CN115115114A - 一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于综合能源系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法。其能够为综合能源系统优化调度提供技术依据和实用方法。包括：步骤1)建立综合能源系统内部主体的碳交易模型和机制；步骤2)建立分布式电源、储能及其他能量转换设备的出力模型、碳排放模型和成本模型；建立能量枢纽数学模型，建立电‑气‑热‑冷内部与外部交互模型；步骤3)将综合能源系统内部进行分层；步骤4)建立综合能源系统混合博弈结构；步骤5)求解互动流程；步骤6)建立更适综合能源系统的阶梯碳价定价机制；步骤7)验真混合博弈方案能够实现综合能源系统的稳定经济环保运行。

Description

一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法
技术领域
本发明属于综合能源系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法。
背景技术
为加速能源清洁化转型进程，脱碳减排需求日益增长。风电、光伏等可再生能源将迎来快速式增长，逐步替代传统化石能源占据能源领域主导地位，能降低碳排放量。
基于各能源之间的多能转换协同互补的综合能源系统成为促进低碳化的关键研究方向。目前，从综合能源系统的能源供应环节、转换环节、传输环节以及需求环节等方面入手，建立以运行成本最低为目标的经济性目标和以能效最高为目标的能效目标的模型预测控制，仅考虑经济型目标、仅考虑能效目标与综合考虑经济性目标与能效目标的三种不同场景，实现综合能源系统的多目标优化调度。
同时，为了减少综合能源系统的碳排放量，碳交易被认为是兼顾电力经济性和低碳环保性的有效手段。在考虑综合能源系统的阶梯型碳交易成本计算，以碳交易成本与能源成本之和为目标函数，考虑系统的运行约束，构建综合能源系统低碳经济调度模型，实现对碳排放量的控制作用，还兼顾了系统整体的经济性。此外，考虑综合能源系统参与到碳交易市场，引入阶梯式碳交易机制，基于供、需两侧同时具备灵活需求的能力，构建以碳排放成本、购能成本、弃风成本、需求响应成本最小为目标的优化调度模型，灵活地进行供、需协调，进一步减少综合能源系统的碳排放，优化系统的运行经济性。
当前有以下2个需要进一步研究的问题：①建立引入综合能源系统能量枢纽和碳交易模型及机制，能够清晰的表明各类能量的流向，保证供需平衡的同时避免弃风和弃光情况的发生；②根据综合能源系统内部交易中心与各主体的主从博弈模型和各主体之间的合作博弈模型，分配出决策层和从属层建立综合能源系统的分层调度模型，从而依据碳交易的支持建立经济性和环保性的目标函数。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其能够更有效和可靠的进行电网、气网和综合能源系统内部各主体之间的调度达成经济性和环保型最优的目的，为综合能源系统优化调度提供技术依据和实用方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，先建立阶梯式碳交易机制，保证碳交易对各类行业的碳排放的约束。建立电-气-冷-热等能量流进行交换的能量枢纽模型，进一步分析整个综合能源系统的内外交换关系，建立电-气-冷- 热之间交易的数学模型。在综合能源系统内部建立由主从博弈和混合博弈组成的混合博弈模型，在综合能源系统交易中心和内部各主体进行主从博弈，决策层下发调度计划和价格信息对从属层进行引导，从属层将出力情况和碳排放情况上报给决策层；综合能源系统内部包括：可再生能源、负荷和综合能源服务商各主体之间进行合作博弈，保证风光消纳的前提下，在各主体之间进行最优交易。实现综合能源系统交易中心、各类分布式能源、负载和能量转换等主体的经济稳定运行。
具体包括以下步骤：
步骤1)根据阶梯电价模型和综合能源系统运行，建立综合能源系统内部主体的碳交易模型和机制。
步骤2)建立分布式电源、储能及其他能量转换设备的出力模型、碳排放模型和成本模型；建立能量枢纽数学模型，建立电-气-热-冷内部与外部交互模型。
步骤3)将综合能源系统内部进行分层，综合能源系统交易中心作为决策层，内部各主体作为从属层进行调度。
步骤4)建立综合能源系统混合博弈结构并建立其数学模型。
步骤5)建立计及碳交易的综合能源系统优化调度模型Matlab平台求解互动流程。
步骤6)针对当前优化调度方法，对步骤1)的碳排放交易机制进行评价，建立更适综合能源系统的阶梯碳价定价机制。
步骤7)对计及碳交易的综合能源系统优化调度方法的有效性进行仿真分析，验真混合博弈方案能够实现综合能源系统的稳定经济环保运行。
进一步地，步骤2)中包括：
(1)建立综合能源系统内部各主体的出力模型，包括风电、光伏、燃气轮机、电锅炉、制冷机。
(2)根据各系统出力函数，建立各主体的碳排放函数和成本函数。
(3)通过总结电、气、热、冷的交互，建立综合能源系统能量枢纽的数学模型；为更易分析内外交互，将与系统外部进行交互的能量和碳排放配额进行标注。
进一步地，步骤3)包括：
(1)决策层的目标函数为避免弃风弃光、碳排放最少，通过接收从属层的出力情况，进行分析下发调度计划，通过定价引导从属层各主体。
(2)从属层目标函数的收益最高、用能质量(最)高。
进一步地，步骤4)包括：
(1)以综合能源系统交易商为领导者，内部主体包括：可再生能源拥有者、综合能源服务商和负载作为跟随者，进行主从博弈；在可再生能源拥有者、服务商和负载之间进行合作博弈。
(2)确定博弈决策变量。
(3)确定收益函数。
(4)确定当前气候情况，由交易中心制定冬夏运行计划。
(5)综合能源系统交易中心根据自身效益制定机组出力计划并下发给跟随者；各位跟随者结合自身的生产计划，选定电、气、热、冷负荷模型及收益函数，在确定自身收益的前提下，向交易商上报可平移负荷、可消减负荷以及可改变负荷的量。
(6)交易中心通过汇总跟随者上报信息，制定向电网、气网和碳交易中心交易计划，并且根据目标函数重新制定各类机组出力计划下发给用户，参与用户则对自身的收益函数进行寻优，再次与交易中心互动。
(7)重复(4)、(5)，直至所有优化对象策略级不在发生变化，此时优化策略集为混合博弈寻优结果。
进一步地，步骤5)包括：
(1)输入初始数据并设置运行参数，包括电、气、热、冷负荷需求，电、气、碳的价格，机组额定功率。
(2)初始化种群a，该种群包括：上报的符合需求、互动相应量(等信息)。
(3)交易调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给各主体，进而调用子流程对主体效益进行寻优。
(4)各主体将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益A。
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b。
(6)调用从属层算法，各主体对自身能量与碳排放配额调度效益进行寻优，并将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益B。
(7)从属层算法：利用非线性规划求解方法求解从属层多主体的效益；并将优化结果上报给交易中心，所有主体均参与优化求解，则结束流程。
(8)若B>A，则令a＝b，A＝B，然后跳转至(5)，否则判断是否满足迭代结束要求，若满足，互动结束，否则跳至(5)。
具体地，综合能源系统通过交易中心与电网、气网和碳交易中心进行能量和碳的交互进行协同优化调度控制。建立分层调度框架和控制模型与包括主从博弈和合作博弈的混合博弈模型来实现系统内各主体与系统外部的最优调度方法。
分层优化调度模型中，决策层提供价格、出力计划等信息，从属层提供出力上下限、储能容量等信息。通过决策层和从属层进行联合调度，以综合能源系统消纳风光能力、经济性和环保性最优为目标制定出力计划，内部各主体还需要根据出力计划、储能出力、负荷预测等数据以运行收益最大化进行协调。
综合能源系统收益函数F1为：
F1＝max(Wsell-(Wgas+WP+WES)) (1)
Figure BDA0003720219410000051
Figure BDA0003720219410000052
Figure BDA0003720219410000053
其中，Wsell、Wgas、WP、WES、WH、WC为对外售能收益、购气成本、购电成本、储能设备运行成本、供热费用、供冷费用，LP为负载用电功率、Cp为电价，B为蓄电池单价，N为蓄电池应用次数，PES,IN、PES,OUT为蓄电池充放电功率，CES为蓄电池容量。
综合能源系统总碳排放F2为：
Figure BDA0003720219410000061
其中，αgas、αgrid为燃气机组和电网的碳排放系数，PGT、Pgrid为燃气机组和电网工作的电功率。
综合能源系统环保性函数F3为：
Figure BDA0003720219410000062
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明能够适应引入碳交易的电力市场，抢先利用碳交易在综合能源系统中的碳排放约束作用，保有效的在综合能源系统中进行能量调度的同时使各主体获得最大收益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是计及碳交易的综合能源系统优化调度方法主要流程。
图2是各主体间的交互关系。
图3是分层调度的结构。
图4是优化调度模型在Matlab平台求解互动流程。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明包括：步骤1)根据阶梯电价模型的经验和综合能源系统运行经验，建立综合能源系统内部主体的碳交易模型。
步骤2)建立分布式电源、储能及其他能量转换设备的出力模型、碳排放模型和成本模型；建立能量枢纽数学模型，建立电-气-热-冷内部与外部交互模型。综合能源系统具体内外交易关系如图2所示。
(1)建立综合能源系统内部各主体的出力模型，包括风电、光伏、燃气轮机、电锅炉、制冷机等。
风电出力模型：
Figure BDA0003720219410000071
式中：Pw为风机功率；ρ为空气密度；Rw为风机叶片半径；v为风速；Cp为风能利用系数；λ为叶尖速比；β为浆距角。
光伏出力模型：
Ppv＝ITAmNmηPV (2)
式中：Ppv为光伏输出功率；IT为光伏板上的辐射强度；Am光伏组件面积；Nm 光伏组件数量；ηpv光伏组件发电效率。
燃气轮机出力模型：
PGT＝VGTQIngηGT (3)
式中：PGT为燃气轮机出力功率；VGT为消耗燃气体积；QIng为燃气内所含热值；ηGT为燃气轮机发电效率值。
电锅炉：
Figure BDA0003720219410000072
式中：
Figure BDA0003720219410000073
为电锅炉的输入、输出功率；αEH为电锅炉的工作效率。
制冷机：
Figure BDA0003720219410000081
式中：
Figure BDA0003720219410000082
为制冷机的输入、输出功率；αRM为制冷机的工作效率。
(2)根据各类系统的出力函数，建立各主体的碳排放函数和成本函数，在国家规定范围内，选取适合系统的相关系数；
燃气轮机碳排放模型：
Figure BDA0003720219410000083
式中：
Figure BDA0003720219410000084
为燃气轮机碳排放量；μ为燃气轮机碳排放系数。
(3)通过总结电、气、热、冷的交互，将其公式化后建立起综合能源系统能量枢纽的数学模型。为更易分析内外交互，将与系统外部进行交互的能量和碳排放配额特别标注。
Figure BDA0003720219410000085
式中：P1、P2、…、Pm为各类原始输入能源；L1、L2、…、Lm为各类转换输出能源；λn×m为能量枢纽转换矩阵。
步骤3)将综合能源系统内部进行分层，综合能源系统交易中心作为决策层，内部各主体作为从属层进行调度，如图3所示。
(1)决策层的目标函数为避免弃风弃光、碳排放最少。通过接收从属层的出力情况等信息，进行分析下发调度计划，通过定价引导从属层各主体；
(2)从属层目标函数为收益最高、用能质量高。
综合能源系统收益函数F1为：
F1＝max(Wsell-(Wgas+WP+WES)) (8)
Figure BDA0003720219410000086
Figure BDA0003720219410000091
Figure BDA0003720219410000092
其中，Wsell、Wgas、WP、WES、WH、WC为对外售能收益、购气成本、购电成本、储能设备运行成本、供热费用、供冷费用，LP为负载用电功率、Cp为电价，B为蓄电池单价，N为蓄电池应用次数，PES,IN、PES,OUT为蓄电池充放电功率，CES为蓄电池容量。
综合能源系统总碳排放F2为：
Figure BDA0003720219410000093
其中，αgas、αgrid为燃气机组和电网的碳排放系数，PGT、Pgrid为燃气机组和电网工作的电功率。
综合能源系统环保性函数F3为：
Figure BDA0003720219410000094
其中，μgas、μgird为燃气机组和电网的污染气体排放系数。
步骤4)建立综合能源系统混合博弈结构并建立其数学模型；
(1)以综合能源系统交易商为领导者，内部主体包括：可再生能源拥有者、综合能源服务商和负载作为跟随者，进行主从博弈。在可再生能源拥有者、服务商和负载之间进行合作博弈；
(2)确定博弈决策变量；
(3)确定收益函数；
(4)确定当前气候情况，由交易中心制定冬夏运行计划。
(5)综合能源系统交易中心根据自身效益制定机组出力计划并下发给跟随者；各位跟随者结合自身的生产计划，选定电、气、热、冷负荷模型及收益函数，在确定自身收益的前提下，向交易商上报可平移负荷、可消减负荷以及可改变负荷的量；
(6)交易中心通过汇总跟随者上报信息，制定向电网、气网和碳交易中心交易计划，并且根据目标函数重新制定各类机组出力计划下发给用户，参与用户则对自身的收益函数进行寻优，再次与交易中心互动；
(7)重复(4)、(5)，直至所有优化对象策略级不在发生变化，此时优化策略集为混合博弈寻优结果。
步骤5)建立计及碳交易的综合能源系统优化调度模型Matlab平台求解互动流程，流程如图4所示；
(1)输入初始数据并设置参数，包括电、气、热、冷负荷需求，电、气、碳的价格，机组额定功率等运行参数；
(2)初始化种群a，该种群包括上报的符合需求、互动相应量等信息；
(3)交易调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给各主体，进而调用子流程对主体效益进行寻优；
(4)各主体将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益A；
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b；
(6)调用从属层算法，各主体对自身能量与碳排放配额调度效益进行寻优，并将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益B；
(7)从属层算法：利用非线性规划求解方法求解从属层多主体的效益。并将优化结果上报给交易中心，所有主体均参与优化求解，则结束流程；
(8)若B>A，则令a＝b，A＝B，然后跳转至(5)，否则判断是否满足迭代结束要求，若满足，互动结束，否则跳至(5)；
步骤6)针对当前优化调度方法，对步骤1)的碳排放交易机制进行评价，建立更适综合能源系统的阶梯碳价定价机制。
步骤7)对计及碳交易的综合能源系统优化调度方法的有效性进行仿真分析，验真混合博弈方案能够实现综合能源系统的稳定经济环保运行。
本发明提出的一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法的基本思想是：针对综合能源系统交易中心、综合能源系统内部各主体和系统外部的电网、气网和碳交易等不同利益主体，建立阶梯式碳交易定价机制，搭建决策层和从属层调度框架，建立混合博弈模型，通过主从博弈和合作博弈确定参与者最优调度策略，实现各类分布式能源、负载和能量转换等主体的经济稳定运行。
本发明提出了一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，综合能源系统内部各主体与交易中心的混合博弈调度策略存在这一定的复杂性，其主要表现为：经济性和环保性作为目标函数存在一定矛盾，运行调度策略需要保证内部主体用户的利益。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)根据阶梯电价模型和综合能源系统运行，建立综合能源系统内部主体的碳交易模型和机制；
步骤2)建立分布式电源、储能及其他能量转换设备的出力模型、碳排放模型和成本模型；建立能量枢纽数学模型，建立电-气-热-冷内部与外部交互模型；
步骤3)将综合能源系统内部进行分层，综合能源系统交易中心作为决策层，内部各主体作为从属层进行调度；
步骤4)建立综合能源系统混合博弈结构并建立其数学模型；
步骤5)建立计及碳交易的综合能源系统优化调度模型Matlab平台求解互动流程；
步骤6)针对当前优化调度方法，对步骤1)的碳排放交易机制进行评价，建立更适综合能源系统的阶梯碳价定价机制；
步骤7)对计及碳交易的综合能源系统优化调度方法的有效性进行仿真分析，验真混合博弈方案能够实现综合能源系统的稳定经济环保运行。
2.根据权利要求1所述的一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤2)中包括：
(1)建立综合能源系统内部各主体的出力模型，包括风电、光伏、燃气轮机、电锅炉、制冷机；
(2)根据各系统出力函数，建立各主体的碳排放函数和成本函数；
(3)通过总结电、气、热、冷的交互，建立综合能源系统能量枢纽的数学模型；为更易分析内外交互，将与系统外部进行交互的能量和碳排放配额进行标注。
3.根据权利要求1所述的一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤3)包括：
(1)决策层的目标函数为避免弃风弃光、碳排放最少，通过接收从属层的出力情况，进行分析下发调度计划，通过定价引导从属层各主体；
(2)从属层目标函数的收益最高、用能质量高。
4.根据权利要求1所述的一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤4)包括：
(1)以综合能源系统交易商为领导者，内部主体包括：可再生能源拥有者、综合能源服务商和负载作为跟随者，进行主从博弈；在可再生能源拥有者、服务商和负载之间进行合作博弈；
(2)确定博弈决策变量；
(3)确定收益函数；
(4)确定当前气候情况，由交易中心制定冬夏运行计划；
(5)综合能源系统交易中心根据自身效益制定机组出力计划并下发给跟随者；各位跟随者结合自身的生产计划，选定电、气、热、冷负荷模型及收益函数，在确定自身收益的前提下，向交易商上报可平移负荷、可消减负荷以及可改变负荷的量；
(6)交易中心通过汇总跟随者上报信息，制定向电网、气网和碳交易中心交易计划，并且根据目标函数重新制定各类机组出力计划下发给用户，参与用户则对自身的收益函数进行寻优，再次与交易中心互动；
(7)重复(4)、(5)，直至所有优化对象策略级不在发生变化，此时优化策略集为混合博弈寻优结果。
5.根据权利要求1所述的一种计及碳交易的综合能源系统优化调度方法，其特征在于：步骤5)包括：
(1)输入初始数据并设置运行参数，包括电、气、热、冷负荷需求，电、气、碳的价格，机组额定功率；
(2)初始化种群a，该种群包括：上报的符合需求、互动相应量；
(3)交易调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给各主体，进而调用子流程对主体效益进行寻优；
(4)各主体将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益A；
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b；
(6)调用从属层算法，各主体对自身能量与碳排放配额调度效益进行寻优，并将优化得出的策略上报给交易调度中心，调度中心计算自身效益B；
(7)从属层算法：利用非线性规划求解方法求解从属层多主体的效益；并将优化结果上报给交易中心，所有主体均参与优化求解，则结束流程；
(8)若B>A，则令a＝b，A＝B，然后跳转至(5)，否则判断是否满足迭代结束要求，若满足，互动结束，否则跳至(5)。
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