面向碳中和的城市综合能源发展规划方法与流程

1.本发明涉及城市碳中和规划技术领域，具体涉及面向碳中和的城市综合能源发展规划方法。


背景技术：

2.碳中和(carbon neutrality)是一个节能减排的术语，其是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，进而达到相对“零排放”。
3.能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉。随着经济社会持续发展，能源生产和消费模式正在发生重大转变，能源产业肩负着提高能源效率、保障能源安全、促进新能源消纳和推动环境保护等新使命。传统能源系统建设以单一系统的纵向延伸为主，能源系统间物理互联和信息交互较少。然而，能源生产和消费模式的转变，要求改变传统能源系统建设路径和发展模式来构建综合能源系统。综合能源系统通过在规划、设计、建设和运行等过程中对各类能源的生产、分配、转换、消费、存储等环节进行有机协调与优化，完成能源的高效转化和梯级利用，已在各类居民区、智能楼宇、工业园区得到初步应用，实现系统能源综合利用效率的大幅度提升，展现出助力国家“碳中和”战略的巨大潜力。
4.城市是人口的主要聚集区，同时也是能源的主要消费者和碳排放的主要产生者，因此需要进行对城市的综合能源发展路径的规划研究。如，公开号为cn114912827a的中国专利就公开了《能源碳排放数据智能分析及中和评定方法》，其包括：对城市电子地图进行网格分区，对电子地图上各分区内的元素进行植物和非植物的归类；对非植物类别的元素进行碳排放数据评估并赋正值，对植物类别的元素进行碳中和数据评估并赋负值；进行相应的赋值处理，对各标点之间的平面进行曲面平滑处理，获得碳排放及碳中和评估三维图；对电子地图上各分区内随机选取设定数量坐标位置后，对坐标点进行实际二氧化碳值采集测量，依据测量结果对碳排放及碳中和评估三维图进行修正。
5.城市具有独特的城市结构和能源结构，在进行城市综合能源发展规划时，需要针对不同的城市结构和能源结构进行调整，以生成最终的综合能源系统。然而，现有方案单纯的采用通用设计来构建城市的能源系统，未充分考虑和分析城市结构和能源结构，使得无法有效指导综合能源系统的规划和运行，导致城市综合能源发展规划的实用性不好。同时，综合能源系统涉及电、气、冷/热等多种不同的能源形式，各种能源形式在生产、传输、消费及存储等环节中存在明显的特性差异，同时它们之间还存在复杂的相互转化和耦合关联。对于多中心组团型城市既要考虑单一区域能源的独立，又要考虑多个区域能源的联系。由于不同能源系统之间的互相耦合会导致故障相互传播，并且可靠性通常与经济性之间是相互矛盾却又紧密关联的。然而，现有方案未将不同能源系统之间的相互影响引入到综合能源系统的可靠性评估中，即未考虑可靠性与经济性之间的关系，导致城市综合能源发展规划的全面性不好。因此，如何设计一种能够提高城市综合能源发展规划实用性和全面性的
方法是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种面向碳中和的城市综合能源发展规划方法，以能够有效指导综合能源系统的规划和运行，并且能够充分考虑可靠性与经济性之间的关系，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的实用性和全面性。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.面向碳中和的城市综合能源发展规划方法，包括：
9.s1：确定城市的城市结构和能源结构，进而建立能源系统的形态结构；
10.s2：基于能源系统的形态结构建立对应的可靠性评估模型和不确定性模型，进而基于可靠性评估模型和不确定性模型构建对应的综合能源系统；
11.s3：对综合能源系统进行发展路径规划，进而通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析；
12.s4：以经济性、独立性和碳排放为目标建立综合能源系统的目标优化模型，进而基于目标优化模型计算综合能源系统的最优容量配值，以实现城市的综合能源发展规划。
13.优选的，步骤s2中，通过如下步骤构建综合能源系统：
14.s201：对各类能源的生产、分配、转换、消费、存储环节进行有机协调与优化，以形成对应的能源产供消一体化系统，进而基于能源产供消一体化系统建立能源输入侧、能源转换侧和能量储存侧的可靠性评估模型；
15.s202：在建立的可靠性评估模型中加入供能设备和冷负荷、热负荷、电负荷的不确定性模型，以满足终端用户电、热、冷、气的多种用能需求；
16.s203：基于能源输入侧、能源转换侧和能量储存侧的可靠性评估模型以及供能设备和冷负荷、热负荷、电负荷的不确定性模型建立安全稳定运行的电-气耦合综合能源系统。
17.优选的，步骤s3中，发展路径规划包括：
18.1)对燃气网络进行规划：考虑天然气站进行扩容或者新建；
19.2)对天然气能源网络进行规划：考虑气负荷、冷负荷和热负荷，同时考虑新建燃气锅炉和新建cchp，并且考虑燃气锅炉和cchp系统与电力网络之间的耦合关系，考虑各自网络出力约束；
20.3)对电力网络进行规划：考虑变电站扩建或者新建；
21.4)对电力能源网络进行规划：考虑电负荷、冷负荷和热负荷，同时考虑需求侧新空调并且考虑与燃气网络之间的耦合关系，考虑各自网络出力约束。
22.优选的，步骤s3中，通过如下步骤对综合能源系统进行可靠性分析：
23.s301：通过可靠性网络等效的方式表示综合能源系统的元件，进而建立计及系统运行状态、外部环境变化、元件健康状况、设备或系统运行方式的可靠性评估概率模型；
24.s302：通过蒙特卡洛法结合可靠性评估概率模型和历史数据随机抽样生成一批新的数据作为未来运行状态，进而在多能流分析与优化的基础上结合未来运行状态评估综合能源系统的系统状态；
25.s303：基于综合能源系统的系统状态计算对应的系统运行可靠性指标。
26.优选的，步骤s303中，系统运行可靠性指标包括负荷消减概率plc和期望缺电量eens。
27.优选的，步骤s301中，建立综合能源系统中的燃气机组、非燃气机组、天然气源和电转气设备四个元件的等效模型；
28.1)燃气机组的等效模型包括：
29.燃气机组在t时刻的发电功率：
[0030][0031]
燃气机组j在状态h下的实际可用发电容量：
[0032][0033]
燃气机组等效体在状态下的发电容量：
[0034][0035]
式中：表示燃气机组j在状态hjgfu下的发电容量；表示燃气机组j在状态hjgfu产下的实际可用发电容量；表示燃气机组在t时刻的发电功率；表示燃气机组j在状态h下的实际可用发电容量；表示燃气机组等效体在状态下的发电容量；aj、bj和cj均表示燃气机组j的热效率系数；hg表示天然气的热值；表示由天然气系统运行状态决定的燃气机组j的天然气注入功率上限；表示燃气机组数量；
[0036]
2)非燃气机组的等效模型包括：
[0037]
非燃气机组等效体在状态下的发电容量：
[0038][0039]
式中：表示非燃气机组等效体在状态下的发电容量；表示工作状态，其在{0,1}中随机取值；表示发电容量；表示非燃气机组数量；
[0040]
3)天然气源的等效模型包括：
[0041]
天然气源等效体在状态的产气容量：
[0042][0043]
式中：表示天然气源等效体在状态的产气容量；表示工作状态，其在{0,1}中随机取值；nwi表示天然气井或储气装置的数量；表示产气容量；
[0044]
4)电转气设备的等效模型包括：
[0045]
电转气模块j在时刻t的产气速率：
[0046]
[0047]
式中：表示电转气模块j在时刻t的产气速率；η
ptg
表示电转气模组的效率；
[0048]
电转气模组j在状态下的产气容量为：
[0049][0050]
式中：dgc
ptg
表示电转气模组j在状态下的产气容量；表示由电力系统运行状况决定的电力供应上限；
[0051]
电转气等效体在状态下的产气容量：
[0052][0053]
式中：表示电转气等效体在状态下的产气容量；表示电转气模组j的状态；表示电转气模组的数量；表示电转气设备的电力消耗；gc
ptg
表示天然气源的产气容量。
[0054]
优选的，步骤s4中，通过如下公式表示综合能源系统的目标优化模型：
[0055]
f＝min(atc,eer,cev)
[0056]
式中：f表示最优容量配值；atc表示系统经济性目标；eer表示系统独立性目标；cev表示系统环保性目标；
[0057]
1)系统经济性目标：
[0058]
通过如下公式表示经济性目标：
[0059]
atc＝c
ic
+c
o&m
+c
re
+ce+c
l
；
[0060]
式中：atc表示综合能源系统的总成本，即系统经济性目标；c
ic
表示综合能源系统的设备购置成本；c
o&m
表示综合能源系统的运营和维护成本；c
re
表示综合能源系统的设备零部件更换成本；ce表示综合能源系统的总能源成本，c
l
表示能源传输损耗成本；
[0061]
通过如下公式表示综合能源系统的初始成本：
[0062][0063][0064]cic,j
＝cj·cu,j
＝nj·cu,j
；
[0065]
式中：c
ic,j
表示组件j的资本成本；c
ic
表示每个单位的资本成本；nj表示固定单位使用的单位数目；c
u,j
表示组件j的单位成本；cj表示单位容量；m表示单位总数；i表示利率；r表示综合能源系统的资本回收系数；n表示综合能源系统的寿命；
[0066][0067]
式中：c
o&m,j
表示设备j的运行和维护成本，c
o&m,u,j
是单个设备j的运行和维护成本；
[0068]
[0069]
式中：c
ic,j
表示每个设备的资本成本；c
ic,j
表示组件j的资本成本；c
u,j
表示组件j的单位成本；nj表示更换设备的数量；f表示通货膨胀率；
[0070][0071]
式中：c
fuel
表示天然气消费的能源成本；c
grid
表示从电网购电的能源成本；c
lost
表示网络传输损耗成本；c
gas
表示天然气价格；c
grid
表示电价；v
pgu
表示pgu的天然气消费；v
gb
表示燃气锅炉的天然气消费；
[0072]
2)系统独立性目标
[0073]
通过如下公式表示系统独立性目标：
[0074][0075]
式中：e
grid,buy
表示从主电网购买的电量；e
load
表示用户的电力消耗量；e
ies
表示综合能源系统中的电力消耗量；
[0076]
3)系统环保型目标
[0077]
通过如下公式表示系统环保性目标：
[0078][0079]
式中：cev表示综合能源系统的总碳排放，即系统环保型目标；ω
k,j
表示来自排放源k的污染物j的排放系数；ζ
ec-p
表示污染物排放惩罚费用；δ
e,j
表示污染物j的单位成本；pk(t)表示t时刻的排放源k的功率。
[0080]
优选的，综合能源系统的目标优化模型满足如下约束条件：
[0081]
1)资源约束：
[0082][0083]
式中：分别表示综合能源系统天然气和电能最大供给量；
[0084]
2)用能约束：
[0085][0086]
式中：f
ele
、f
heat
、f
gas
分别表示终端用户的电、冷/热、气能源需求；
[0087]
3)发电机组的数量约束：
[0088][0089]
式中：n
wt
、n
pv
分别表示风机和光伏板的总数；a
wt
、a
pv
分别表示风机和光伏板的总可用面积；a
u,wt
、a
u,pv
分别表示风力涡轮机和光伏板的单位面积；
[0090]
4)节点电压约束：
[0091]vimin
≤vi≤v
imax
；
[0092]
式中：v
imin
、v
imax
分别表示线路电压幅值上下约束值；
[0093]
5)线路潮流约束：
[0094][0095]
式中：表示支路电功率传输界限；
[0096]
6)热网温度约束：
[0097]
t
imin
≤ti≤t
imax
；
[0098]
式中：t
imin
、t
imax
分别表示热网节点温度上下约束值；
[0099]
7)管道流量约束：
[0100][0101]
式中：分别表示管道工质流量上下限。
[0102]
优选的，还包括：
[0103]
s5：将综合能源系统中的化石能源替换为氢能源并计算对应的制氢成本，进而分析氢能源在达成碳中和目标中的可行性。
[0104]
优选的，步骤s5中，通过如下公式计算制氢成本：
[0105][0106][0107][0108][0109][0110]
0≤c
pv
；
[0111]
0≤c
p2h
；
[0112][0113][0114][0115][0116][0117]
式中：lcoh2表示目标函数，即制氢成本；c
inv
表示光伏电解氢的投资成本；c
om
表示年度运维成本；c
fix
表示固定年度购电成本；c
var
表示可变年度购电成本；c
pv
表示投资的光伏
容量；c
p2h
表示投资的电转氢容量；表示不同时刻从电网购买的电功率；表示从电网购买的最大电功率；表示光伏出力；p
t
表示单位容量的光伏出力；表示电转氢的注入电功率；η
p2h
表示电转氢的效率；表示相角；h
output
表示年度制氢产量；表示电转氢的单位投资；表示光伏的单位投资；dr表示贴现率；n表示系统寿命；表示电转氢每年的单位操作和维持费用；表示有功功率的单位固定年电价；表示光伏每年的单位操作和维持费用；表示分时电价；表示视在功率的单位固定年电价。
[0118]
本发明中面向碳中和的城市综合能源发展规划方法，具有如下有益效果：
[0119]
本发明通过分析城市的城市结构和能源结构确定能源系统的形态结构，进而建立对应的可靠性评估模型和不确定性模型并构建对应的综合能源系统，一方面，能够通过确定城市结构和能源结构来构建更合理的综合能源系统；另一方面，能够通过可靠性评估模型发现综合能源系统有无安全隐患、通过不确定评估模型发现综合能源系统相关数据的变化趋势，即能够根据不同情况对能源系统进行调整以生成最终的综合能源系统，进而能够有效指导综合能源系统的规划和运行，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的实用性。
[0120]
本发明对综合能源系统进行发展路径规划，进而通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析，使得能够将不同能源系统之间的相互影响引入到综合能源系统的可靠性评估中，进而能够充分考虑可靠性与经济性之间矛盾且紧密关联的关系，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的全面性。
[0121]
本发明针对不同功能组团的差异化能源需求和能源协调互补特征进行综合能源系统协同构建，能够实现不同供用能系统间的互联互通和协同互补，提高面向城市多功能组团的综合能源系统的安全性、经济性、灵活性、可靠性，可从根本上破解城市发展中的能源问题，更能在城市发展模式、生活方式、建设过程以及居民用能行为中逐步促进能源使用方式的根本性改变，实现城市的可持续发展。
[0122]
本发明以经济性、独立性和碳排放为目标建立综合能源系统的目标优化模型，进而计算综合能源系统的最优容量配值以实现城市的综合能源发展规划，使得能够综合考虑综合能源系统的经济性、独立性和碳排放以得到最优容量配值，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的有效性。
[0123]
本发明通过将综合能源系统中的化石能源替换为氢能源并计算对应的制氢成本，能够分析氢能源在达成碳中和目标中的可行性，进而能够展示氢能源在重庆综合能源发展中的具体作用，使得能够为面向碳中和的城市综合能源发展规划提供一种新的方向和可能性。
附图说明
[0124]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0125]
图1为面向碳中和的城市综合能源发展规划方法的逻辑框图；
[0126]
图2为重庆市组团结构空间布局；
[0127]
图3为重庆市住宅组团商业组团负荷曲线；
[0128]
图4为综合能源系统的逻辑结构图；
[0129]
图5为不同场景下的制氢成本。
具体实施方式
[0130]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
[0131]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0132]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0133]
实施例一：
[0134]
本实施例中公开了一种面向碳中和的城市综合能源发展规划方法。
[0135]
如图1所示，面向碳中和的城市综合能源发展规划方法，包括：
[0136]
s1：确定城市的城市结构和能源结构，进而建立能源系统的形态结构；
[0137]
城市结构为多中心组团结构，能源结构为电力天然气联合系统结构；能源系统的形态结构为电-气耦合结构。
[0138]
s2：基于能源系统的形态结构建立对应的可靠性评估模型和不确定性模型，进而基于可靠性评估模型和不确定性模型构建对应的综合能源系统；
[0139]
s3：对综合能源系统进行发展路径规划，进而通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析；
[0140]
s4：以经济性、独立性和碳排放为目标建立综合能源系统的目标优化模型，进而基
于目标优化模型计算综合能源系统的最优容量配值，以实现城市的综合能源发展规划。
[0141]
本实施例中，实现城市的综合能源发展规划是指将最优容量配值作为城市综合能源发展的目标值。确定最优容量配值后，热电联产机组和吸收式制冷机能够相互配合，促进能量梯级利用，经济性较好，可进行优先规划。考虑最优配值后，重庆市不同区域能够通过联络管线进行能量输送。
[0142]
本发明通过分析城市的城市结构和能源结构确定能源系统的形态结构，进而建立对应的可靠性评估模型和不确定性模型并构建对应的综合能源系统，一方面，能够通过确定城市结构和能源结构来构建更合理的综合能源系统；另一方面，能够通过可靠性评估模型发现综合能源系统有无安全隐患、通过不确定评估模型发现综合能源系统相关数据的变化趋势，即能够根据不同情况对能源系统进行调整以生成最终的综合能源系统，进而能够有效指导综合能源系统的规划和运行，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的实用性。
[0143]
本发明对综合能源系统进行发展路径规划，进而通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析，使得能够将不同能源系统之间的相互影响引入到综合能源系统的可靠性评估中，进而能够充分考虑可靠性与经济性之间矛盾且紧密关联的关系，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的全面性。
[0144]
本发明针对不同功能组团的差异化能源需求和能源协调互补特征进行综合能源系统协同构建，能够实现不同供用能系统间的互联互通和协同互补，提高面向城市多功能组团的综合能源系统的安全性、经济性、灵活性、可靠性，可从根本上破解城市发展中的能源问题，更能在城市发展模式、生活方式、建设过程以及居民用能行为中逐步促进能源使用方式的根本性改变，实现城市的可持续发展。
[0145]
本发明以经济性、独立性和碳排放为目标建立综合能源系统的目标优化模型，进而计算综合能源系统的最优容量配值以实现城市的综合能源发展规划，使得能够综合考虑综合能源系统的经济性、独立性和碳排放以得到最优容量配值，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的有效性。
[0146]
现以重庆市为例进行说明。如图2所示，重庆市是典型的多中心组团结构城市，其城市总体布局分散，电源分布更加复杂同时能源消耗会因此而增加，需要更多的电源和能源来满足公共服务设施和交通基础设施配置，这种总体分散的格局是城市电源条件限制下无法改变的现状，但其在缓解城市配电、用电方面具有先天优势；另一方面，“组团式”使城市局部相对集中利于组团内电源合理使用和配电平衡，通过可控分布式发出的输出时序特性和空间分布特性进行互补，可减少功率波动对系统运行的影响，提高消纳能力，从而提高用电效率并有效降低电源能耗。图3为重庆市住宅组团商业组团负荷曲线，两者在白天时段具有互补特性。
[0147]
多中心组团式能源结构通过与“源”、“网”协调互动，以引导用户改变用电方式，降低用电成本，削峰填谷并缓解网络拥塞。与传统储能规划方案相比，本发明的规划方案有利于提升电源本地消纳能力，储能单元可以根据系统的调度指令快速调整充电和放电功率。由于其响应速度快，不仅可以长时间削峰填谷，还可以“低储高发”，提高运营的经济性。
[0148]
具体实施过程中，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建
设一体化集成供能基础设施，通过天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，促进城市多能协同供应和能源综合梯级利用；
[0149]
发展路径规划包括：
[0150]
1)对燃气网络进行规划：考虑天然气站进行扩容或者新建；
[0151]
2)对天然气能源网络进行规划：考虑气负荷、冷负荷和热负荷，同时考虑新建燃气锅炉和新建cchp，并且考虑燃气锅炉和cchp系统与电力网络之间的耦合关系，考虑各自网络出力约束；
[0152]
3)对电力网络进行规划：考虑变电站扩建或者新建；
[0153]
4)对电力能源网络进行规划：考虑电负荷、冷负荷和热负荷，同时考虑需求侧新空调并且考虑与燃气网络之间的耦合关系，考虑各自网络出力约束。
[0154]
本发明中，通过上述规划方案对综合能源系统进行发展路径规划，能够最大程度地减少调度日主动配电网的运行成本，从而能够提高面向碳中和城市综合能源发展规划的效果。
[0155]
具体实施过程中，通过如下步骤构建综合能源系统：
[0156]
s201：对各类能源的生产、分配、转换、消费、存储环节进行有机协调与优化，以形成对应的能源产供消一体化系统，进而基于能源产供消一体化系统建立能源输入侧、能源转换侧和能量储存侧的可靠性评估模型；
[0157]
s202：在建立的可靠性评估模型中加入供能设备和冷负荷、热负荷、电负荷的不确定性模型，以满足终端用户电、热、冷、气的多种用能需求；
[0158]
本实施例中，针对系统中光伏机组的不确定性(光照强度具有随机性和波动性，由于机组出力与光照强度有关，所以光伏机组出力也具有随机性)，风电机组的不确定性(风速往往表现出较强的间歇性和波动性，而风电机组某一时刻的输出功率受该时刻的风速值直接影响)，冷、热、电负荷的不确定性(由于历史数据的缺乏，很难获取冷、热、电负荷的长期增长数据，且不能用准确的概率分布加以描述)进行不确定性建模。
[0159]
s203：基于能源输入侧、能源转换侧和能量储存侧的可靠性评估模型以及供能设备和冷负荷、热负荷、电负荷的不确定性模型建立安全稳定运行的电-气耦合综合能源系统。
[0160]
本发明基于能源产供消一体化系统建立能源输入侧、能源转换侧和能量储存侧的可靠性评估模型，进而在建立的可靠性评估模型中加入供能设备和冷负荷、热负荷、电负荷的不确定性模型以满足终端用户电、热、冷、气的多种用能需求，能够通过可靠性评估模型发现综合能源系统有无安全隐患、通过不确定评估模型发现综合能源系统相关数据的变化趋势，即能够根据不同情况对能源系统进行调整以生成最终的综合能源系统，进而能够有效指导综合能源系统的规划和运行，从而能够进一步提高面向碳中和城市综合能源发展规划的实用性。
[0161]
具体实施过程中，通过如下步骤对综合能源系统进行可靠性分析：
[0162]
s301：通过可靠性网络等效的方式表示综合能源系统的元件，进而建立计及系统运行状态、外部环境变化、元件健康状况、设备或系统运行方式的可靠性评估概率模型；
[0163]
本实施例中，可靠性评估概率模型包括：
[0164]
1、供电设备
[0165]
1)光伏机组
[0166]
光伏发电机组受天气影响巨大，其输出功率主要取决于当前时刻的光照强度。由于一天之内的光照时间只有大概12小时，且光照强度具有随机性和波动性，因此，一天内光伏发电机组的工作时间也只有大概12小时，且机组出力具有不确定性。根据统计规律，光照强度在一段时间内近似服从beta分布，其概率密度函数如下式所示：
[0167][0168]
式中：γ为gamma函数，α和β分别为beta分布的形状参数，可由该时段统计获得的光照强度的均值和方差求得，如下式所示；r
t
为t时刻的光照强度，r
max
为该时段内的最大光照强度。
[0169][0170]
式中：μ
pv
和σ
pv
分别为该时段光照强度统计值的均值和方差。
[0171]
2)风电机组
[0172]
风电机组某一时刻的输出功率受该时刻的风速值直接影响，由于风速往往表现出较强的间歇性和波动性，因此风电机组出也具有不确定性，特别是当风速处于切入风速和切除风速附近时，风速的间歇变化可能直接改变风电机组的运行状态。目前，学术界普遍认为风速满足weibull分布，用weibull分布描述风速的概率密度函数如下式所示。
[0173][0174]
式中：v为风速，k、c分别为weibull分布的形状参数和尺度参数，可通过对一段时间内的风速数据进行统计计算得到。
[0175]
2、冷、热、电负荷
[0176][0177]
式中：分别为电网络i节点的电负荷预测值、热网络j节点热负荷预测值以及冷网络k节点冷负荷预测值；分别为电网络i的电负荷,热负荷以及冷负荷；γ
en
、γ
hn
、γ
cn
分别为电负荷、热负荷、冷负荷的偏差系数。
[0178]
s302：通过蒙特卡洛法结合可靠性评估概率模型和历史数据随机抽样生成一批新的数据作为未来运行状态，进而在多能流分析与优化的基础上结合未来运行状态评估综合能源系统的系统状态；本实施例中，
[0179]
系统状态包括故障状态和正常工作状态，通过如下方式评估综合能源系统的系统状态：
[0180]
1)状态枚举法：
[0181]
状态枚举法是对系统进行可靠性评估的方法之一，尤其适用于元件失效概率较小的情况。状态枚举法基于如下展开式：
[0182][0183]
其中，pi和分别是元件i的可用率和不可用率；n是系统中元件的个数。
[0184]
系统状态概率则由下式得到:
[0185][0186]
其中，n-nn和nn分别是状态s中正常工作和故障的元件数量。
[0187]
由状态枚举法得到的全部系统失效状态指标函数的数学期望由下式表示:
[0188][0189]
其中，c(s)为系统失效状态s的影响函数，如负荷削减；ω表示系统失效状态集合。
[0190]
20状态抽样法
[0191]
状态抽样法，也称非序贯蒙特卡洛模拟法，也是被广泛应用在复杂系统的可靠性评估方法之一。其理论依据来自于，一个系统状态是该系统所有元件状态的组合，并且，每一种元件的状态，都可以由对元件出现在该状态的概率进行抽样来确定。
[0192]
假设系统中每一元件均有工作和失效两个状态且相互独立，每一元件可用一个在[0,1]区间均匀分布来模拟。令si表示元件i的状态，代表其失效概率，则对元件i产生一个在[0,1]区间均匀分布的随机数ri，使得：
[0193][0194]
具有n个元件的系统状态s可表示为：
[0195]
s＝(s1,...,si,...,sn)；
[0196]
通过抽样选定一个系统状态后，需要对该状态下的系统是否为失效状态进行判断。即当抽样数量足够大时，系统状态s的抽样频率可作为其概率的无偏估计：
[0197]
p(s)＝m(s)/m
[0198]
其中，m是抽样数；m(s)是在抽样中的系统状态、出现的次数。
[0199]
将每一个系统状态的概率通过抽样估计来评估系统状态。
[0200]
s303：基于综合能源系统的系统状态计算对应的系统运行可靠性指标。
[0201]
本实施例中，系统运行可靠性指标包括负荷消减概率plc和期望缺电量eens。
[0202]
采用状态枚举法或状态抽样法基于负荷消减概率plc和期望缺电量eens对综合能源系统进行可靠性分析。
[0203]
应用状态枚举法时，负荷削减概率plc的计算方法如下所示：
[0204][0205]
其中，fi是多级负荷模型中第i个负荷水平下系统全部失效状态的集合；p(s)是状态s的概率；ti是第i个负荷水平的时间长度，单位为小时；nl为负荷水平分级数；t是负荷曲线的时间期间全长，单位为小时。
[0206]
应用状态抽样法时，负荷削减频率plc的计算方法如下所示：
[0207][0208]
其中，n(s)是抽样中s状态的发生数，ni是抽样总数。
[0209]
应用状态枚举法时，期望缺供电量eens的计算方法如下所示：
[0210][0211]
应用状态抽样法时，期望缺供电量eens的计算方法为:
[0212][0213]
式中各参数含义同上；在应用中时间长度一般取为一年，即8760小时。
[0214]
本发明通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析，使得能够将不同能源系统之间的相互影响引入到综合能源系统的可靠性评估中，进而能够充分考虑可靠性与经济性之间矛盾且紧密关联的关系，从而能够进一步提高面向碳中和城市综合能源发展规划的全面性。
[0215]
本实施例中的综合能源系统如图4所示。综合能源系统由电力系统和天然气系统耦合而成，负责将电力、天然气形式的能源从能源供应侧传输至不同地点的能源需求侧。电力系统的能源供应元件包括燃气机组和非燃气的其他化石燃料的传统发电机组。其中，燃气机组由于其对气压的需求，直接和天然气系统传输侧相连。因此，燃气机组同时被视为是天然气系统的负荷，其发电能力受天然气系统的运行状况限制。同理，电转气设备可安装于一些关键的电力或天然气节点，以消纳过剩的可再生能源，将其以天然气的形式储存与运输，为天然气需求的满足提供补充措施。因此，电转气设备在电力系统中可视作电力负荷。
[0216]
在本发明提出的框架中，燃气机组和电转气设备共同构成了电力系统和天然气系统在供给侧和传输侧的连接桥梁，实现了两个能源系统之间的能量交互。另一方面，在需求侧，在一些节点上，用户可以同时使用电力和天然气两种能源形式。对于一些的特殊电气负荷，虽然电力是大多数情况下的主要能源消耗，但是当电力供应不足时，同样的负荷可以被天然气替代满足。例如，一些工业生产线上的恒温负荷可以同时被电力或燃气锅炉满足。这部分负荷可以定义为灵活负荷。相应的，也存在一部分传统的电力或天然气负荷不能被另一种能源所替代供应。因此，灵活负荷也是电力系统和天然气系统在需求侧连接的桥梁。
[0217]
为了简化综合能源系统的可靠性分析过程，本发明建立综合能源系统中的燃气机组、非燃气机组、天然气源和电转气设备四个元件的等效模型；
[0218]
1)燃气机组的等效模型包括：
[0219]
燃气机组在t时刻的发电功率：
[0220][0221]
燃气机组j在状态h下的实际可用发电容量：
[0222][0223]
燃气机组等效体在状态下的发电容量：
[0224]
[0225]
式中：表示燃气机组j在状态hjgfu下的发电容量；表示燃气机组j在状态hjgfu产下的实际可用发电容量；表示燃气机组在t时刻的发电功率；表示燃气机组j在状态h下的实际可用发电容量；表示燃气机组等效体在状态下的发电容量；aj、bj和cj均表示燃气机组j的热效率系数；hg表示天然气的热值；表示由天然气系统运行状态决定的燃气机组j的天然气注入功率上限；表示燃气机组数量；
[0226]
2)非燃气机组的等效模型包括：
[0227]
非燃气机组等效体在状态下的发电容量：
[0228][0229]
式中：表示非燃气机组等效体在状态下的发电容量；表示工作状态，其在{0,1}中随机取值；表示发电容量；表示非燃气机组数量；
[0230]
3)天然气源的等效模型包括：
[0231]
天然气源等效体在状态的产气容量：
[0232][0233]
式中：表示天然气源等效体在状态的产气容量；表示工作状态，其在{0,1}中随机取值；nwi表示天然气井或储气装置的数量；表示产气容量；
[0234]
4)电转气设备的等效模型包括：
[0235]
电转气模块j在时刻t的产气速率：
[0236][0237]
式中：表示电转气模块j在时刻t的产气速率；η
ptg
表示电转气模组的效率；
[0238]
电转气模组j在状态下的产气容量为：
[0239][0240]
式中：dgc
ptg
表示电转气模组j在状态下的产气容量；表示由电力系统运行状况决定的电力供应上限；
[0241]
电转气等效体在状态下的产气容量：
[0242][0243]
式中：表示电转气等效体在状态下的产气容量；表示电转气模组j的状态；表示电转气模组的数量；表示电转气设备的电力消耗；gc
ptg
表示天然气源的产气容量。
[0244]
电转气设施中的电转气模块通常并联运行，因此当一个电力供应途径失效后，相
应的电转气模块失效，但是整个电转气设施将会工作在一降额状态，与燃气机组类似，电转气的产气速率依赖于相应节点的电力供应充裕度，即受电力系统侧元件的随机失效影响。
[0245]
本发明通过可靠性网络等效的方式表示综合能源系统的元件，进而建立综合能源系统中的燃气机组、非燃气机组、天然气源和电转气设备四个元件的等效模型，使得能够实现通过考虑电力和天然气系统之间联合优化运行和用户能源互补替代效应的分析方法对综合能源系统进行可靠性分析，并运用可靠性网络等效将可靠性分析的计算过程简化，从而能够保证城市综合能源发展规划的效果和效率。
[0246]
具体实施过程中，综合能源系统协调问题的优化规划是一个包含多目标函数的建模。为了获得综合考虑经济性、独立性和碳排放的综合能源系统(ies)最优容量配值，构建出一个三个目标函数的多目标的优化模型。在优化过程中确立了三个优化指标：年总成本、外部发电率和碳排放值。综合能源系统的经济性优化可以通过atc最小值的目标函数来反映。综合能源系统的全寿命周期成本包括资本成本、运维成本、替代成本和能源成本。资本成本主要是指综合能源系统的设备采购成本。运维成本主要是指设备运行过程中的费用。设备置换成本主要是指设备使用寿命结束后的更换成本。最后，综合能源系统的能源成本代表燃料成本和与输电网的交互成本。另外，系统独立性可以用电网交互功率最小这一目标函数来表示，电网购电量的百分比越低，系统的独立性越大。最后一个目标函数是最小碳排放值，综合能源系统的主要碳排放源是天然气燃烧和以煤为主的电网发电。
[0247]
通过如下公式表示综合能源系统的目标优化模型：
[0248]
f＝min(atc,eer,cev)
[0249]
式中：f表示最优容量配值；atc表示系统经济性目标；eer表示系统独立性目标；cev表示系统环保性目标；
[0250]
1)系统经济性目标：
[0251]
通过如下公式表示经济性目标：
[0252]
atc＝c
ic
+c
o&m
+c
re
+ce+c
l
；
[0253]
式中：atc表示综合能源系统的总成本，即系统经济性目标；c
ic
表示综合能源系统的设备购置成本；c
o&m
表示综合能源系统的运营和维护成本；c
re
表示综合能源系统的设备零部件更换成本；ce表示综合能源系统的总能源成本，c
l
表示能源传输损耗成本；
[0254]
通过如下公式表示综合能源系统的初始成本：
[0255][0256][0257]cic,j
＝cj·cu,j
＝nj·cu,j
；
[0258]
式中：c
ic,j
表示组件j的资本成本；c
ic
表示每个单位的资本成本；nj表示固定单位使用的单位数目；c
u,j
表示组件j的单位成本；cj表示单位容量；m表示单位总数；i表示利率；r表示综合能源系统的资本回收系数；n表示综合能源系统的寿命；
[0259][0260]
式中：c
o&m,j
表示设备j的运行和维护成本，c
o&m,u,j
是单个设备j的运行和维护成本；
[0261][0262]
式中：c
ic,j
表示每个设备的资本成本；c
ic,j
表示组件j的资本成本；c
u,j
表示组件j的单位成本；nj表示更换设备的数量；f表示通货膨胀率；
[0263][0264]
式中：c
fuel
表示天然气消费的能源成本；c
grid
表示从电网购电的能源成本；c
lost
表示网络传输损耗成本；c
gas
表示天然气价格；c
grid
表示电价；v
pgu
表示pgu的天然气消费；v
gb
表示燃气锅炉的天然气消费；
[0265]
2)系统独立性目标
[0266]
通过如下公式表示系统独立性目标：
[0267][0268]
式中：e
grid,buy
表示从主电网购买的电量；e
load
表示用户的电力消耗量；e
ies
表示综合能源系统中的电力消耗量；
[0269]
3)系统环保型目标
[0270]
通过如下公式表示系统环保性目标：
[0271][0272]
式中：cev表示综合能源系统的总碳排放，即系统环保型目标；ω
k,j
表示来自排放源k的污染物j的排放系数；ζ
ec-p
表示污染物排放惩罚费用；δ
e,j
表示污染物j的单位成本；pk(t)表示t时刻的排放源k的功率。
[0273]
具体实施过程中，综合能源系统的目标优化模型满足如下约束条件：
[0274]
1)资源约束(资源约束指系统消耗的天然气、电能等一次和二次能源不能大于最大供能能力)：
[0275][0276]
式中：分别表示综合能源系统天然气和电能最大供给量；
[0277]
2)用能约束(用能约束指系统必须满足终端用户的电、冷/热、气能源需求)：
[0278][0279]
式中：f
ele
、f
heat
、f
gas
分别表示终端用户的电、冷/热、气能源需求；
[0280]
3)发电机组的数量约束(建造综合能源系统需要满足面积的限制，这可以反映在发电机组的数量)：
[0281][0282]
式中：n
wt
、n
pv
分别表示风机和光伏板的总数；a
wt
、a
pv
分别表示风机和光伏板的总可用面积；a
u,wt
、a
u,pv
分别表示风力涡轮机和光伏板的单位面积；
[0283]
4)节点电压约束：
[0284]vimin
≤vi≤v
imax
；
[0285]
式中：v
imin
、v
imax
分别表示线路电压幅值上下约束值；
[0286]
5)线路潮流约束：
[0287][0288]
式中：表示支路电功率传输界限；
[0289]
6)热网温度约束：
[0290]
t
imin
≤ti≤t
imax
；
[0291]
式中：t
imin
、t
imax
分别表示热网节点温度上下约束值；
[0292]
7)管道流量约束：
[0293][0294]
式中：分别表示管道工质流量上下限。
[0295]
实施例二：
[0296]
本实施例公开了通过氢能源替代现有化石能源的技术方案。
[0297]
面向碳中和的城市综合能源发展规划方法，还包括：
[0298]
s5：将综合能源系统中的化石能源替换为氢能源并计算对应的制氢成本，进而分析氢能源在达成碳中和目标中的可行性。
[0299]
本实施例中，以重庆市为例进行说明包括以下步骤：
[0300]
s501：分析城市的氢能供应链；
[0301]
重庆市新能源建设主要分布于渝东北和渝东南地区，而负荷中心则在重庆市区，集中在渝西。对此需要就地建立制氢站，将风光氢打捆输送，实现氢能的节能制备与快速应用，并与综合需求响应共同参与渝东南地区的电力系统优化调度，实现可再生能源就地消纳和用户侧的持续、经济用能需求。
[0302]
s502：基于氢能供应链和城市能源需求，生成对应的氢能发展路线；
[0303]
首先明确重庆氢能战略目标，有序发布氢能产业政策，其次以核心科技为导向，切实攻关重庆氢能产业的关键技术，最后稳妥有序推进重庆市氢能基础设施建设，为未来氢能成为综合能源的重要支柱打下坚实的基础。
[0304]
s503：基于氢能源的发展路线计算将综合能源系统中的化石能源替换为氢能源的制氢成本，进而分析氢能源在达成碳中和目标中的可行性。
[0305]
表1为2020年重庆市汽油年消费量，表2为2020年重庆市柴油年消费量。
[0306]
表1重庆市汽油年消费量
[0307][0308]
表2重庆市柴油年消费量
[0309][0310]
通过如下公式计算制氢成本：
[0311][0312][0313][0314][0315][0316]
0≤c
pv
；
[0317]
0≤c
p2h
；
[0318][0319][0320][0321][0322][0323]
式中：lcoh2表示目标函数，即制氢成本；c
inv
表示光伏电解氢的投资成本；c
om
表示年度运维成本；c
fix
表示固定年度购电成本；c
var
表示可变年度购电成本；c
pv
表示投资的光伏容量；c
p2h
表示投资的电转氢容量；表示不同时刻从电网购买的电功率；表示从电网购买的最大电功率；表示光伏出力；p
t
表示单位容量的光伏出力；表示电转氢的注
入电功率；η
p2h
表示电转氢的效率；表示相角；h
output
表示年度制氢产量；表示电转氢的单位投资；表示光伏的单位投资；dr表示贴现率；n表示系统寿命；表示电转氢每年的单位操作和维持费用；表示有功功率的单位固定年电价；表示光伏每年的单位操作和维持费用；表示分时电价；表示视在功率的单位固定年电价。
[0324]
通过上述的制氢成本公式计算制氢成本。如图5所示，我们将重庆市全年消费的汽油和柴油转化为热值，并将其100％、50％、10％以及1％通过相同热值的氢气进行替换，同时考虑电转氢的效率提升，以及投资成本的下降去模拟未来技术进步，最后得出不同情况下的最小制氢成本。
[0325]
本发明通过将综合能源系统中的化石能源替换为氢能源并计算对应的制氢成本，能够分析氢能源在达成碳中和目标中的可行性，进而能够展示氢能源在重庆综合能源发展中的具体作用，使得能够为面向碳中和的城市综合能源发展规划提供一种新的方向和可能性。
[0326]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。