考虑辅助服务碳交易的综合能源系统运行优化方法与流程

本发明涉及综合能源系统的，更具体地说是涉及综合能源系统运行优化方法的。

背景技术：

1、综合能源系统指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的生产、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统，是能源互联网和综合能源服务的物理载体。它主要由供能网络、能源交换环节、能源储存环节、终端综合能源供用单元和大量终端用户共同构成。

2、为了提高国家自主贡献，帮助治理全球气候问题，我国对“碳峰值和碳中和”工作做出了相应安排。其中，推进能源改革，提高可再生能源在一次能源中的比重，是减少碳排放、促进高质量经济发展的重中之重。由电、气、热等多个能源系统组成的综合能源系统可以实现多能源互补和协调优化，有效提高能源利用效率。因此，综合能源系统的优化运行有利于实现“双碳”控制目标。在“双碳”背景下，将碳交易成本引入综合优化目标，验证了其在提高系统风电利用率和经济环境效益方面的有效性。上述主要采取稳健的态度，以状态模型为分析对象，较少考虑动态特性。然而，在实践中，综合能源系统中每个能量流系统的动态特性是差异很大，呈现出多时间尺度的特征。目前通常证明热力系统是一种可靠的调度资源，但很少研究其与碳交易机制的相互作用，也很少研究两者对综合能源系统的总体影响。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述之不足而提供一种同时考虑热网的动态特性和碳交易机制，对热电厂的最优运行进行研究的考虑辅助服务碳交易的综合能源系统运行优化方法。

2、本发明为了解决上述技术问题而采用的技术解决方案如下：

3、考虑辅助服务碳交易的综合能源系统运行优化方法，步骤如下：首先，对供暖管道和供暖建筑的热动力学进行微调建模；然后，以综合能源系统的最低运行成本和最低碳交易成本为目标函数，以能量平衡约束和网络约束为约束，提出综合能源系统的最优运行方案。

4、优选的，电热综合能源系统的组成,

5、电热综合能源系统通过热电联产chp机组发电和热能，并通过热泵hp实现电能和热能的转换，此外，风力涡轮机wt、燃气轮机gt和上层电网共同向电力负荷用户供电，电能存储ees、热能存储tes可以在能量过剩或不足时存储或释放能量，

6、与电力系统惯性小、调节快的特点不同，热力系统在调度中具有较大的系统惯性，集中供热系统的动态特性主要体现在供热管网和供热建筑中，在热介质传输过程中，供热管网的动态特性直接影响热介质的温度，主要表现为热延迟和热损失，

7、热网的热延迟特性主要反映在一次管网中，热水传输存在时滞，即管道末端热介质的温度变化相对于管头具有一定的滞后效应，加热管两端温度变化的延迟时间可以表示为：

8、

9、式中：j为热网加热管；τj是管道j的热延迟时间；dj、lj、qj分别是管道j的直径、长度和热介质质量流量，

10、本方法采用节点法描述热能传输的延迟过程，仅考虑热延迟，对管道长度进行离散以获得热延迟时间，结合管道开始处热介质温度的时间序列，计算管道末端的温度,

11、

12、式中：为本期t内管道j末端温度的加权平均值；[t-τj]表示不大于t-τj的最大整数；λ1、λ2是权重系数，

13、当仅考虑热损失时，由于管道与周围环境之间的温差而导致的管道中的传热损失可以用管道末端的温度表示为：

14、

15、式中：为本期t内管道j前端温度的加权平均值；tam是管道周围的环境温度；αj是管道j的损耗常数；λ3为温度损失系数；kj管道热损失系数；c是水的比热容，c＝4.2kj/(kg·℃),

16、由式(2)和(4)可知，当同时考虑热延迟和热损失影响时，管道末端的温度可以表示为：

17、

18、建筑物的热损失主要由三部分组成：围护结构的热损失、冷空气渗透的热损失和通风的热损失,热负荷和室温之间的关系可以表示为：

19、

20、式中：k为热网负荷节点；分别是t期间节点k处供暖建筑围护结构的热损失、冷空气渗透热损失和通风热损失；是周期t内节点k处供暖建筑的室内温度；是周期t内节点k处供暖建筑的热功率；cm是室内空气的比热容；mk是节点k处供暖建筑的室内空气质量,

21、为了确保供暖用户的舒适性，建筑物的室内温度应保持在舒适范围内考虑到换热站建筑群的热动力特性，在建筑群获得的热量在调度期间保持不变的前提下，结合系统中热源总热输出的可调范围，可以灵活调整每个调度周期的热量输出，以便供暖建筑可以作为调度资源参与优化调度,供暖建筑的热功率应满足热负荷的允许上限和下限

22、优选的，构建综合能源调度模型，

23、引入碳交易机制，以系统经济和碳排放的总成本最小为优化目标，考虑系统能量平衡约束、设备模型约束和网络约束，

24、在碳交易中，监管机构根据某些规则向各种碳排放源分配碳配额，如果碳源产生的碳排放量高于配额，不足部分需要从碳交易市场购买；如果碳排放量低于碳配额，剩余部分将在碳交易市场出售，

25、计算碳余量的公式为：

26、

27、其中：m1是一组能源供应单位，m1＝{gt，chp，wt，hp}；t是调度周期；ep，m1是每个单元的碳配额；nm1是机组总数；pt，n是周期t内机组n的电力输出，当代表热电联产机组时，pt，n是机组在纯冷凝条件下的转换电力输出；σ是单位电力的碳排放分配系数，

28、可以认为风力涡轮机不会产生碳排放，而其他能源供应装置在运行期间会产生碳排放，每个装置的碳排放量可以表示为：

29、

30、式中：eo，m2是每个单元的碳排放量，m2＝{gt，chp，hp}；nm2是碳排放单元的总数；γn是单位n输出的碳排放强度，

31、运营成本包括设备能源供应成本和电力购销成本，系统能源供应成本可以表示为：

32、

33、其中：cenergy是系统的能源供应成本；是t期间n台设备的运行成本，其中m3＝{gt，chp，hp，wt，ess，tes}；nm3是能源供应装置的总数；电网是t期间的电力购销成本，

34、碳交易成本可以表示为：

35、

36、其中：ccarbon为碳交易成本；cb是碳交易市场价格，

37、综合优化目标函数设置为：

38、minc＝min(cenergy+ccarbon)   (10)

39、电力和热力系统的能量平衡约束为：

40、

41、式中：分别为t期间燃气轮机和电网节点i处风力发电产生的电力；是指电网节点i和外部电网在t期间交换的电力；是周期t内电网节点i处的电力负荷；分别是在t期间连接到电网节点i和热网节点k的热电联产机组的电输出和热输出；分别是t期间连接到电网节点i和热网节点k的热泵消耗的电功率和发出的热功率；分别是t期间连接在电网节点i和电网节点k处的储能装置和储热装置的功率,

42、设备模型约束包括机组输出约束、机组爬坡约束和相关设备运行模型约束,针对传统的径向配电网，采用经典的离散潮流方程建立配电网模型，并采用二阶锥松弛作为电网约束，热网的网络约束包括热介质动态模型约束、建筑群温度上限和下限约束、热负荷侧功率约束、供水和回水温度上限和下限约束、热功率平衡约束、质量流量平衡约束和温度混合约束，因此，电热综合能源系统运行优化模型属于混合整数线性规划问题，可以基于yalmip工具箱对其进行建模，并且可以调用商业求解器cplex来求解该模型。

43、本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：提出了一种运行优化方法可以有效降低系统的运行成本，提高风电消耗率和降低系统的整体碳排放。