考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法与流程

本发明涉及综合能源系统运行优化，尤其是涉及考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法。

背景技术：

1、在温室效应日益严峻的背景下，国家倡导绿色、低碳发展。国家加快抽水蓄能项目建设，抽水蓄能电站在启停次数、启停时间与灵活性上较火电机组更具优势，同时也为构建新能源为主体的新型电力系统提供了保障。

2、目前已有的关于抽水蓄能电站对于综合能源系统的方法研究具有片面性，未能全面从经济效益与风险、环境效益、动态发电价格约束、系统稳定性等多方面、全维度进行分析，分析结果有限，从而不能全面掌握抽水蓄能电站对于综合能源系统运行的最佳经济效益。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明的目的是提供考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法，该方法搭建了含有精细化p2g和奖惩阶梯式碳交易的综合能源系统，利用p2g制co2过程与阶梯式碳交易降低系统碳排放量；同时，考虑抽水蓄能电站的低碳环保性，利用源于碳量的动态电价来激励抽水蓄能电站参与综合能源系统的调度过程，有机结合p2g与碳交易过程进一步降低整体系统的碳排放量与抽水蓄能电站蓄水成本，使综合能源系统的优化配置结果更符合实际要求，对于推动节能减排和新能源未来发展具有重要意义。

2、本发明采用的技术方案是：所述调度方法将综合能源系统作为上层优化系统，将抽水蓄能电站作为下层优化系统，包括以下步骤：

3、s01：构建考虑抽水蓄能电站的综合能源系统模型，所述综合能源系统包括风机、燃气锅炉、热电联产机组、电储能、热储能、氢储能、气储能、氢燃料电池、p2g，所述p2g包含两部分，其中一部分利用电解槽将电能转化为氢能，另一部分利用甲烷反应器将一部分氢能和co2合成天然气，该部分又称为甲烷化过程；

4、所述综合能源系统集合多种异质能源，包括电能、天然气、氢能、热能，所述电能中的电负荷由风电、电储能、上级电网、氢燃料电池与热电联产机组提供，所述氢能由电解槽、氢储能提供，所述天然气由气网、气储能与甲烷化过程提供，所述热能中的热负荷由热储能、热电联产机组与燃气锅炉提供；

5、s02：构建含抽水蓄能电站综合能源系统的双层调度模型，其中上层以综合能源系统的日运行成本最优为目标函数c，上层目标函数c包括购能成本、弃风成本与碳交易成本，下层以抽水蓄能电站的运行成本f最小为目标函数；

6、s03：考虑约束条件；

7、s04：考虑动态电价机制；

8、s05：采用动态电价机制将约束条件带入双层调度模型进行求解。

9、进一步的，所述热电联产机组又称chp,其包含燃气轮机、余热锅炉，数学模型为：

10、

11、式中，分别表示t时刻chp输入燃气功率以及输出电、热功率；

12、分别表示chp电、热功率转换能效；

13、和表示chp输入燃气最大、最小功率；

14、和表示chp最大、最小爬坡功率；

15、和表示chp热电比最大、最小可调范围；

16、所述氢燃料电池hfc的数学模型为：

17、

18、式中，表示t时刻hfc输入氢功率以及输出电、热功率；

19、和表示hfc电、热功率转换能效；

20、和表示hfc输入氢功率最大最、小值；

21、和表示hfc最大、最小爬坡功率；

22、和表示hfc最大、最小热电比；

23、所述p2g中的电解槽又称el，其设备模型为：

24、

25、式中,和表示t时刻el输入的电功率及其输出的氢功率；

26、ξel表示el电、氢功率转换能效；

27、和表示el输入电功率的最大、最小值；

28、和表示el最大、最小爬坡功率；

29、所述p2g中的甲烷反应器又称mr，其设备模型为：

30、

31、式中，和表示t时刻mr输入氢功率及其输出燃气功率；

32、ξmr表示mr氢、燃气功率转换能效；

33、和表示mr输入氢功率的最大、最小值；

34、和表示mr最大、最小爬坡功率。

35、进一步的，所述目标函数c为：

36、c＝min(cgn+cc+cqf)                                                式(5)

37、式中，c为总日运行成本，cgn为购能成本，cc为碳交易成本，cqf为弃风成本；

38、所述购能成本为：

39、

40、式中，pe,t和pg,t为t时段的购电、购气价格，

41、和为t时段的购电、购气量；

42、所述弃风成本为：

43、

44、式中，表示单位弃风成本，和分别表示t时段的预测功率与实际风电消纳功率；

45、所述碳交易成本为：

46、

47、

48、

49、

50、式中，epe表示无偿碳配额；esj表示实际碳排放量；αi表示无偿碳配额基数；χ表示电网的单位碳排放费用；表示抽水蓄能电站的蓄能功率；δ表示天然气的单位碳排放费用；ctr,i表示第i个碳排放量区间对应的单位成本；λi表示第i个碳排放量区间的边界值；ε表示无偿碳配额的收益单价；cc、分别表示实际碳交易成本与不考虑碳配额的碳交易成本；

51、所述目标函数f的表达式为：

52、

53、式中，f1、f2分别表示抽水蓄能电站的蓄能成本与发电收益；表示抽水蓄能电站的发电功率；分别表示抽水蓄能电站在t时刻的蓄能、发电价格。

54、进一步的，所述约束条件包括电功率平衡，热功率平衡，氢气功率平衡，天然气功率平衡，风电约束，抽水蓄能机组蓄水、发电约束，抽水蓄能电站库容约束，热电联产机组chp约束、电解槽el约束、甲烷反应器mr约束、氢燃料电池hfc约束。

55、进一步的，所述电功率平衡表达式为：

56、

57、式中，分别为电储能的充放电功率；为系统的电负荷；

58、所述热功率平衡表达式为：

59、

60、式中，分别为热储能的蓄、放热功率；为系统的热负荷；

61、所述氢气功率平衡表达式为：

62、

63、式中，分别为氢气储能的蓄、放能功率；

64、所述天然气功率平衡表达式为：

65、

66、式中，为天然气储能的蓄、放能功率；

67、所述风电约束表达式为：

68、

69、所述抽水蓄能机组蓄水、发电约束表达式为：

70、

71、式中，分别为pspp的蓄水功率的最小、最大值；分别为抽水蓄能电站的抽水功率的最小、最大值；分别为抽水蓄能电站的0-1状态变量；

72、所述抽水蓄能电站库容约束表达式为：

73、

74、

75、式中，vu,t、vd,t分别为t时刻的上、下水库的容积；vu,min、vu,max分别为上水库容积的最小、最大值；vd,min、vd,max分别为下水库容积的最小、最大值；ηg、ηp分别为发电、蓄水时的水电转化系数，取748.5m3/(mw·h)与561.75m3/(mw·h)[14]。

76、进一步的，所述动态电价机制下的某一时刻碳量的计算表达式为：

77、

78、

79、

80、式中，分别表示第i个ies t时刻的无偿碳配额与实际碳排放；表示t时刻的碳量；cfs为分时电价下ies碳量之和；

81、其中，抽水蓄能电站的动态蓄水、发电价格确定表达式为：

82、

83、式中，σ为电价调整系数。

84、进一步的，所述双层调度模型采用cplex进行求解，所述求解步骤为：

85、s051：在抽水蓄能电站的计划调度方案下求解综合能源系统中各个机组的出力水平以及系统的碳排放量；

86、s052：将本次的碳排放量与上次优化得到的碳量水平比较得到新的相对碳量水平；

87、s053：根据相对碳量水平计算抽水蓄能电站的动态发电价格，求解得到抽水蓄能电站的发电、蓄水功率；

88、s054：通过上下两层的迭代输出最优的调度方案与成本。

89、本发明的有益效果：

90、本发明考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法，在抽水蓄能电站参与综合能源系统优化运行、挖掘抽水蓄能调度潜力的背景下，考虑精细化p2g与碳交易过程，利用基于碳量引导的抽水蓄能电站发电、蓄能方式来实现与综合能源系统的交互，采用碳量来引导抽水蓄能电站运行方式的电价机制相比分时电价有更好的经济性与低碳性，能降低综合能源系统的运行成本，提高抽水蓄能电站的收益，同时在减少碳排放方面也有突出成效；

91、本发明考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法，该方法是一种用于调节电力供应和需求之间不平衡的能源储存系统，其可以将多余的电力在高峰期存储起来，然后在用电高峰期释放出来，用来平衡电力供应和需求之间的差异，其能够利用每个时刻系统的碳量来引导抽水蓄能电站的蓄水、发电行为，挖掘抽水蓄能电站对降低综合能源系统碳排放的潜力，通过抽水蓄能电站的蓄水、发电行为来改变系统内其他机组的出力大小，实现降碳的目的。

92、本发明考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法，热电比可调的热电联产机组相比恒定热电比的热电联产机组有利于系统低碳经济调度，在灵活供能时也可实现能量的梯级利用。

93、本发明考虑抽水蓄能电站的综合能源系统双层低碳调度方法，p2g的甲烷化过程与碳交易机制结合有利于降低综合能源系统的碳交易成本，进一步减少碳排放，同时在动态电价作用下，也有利于提升抽水蓄能电站的效益。