CN115455719A - 一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法 - Google Patents

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CN115455719A CN202211166790.1A CN202211166790A CN115455719A CN 115455719 A CN115455719 A CN 115455719A CN 202211166790 A CN202211166790 A CN 202211166790A CN 115455719 A CN115455719 A CN 115455719A
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王哲
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高海洋
刘琛
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Abstract

一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，在对综合能源系统进行优化时，从全生命周期角度计算评价不同能源供应的碳排放量，进而将碳排放成本考虑到综合能源系统运行的综合成本当中，在给定的系统设备容量、效率等参数以及能源价格、碳配额、碳交易价格等边界条件下，以综合成本最低为优化目标，对综合能源系统的运行策略进行优化，实现综合能源系统综合运行成本最低。通过本发明，可以更好地指导综合能源系统在满足需求的前提下，进行生产计划的优化，降低运行成本，同时实现对环境的友好。

Description

一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及综合能源系统，为一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法。
背景技术
综合能源运行仿真优化随着能源需求和环境污染问题日益上升，大力发展可再生能源、提高能源利用效率已成为能源可持续发展的必然选择。综合能源系统(integratedenergy system)作为能源互联网的重要基础，同时考虑源-网-荷-储协同优化，是目前和未来发展能源领域的重要桥梁。而针对系统的优化运行仿真是对于该系统研究的重要内容，通过优化运行仿真策略，可实现低运行成本和高运行效率。
目前国内已经开展了一些关于如何降低运行过程中的系统能耗、降低运行成本方面的研究。虽然目前研究方法日趋科学完善，却未将综合能源系统运行过程中对于环境造成的负外部效应纳入综合成本进行考虑，在未来随着国内碳交易市场的成熟，碳排放所产生的成本，如：碳交易环节所产生的成本，将成为影响综合能源系统运行经济性的重要因素。此外，在现有碳排放的计算中，往往将风电、光伏等可再生能源电力按照零碳排放考虑，而没有考虑这些能源的生产、运输、使用等环节中产生的碳排，最终计算结果不够全面准确。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有对综合能源系统有关于碳排放的优化中，大多只考虑了能源本身的碳排放情况，而没有全面考虑碳排放所产生的成本，优化结果没有兼顾能耗和成本；另外，对于能源碳排放的计算不够全面，优化结果也不够准确。
本发明的技术方案为：一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，搭建综合能源系统模型，根据以下步骤进行综合能源系统运行的仿真优化：
1)设置优化目标：
考虑碳交易成本设置综合能源系统优化目标函数，如下式所示：
Figure BDA0003862019250000011
其中，Ccapital为综合能源系统投资的年化投资成本，CO&M为综合能源系统在生产运行过程中设备运维产生的年维护成本，Cfuel为综合能源系统所使用能源的年费用，
Figure BDA0003862019250000012
为综合能源系统碳交易的成本；
各成本子项的计算公式如下：
Ccapital＝∑techInvtech·Captech/Y (2)
其中Inv表示综合能源系统各设备的单位投资成本，Cap表示各设备的装机容量，下标tech表示设备；Y表示项目的计算期，以上数据均来自于综合能源系统的边界条件；
CO&M＝∑tech(OMtech·qconj,i,j,t) (3)
其中OMtech表示各设备的单位运维费用，来自边界条件；qconj,i,j,t指各设备的转换输出能量，i指第i种输入能源，j指第j种输出能源，t指第t时刻，conj表示转换为第j种输出能源输出；
Figure BDA0003862019250000021
其中Pf,hr表示逐时的能源价格，
Figure BDA0003862019250000022
表示一次能源输入量，egt表示电能生产设备，f表示一次能源；
Figure BDA0003862019250000023
其中，
Figure BDA0003862019250000024
为t时交易周期内碳交易的价格，Erate为碳源给定的碳排放配额，来自边界条件；epro,i,j,t、etra,i,j,t、esto,i,j,t分别指能源生产量、传输量、储存量；Ca指能源生产所产生的全生命周期碳排系数，计算公式如下式(6)所示：
Ca＝Ca1+Ca2+...+Can (6)
Ca也为综合能源系统的直接或间接碳排放的碳排放系数，Ca1，Ca2，…，Can表示碳源分别在各碳排放环节中对应的碳排放系数；
2)对综合能源系统模型设置运行约束条件，包括系统功率平衡约束、各类型设备的输入-输出耦合约束、设备出力限制、电网联络线功率限制及能量流动约束；
3)对搭建的综合能源系统模型，在约束条件下根据优化目标进行求解，包括：
步骤1：采用K-means聚类算法对综合能源系统的负荷进行典型周聚类，全年负荷数据划分表示为n类典型的连续7天，得到n类典型周，每类典型周的数量为Wk；
步骤2：确定综合能源系统初始运行状态；
步骤3：确定输入能源和输出能源种类；
步骤:4：根据运行约束条件仿真运行综合能源系统，计算单位时刻t下，p种输入能源，q种输出能源的能源生产量epro,i,j,t、传输量etra,i,j,t和储存量esto,i,j,t，i＝1,2，…，p，j＝1,2，…，q，t以小时为单位，
根据综合能源系统优化目标函数所包含的成本内容计算第k类典型周的成本Ck，Ck为一周内各种输入能源及输出能源情况的循环迭代量总和：
Ck＝∑ijtci,j,t (13)
ci,j,t为典型周中每小时对应不同输入能源和输出能源的成本数据；
得到全年总成本C的计算公式：
Figure BDA0003862019250000031
步骤5：修改综合能源系统运行状态，重复步骤1-4再次计算总成本，以Min C为优化目标，则要求本次循环计算的总成本小于上一次计算结果，将两次循环的总成本差值定义为△C，当△C大于设定的误差，即两次循环的差值大于预期，则继续修改运行状态，重新循环迭代，直至小于设定误差，即意味着总成本已无法继续优化，输出最优结果。
现有技术对可再生能源的碳排放划分无法全面反映该能源生产在全生命周期所带来的真实碳排放，本发明考虑了从能源的生产、运输、使用和回收各阶段产生的碳排量，进行更加精确计量，进而构建得到一种基于全生命周期的碳成本的综合能源系统优化仿真方法，完善综合能源系统运行仿真优化逻辑，全面反映能源系统的环境价值，对于目前“双碳”背景下综合能源系统的运行策略的制定具有很好的指导价值。
本发明通过仿真优化得到综合能源系统全年的逐时运行策略，可满足不同季节与工况，能实现全年全局视角下的综合最优低碳运行方案，可实现跨天优化，优化效果更高，优化时间尺度更长；现有技术大多仅进行了单日24小时的运行策略优化求解，且为局部最优解，在全年视角下并不精确。
本发明以通过聚类分析得到典型周进行求解，而不是单纯以固定的天或周来求解系统，本发明的跨天优化可实现全局视角下的最优解，在连续若干天尺度下进行优化，其优化效果要优于单独将每一天进行优化的效果之和。例如，若第二天天气好、新能源大发，在常规单日优化下，对于第二天的情况不清楚，因此在夜间会储存满网电谷电，则第二天无法再消纳多余的新能源；在跨天优化视角下，则不会出现这样的问题。
另外，对于综合能源系统的仿真优化，虽然更长时间尺度进行优化的优势明显，但同样会带来问题，在循环迭代过程中，迭代次数成指数级增加，造成计算缓慢，可能出现无法收敛的情况。为规避此问题，本发明中采用先聚类、再优化求解的思路，将全年负荷聚类为若干个典型周，每个典型周进行跨天优化，同时能反映不同负荷特点的典型周在全年中的比例，以实现全局优化的目的。
本发明充分考虑综合能源系统内能源的LCA碳排放成本，在满足不同季节、不同工况下的能量供需平衡需求的前提下，通过对综合能源系统的仿真运行优化求解得到更为经济和低碳的运行方案，在保证整个综合能源系统安全稳定运行的同时，获得更高的经济和环保效益。
附图说明
图1为综合能源吸引架构示意图。
图2为本发明方法的仿真优化求解流程示意图。
图3为本发明方法仿真优化过程的流程示意图。
图4为本发明实施例的综合能源系统拓扑图。
图5为本发明实施例中春秋季电功率平衡示意图。
图6为本发明实施例中春秋季热功率平衡示意图。
图7为本发明实施例中夏季电功率平衡示意图。
图8为本发明实施例中夏季热功率平衡示意图。
图9为本发明实施例中冬季电负荷平衡示意图。
图10为本发明实施例中冬季热负荷平衡示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于全生命周期的碳成本的综合能源系统优化仿真方法，在对综合能源系统进行优化时，从全生命周期角度计算评价不同能源供应的碳排放量，进而将碳排放成本考虑到综合能源系统运行的综合成本当中，在给定的系统设备容量、效率等参数以及能源价格、碳配额、碳交易价格等边界条件下，以综合成本最低为优化目标，对综合能源系统的运行策略进行优化，实现综合能源系统综合运行成本最低。通过本发明，可以更好地指导综合能源系统在满足需求的前提下，进行生产计划的优化，降低运行成本，同时实现对环境的友好。下面详细说明本发明的实施。
一、综合能源系统架构
综合能源系统的本质研究工作是多元能源供给与多样化能源需求的联系研究，本次系统的技术架构如图1所示，针对的能源设备部分包括光伏、风电、热泵、燃气轮机、空调、储能等多个板块。这些设备涵盖了能源生产、能源转化、能源消费等多个环节，该架构能够准确刻画综合能源系统在不同环节的能量流动和转换关系。
二、输入参数与边界条件
本发明的基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，综合能源系统运行仿真的输入参数和参数的边界条件包括设备规模、设备投资、维护参数、设备效率、能源价格、碳交易成本、系统负荷等。以上参数及其边界条件是给定的综合能源系统的固定参数，根据综合能源系统设备配置、设备自身参数以及系统所处区域的环境确定，这些参数和边界条件是对仿真优化结果的客观约束。
设备规模包括：综合能源系统各设备，如光伏、风机、燃气锅炉、电压缩制冷机、热泵、储能电池等的装机规模；
设备投资包括：上述各设备的投资；
维护参数：上述设备的单位维护成本；
设备效率：各设备的发电、制冷、制热效率；
能源价格：电价、燃气等能源价格；
碳交易成本参数：碳配额、碳交易价格；
系统负荷：综合能源系统用户的电、冷、热负荷；
其他参数：项目计算期,指项目的运行年限。
三、仿真优化目标
在常规运维成本(包括燃料/电力成本、系统的检修运维费用)的基础上，在“双碳”目标推动能源转型的背景下，考虑到利用市场手段减少碳排放备受关注，将碳排放成本也应纳入综合能源系统运行仿真优化的目标函数中。通过将碳排放成本引入综合能源系统的总成本计算中，可为开展兼顾经济性和低碳性的综合能源系统优化设计提供新的思路。
考虑碳交易成本综合能源系统优化目标函数，如下式所示：
Figure BDA0003862019250000051
其中，Ccapital为系统投资的年化投资成本，CO&M为系统在生产运行过程中设备运维产生的年维护成本，Cfuel为系统所使用能源的年费用，
Figure BDA0003862019250000052
为综合能源系统碳交易的成本。
各成本子项的计算公式(2)、(3)、(4)、(5)如下：
Ccapital＝∑techInvtech·Captech/Y (2)
其中Inv表示综合能源系统各设备的单位投资成本；Cap表示各设备的装机容量；Y表示项目的计算期，以上数据均来自于边界条件。
CO&M＝∑tech(OMtech·qconj,i,j,t) (3)
其中OMtech表示各设备的单位运维费用，来自边界条件；qconj,i,j,t指各设备的转换输出能量，i指第i种输入能源，j指第j种输出能源，t指第t时刻，conj表示转换为第j种输出能源输出，qconj,i,j,t表示第i种输入能源在t时刻转换输出第j种能源的输出量，具体计算见能量转换公式(9)。
Figure BDA0003862019250000061
Cfuel表示综合能源系统的能源成本，其中Pf,hr表示逐时的能源价格，
Figure BDA0003862019250000062
表示生产设备egt在t时刻的一次能源输入量，详细计算见后续“五、约束条件”中能量生产的公式(7)。
Figure BDA0003862019250000063
其中，
Figure BDA0003862019250000064
为t时交易周期内碳交易的价格，Erate为碳源给定的碳排放配额，来自边界条件；epro,i,j,t、etra,i,j,t、esto,i,j,t分别指能源生产量、传输量和储存量，pro表示生产，tra表示传输，sto表示储存，通过输入i种能源，比如气、油、煤，输出了j种能源，比如电、热、冷，详细见后续公式(7)(9)(10)；Ca指能源生产所产生的全生命周期碳排系数，如公式(6)
所示。
四、基于LCA的碳排放计算方法
结合系统结构中关于碳排放出现环节和仿真优化目标的定义，在综合能源系统碳排放的定义是包括系统中直接和间接产生的碳排放，而综合能源系统应包含源网和储荷等多个生产环节，涉及多个碳排放源，通过排放系数法对系统中会产生的碳排放因子进行测算。
物质的碳排放因子的定义为：能源或设备在生产活动中直接或间接向大气中排放CO2的强度。在通常情况下光伏、风电等能源在运行阶段未直接向大气排放CO2，在该进程下的碳排放强度为零，但其在原设备的制造、运输、回收等阶段仍会产生一定的碳排放，因此，在考虑LCA时需要将此部分的碳排放计算在内，全面地评定包含能源或设备在直接投入产生和系统运行或能源转化的过程，以及其伴随活动的间接产生的碳排放。
在计量综合能源系统的碳排放时，应当将综合能源系统中的各类能源严格遵照其工业流动顺序划分成能源链，再将能源的流动过程进行相应的简化，然后将各种能源消耗或转化过程中所生成的碳排放进行量化计量，在发电侧主要计量来源为煤电火电、新能源发电、天然气，而在用电侧则关注储电系统，能源在输配过程中所产生的碳排放则暂不考虑。
全生命周期碳排放计算公式如下式(6)所示：
Ca＝Ca1+Ca2+...+Can (6)
Ca为系统考虑的直接或间接碳排放的碳排放系数，输出碳源分别在各碳排放环节中对应的碳排放系数依次为Ca1，Ca2，…，Can，基于LCA全生命周期碳排放系数计算得到。
基于LCA的碳排放系数测算主要包括煤电、风力、光伏和天然气四个板块，分别计算对应的碳排放系数。
1.煤电LCA碳排放
煤电的LCA碳排放主要组成部分主要分为煤炭的开采环节、运输环节和燃煤发电这三个环节。其中，开采环节的耗能会产生碳排放，将开采出的煤炭运往燃煤发电厂的运输环节，以及其使用的交通工具消耗的能源会直接产生碳排放，燃煤发电环节的碳排放主要来自发电过程中煤燃烧及燃烧后废弃物处理带来的直接和间接碳排放。
2.风力和光伏发电LCA碳排放
设备的生产建设环节和出厂运输环节是风电和光伏设备的LCA碳排放主要来源，其运行维护环节运输、替换备件和设备运检的耗能也会产生碳排放，但此部分的碳排放量相较LCA的碳排放量非常小，在计算过程中通常忽略不计。
3.天然气发电LCA碳排放
目前所使用天然气的两种主要类型是油田天然气和煤制天然气，油田天然气在开采、运输和使用环节会产生碳排放，煤制的天然气LCA碳排放需考虑煤炭开采、运输、转化为天然气，以及之后天然气的运输和使用环节，造成油田天然气和煤制天然气的碳排放系数存在一定的差异，分别为0.48kg CO2/kWh和0.54kgCO2/kWh。而参考现阶段天然气市场所使用的天然气的类型结构，设定油田的天然气占30％和煤制天然气占70％的占比结构，计算得到天然气的LCA碳排放标准系数大致为522gCO2/kWh。
现有的碳排放计算指针对用能环节，即能源燃料燃烧消耗环节，未考虑能源的生产、运输等环节，本发明提出基于全生命周期计算碳排放情况，系统仿真优化更加全面。
五、约束条件
系统中约束条件主要体现为：系统功率平衡约束(含冷、热、电功率平衡)、各类型设备的输入-输出耦合约束、设备出力限制、电网联络线功率限制、以及能量流动约束等，能量流动约束指能量流入和流出的实时平衡。
具体而言，综合能源系统中的能量流动包含能量的生产、转换、传输等环节。
(1)能量生产约束
综合能源系统的能量生产设备可将一次能源转化为电能，消耗量总和是所有相应能源技术的能源消耗量之和，如下式所示：
Figure BDA0003862019250000071
其中egt指全部电能生产设备，i指第i种输入能源，j指第j种输出能源，t指第t时刻，单位为小时，αi,j,t为第i种输入能源对应第j种输出能源在t时刻的运行状态，f表示不同类型的一次能源，
Figure BDA0003862019250000072
是指一次能源的输入量，也为消耗量，上标“g,in”表示能源为输入状态。
太阳能、风能的消耗量受到当地的资源可获得量的限制，不可超过该时刻最大的资源可获得量。例如，晚上的某一时刻，由于太阳辐射的可获得量为零，则此时所有太阳能利用技术的入口能流都为零。上述关系如下式所示：
Figure BDA0003862019250000081
Figure BDA0003862019250000082
表示t时刻一次能源的最大可获得量。
(2)能量转换约束
综合能源系统中电制冷机可将电能转换成冷能，其能量转换环节的数学模型表示为如下式所示：
Figure BDA0003862019250000083
其中，qconj,ij,t、
Figure BDA0003862019250000084
分别表示某能源转换设备的输出和输入，η(P)表示能量转换效率。
(3)能量传输约束
综合能源系统的能力传输主要有电和热两种，综合能源系统的电力在传输阶段的损失可以忽略，因此其能量传输环节的损失主要考虑热能，定义能量传输与热能损耗如下式所示：
Figure BDA0003862019250000085
其中TH为供水温度，热网管道周围各类介质的平均温度用Te表示，R为根据热网管道保温措施确定的单位管道长度的平均热阻，∑R为热网管道总热阻，l为热网供能管道的长度。
(4)能量输出约束
综合能源系统的能量输出必须满足用户的负荷需求，其约束如下。
S＝∑f,m,hr(epro,i,j,t+econ,i,j,t+etra,i,j,t) (11)
m、hr分别指月和小时，econ,i,j,t是能源转换量；
S≥Suser (12)
其中S为综合能源系统输出的总能量，Suser为用户的负荷。
六、模型求解
完成输入参数和优化目标的设置及对约束条件的确定后，参照综合能源系统的架构通过混合整数规划的方法搭建了求解模型。对建立的综合能源系统低碳运行仿真优化模型进行求解，流程图如图2所示，其步骤如下：
步骤1：采用K-means聚类算法对输入的负荷数据进行典型聚类，以周为单位，对全年的系统负荷数据划分n类典型的类别，得到n类典型周，即将全年表示为n类典型的连续7天，每类典型周的数量为Wk，k＝1,2，…，n，即Wk是第k类典型周在全年的数量；
步骤2：确定综合能源系统初始运行状态；
步骤3：确定输入能源和输出能源种类；
步骤:4：根据运行约束条件仿真运行综合能源系统，计算单位时刻t下，p种输入能源，q种输出能源的能源生产量epro,i,j,t、传输量etra,i,j,t和储存量esto,i,j,t，i＝1,2，…，p，j＝1,2，…，q，t以小时为单位，
根据综合能源系统优化目标函数所包含的成本内容计算第k类典型周的成本Ck，Ck为一周内各种输入能源及输出能源情况的循环迭代量总和：
Ck＝∑ijtci,j,t (13)
ci,j,t为典型周中每小时对应不同输入能源和输出能源的成本数据；
得到全年总成本C的计算公式：
Figure BDA0003862019250000091
步骤5：修改系统运行状态α，重复步骤2-4再次计算总成本，本发明以Min C为优化目标，则要求本次循环计算的总成本小于上一次计算结果，将两次循环的总成本差值定义为△C，当△C大于设定的误差δ，即两次循环的差值大于预期，则继续修改运行状态，继续循环迭代，直至小于设定误差，设定的误差表示是否还有优化的空间，本次优化的结果和上次优化的结果如存在差值，当差值很小或者为负数时，即意味着总成本已无法继续优化，此时即输出最优结果。
进一步的，为了保证求解的全面，预防两次计算结果虽然小于误差但不是最优结果的特殊情况，以及防止过度计算，对循环计算的次数进行规划，综合能源系统模型求解时，优选步骤5修改运行状态重复计算总成本的循环次数大于50，小于1000。
如图3所示，本发明实施时，根据综合能源系统的实际边界条件获得仿真模型约束条件，按照本发明方法考虑能源消耗、运维成本以及碳排放的全生命周期环境效益，建立仿真优化目标，仿真运行综合能源系统，所得最优结果对应着不同时刻不同能源的生产、传输、存储方案，可用于指导系统在全年不同季节不同天气下的电平衡以及成本最优的运行策略。
为深入分析全生命周期碳成本对园区综合能源系统运行仿真的影响，本发明通过实施例进行了差异化的情景设置，在不同优化目标下对综合能源系统的运行进行求解。
情景1：通常在综合能源系统优化模型的设计过程中，优化目标仅考虑由主要设备投资成本、能源消耗成本和设备运维成本，不考虑碳排放/碳交易成本。
情景2：将碳排放/碳交易成本纳入综合能源系统优化运行仿真的目标函数中，考虑由燃料直接排放、外部电源间接排放带来的相应成本。燃料排放碳排放系数从《省级温室气体清单编制指南》中得到，然后根据当地电网发电能源结构计算出外部电源发电间接的碳排放系数。
情景3：将碳排放/碳交易成本纳入综合能源系统优化运行仿真的目标函数中，其中系统的碳排放考虑全生命周期视角。考虑能源和储能设备在生产、运输和运行过程中的全生命周期碳排放，同样折算成碳排放成本计算到系统成本中。
具体各情景下成本计算组成情况如表1所示：
表1各情景下成本计算组成
情景设定 投资成本 能源成本 运维成本 直接碳排放成本 LCA碳排放成本
情景1 √ √ √ × ×
情景2 √ √ √ √ ×
情景3 √ √ √ √ √
本实施例研究了含有冷、热、电三种负荷的某典型园区综合能源系统，该系统能量生产设备、能量转换设备和储能设备的设备参数见表2，系统拓扑图如图4所示。
表2综合能源系统设备参数
Figure BDA0003862019250000101
天然气结合当地情况，价格设定为2.28元/Nm3，系统外购电价格采用当地分时电价，具体价格见表3。
表3分时电价
Figure BDA0003862019250000102
Figure BDA0003862019250000111
电价方面，情景2仅考虑直接排放，外部电源调研当地发电能源构成，其中，煤电占总发电量的60.3％，天然气发电占12.1％，风力和光伏发电分别占7.8％和11.2％，再结合表2运行发电环节各类型发电的碳排发系数计算出外购电直接的碳排放系数为0.5594kg/kWh，碳价参考北京地区价格设定为50元/吨时，折算碳交易成本为0.5594×50/1000＝0.0280元/kWh。情景3考虑发电LCA排放，根据表2全环节碳排系数结合发电能源结构加权，计算得出外购电的LCA碳排放系数为0.6616kg/kWh。折算成碳交易成本为0.6616×50/1000＝0.0331元/kWh。
天然气方面，天然气价格参考当地价格取2.28元/Nm3，情景2考虑天然气燃烧过程的碳排放成本，天然气平均热值和其单位热值的含碳量分别参考《综合能耗计算通则》和《省级温室气体清单编制指南》，设定为38931kJ/Nm3和15.3吨碳/TJ，碳氧化率为99％，计算得出天然气碳排放系数为2.16kgCO2/Nm3，度电热值3.6×106J/kWh，根据文献，锅炉效率取90％，得到产生1kWh热量需要燃烧天然气0.1027Nm3，在碳价为50元/吨时，得到天然气直接碳排放成本为0.108元/Nm3。情景3考虑天然气从开采运输到被燃气锅炉使用的全过程，天然气发电从开采、运输环节的碳排放为165g/kWh，按照60％的天然气发电效率折算，每kWh发电量需要天然气0.169Nm3，通过换算得到1Nm3天然气在开采运输环节的将排放0.976kgCO2。综上，情景3中天然气作为能源在燃气锅炉中燃烧时的LCA碳排放系数为kgCO2/Nm3，对应的碳排放成本为0.1568元/Nm3。
天然气在此次研究边界条件下产生1kWh热量需要消耗0.1027Nm3，该区域年热负荷5138160kWh，若由燃气锅炉供热，设备设计容量3000kW，设备投资39万元，按照燃气锅炉的设计寿命20年计算，得到燃气锅炉直接的供热成本为0.2881元/kWh；情景2在情景1基础上增加天然气燃烧直接排放的碳成本0.108元/Nm3，即为0.0111元/kWh，得到情景2下燃气锅炉供热成本为0.2992元/kWh；情景3考虑天然气LCA碳排放成本0.1568元/Nm3，即为0.0161元/kWh，情景3下燃气锅炉供热成本为直接供热成本与情景3碳排放成本之和，即0.3042元/kWh。
参考中国光伏行业协会《中国光伏产业发展路线图》光伏的度电成本取0.4669元/kWh，根据表5得到光伏全环节排放系数为86g/kWh，在碳价为50元/吨时，即碳排放成本为0.0043元/kWh，将这两部分成本总加得到光伏LCA度电成本为0.4721元/kWh。
参考现有技术文献中对Ⅱ类风力资源地区的研究，设定当地风机度电成本为0.4279元/kWh。风机LCA碳排放系数9.5g/kWh，即碳排放成本约为0.0005元/kWh，得到风机LCA度电成本为0.4284元/kWh。
热泵方面，该区域年热负荷5138160kWh，若由热泵供热，热泵设计容量为3000kW，此时热泵初始设备投资为900万元，按照热泵设计寿命20年计算，电价单价简化为分时电价加权平均值0.881元/kWh，热泵供热效率COP为4，得到热泵直接供热成本为0.2921元/kWh。
磷酸铁锂蓄电池参考文献度电成本取1.02元/kWh，结合表2中的储能电池全环节碳排放系数，在碳价为50元/吨时，储能电池LCA碳排放成本约为0.0056元/kWh，将此部分碳成本与电池度电成本相加，得到蓄电池LCA度电成本为1.0256元/kWh。
综上，得到各碳源不同情景下的成本，如表4所示：
表4各碳源不同情景下成本
Figure BDA0003862019250000121
从上表来看，本发明对应的情景3虽然成本最高，但从情景设计和实际情况比对来看，本发明是最符合实际情况的结果，有利于实际应用于工程项目，设定综合能源系统的运行策略。通过计算后的设备容量配置结果如表5所示。
表5设备配置情况
设备 燃气轮机 余热锅炉 燃气锅炉 热泵 热制冷机 电制冷机 电储能 热储能
配置容量 936.7 2529.1 0 871.7 1579.3 0 0 0
在能量枢纽系统运行过程中，电热功率必须满足实时平衡。现有技术对综合能源系统仅考虑电、热，应用场景有一定局限性。本发明的综合能源系统架构还可满足冷负荷需求，设备考虑了电制冷机和冷储能，吸收式制冷机组需智能切换制冷/制热模式，能源耦合更为复杂，负荷需求更为全面，可广泛应用于各类综合能源场景。
枢纽系统中的冷负荷为夏季的用户冷负荷，均由吸收式制冷机提供，因此本实施例分析热平衡时视吸收式制冷机为热能消耗设备，不单独分析冷负荷。
电平衡：从外网购电功率加上燃气轮机发电功率等于常规电负荷用电功率与热泵消耗电功率之和。也即：购电+燃气轮机发电＝电负荷+热泵耗电。
热平衡：余热锅炉、热泵的发热功率加上储热设备的放热功率等于刚性热负荷、用户热负荷、吸收式制冷机的消耗功率与储热设备的储热功率之和，即：余热锅炉+热泵+＝刚性热负荷+用户热负荷。
按照本发明的优化思路仿真运行综合能源系统，在给定的系统设备容量、效率等参数以及能源价格、碳配额、碳交易价格等边界条件下，以综合成本最低为优化目标，对综合能源系统的运行策略进行仿真优化，求解所得运行策略如图5-10所示。
如图5所示为春秋季电功率平衡，电能转换设备燃气轮机和热泵投入运行。燃气轮机燃气发电，热泵耗电将低品位的热能转换成易利用的高品位热能满足热负荷需求。图中引入分时购电电价分析燃气轮机工况以及实时购电状态。1～6、23～24时刻为谷值电价，11～18时刻为平值电价，7～10、19～22时刻为峰值电价，在谷值电价和平值电价时间段，燃气轮机停止运行，系统向电网全额购电满足刚性电负荷需求以及维持用于热能供应的热泵运行，热泵负荷率较高；在峰值电价时间段，燃气轮机高负荷率运行满足该区域内的电负荷需求，余热锅炉高负荷率运行满足该区域内的热负荷需求，余热锅炉供能不足时，热泵低负荷率运行，保持热功率平衡。当燃气轮机按最大负荷率运行出力仍然不足时需要向电网小规模购电弥补燃气轮机出力。
如图6所示为春秋季热功率平衡，热负荷设备余热锅炉和热泵投入运行。余热锅炉通过回收燃气轮机热能供热，余热锅炉与燃气轮机的工况完全相同，在峰值电价时间段与燃气轮机共同运行供电、供热，此时热泵低负荷率运行甚至停运；在其余时间段余热锅炉停止运行，此时由热泵单独供热满足区域内的刚性热负荷以及用户热负荷需求。在10～17时之间，室外温度较高，则维持室内温度的热能需求较少，其他时刻室外温度较低，则维持室内温度热能需求较多，上图趋势符合室内室外热能交换原理，用户热负荷把室内温度维持在21.5～23℃之间。春秋季时刻吸收式制冷机停机。
如图7及图8所示为夏季电热功率平衡，电能转换设备燃气轮机和热泵投入运行；夏季热负荷设备余热锅炉、吸收式制冷机和热泵投入运行，其中吸收式制冷机作为热负荷消耗设备。夏季室内温度调节的热负荷主要用于制冷，由吸收式制冷机提供，制冷机的热能消耗来自于热泵和余热锅炉。图中引入分时购电电价和夏季室内温度实时状态。用电高峰阶段也即峰值电价期间，燃气轮机运行发电，但夏季的负荷率明显低于春秋季，结合夏季热负荷分析，燃气轮机与余热锅炉同时运行才能使得机组的经济和效率最大化，在峰值电价期间，余热锅炉热能供应已经满足刚性热负荷需求，在无储热设备情况下，燃气轮机提高负荷率发电时，余热锅炉将提供过量的热功率，热功率无法平衡；或者余热锅炉保持低负荷率运行，燃气轮机的余热回收率大幅度降低，不如电网购电经济，因而此时燃气轮机与余热锅炉的负荷率略低。夏季时，热能需求较少，热泵负荷率相对较低；用户冷负荷需求量大，吸收式制冷机在室外温度高的5～17时期间接近额定功率运行，热能除了少量供应刚性热负荷之外，其余全部用于制冷机制冷供应用户调节室内温度，室内温度维持在26～29℃之间。夏季时刻用户热负荷为零，仅有少量刚性热负荷。
冬季电热功率平衡如图9及图10所示，功率平衡也即负荷平衡，包括电能转换设备燃气轮机和热泵的投入运行，冬季热负荷设备余热锅炉和热泵的投入运行。图中引入分时购电电价和夏季室内实时温度。同样，峰值电价阶段燃气轮机和余热锅炉接近额定功率运行，当用电功率超过燃气轮机输出电功率时通过少量购电方式满足电功率实时平衡。冬季热负荷需求大，余热锅炉额定运行仍不能满足热能需求，需要热泵投入运行补足供热能少量短缺问题，室内温度维持在17～19℃之间。冬季时，热负荷需求高，热泵1～24时实时运行，吸收式制冷机停机。
本发明建立了基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化的低碳运行仿真优化模型，充分考虑系统内能源的LCA碳排放成本，在满足不同季节、不同工况下的能量供需平衡需求的前提下，通过仿真运行优化得到更为经济和低碳的运行方案，在保证系统安全稳定运行的同时，让系统获得更高的经济和环保效益。在充分考虑全生命周期碳排放成本的前提下，系统进行更加长远有效率地运行，如将倾向于使用效率更高环境友好的热泵，以减少燃气锅炉供热比例，从而降低天然气消耗成本和碳排放成本，并增加光伏和风机的建设规模，以减少外部电网供能比例，从而减少未来购电成本，切实落实“双碳”目标。

Claims (5)

1.一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，其特征是搭建综合能源系统模型，根据以下步骤进行综合能源系统运行的仿真优化：
1)设置优化目标：
考虑碳交易成本设置综合能源系统优化目标函数，如下式所示：
Figure FDA0003862019240000015
其中，Ccapital为综合能源系统投资的年化投资成本，CO&M为综合能源系统在生产运行过程中设备运维产生的年维护成本，Cfuel为综合能源系统所使用能源的年费用，CCO2为综合能源系统碳交易的成本；
各成本子项的计算公式如下：
Ccapital＝∑techInvtech·Captech/Y (2)
其中Inv表示综合能源系统各设备的单位投资成本，Cap表示各设备的装机容量，下标tech表示设备；Y表示项目的计算期，以上数据均来自于综合能源系统的边界条件；
CO&M＝∑tech(OMtech·qconj,i,j,t) (3)
其中OMtech表示各设备的单位运维费用，来自边界条件；qconj,i,j,t指各设备的转换输出能量，i指第i种输入能源，j指第j种输出能源，t指第t时刻，conj表示转换为第j种输出能源输出；
Figure FDA0003862019240000011
其中Pf,hr表示逐时的能源价格，
Figure FDA0003862019240000012
表示一次能源输入量，egt表示电能生产设备，f表示一次能源；
Figure FDA0003862019240000013
其中，
Figure FDA0003862019240000014
为t时交易周期内碳交易的价格，Erate为碳源给定的碳排放配额，来自边界条件；epro,i,j,t、etra,i,j,t、esto,i,j,t分别指能源生产量、传输量、储存量；Ca指能源生产所产生的全生命周期碳排系数，计算公式如下式(6)所示：
Ca＝Ca1+Ca2+...+Can (6)
Ca也为综合能源系统的直接或间接碳排放的碳排放系数，Ca1，Ca2，…，Can表示碳源分别在各碳排放环节中对应的碳排放系数；
2)对综合能源系统模型设置运行约束条件，包括系统功率平衡约束、各类型设备的输入-输出耦合约束、设备出力限制、电网联络线功率限制及能量流动约束；
3)对搭建的综合能源系统模型，在约束条件下根据优化目标进行求解，包括：
步骤1：采用K-means聚类算法对综合能源系统的负荷进行典型周聚类，全年负荷数据划分表示为n类典型的连续7天，得到n类典型周，每类典型周的数量为Wk；
步骤2：确定综合能源系统初始运行状态；
步骤3：确定输入能源和输出能源种类；
步骤:4：根据运行约束条件仿真运行综合能源系统，计算单位时刻t下，p种输入能源，q种输出能源的能源生产量epro,i,j,t、传输量etra,i,j,t和储存量esto,i,j,t，i＝1,2，…，p，j＝1,2，…，q，t以小时为单位，
根据综合能源系统优化目标函数所包含的成本内容计算第k类典型周的成本Ck，Ck为一周内各种输入能源及输出能源情况的循环迭代量总和：
Ck＝∑ijtci,j,t (13)
ci,j,t为典型周中每小时对应不同输入能源和输出能源的成本数据；
得到全年总成本C的计算公式：
Figure FDA0003862019240000021
步骤5：修改综合能源系统运行状态，重复步骤2-4再次计算总成本，以Min C为优化目标，则要求本次循环计算的总成本小于上一次计算结果，将两次循环的总成本差值定义为△C，当△C大于设定的误差，即两次循环的差值大于预期，则继续修改运行状态，重新循环迭代，直至小于设定误差，即意味着总成本已无法继续优化，输出此时综合能源系统的运行参数作为最优结果，用于指导综合能源型的运行策略。
2.根据权利要求1或2所述的一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，其特征是综合能源系统模型求解时，步骤5修改运行状态重复计算总成本，循环次数大于50，小于1000。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，其特征是基于LCA计算全生命周期碳排放系数，包括：
1)、煤电LCA碳排放
煤电的LCA碳排放包括煤炭的开采环节、运输环节和燃煤发电这三个环节，开采环节的耗能会产生碳排放，将开采出的煤炭运往燃煤发电厂的运输环节，以及其使用的交通工具消耗的能源会直接产生碳排放，燃煤发电环节的碳排放主要来自发电过程中煤燃烧及燃烧后废弃物处理带来的直接和间接碳排放；
2)、风力和光伏发电LCA碳排放
风电和光伏设备的LCA碳排放包括设备的生产建设环节和出厂运输环节；
3)、天然气发电LCA碳排放
天然气包括油田天然气和煤制天然气，油田天然气在开采、运输和使用环节会产生碳排放，煤制的天然气LCA碳排放需考虑煤炭开采、运输、转化为天然气，以及之后天然气的运输和使用环节，油田天然气和煤制天然气的碳排放系数存在一定的差异，分别为0.48kgCO2/kWh和0.54kgCO2/kWh。而参考现阶段天然气市场所使用的天然气的类型结构，设定油田的天然气占30％和煤制天然气占70％的占比结构，计算得到天然气的LCA碳排放标准系数大致为522gCO2/kWh。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，其特征是综合能源系统模型的运行约束条件中，能量流动包含能量的生产、转换、传输等环节：
1)能量生产约束
综合能源系统的能量生产设备将一次能源转化为电能，消耗量总和epro,i,j,t是所有相应能源技术的能源消耗量之和，如下式所示：
Figure FDA0003862019240000031
其中egt指全部电能生产设备，i指第i种输入能源，j指第j种输出能源，t指第t时刻，单位为小时，αi,j,t为第i种输入能源、第j种输出能源在t时刻的运行状态，
Figure FDA0003862019240000032
指一次能源的输入量，也为消耗量，f表示不同类型的一次能源；
太阳能、风能的消耗量受到当地的资源可获得量的限制，不可超过该时刻最大的资源可获得量，因此还具有式(8)所示约束：
Figure FDA0003862019240000033
Figure FDA0003862019240000034
表示t时刻一次能源的最大可获得量；
2)能量转换约束
综合能源系统中电制冷机将电能转换成冷能，其能量转换环节的数学模型表示为如下式所示：
Figure FDA0003862019240000035
其中，qconj,ij,t、
Figure FDA0003862019240000036
分别表示某能源转换设备的输出和输入，η(P)表示能量转换效率；
3)能量传输约束
综合能源系统的能量传输包括电和热两种，能量传输环节的损失只考虑热能，定义能量传输与热能损耗如下式所示：
Figure FDA0003862019240000041
其中TH为供水温度，热网管道周围各类介质的平均温度用Te表示，R为根据热网管道保温措施确定的单位管道长度的平均热阻，l为热网供能管道的长度；
4)能量输出约束
综合能源系统的能量输出必须满足用户的负荷需求，其约束如下：
S＝∑f,m,hr(epro,i,j,t+econ,i,j,t+etra,i,j,t) (11)
S≥Suser (12)
其中S为综合能源系统输出的总能量，Suser为用户的负荷。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于全生命周期碳成本的综合能源系统优化仿真方法，其特征是综合能源系统包括电负荷、热负荷和冷负荷，设备包括电制冷机，由吸收式制冷机组切换制冷/制热模式。
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