一种考虑气候变化的碳中和能源系统的优化配置方法

本发明属于能源运用领域，特别涉及一种考虑气候变化的碳中和能源系统的优化配置方法。

背景技术：

1、由于能源供应作为二氧化碳产生的主要来源，因此研究出一个碳达峰能源系统、碳中和能源系统对实现碳达峰和碳中和是十分重要的。综合能源系统(ies)可以在对环境影响较小的情况下，为客户提供可靠且具有成本效益的能源服务，因此对ies进行改进得到碳中和能源系统(cnes)系统是可行的。

2、能源系统运行是一个长期的过程，这个过程不仅受运行方式或碳政策的影响，其还会受环境的影响，环境会影响能源系统的需求侧负荷和供应侧的设备出力，研究能源系统受气候变化的影响才能更客观地分析并优化能源系统在双碳政策下的表现。对需求侧而言，在rcp4.5的气候预测模型下，随着气候变暖，建筑的冷负荷会提高、热负荷会下降。对供应侧而言，当温度下降10℃时，火力发电的效率会下降约0.18％，当湿度从35％提高到75％时，火力发电的效率下降约0.86％。当环境温度下降10℃时，燃气轮机的效率约提高1％。当辐射量不变时，光伏发电效率与环境温度成正比。上述的结果都表明了在气候变化下，能源系统的供应侧和需求侧都会发生变化，但目前对于气候变化下，需求侧的变化对能源系统的影响是积极的还是负面的研究还不够清晰，对供应侧效率的变化对能源系统的影响是有利的还是不利的研究还不够全面，如果不考虑这些因素对能源系统的影响，能源系统在双碳政策下的运行表现也会受到影响。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明公开了一种考虑气候变化的碳中和能源系统的优化配置方法，该方法考虑了气候变化对能源系统负荷的影响并且考虑了电能产生单元、火力发电、光伏、太阳能集热器、风力发电、电制冷机和吸收式制冷机在气候变化下的效率变化，最后提出了一种考虑气候变化的碳中和能源系统。

2、本发明提出一种考虑气候变化的碳中和能源系统的优化配置方法，具体设计方案如下：

3、步骤1，获取初始年份到目标年份的天气数据，再通过trnsys仿真软件得到仿真建筑初始年份到目标年份的冷、热和电负荷需求；

4、采用meteonorm软件获得初始年份到目标年份天气数据，采用tm2的输出格式保存，通过该软件可以获取到某城市1年中每个小时的天气情况，分别包括：温度、辐射强度、风速、湿度等能够反映天气情况的参数。

5、采用trnsys仿真软件对办公楼进行仿真，通过设置办公楼的加热、制冷、通风、材料和舒适度等建筑参数完成对该办公楼的模型生成，之后将meteonorm获得的tm2格式天气数据作为办公楼的输入，仿真模拟出建筑每年每个小时的冷、热负荷需求。

6、步骤2，推导得到气候变化下，电能产生单元、火力发电、光伏、太阳能集热器、风力发电、电制冷机和吸收式制冷机的效率变化；

7、碳中和能源系统按照能量的供需可以分为供应侧和需求侧，其中供应侧主要有供能装置、转换装置和储热装置，供能装置主要包括光伏(photovoltaic，pv)、太阳能集热器(solar thermal collectors，st)、风力发电(wind turbine，wt)、电能产生单元(powergeneration unit，pgu)、辅助锅炉(auxiliary boilers，ab)和电网，转换装置主要包括热回收装置、电制冷机(electric chiller，ec)、吸收式制冷机(absorption chiller，ac)和热交换器(heat exchangers，he)，储热装置主要为储热罐(thermal storage tank，tst)。需求侧主要为建筑的冷、热和电三类负荷。

8、当气候发生变化时，环境的变化会对碳中和能源系统的供应侧和需求侧都产生影响，气候变化引起的温度、湿度、辐射和风速变化会影响供应侧设备的效率，在本发明中，考虑受气候变化影响的设备分别包括：火力发电、ec、ac、pgu、wt、pv和st，而气候变化对需求侧的影响主要为冷和热负荷的改变。

9、为了研究当气候发生变化时，供应侧设备效率的变化，需要得到各个设备与气候相关参数之间的数学模型关系，碳中和能源系统主要设备的效率与气候之间的关系表示如下：

10、(1)pgu

11、在ies中，pgu将化学能转化为电能和热能，根据文献,pgu的发电效率ηe,pgu可被计算如下：

12、

13、式中：epgu为pgu的最终输出电能，fpgu为pgu输入能量，epgu和fpgu可被分别计算如下：

14、

15、式中：wt和wc分别表示涡轮机功率，绝热压缩机的压缩机功率，ma为平均空气质量流量，cpa为干空气比热容，tc,out和tt,in分别表示压缩室出口温度和涡轮入口温度。wt、wc和tc,out可被计算如下：

16、

17、

18、

19、式中：mf表示燃料气体质量流量，γa和γg分别表示空气和天然气的比热比(cp/cv)，rc表示压缩比，ηc、ηt分别表示压缩机等熵效率和涡轮机等熵效率，ta表示环境温度。

20、(2)pv和st

21、pv和st的单位面积发电量ηpv和ηst主要受温度和辐射强度的影响，其可被表示如下：

22、

23、式中：i表示太阳辐射强度，γpv和βpv分别为太阳能辐射强度和温度系数，ηref是在参考温度tref下的效率。tpv为光伏电池温度，tradio为st的平均温度与外界空气温度和太阳辐射之差之比，tpv和tradio可被分别计算如下：

24、

25、式中：tpv,noct表示光伏电池标称工作温度(noct)，tst,out和tst,in分别表示st外部和内部工作温度。

26、(3)火力发电

27、研究表明，火力发电的效率与温度、湿度和风速有关，因此环境与电网发电效率的关系可以表示如下：

28、ηgird＝fgird(ta,rh,va)

29、其中，rh和va分别表示相对湿度和风速，将天气数据作为双层神经网络的输入数据，ηgird作为神经网络的输出，通过数据训练神经网络模型，从而可得到ηgird与ta,rh和va的黑箱模型。

30、为了评估神经网络模型的有效性，引入均方根误差(rmse)、平均绝对误差(mae)和r方值(r2)作为评价指标，其计算可以表示如下：

31、

32、式中：m为样本个数，y(i)和分别表示第i个样本的实际值和预测值，表示样本的平均值。

33、(4)wt、ec和ac

34、为了得到wt、ec和ac三者分别与环境的影响，通过trnsys仿真软件对这三个设备进行建模，wt、ec和ac出力与环境的关系可以表示如下：

35、

36、式中：rwt表示wt输出功率与理论最大可能输出功率的比值。copec和copac分别表示ec和ac的制冷系数。

37、步骤3，提出碳中和能源系统的数学模型。

38、由于考虑到在执行碳政策时，每个企业都会有一定的碳配额，因此碳中和的对象是扣除碳配额之后的二氧化碳排放量(carbon dioxide emissions，cde)被抵消，为了能够达到相对“零排放”，碳中和能源系统(carbon neutral energy systems，cnes)引入了碳捕捉系统(carbon capture systems，ccs)。cnes通过与碳配额和碳排放的耦合响应碳捕捉设备，同时cnes保留了碳达峰能源系统的跨年碳耦合，因为cnes的减碳任务大于碳达峰能源系统，因此cnes可以认为是碳达峰能源系统的进一步改进，在第y年中，ccs的碳捕捉量可以计算如下：

39、

40、式中：表示第ygoal年实现碳中和的前提下，cnes的在第y年的二氧化碳排放量，表示第y年cnes的碳配额，计算如下：

41、

42、式中：和分别表示第y年，从电网购电能量的碳配额和燃气设备的碳配额。λquota,e和λquota,g分别表示电网和燃气设备的碳配额系数。和分别表示第y年电网购买的电能、pgu消耗的燃料能量和ab消耗的燃料能量。同时ccs运行所需的提供热量，这部分热量qccs可以计算如下：

43、qccs＝co2,ccs×λccs

44、式中：λccs表示单位碳捕捉热损失系数。为了满足qccs采用ab对差额热量进行补充。

45、步骤4，将步骤1和步骤2的结果输入到步骤3的碳中和能源系统，采用蜜獾算法对碳中和能源系统进行优化配置。

46、将步骤1得到的负荷数据和天气数据作为cnes的输入数据，并且将cnes的设备效率改为步骤2中所得到的效率，本文旨在研究在双碳目标下的能源系统经济性，因此本文的目标函数为总运行成本(total operating costs，toc)其可以表示如下：

47、

48、式中：yfinal和y0分别表示所考虑的年份中的最后一年和初始年份，考虑到目前国际统一的碳政策，在本发明中，yfinal和y0等于2060和2020，δy为10年，表示在第(y0+δy*i)年中年度总成本(atc)，令y＝y0+δy*i，atcy可以计算如下：

49、

50、式中：和表示第y年电网购电费用、天然气费用、设备投资成本、维护成本、碳处理成本。其中碳成本包括了碳处理成本(主要为碳捕捉)，cnes在运行过程中还需满足电平衡、热平衡和设备出力约束，在每个时刻cnes电平衡、热平衡满足等式如下：

51、ewt+epv+egrid+epgu＝eec+eex+e

52、qst+qr+qb+qs,out＝qac,in+qhe,in+qs,in+qex

53、式中：eex和e表示浪费电能和电需求，ewt、epv、egrid、epgu、eec分别表示风力发电、光伏发电、电网购电、电能产生单元和电制冷机的功率。qac,in和qhe,in表示进入ac和he的能量，qst、qr、qb、qs,out、qs,in和qex分别表示太阳能集热器热量、热回收装置回收热量、补充锅炉热量、储热罐释放热量、储热罐吸收热量、浪费热量。同时，设备在运行过程中还需要满足设备约束，其可以表示如下：

54、peq,low≤peq≤neq

55、式中：peq和peq,low为设备eq的运行功率和运行下限功率，neq表示设备eq的额定功率，eq包含了碳中和能源系统供应侧和需求侧的设备。除此之外，cnes模型还存在一些模型假设如下：(1)不考虑设备生产和运输过程产生的二氧化碳。(2)考虑到电网对碳达峰能源系统并网的电能要求和为了更好分配电能，多余的电能只能被储能设备储存或浪费。(3)考虑到配置的特点，假设每年中只有电制冷比能够改变，其余配置不能改变。

56、本发明采用以上技术方案，实现了以下有益效果：

57、(1)该发明能够实现能源系统的“碳中和”目标，能够评估一个能源系统在气候变化下要完成碳中和所需提高的成本，

58、(2)本发明发现：为了完成目前2060年前的碳中和目标，碳中和能源系统需要提高2％的成本，碳中和每提前10年实现，系统就得多提高1％的运行成本，但同时会降低9.1％的二氧化碳排放。