一种综合能源系统及其优化调度方法

本发明属于新能源与节能，具体为一种考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统及其优化调度方法。

背景技术：

1、

2、热电联产(combined heat and power,chp)是ies的主要形式之一，在发电的同时将产生的热能也加以利用，提高了系统的经济性。但其“以热定电”的特性限制了可再生能源的消纳。为了增强chp的灵活性，电转气(p2g)作为电力系统和天然气系统之间的连接器，可以将电能转化为天然气。但是，目前关于p2g 的研究大部分只考虑电转天然气的单一过程，未深入细化研究电解槽、甲烷反应器的能量转化过程。贾燕冰等指出电制氢气的效率比电制天然气高25％，而且燃烧氢气不排放二氧化碳。同时，鲜有文献考虑电解槽和氢燃料电池的产热作用，因此有必要对p2g两阶段运行深入研究。

3、在上述研究中，p2g的能量转换需要购买二氧化碳，这为p2g带来了碳源成本。碳捕集技术广泛应用于燃煤或燃气电厂。碳捕集系统(ccs)消耗电能捕获热电联产(chp)排放的二氧化碳，相当于增加了chp的电力负荷，进而在减少碳排放的同时提高可再生能源的利用效率。然而，目前的碳捕集技术多数为将捕获的二氧化碳存储起来，并远距离传输到p2g，需要传输和存储成本。因此，可以考虑引入ccs将chp排放的二氧化碳直接捕获到p2g，避免远距离传输和储存，在满足p2g碳源的同时，减少chp的碳排放。

4、针对上述研究，现有技术存在如下问题，大部分研究未提及ccs对p2g的作用；运用p2g时，未充分考虑p2g两阶段运行产生的效益；所建立的模型大多采用固定价格进行碳交易，没有对碳排放模型进行细化研究。同时，针对ccs、 p2g两阶段运行和梯级碳交易机制三者协调运行的研究也较少。

技术实现思路

1、针对上述问题本发明提供了一种考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统及其优化调度方法。该系统是考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统，是一种低碳经济调度模型，是以碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本综合最小为目标函数建立的。通过与其他传统场景对比，验证了ccs、细化p2g两阶段运行以及梯级碳交易机制对ies优化调度的积极影响，表明了所提系统及方法具有较高的经济性、低碳性和风光消纳能力。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、本发明提供了一种综合能源系统，所述综合能源系统是在考虑梯级碳交易机制和p2g两阶段运行下搭建的，包括风电光伏发电单元、碳交易市场单元、 ccs、p2g两阶段运行相关装置、chp机组、微型燃气轮机组(mt)、电制冷机(er)以及各类负荷；其中，p2g两阶段运行相关装置包括甲烷反应器(mr)、电解槽(el)和氢燃料电池(hfc)；各类负荷包括电负荷、热负荷、气负荷和冷负荷；风电、光伏为综合能源系统提供清洁的可再生能源；chp和hfc是系统中电、热的重要供应源；ccs捕集chp机组产生的二氧化碳以提升碳减排； el进行热氢联产，是实现电能与氢、热能耦合的重要元件；mr将氢能转化为天然气能；mt燃烧天然气为系统提供电热冷能，实现气能与冷热电能之间的耦合；气负荷由气源和mr协调提供；er与mt提供提供冷负荷所需冷能；mt 和p2g环节停止运行时燃煤chp机组排放的二氧化碳经由梯级碳交易市场进行交易。

4、本发明还提供了一种基于上述综合能源系统的综合能源系统优化调度方法，包括以下步骤：

5、步骤1，系统中各单元模型的构建，包括碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型、梯级碳交易机制模型和其他环节的运行模型；

6、步骤2，综合考虑碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本，构建综合能源系统的优化运行目标函数；

7、步骤3，功率平衡约束条件及系统各环节运行约束条件的设立；

8、步骤4，采用通过yalmip调用的ipopt商业求解器进行求解。

9、进一步，所述步骤1中碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型具体包括 chp热电联产环节和p2g两阶段运行环节，各环节的模型如下所示：

10、(1)chp热电联产环节：

11、chp通过燃煤进行发电供给ccs、el以及电负荷的用电，同时利用发电过程产生的热量来供应热负荷，其电能表达式为

12、pchp,e(t)＝pchp,e1(t)+pchp,e2(t)+pchp,e3(t)   (1)

13、式中：pchp,e(t)为chp在t时段的发电功率；pchp,e1(t)、pchp,e2(t)和pchp,e3(t) 分别为chp在t时段供应给电网、ccs和el的功率；

14、(2)p2g两阶段运行环节

15、根据上述综合能源系统可知：电转气第一阶段，ccs消耗chp提供的电能将其排放的二氧化碳捕获，并传输给mr，el在制氢的同时引入热回收装置对产生的热量进行回收利用；第二阶段，mr利用一部分氢能合成甲烷；hfc将剩余氢能直接转化为电热能，相比于先合成甲烷再燃烧供能减少了能量的损耗和二氧化碳的排放；可见考虑p2g两阶段运行后可实现能源的精细化利用，提高能源利用效率；具体能量转化关系为：

16、1)ccs捕集二氧化碳环节：ccs捕集燃煤chp机组排放的二氧化碳供电转气再利用，有效减少碳排放量，提高了系统的经济性；其碳捕集量表达式为

17、ccc(t)＝λccpchp,e2(t)   (2)

18、式中：ccc(t)为ccs在t时段的二氧化碳捕集量；λcc为ccs的捕集系数；

19、2)el热氢联产环节：在此环节引入热回收装置对电解槽产生的热量进行回收，将风光高发时段的电能转化为热能和氢能；其能量转化关系为

20、

21、pel,h(t)＝λel,hpchp,e3(t)   (4)

22、式中：和pel,h(t)分别为el在t时段的制氢和产热功率；λel,h2和λel,h分别为el的电制氢、产热转化系数；

23、3)mr制甲烷环节；mr就地利用ccs捕获的二氧化碳与el产生的氢气合成甲烷，避免远距离传输和储存二氧化碳带来的费用和风险；其能量转化关系为

24、pmr,gs(t)＝λmr,gspmr,h2(t)   (5)

25、式中：pmr,gs(t)为mr在t时段的产气功率；pmr,h2(t)为t时段el供应给mr 的氢功率；λmr,gs为mr的氢气转化系数；

26、4)hfc热电联产环节：hfc内部发生氧化还原反应时，电子定向运动产生直流电压，经逆变器转化为交流电压后再经变压器升压将电能送至电负荷；化学反应发电的同时也会产生热量，从而减少其他设备的热出力，最终实现热电联产，同时，由于热电联产充分发挥了氢燃料电池的电热特性，本文近似取氢燃料电池的热电效率之和为定常数；其能量转化关系为

27、phfc,e(t)＝λhfc,ephfc,h2(t)   (6)

28、phfc,h(t)＝λhfc,hphfc,h2(t)   (7)

29、λhfc,e+λhfc,h＝λhfc,max   (8)

30、式中：phfc,h2(t)为t时段el供应给hfc的氢功率；phfc,e(t)和phfc,h(t)分别为t时段hfc的发电、产热功率；λhfc,e和λhfc,h分别为hfc的电、热效率；λhfc,max为hfc的热电效率之和最大值。

31、进一步，所述步骤1中其他环节的运行模型包括mt电热冷联产环节和er 运行模型，其中：

32、(1)mt电热冷联产环节具体为：mt回收甲烷燃烧排出的高温烟气中的余热，提供冷热电能；其能量转化关系为，

33、pmt,e(t)＝λmt,epmt,gs(t)   (9)

34、

35、

36、式中，pmt,gs(t)为t时段mt的耗气功率；pmt,e(t)为t时段mt的发电功率； pmt,h(t)和pmt,c(t)分别为t时段溴冷却器的产热和制冷功率；λmt,e为mt的发电系数；λmt,h和λmt,c分别为溴冷却器的产热和制冷系数；ηr为热损失系数；ηl为为溴冷却器的烟气余热回收率；

37、(2)er运行模型具体为

38、per,c(t)＝λer,cper,e(t)   (12)

39、式中，per,e(t)为er在t时段消耗的电功率；per,c(t)为er在t时段的制冷功率；λer,c为er的制冷系数。

40、进一步，所述步骤1中梯级碳交易机制模型具体为：

41、(1)系统实际碳排放量

42、ies中的碳排放源主要有chp、mt，此外，ccs可以捕集部分碳以供应 mr合成甲烷；实际碳排放量表达式为

43、

44、

45、

46、式中：echp,co2和emt,co2分别为chp和mt的碳排放量；eco2,a为系统实际碳排放量；pchp,h(t)为chp在t时段的产热功率；aco2、bco2和cco2为chp碳排放系数；dco2为mt的碳排放系数；cν1为chp功率最小时电热转换系数；

47、(2)系统碳排放权配额

48、

49、式中：e0为系统碳排放权配额；pmt,e(t)、pwind(t)、ppv(t)分别为t时段mt、风、光发电功率；a为单位功率碳排放配额；

50、(3)梯级碳交易成本

51、参与到碳交易市场的碳排放权交易额eco2为系统实际碳排放量与碳排放权配额之差；其表达式为

52、eco2＝eco2,a-e0   (17)

53、梯级碳交易机制将碳排放权交易额分成若干个区间，区间越后相应的交易价格也就越高，碳交易成本m1为：

54、

55、式中：γ为碳交易基价；α为碳交易价格增长率；l为碳排放量区间长度。

56、进一步，所述步骤2中综合考虑碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本，构建综合能源系统的优化运行目标函数m的具体过程为：

57、min m＝m1+m2+m3   (19)

58、式中，碳交易成本m1见式(18)；

59、系统运行成本m2包括chp、el、mr、ccs、hfc、mt、er运行成本，

60、

61、

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63、

64、

65、

66、

67、m2＝c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7   (27)

68、式中：c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7分别为热电联产、电解槽、甲烷反应器、碳捕集系统、氢燃料电池、微型燃气轮机组、电制冷机运行成本；a1、b1为热电联产运行成本系数；c1为电解槽运行成本系数；d1为甲烷反应器运行成本系数；e1为碳捕集系统运行成本系数；f1为二氧化碳封存成本系数；g1分别为热电联产发电、产热成本系数；h1为微型燃气轮机组运行成本系数；i1为电制冷机运行成本系数；

69、弃风弃光成本m3为：

70、

71、式中：j1和k1分别为弃风、弃光成本系数，pcwind(t)和pcpv(t)分别为t时段的弃风、弃光功率。

72、进一步，所述步骤3中功率平衡约束包括电功率约束、热功率约束、冷功率约束、气功率约束和氢功率约束；其中：

73、(1)电功率约束条件，任意时刻的发电量与负荷用电量相等；

74、

75、式中：ppl(t)为t时段电负荷功率；

76、(2)热功率约束条件，由于热网的惯性可以维持温度，因此供热量与需求之间的不平衡可以在有限的范围内；

77、

78、式中：phl(t)为t时段热负荷功率；δ1,max和δ1,min分别为热负荷调整的上、下限比例；

79、(3)冷功率约束条件，冷功率与热功率类似，同样也存在惯性；

80、

81、式中：pcl(t)为t时段冷负荷功率；δ2,max和δ2,min分别为冷负荷调整的上、下限比例；

82、(4)气功率约束条件，mr合成甲烷与气源一同供应mt和气负荷；

83、pgl(t)+pmt,gs(t)＝ps(t)+pmr,gs(t)   (32)

84、式中：pgl(t)分别为t时段气负荷功率；ps(t)为t时段气源功率；

85、(5)氢功率约束条件，el制氢供应hfc与mr的氢能需求；

86、phfc,h2(t)+pmr,h2(t)＝pel,h2(t)   (33)。

87、进一步，所述步骤3中系统各环节运行约束条件包括chp、ccs、el、mr、 hfc及其他环节运行约束；其中：

88、(1)chp运行出力约束

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91、

92、式中：和分别为chp发电功率上、下限；和为chp产热功率上、下限；cν1和cν2分别为chp功率最小和最大时电热转换系数；cm为chp热电功率的线性供给斜率；pchp,h0为chp电功率最小时的热功率；

93、(2)ccs、el、mr、hfc运行约束

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100、

101、式中：和分别为热电联产在t时段供应给ccs电功率上、下限；和为chp供应给电解槽电功率上、下限；和分别为el供应给甲烷反应器氢功率上、下限；和分别为el供应给hfc氢功率上、下限；和分别为el爬坡约束上、下限；和分别为mr 爬坡约束上、下限；和分别为hfc爬坡约束上、下限；

102、(3)其他环节运行约束

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108、式中：和为mt电功率上、下限；和为er耗电功率上、下限；分别为气源功率上、下限；和分别为mt爬坡约束上、下限；和分别为er爬坡约束上、下限。

109、与现有技术相比本发明具有以下优点：

110、本发明提出的考虑梯级碳交易机制和细化p2g两阶段运行的ies调度模型，引入梯级碳交易机制，将ccs与p2g两阶段联合运行，提升了风光消纳能力和低碳经济性。具体如下：

111、1)梯级碳交易机制能够引导ies减少碳交易成本。考虑梯级碳交易机制的场景二与场景一相比碳交易成本降低了0.44万元。

112、2)ies中引入ccs后，可将chp产生的二氧化碳捕获到mr，降低碳排放的同时提高系统风光利用率。相较于未考虑ccs的场景三，场景四碳排放量降低了0.109t，风光利用率分别提高了6.69％和3.85％。

113、3)考虑p2g两阶段运行，既可以提高风光效率，又能够有效发掘氢能高能效的潜力；并且由于el、hfc可以承担一部分chp、mt的热电供给，进而降低chp、mt的碳排放量，减少运营成本。本文所提模型与未考虑p2g的传统调度模型(场景二)相比运营成本降低了18.17万元；与考虑传统p2g的调度模型(场景四)相比降低了3.88万元。