放电成本、阶梯式碳交易成本、需求响应成本以及绿证交易成本；

40、

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、其中，γair为单位燃气消耗成本；fgb(t)为t时间段燃气锅炉消耗燃气量；fp2g(t)为t时间段电转气设备供气量；fchp(t)为t时间段热电联产机组的燃气消耗速率；δt为时间变化量；γbuy和γsell分别为购电单价和售电单价；pbuy(t)和psell(t)分别为t时间段购电量和售电量；cpv和cpw分别为弃光惩罚费用和弃风惩罚费用；和分别为t时间段的光伏出力值和风电出力值；和分别为t时间段实际消纳的光伏功率和风电功率；γebat和γhbat分别为电储能充放电成本系数和热储能充放电成本系数；pech(t)和pedis(t)分别为t时间段电储能的充电量和放电量；phch(t)和phdis(t)为t时间段热储能的充热量和放热量；d为碳排放量区间长度；α1、α2、α3、α4和α5均为价格系数；表示获得碳交易收益；γcut、γshift和γcut′分别为电负荷削减成本系数、电负荷转移成本系数和热负荷削减成本系数；pcut(t)、pshift(t)和hcut(t)分别为t时间段的削减电负荷量、转移电负荷量和削减热负荷量；为t时间段绿色证书交易价格；为供能商在t时间段购买或出售的绿色证书量，若为正值表示供能商此刻购买绿色证书，若为负值表示此刻出售绿色证书。

48、进一步地，所述构建约束条件，包括：

49、构建功率平衡约束表达式：

50、

51、

52、pbuy(t)为t时间段的购电量；psell(t)为t时间段的售电量；pchp(t)为t时间段的热电联产机组发电量；pedis(t)为t时间段的电储能放电量；为t时间段的负荷用电量；为t时间段的风电出力；为t时间段的光伏出力；pp2g,t为t时间段电转气设备的能耗；为t时间段碳捕集设备的耗电量；pech(t)为t时间段电储能的充电量；hchp(t)为t时间段热电联产机组产热量；hgb(t)为t时间段燃气锅炉产热量；phdis(t)为t时间段热储能的放热量；为t时间段热负荷用热量；phch(t)为t时间段热储能的充热量；

53、构建购电购热约束条件：

54、

55、

56、

57、其中，为t时间段购热量；为购电量上限；为售电量上限；为购热量上限；

58、构建风光出力约束条件：

59、

60、

61、为t时间段风机功率；为风机功率上限；为t时间段实际消纳的光伏功率；为实际消纳的光伏功率上限；

62、构建热电联产机组出力约束条件：

63、

64、

65、其中，和分别为热电联产机组发电量上限和发热量的上限；

66、构建电转气设备耗电量约束条件：

67、

68、

69、其中，和分别为电转气设备耗电量上限和碳捕集设备耗电量上限；

70、构建储能元件约束条件：

71、

72、

73、

74、

75、

76、

77、

78、

79、其中，为t时间段内蓄电池组的储电量；和分别为蓄电池组在t时间段内的储电量下限和储电量上限；和分别为蓄电池组在t时间段内的充放电功率、充放电功率下限和充放电功率上限；和分别代表蓄电池组始和末的储电量；

80、为t时间段内储热器的储热量；和分别为储热器在t时间段内的储热量下限和储热量上限；和分别为储热器在t时间段内的储放热功率、储放热功率下限和储放热功率上限；和分别代表储热器始和末的储热量。

81、第二方面，本发明提供一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度装置，包括：

82、第一构建模块，用于构建热电联供型能源系统模型；所述热电联供型能源系统模型包括出力模型和储能模型；

83、第二构建模块，用于根据热电联供型能源系统模型构建碳交易模型；所述碳交易模型包括碳排放额模型、实际碳排放模型和阶梯式碳交易成本模型；

84、计算模块，用于利用差分进化算法改进阶梯式碳交易成本模型，以阶梯式碳交易成本最小为目标，迭代计算最优固定碳排放量区间长度和最优不固定价格系数；

85、第三构建模块，用于构建源荷系统模型；所述源荷系统模型以燃气消耗成本、购电成本、弃风弃光惩罚成本、电热储能充放电成本、阶梯式碳交易成本、需求响应成本以及绿证成本之和为目标函数；

86、第四构建模块，用于构建约束条件；所述约束条件包括功率平衡约束、购电购热约束、风光出力约束、热电联产机组出力约束、电转气设备耗电量约束和储能元件约束；

87、输入模块，用于将源荷系统模型、约束条件以及最优固定碳排放量区间长度和最优不固定价格系数输入至cplex求解器，以调度碳排放和经济成本。

88、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括处理器和存储器；其中，处理器执行存储器中保存的计算机程序时实现第一方面所述的基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法的步骤。

89、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法的步骤。

90、本发明提供一种基于阶梯式碳交易的源荷系统调度方法和装置，方法中利用差分进化算法对阶梯式碳交易进行改进，将阶梯碳交易中的碳交易量区间和价格系数作为变量带入差分进化算法中，对两个变量进行初始化、变异、交叉、选择，最终根据碳交易成本最小迭代出最优的固定碳交易量区间以及最优的不固定碳交易价格系数，以此得到最小碳排放调度结果。此方法比传统阶梯碳交易更为灵活，能根据系统设备情况进行精细化调整，比传统阶梯碳交易减少更多碳排放量，同时经济成本也在可接受范围内。

91、引入绿证交易政策，通过奖励可再生能源的生产和消费，激励了清洁能源的使用，能够形成良好的经济激励机制，鼓励企业提升能效、降低碳排放，从而在源荷系统中实现成本的最小化。同时将绿证交易与阶梯式碳交易相结合，同时发挥出减碳排和降成本的效果，使得在碳排放量降低的基础上，最大程度得保证经济效益。

92、本发明构建热电联产机组、燃气锅炉、碳捕集设备和电转气设备出力模型以及电热储能设备模型，然后对负荷侧进行归类划分，同时分别对电、热负荷进行需求响应分析，最后在满足功率供求平衡、设备出力等约束条件下，分别以阶梯碳交易成本最小和系统调度总成本最小为目标函数，对双层模型进行调度优化，考虑碳排放因素以及最大程度进行碳回收利用。