CN115293518A - 一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法 - Google Patents

一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种计及灵活爬坡的气‑电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，考虑了高比例新能源渗透下为了平抑净负荷波动，调度侧具备的充裕的灵活爬坡能力。以含碳捕集电厂的气‑电耦合综合能源系统为对象，首先，计及了电力系统、天然气系统和碳捕集电厂的运行约束，构建了计及碳排放成本的低碳经济模型。考虑了发电机组与碳捕集电厂提供运行灵活性爬坡服务，建立了计及灵活爬坡产品的综合能源系统低碳经济调度模型。本发明不仅能通过碳捕集装置形成碳循环，提高系统的碳减排能力，还能有效利用碳捕集电厂和火电厂的运行灵活性，在消纳新能源的同时缓解天然气提供灵活爬坡需求的压力，实现高比例新能源渗透下综合能源系统高效经济稳定运行。

Description

一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度 方法
技术领域
本发明涉及综合能源系统经济调度技术领域，尤其是涉及一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法。
背景技术
作为国民经济中最大的CO2排放部门—电力行业，构建以新能源为主体的新型电力系统以及构建清洁低碳安全高效能源系统是实现“双碳”目标的重要途径。在此途径下，增加风电、光伏等新能源的并网比例还有对高碳排的发电机组实行碳捕集技术是较为有效的措施。高比例新能源并网可以有效减少碳排放，然而新能源出力的间歇性会造成系统净负荷的波动性和不确定性，引起电网失衡。因此，以风电和光伏为主的新能源高比例渗透下能源系统的低碳灵活调度值得研究。
为维持电网的运行灵活性，以煤电、气电为主的传统发电机组仍不可或缺。对火电机组增加碳捕集装置使其成为碳捕集电厂可以有效降低系统的总碳排放量。目前，电源侧的灵活性主要由气电提供，气-电深度耦合的综合能源系统对于新能源的消纳至关重要。然而，单独增加碳捕集装置和使用火电厂提供灵活爬坡服务极大增加了电力系统成本。目前，对于燃气机组、燃煤机组和碳捕集电厂协同消纳新能源的机制鲜有研究。基于此，气-电耦合的综合能源系统低碳经济调度需充分考虑以下两个方面：一是对气-电耦合的综合能源系统添加碳捕集电厂，分析此综合能源系统低碳调度效果：二是，考虑碳捕集电厂和多种能源协同提供灵活爬坡服务以支撑高比例新能源的并网，量化分析燃气机组与碳捕集电厂的运行灵活性。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，本发明计及了电力系统、天然气系统和碳捕集电厂的日前调度的协同，以及考虑发电机组与碳捕集电厂协同提供灵活爬坡服务(Flexible Ramping Products，FRP)，引入碳排放成本，定量分析碳捕集电厂对于系统成本和运行灵活性的影响。本发明不仅能够通过碳捕集装置形成碳循环，提高系统的碳减排能力，还能有效利用碳捕集电厂和火电厂的运行灵活性，在消纳新能源的同时缓解天然气提供灵活爬坡需求的压力。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取综合能源系统运行参数，所述运行参数包括发电机组、碳捕集电厂、线路、气源、管道、加压站参数信息；
步骤2、获取电负荷、气负荷及风光出力场景信息；
步骤3、针对综合能源系统运行参数、负荷信息及风光出力信息，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，以电力系统运行约束、天然气系统运行约束、碳捕集电厂运行约束为约束条件，建立综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤4、基于步骤3中的含碳捕集电厂的综合能源系统低碳经济调度模型，考虑系统的灵活爬坡需求，建立了计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤5、基于步骤4中的计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型，以其综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解该模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
进一步的，步骤3中的目标函数为：
minF＝FM+FG+FC (A-1)
式中，FM为电力系统运行成本，FG为天然气系统运行成本，FC为碳排放成本；
Figure BDA0003743997510000021
式中，下标t表示调度时刻，下标v表示发电机组，下标d表示电负荷，下标w表示气源，下标e表示气负荷，集合Ωc表示燃煤机组集合，集合Ωg表示燃汽轮机组集合；T表示时间断面数；
Figure BDA0003743997510000022
表示燃煤机机组发电成本系数，
Figure BDA0003743997510000023
表示燃气轮机机组运行维护成本系数，
Figure BDA0003743997510000024
表示单位切电负荷成本，
Figure BDA0003743997510000025
表示气源w的单位供气成本，
Figure BDA0003743997510000026
表示单位切气负荷成本，
Figure BDA0003743997510000027
表示时段t的碳价；
Figure BDA0003743997510000028
表示机组v在时段t的有功出力PG，
Figure BDA0003743997510000029
表示电力负荷d在时段t的需求功率L，
Figure BDA00037439975100000210
表示电力负荷d在时段t的实际吸收功率D，
Figure BDA00037439975100000211
表示气源w在时段t的供气量S，
Figure BDA00037439975100000212
表示气负荷e在时段t的需求流量L，
Figure BDA00037439975100000213
表示气负荷e在时段t的实际消耗流量D，
Figure BDA00037439975100000214
表示发电机组v在时段t的净碳排放量EG，
Figure BDA00037439975100000215
表示发电机机组v在时段t的碳排放分配额DG。
进一步的，步骤3中，综合能源系统低碳调度模型的相关运行约束，具体如下：
1)电力系统运行约束
Figure BDA0003743997510000031
Figure BDA0003743997510000032
Figure BDA0003743997510000033
Figure BDA0003743997510000034
Figure BDA0003743997510000035
Figure BDA0003743997510000036
Figure BDA0003743997510000037
式中，下标i和j表示电力母线，下标r表示新能源机组，下标REF表示参考母线，Uv(i)表示与母线i连接的发电机机组集合，Ur(i)表示与母线i连接的新能源机组集合，Ud(i)表示与母线i连接的电力负荷集合，U(i)表示与母线i连接的线路集合，
Figure BDA0003743997510000038
表示碳捕集电厂v在时段t对外的输出功率P'G，
Figure BDA0003743997510000039
表示新能源机组r在时段t的上网功率PW，
Figure BDA00037439975100000310
表示新能源机组w在时段t日前预测功率Pcal，θi,t表示母线i在时段t的电压相角，xij和
Figure BDA00037439975100000311
分别表示线路ij电纳与传输容量，
Figure BDA00037439975100000312
与
Figure BDA00037439975100000313
分别表示机组v最小与最大发电功率，
Figure BDA00037439975100000314
表示机组v调整量的上下值，θREF,t表示参考母线REF在时段t的电压相角；
2)天然气系统运行约束
Figure BDA00037439975100000315
Figure BDA00037439975100000316
Figure BDA00037439975100000317
Figure BDA00037439975100000318
Figure BDA00037439975100000319
Figure BDA00037439975100000320
Figure BDA0003743997510000041
Figure BDA0003743997510000042
Figure BDA0003743997510000043
Figure BDA0003743997510000044
Figure BDA0003743997510000045
Figure BDA0003743997510000046
Figure BDA0003743997510000047
式中：下标a与b表示天然气节点，下标p表示天然气加压站，Gw(a)表示与节点a相连接的气源集合，Ge(a)表示与节点a相连接的气负荷集合，Gg(a)表示与节点a相连接的燃气轮机组集合，Gp(a)表示与节点a相连接的加压站集合，G(a)表示与节点a相连接的管道集合，
Figure BDA0003743997510000048
表示燃气轮机组v在时段t消耗的天然气量FG，
Figure BDA0003743997510000049
表示加压站p在时段t流过的天然气量FC，
Figure BDA00037439975100000410
表示加压站p在时段t消耗的天然气量，Fab,t与Fba,t分别表示管道a-b首端与末端在时段t的天然气流量，
Figure BDA00037439975100000411
表示管道a-b的平均天然气流量，πa,t表示节点a在时段t的压力，
Figure BDA00037439975100000412
与
Figure BDA00037439975100000413
分别表示加压站p在时段t时入口与出口的压力，Lab,t表示管道a-b在时段t的管存量，Wab表示管道a-b的Weymouth常数，Kab表示管道a-b的管存常数，
Figure BDA00037439975100000424
表示加压站p消耗天然气占输送流量的百分比，
Figure BDA00037439975100000414
与
Figure BDA00037439975100000415
分别表示加压站p最大与最小加压比，
Figure BDA00037439975100000416
表示加压站p的最大传输容量，
Figure BDA00037439975100000417
与
Figure BDA00037439975100000418
分别表示气源w最大与最小供气量，
Figure BDA00037439975100000419
表示气源w最大调整量，
Figure BDA00037439975100000420
与
Figure BDA00037439975100000421
分别表示节点a最大压力与最小压力值，Lmin表示天然气网络管存下限值，Lab,T表示管道a-b在最后时段T的管存量；
3)碳捕集电厂运行约束
Figure BDA00037439975100000422
Figure BDA00037439975100000423
Figure BDA0003743997510000051
Figure BDA0003743997510000052
Figure BDA0003743997510000053
式中，下标k表示碳捕集电厂，NU表示参与决策的碳捕集电厂数量，
Figure BDA0003743997510000054
表示发电机组v在时段t的CO2排放量E'G，
Figure BDA0003743997510000055
表示碳捕集电厂k在时段t所捕集的CO2量EC，
Figure BDA0003743997510000056
为机组v的发电碳排放强度，
Figure BDA0003743997510000057
表示碳捕集电厂k在时段t能捕集CO2的上限，ε为碳捕集电厂的CO2捕集率，
Figure BDA0003743997510000058
表示碳捕集电厂k在时段t的捕集的能耗PC，Etot为决策周期内的最大允许CO2排放总量，α为碳捕集能量损耗，μ为发电机单位有功出力碳排放分配额。
进一步的，步骤4中，灵活爬坡需求模型为：
Figure BDA0003743997510000059
Figure BDA00037439975100000510
Figure BDA00037439975100000511
Figure BDA00037439975100000512
Figure BDA00037439975100000513
Figure BDA00037439975100000514
Figure BDA00037439975100000515
Figure BDA00037439975100000516
Figure BDA00037439975100000517
Figure BDA00037439975100000518
Figure BDA00037439975100000519
Figure BDA00037439975100000520
Figure BDA00037439975100000521
式中，Ft FRU表示在时段t系统范围内提供的上行灵活爬坡能力FRU，Ft FRD表示在时段t系统范围内提供的下行灵活爬坡能力FRD。
Figure BDA0003743997510000061
表示时段t系统的净负荷NL，
Figure BDA0003743997510000062
和
Figure BDA0003743997510000063
分别表示在时段t+1净负荷NL上升U和下降D的不确定性值，
Figure BDA0003743997510000064
和
Figure BDA0003743997510000065
表示发电机组v在时段t提供的FRU和FRD需求PG,RU、PG,RD，
Figure BDA0003743997510000066
和
Figure BDA0003743997510000067
表示发电机组v最大能提供FRU和FRD需求RG,RU、RG,RD，
Figure BDA0003743997510000068
和
Figure BDA0003743997510000069
表示碳捕集电厂k在时段t提供的FRU和FRD需求PC,RU、PC,RD，
Figure BDA00037439975100000610
和
Figure BDA00037439975100000611
表示碳捕集电厂k最大能提供的FRU和FRD需求RC,RU、RC,RD。
Figure BDA00037439975100000612
表示碳捕集电厂k的最大捕集能耗，
Figure BDA00037439975100000613
和
Figure BDA00037439975100000614
分别表示添加FRP前后碳捕集电厂k在时段t的捕集能耗PC,N、PC,P。
进一步的，步骤5中，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案与传统气-电耦合综合能源系统的基础方案相比，本发明通过引入碳捕集系统，提高系统的碳减排能力，还能有效利用碳捕集电厂和火电厂的运行灵活性，在消纳新能源的同时缓解天然气提供灵活爬坡需求的压力，降低系统运行成本，实现系统日前低碳经济调度。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是综合能源系统算例图；
图3是不同碳价区间下的碳捕集能耗和碳排放量图；
图4是碳捕集电厂参与FRU时各机组提供的FRU出力图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提出一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，构建计及灵活爬坡的低碳经济调度模型。所述的计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度模型以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为目标函数，计及电力系统、天然气系统和碳捕集电厂运行约束。其次，考虑在高比例新能源渗透率下的灵活爬坡需求，计及电力系统、天然气系统、碳捕集电厂协同提供灵活爬坡服务的约束，建立了计及灵活爬坡产品的综合能源系统低碳经济调度模型。本发明旨在通过含碳捕集电厂的气-电综合能源系统协同提高碳减排量和促进新能源消纳，实现高比例新能源渗透下综合能源系统的高效经济稳定运行。
本发明提出的一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取综合能源系统运行参数，所述运行参数包括发电机组、碳捕集电厂、线路、气源、管道、加压站参数信息；
步骤2、获取电负荷、气负荷及风光出力场景信息；
步骤3、针对综合能源系统运行参数、负荷信息及风光出力信息，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，以电力系统运行约束、天然气系统运行约束、碳捕集电厂运行约束为约束条件，建立综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤4、基于步骤3中的含碳捕集电厂的综合能源系统低碳经济调度模型，考虑系统的灵活爬坡需求，建立了计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤5、基于步骤4中的计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型，以其综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解该模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
步骤3中的目标函数为：
minF＝FM+FG+FC (A-1)
式中，FM为电力系统运行成本，FG为天然气系统运行成本，FC为碳排放成本；
Figure BDA0003743997510000071
式中，下标t表示调度时刻，下标v表示发电机组，下标d表示电负荷，下标w表示气源，下标e表示气负荷，集合Ωc表示燃煤机组集合，集合Ωg表示燃汽轮机组集合；T表示时间断面数；
Figure BDA0003743997510000072
表示燃煤机机组发电成本系数，
Figure BDA0003743997510000073
表示燃气轮机机组运行维护成本系数，
Figure BDA0003743997510000081
表示单位切电负荷成本，
Figure BDA0003743997510000082
表示气源w的单位供气成本，
Figure BDA0003743997510000083
表示单位切气负荷成本，
Figure BDA0003743997510000084
表示时段t的碳价；
Figure BDA0003743997510000085
表示机组v在时段t的有功出力PG，
Figure BDA0003743997510000086
表示电力负荷d在时段t的需求功率L，
Figure BDA0003743997510000087
表示电力负荷d在时段t的实际吸收功率D，
Figure BDA0003743997510000088
表示气源w在时段t的供气量S，
Figure BDA0003743997510000089
表示气负荷e在时段t的需求流量L，
Figure BDA00037439975100000810
表示气负荷e在时段t的实际消耗流量D，
Figure BDA00037439975100000811
表示发电机组v在时段t的净碳排放量EG，
Figure BDA00037439975100000812
表示发电机机组v在时段t的碳排放分配额DG。
步骤3中，综合能源系统低碳调度模型的相关运行约束，具体如下：
1)电力系统运行约束
Figure BDA00037439975100000813
Figure BDA00037439975100000814
Figure BDA00037439975100000815
Figure BDA00037439975100000816
Figure BDA00037439975100000817
Figure BDA00037439975100000818
Figure BDA00037439975100000819
式中，下标i和j表示电力母线，下标r表示新能源机组，下标REF表示参考母线，Uv(i)表示与母线i连接的发电机机组集合，Ur(i)表示与母线i连接的新能源机组集合，Ud(i)表示与母线i连接的电力负荷集合，U(i)表示与母线i连接的线路集合，
Figure BDA00037439975100000820
表示碳捕集电厂v在时段t对外的输出功率P'G，
Figure BDA00037439975100000821
表示新能源机组r在时段t的上网功率PW，
Figure BDA00037439975100000822
表示新能源机组w在时段t日前预测功率Pcal，θi,t表示母线i在时段t的电压相角，xij和
Figure BDA00037439975100000823
分别表示线路ij电纳与传输容量，
Figure BDA00037439975100000824
与
Figure BDA00037439975100000825
分别表示机组v最小与最大发电功率，
Figure BDA00037439975100000826
表示机组v调整量的上下值，θREF,t表示参考母线REF在时段t的电压相角；
2)天然气系统运行约束
Figure BDA00037439975100000827
Figure BDA0003743997510000091
Figure BDA0003743997510000092
Figure BDA0003743997510000093
Figure BDA0003743997510000094
Figure BDA0003743997510000095
Figure BDA0003743997510000096
Figure BDA0003743997510000097
Figure BDA0003743997510000098
Figure BDA00037439975100000926
Figure BDA0003743997510000099
Figure BDA00037439975100000910
Figure BDA00037439975100000911
式中：下标a与b表示天然气节点，下标p表示天然气加压站，Gw(a)表示与节点a相连接的气源集合，Ge(a)表示与节点a相连接的气负荷集合，Gg(a)表示与节点a相连接的燃气轮机组集合，Gp(a)表示与节点a相连接的加压站集合，G(a)表示与节点a相连接的管道集合，
Figure BDA00037439975100000912
表示燃气轮机组v在时段t消耗的天然气量FG，
Figure BDA00037439975100000913
表示加压站p在时段t流过的天然气量FC，
Figure BDA00037439975100000914
表示加压站p在时段t消耗的天然气量，Fab,t与Fba,t分别表示管道a-b首端与末端在时段t的天然气流量，
Figure BDA00037439975100000915
表示管道a-b的平均天然气流量，πa,t表示节点a在时段t的压力，
Figure BDA00037439975100000916
与
Figure BDA00037439975100000917
分别表示加压站p在时段t时入口与出口的压力，Lab,t表示管道a-b在时段t的管存量，Wab表示管道a-b的Weymouth常数，Kab表示管道a-b的管存常数，
Figure BDA00037439975100000927
表示加压站p消耗天然气占输送流量的百分比，
Figure BDA00037439975100000918
与
Figure BDA00037439975100000919
分别表示加压站p最大与最小加压比，
Figure BDA00037439975100000920
表示加压站p的最大传输容量，
Figure BDA00037439975100000921
与
Figure BDA00037439975100000922
分别表示气源w最大与最小供气量，
Figure BDA00037439975100000923
表示气源w最大调整量，
Figure BDA00037439975100000924
与
Figure BDA00037439975100000925
分别表示节点a最大压力与最小压力值，Lmin表示天然气网络管存下限值，Lab,T表示管道a-b在最后时段T的管存量；
3)碳捕集电厂运行约束
Figure BDA0003743997510000101
Figure BDA0003743997510000102
Figure BDA0003743997510000103
Figure BDA0003743997510000104
Figure BDA0003743997510000105
式中，下标k表示碳捕集电厂，NU表示参与决策的碳捕集电厂数量，
Figure BDA0003743997510000106
表示发电机组v在时段t的CO2排放量E'G，
Figure BDA0003743997510000107
表示碳捕集电厂k在时段t所捕集的CO2量EC，
Figure BDA0003743997510000108
为机组v的发电碳排放强度，
Figure BDA0003743997510000109
表示碳捕集电厂k在时段t能捕集CO2的上限，ε为碳捕集电厂的CO2捕集率，
Figure BDA00037439975100001010
表示碳捕集电厂k在时段t的捕集的能耗PC，Etot为决策周期内的最大允许CO2排放总量，α为碳捕集能量损耗，μ为发电机单位有功出力碳排放分配额。
步骤4中，灵活爬坡需求模型为：
Figure BDA00037439975100001011
Figure BDA00037439975100001012
Figure BDA00037439975100001013
Figure BDA00037439975100001014
Figure BDA00037439975100001015
Figure BDA00037439975100001016
Figure BDA00037439975100001017
Figure BDA00037439975100001018
Figure BDA00037439975100001019
Figure BDA00037439975100001020
Figure BDA0003743997510000111
Figure BDA0003743997510000112
Figure BDA0003743997510000113
式中，Ft FRU表示在时段t系统范围内提供的上行灵活爬坡能力FRU，Ft FRD表示在时段t系统范围内提供的下行灵活爬坡能力FRD。
Figure BDA0003743997510000114
表示时段t系统的净负荷NL，
Figure BDA0003743997510000115
和
Figure BDA0003743997510000116
分别表示在时段t+1净负荷NL上升U和下降D的不确定性值，
Figure BDA0003743997510000117
和
Figure BDA0003743997510000118
表示发电机组v在时段t提供的FRU和FRD需求PG,RU、PG,RD，
Figure BDA0003743997510000119
和
Figure BDA00037439975100001110
表示发电机组v最大能提供FRU和FRD需求RG,RU、RG,RD，
Figure BDA00037439975100001111
和
Figure BDA00037439975100001112
表示碳捕集电厂k在时段t提供的FRU和FRD需求PC,RU、PC,RD，
Figure BDA00037439975100001113
和
Figure BDA00037439975100001114
表示碳捕集电厂k最大能提供的FRU和FRD需求RC,RU、RC,RD。
Figure BDA00037439975100001115
表示碳捕集电厂k的最大捕集能耗，
Figure BDA00037439975100001116
和
Figure BDA00037439975100001117
分别表示添加FRP前后碳捕集电厂k在时段t的捕集能耗PC,N、PC,P。
步骤5中，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
算例分析
本发明采用图2所示的含风光并网的气-电耦合综合能源系统案例(由比利时24节点电力系统与20节点天然气系统构成)，其中电力节点2，3，6，8，16，15及22的燃气轮机组分别与天然气节点4，3，4，4，6，11及13相连。并对电力节点2、3、5、6、8、11、13、15和22的发电机组添加碳捕集装置，使其成为碳捕集电厂。新能源装机容量占系统总装机容量的19.6％。本专利考虑了燃煤机组、燃气轮机组和碳捕集电厂协同提供FRP。本说明通过GAMS优化平台实现，采用IPOPT求解器求解NLP问题。
基于该算例，采用本发明的方法模拟高比例新能源并网时，含有碳捕集电厂的系统在经济效益和环境效益产生的影响(结果参见表1和图3)以及在协同提供FRP促进新能源消纳方面的表现(结果参见表2和图4)。说明了高碳价场景下，碳捕集电厂参与可有效降低系统的总运行成本(碳排放成本)和碳排放量。碳捕集电厂的运行灵活性可一定程度降低系统对燃气机组提供灵活服务的需求，从而燃气机组参与电能量供应的发电容量更大，因此降低了系统的运行成本(表2)。
表1不同碳价区间下的系统运行成本
Figure BDA0003743997510000121
其中：
Case1：系统内的发电机组不加设碳捕集装置，不设碳排放约束目标。
Case2：系统内的发电机组均加设碳捕集装置，引入碳排放约束目标。
表2不同场景下的系统成本
Figure BDA0003743997510000122
其中：
Case3：计及发电机组(含燃煤机组和燃气轮机组)提供FRP。
Case4：发电机组和碳捕集电厂协同提供FRP。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、获取综合能源系统运行参数，所述运行参数包括发电机组、碳捕集电厂、线路、气源、管道、加压站参数信息；
步骤2、获取电负荷、气负荷及风光出力场景信息；
步骤3、针对综合能源系统运行参数、负荷信息及风光出力信息，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标函数，以电力系统运行约束、天然气系统运行约束、碳捕集电厂运行约束为约束条件，建立综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤4、基于步骤3中的含碳捕集电厂的综合能源系统低碳经济调度模型，考虑系统的灵活爬坡需求，建立了计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型；
步骤5、基于步骤4中的计及灵活爬坡的综合能源系统低碳经济调度模型，以其综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解该模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
2.根据权利要求1所述的一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，其特征在于，步骤3中的目标函数为：
minF＝FM+FG+FC (A-1)
式中，FM为电力系统运行成本，FG为天然气系统运行成本，FC为碳排放成本；
Figure FDA0003743997500000011
式中，下标t表示调度时刻，下标v表示发电机组，下标d表示电负荷，下标w表示气源，下标e表示气负荷，集合Ωc表示燃煤机组集合，集合Ωg表示燃汽轮机组集合；T表示时间断面数；
Figure FDA0003743997500000012
表示燃煤机机组发电成本系数，
Figure FDA0003743997500000013
表示燃气轮机机组运行维护成本系数，
Figure FDA0003743997500000014
表示单位切电负荷成本，
Figure FDA0003743997500000015
表示气源w的单位供气成本，
Figure FDA0003743997500000016
表示单位切气负荷成本，
Figure FDA0003743997500000017
表示时段t的碳价；
Figure FDA0003743997500000018
表示机组v在时段t的有功出力PG，
Figure FDA0003743997500000019
表示电力负荷d在时段t的需求功率L，
Figure FDA00037439975000000110
表示电力负荷d在时段t的实际吸收功率D，
Figure FDA00037439975000000111
表示气源w在时段t的供气量S，
Figure FDA0003743997500000021
表示气负荷e在时段t的需求流量L，
Figure FDA0003743997500000022
表示气负荷e在时段t的实际消耗流量D，
Figure FDA0003743997500000023
表示发电机组v在时段t的净碳排放量EG，
Figure FDA0003743997500000024
表示发电机机组v在时段t的碳排放分配额DG。
3.根据权利要求2所述的一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，其特征在于，步骤3中的综合能源系统低碳调度模型的相关运行约束，具体如下：
1)电力系统运行约束
Figure FDA0003743997500000025
Figure FDA0003743997500000026
Figure FDA0003743997500000027
Figure FDA0003743997500000028
Figure FDA0003743997500000029
Figure FDA00037439975000000210
Figure FDA00037439975000000211
式中，下标i和j表示电力母线，下标r表示新能源机组，下标REF表示参考母线，Uv(i)表示与母线i连接的发电机机组集合，Ur(i)表示与母线i连接的新能源机组集合，Ud(i)表示与母线i连接的电力负荷集合，U(i)表示与母线i连接的线路集合，
Figure FDA00037439975000000212
表示碳捕集电厂v在时段t对外的输出功率P'G，
Figure FDA00037439975000000213
表示新能源机组r在时段t的上网功率PW，
Figure FDA00037439975000000214
表示新能源机组w在时段t日前预测功率Pcal，θi,t表示母线i在时段t的电压相角，xij和
Figure FDA00037439975000000215
分别表示线路ij电纳与传输容量，
Figure FDA00037439975000000216
与
Figure FDA00037439975000000217
分别表示机组v最小与最大发电功率，
Figure FDA00037439975000000218
表示机组v调整量的上下值，θREF,t表示参考母线REF在时段t的电压相角；
2)天然气系统运行约束
Figure FDA00037439975000000219
Figure FDA00037439975000000220
Figure FDA00037439975000000221
Figure FDA0003743997500000031
Figure FDA0003743997500000032
Figure FDA0003743997500000033
Figure FDA0003743997500000034
Figure FDA0003743997500000035
Figure FDA0003743997500000036
Figure FDA0003743997500000037
Figure FDA0003743997500000038
Figure FDA0003743997500000039
Figure FDA00037439975000000310
式中：下标a与b表示天然气节点，下标p表示天然气加压站，Gw(a)表示与节点a相连接的气源集合，Ge(a)表示与节点a相连接的气负荷集合，Gg(a)表示与节点a相连接的燃气轮机组集合，Gp(a)表示与节点a相连接的加压站集合，G(a)表示与节点a相连接的管道集合，
Figure FDA00037439975000000311
表示燃气轮机组v在时段t消耗的天然气量FG，
Figure FDA00037439975000000312
表示加压站p在时段t流过的天然气量FC，
Figure FDA00037439975000000313
表示加压站p在时段t消耗的天然气量，Fab,t与Fba,t分别表示管道a-b首端与末端在时段t的天然气流量，
Figure FDA00037439975000000314
表示管道a-b的平均天然气流量，πa,t表示节点a在时段t的压力，
Figure FDA00037439975000000315
与
Figure FDA00037439975000000316
分别表示加压站p在时段t时入口与出口的压力，Lab,t表示管道a-b在时段t的管存量，Wab表示管道a-b的Weymouth常数，Kab表示管道a-b的管存常数，
Figure FDA00037439975000000326
表示加压站p消耗天然气占输送流量的百分比，
Figure FDA00037439975000000317
与
Figure FDA00037439975000000318
分别表示加压站p最大与最小加压比，
Figure FDA00037439975000000319
表示加压站p的最大传输容量，
Figure FDA00037439975000000320
与
Figure FDA00037439975000000321
分别表示气源w最大与最小供气量，
Figure FDA00037439975000000322
表示气源w最大调整量，
Figure FDA00037439975000000323
与
Figure FDA00037439975000000324
分别表示节点a最大压力与最小压力值，Lmin表示天然气网络管存下限值，Lab,T表示管道a-b在最后时段T的管存量；
3)碳捕集电厂运行约束
Figure FDA00037439975000000325
Figure FDA0003743997500000041
Figure FDA0003743997500000042
Figure FDA0003743997500000043
Figure FDA0003743997500000044
式中，下标k表示碳捕集电厂，NU表示参与决策的碳捕集电厂数量，
Figure FDA0003743997500000045
表示发电机组v在时段t的CO2排放量E'G，
Figure FDA0003743997500000046
表示碳捕集电厂k在时段t所捕集的CO2量EC，
Figure FDA0003743997500000047
为机组v的发电碳排放强度，
Figure FDA0003743997500000048
表示碳捕集电厂k在时段t能捕集CO2的上限，ε为碳捕集电厂的CO2捕集率，
Figure FDA0003743997500000049
表示碳捕集电厂k在时段t的捕集的能耗PC，Etot为决策周期内的最大允许CO2排放总量，α为碳捕集能量损耗，μ为发电机单位有功出力碳排放分配额。
4.根据权利要求3所述的一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，其特征在于，步骤4中，灵活爬坡需求模型为：
Figure FDA00037439975000000410
Figure FDA00037439975000000411
Figure FDA00037439975000000412
Figure FDA00037439975000000413
Figure FDA00037439975000000414
Figure FDA00037439975000000415
Figure FDA00037439975000000416
Figure FDA00037439975000000417
Figure FDA00037439975000000418
Figure FDA00037439975000000419
Figure FDA00037439975000000420
Figure FDA0003743997500000051
Figure FDA0003743997500000052
式中，Ft FRU表示在时段t系统范围内提供的上行灵活爬坡能力FRU，Ft FRD表示在时段t系统范围内提供的下行灵活爬坡能力FRD，
Figure FDA0003743997500000053
表示时段t系统的净负荷NL，
Figure FDA0003743997500000054
和
Figure FDA0003743997500000055
分别表示在时段t+1净负荷NL上升U和下降D的不确定性值，
Figure FDA0003743997500000056
和
Figure FDA0003743997500000057
表示发电机组v在时段t提供的FRU和FRD需求PG,RU、PG,RD，
Figure FDA0003743997500000058
和
Figure FDA0003743997500000059
表示发电机组v最大能提供FRU和FRD需求RG,RU、RG,RD，
Figure FDA00037439975000000510
和
Figure FDA00037439975000000511
表示碳捕集电厂k在时段t提供的FRU和FRD需求PC ,RU、PC,RD，
Figure FDA00037439975000000512
和
Figure FDA00037439975000000513
表示碳捕集电厂k最大能提供的FRU和FRD需求RC,RU、RC,RD，
Figure FDA00037439975000000514
表示碳捕集电厂k的最大捕集能耗，
Figure FDA00037439975000000515
和
Figure FDA00037439975000000516
分别表示添加FRP前后碳捕集电厂k在时段t的捕集能耗PC,N、PC,P。
5.根据权利要求4所述的一种计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统低碳经济调度方法，其特征在于，步骤5中，以综合能源系统运行成本和碳排放成本之和最小为优化目标，并利用IPOPT求解器求解计及灵活爬坡的气-电耦合综合能源系统模型，得到考虑碳捕集电厂和灵活爬坡需求的气-电耦合系统低碳经济调度方案。
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