考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法及系统与流程

本发明涉及能源优化调度和碳交易机制，具体为考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，能源优化调度技术在可持续发展中扮演着越来越重要的角色。近年来，综合能源系统(integrated energy systems,ies)的发展尤为迅速。ies将电力、热力和天然气等多种能源形式有机结合，通过多能互补和协同优化，提高了能源利用效率，降低了运行成本和碳排放。然而，传统的能源调度方法大多集中于单一能源系统，缺乏对多种能源形式的综合管理，且在应对市场波动和政策变化时显得力不从心。此外，碳排放交易机制作为一种有效的市场手段，已在全球范围内广泛应用，但其与能源优化调度的深度融合仍然不够。现有的研究多集中在单一层面的优化，缺乏对碳交易机制和需求响应(demand response,dr)协同作用的深入探讨。

2、现有技术在能源优化调度中主要存在以下几个不足之处。首先，传统的调度方法缺乏对碳交易成本的考虑，难以实现真正的低碳调度。尽管一些方法引入了碳排放约束，但通常采用固定碳排放限额，忽视了市场化碳交易机制的动态性和灵活性。其次，需求响应技术虽然在电力系统中有较多应用，但其在综合能源系统中的潜力尚未充分挖掘。现有的需求响应策略多为单一能源形式的优化，未能充分利用多能互补的优势。此外，现有技术在响应速度和精确性方面也存在不足，难以有效应对快速变化的市场价格信号和政策指令。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的能源优化调度方法存在运行平稳度低，整体规划能力弱，能源利用效率低，以及经济与节能的优化差的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法，包括基于负荷侧构建综合能源系统；通过阶梯式碳交易机制构建碳排放模型；根据市场的价格信号、激励和直接指令产生响应；考虑成本费用和碳交易成本构建优化调度模型。

4、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述基于负荷侧构建综合能源系统包括负荷侧包括电热负荷以及气负荷；

5、ies的电负荷是由风电机组、热电联产机组、蓄电池以及上级电网协同供应的，热负荷则是由热电联产机组、燃气轮机和电锅炉设备协同供应。

6、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述基于负荷侧构建综合能源系统包括根据风速构建风力发电机组的分段线性功率输出模型表示为：

7、pwind,t＝pwind,eμwind

8、

9、其中，pwind,t表示t时刻的风电的输出功率，μwind表示风电出力系数，pwind,e表示风电的额定功率，vt表示t时刻的风速，vc，vs，ve分别表示切入速度、切出速度和额定速度；

10、热电联产机组即chp机组出力表示为：

11、

12、其中，pchp,t和qchp,t分别表示t时间段chp机组的电功率和热功率，kchp表示chp机组的热电比，ηe表示chp机组的发电效率，ηloss表示chp机组的热损耗率，表示天然气的低热值，表示t时段chp机组的耗气量；

13、燃气锅炉表示为：

14、

15、其中，qgb,t表示t时段燃气锅炉的热功率，表示t时段燃气锅炉的耗气量，ηgb表示燃气锅炉的制热效率；

16、燃气轮机的发电功率受天然气消耗量的影响，产能的耗气量表示为：

17、

18、其中，pfc,t表示t时段fc的热能功率，表示t时段fc的耗气量，ηfc表示fc的发电效率；

19、p2g设备的输出天然气量与输入的电功率存在关系，表示为：

20、

21、其中，gp2g,t表示t时段输出的天然气功率，pp2g,t表示t时段输入的电功率，ηp2g表示p2g设备的能源转换效率，为p2g的输入电功率上限；

22、ess为综合能源系统最重要的缓冲设备，可为电能侧提供缓冲，且由于综合能源系统的耦合，通过热泵、电制冷方式将多余电量转换为供热、制冷量；

23、借助设备的充放热功率描述热储能设备的运行状态表示为：

24、hhs,t＝hhs,t-1+[qst,tkst-qex,t/kex]δt

25、其中，hhs,t表示时段t热储能容量，qst,t、qex,t分别表示时段t的充放热功率，kst、kex分别表示充放热效率；

26、电储能设备的soc状态变化表示为：

27、ees,t＝ees,t-1+[pst,tδst-pex,t/δex]δt

28、其中，ees,t表示时段t储电量，pst,t、pex,t和δst、δex分别表示时段t的充放电功率及效率；

29、电锅炉的热功率与电功率之比为电锅炉的热效率，电热转换关系表示为：

30、heb,t＝peb,tηeb,t

31、其中，peb,t表示电锅炉用电功率，heb,t表示电锅炉制热功率，ηeb,t表示电锅炉电热转换效率。

32、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述通过阶梯式碳交易机制构建碳排放模型包括构建奖惩阶梯式碳排放交易模型表示为：

33、

34、其中，ed为系统净碳排放量，en为系统的碳排放配额，kc为碳交易价格；

35、把碳排放惩罚增长系数z，碳交易价格kc，碳排放区间长度d代入奖惩阶梯式碳排放交易模型，表示为：

36、

37、其中，ed为系统净碳排放量，en为系统的碳排放配额，kc为碳交易价格；

38、在ies模型中，有两种不同类型的碳排放源包括购买电力和chp；

39、假设从电网购买的电力来自chp机组和外购电力；

40、ed＝echppchp+ewpb

41、其中，echp表示chp机组的碳排放系数，ew表示外购电力的碳排放系数，pb表示外购电力；

42、假设从电网购买的电力来源于燃煤机组；

43、

44、

45、eies＝ee,b+echp

46、其中，eies、ee,b、echp分别为ies、外购电和chp中的碳排放配额，χe和χg分别为燃煤机组单位电力消耗量和天然气机组单位天然气消耗量的碳排放配额，pe,b(t)是时间段t内的购买力，pchp,e(t)+pchp,h(t)+pchp,c(t)是chp在时间段t内的热能输出，t为调度周期。

47、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述根据市场的价格信号、激励和直接指令产生响应包括需求响应是指需求侧或终端消费者通过对基于市场的价格信号、激励，或者来自系统运营者的直接指令产生响应，改变短期电力消费方式和长期电力消费模式的行为；

48、考虑不同的需求侧资源在不同时间尺度下具有不同的调节速率和响应特性，在综合能源系统中将dr资源分价格型dr和激励型dr；

49、价格型dr通过调整峰、谷、平分时电价，引导用户改变用电习惯，当电力需求较低时，价格上涨以鼓励用户减少用电；

50、当电力需求较高时，价格下降以促使用户增加用电，进而实现电力市场的供需平衡，提高能源利用效率；

51、利用需求价格弹性矩阵构建电负荷响应模型，预测不同电价条件下的用电量变化情况，制定电价策略提供依据表示为：

52、

53、其中，下标1、2、3分别代表峰、平、谷，c1、c2、c3分别表示初始峰、平、谷电价，e表示电负荷弹性矩阵，w1、w2、w3分别表示初始峰、平、谷电负荷，v1、v2、v3表示响应后的峰、平、谷电负荷，δc1、δc2、δc3分别表示响应后的峰、平、谷电价改变量；

54、为保证用户用能舒适度，电负荷响应量需满足约束表示为：

55、

56、其中，t表示第t时刻，t为调度周期，w和v分别表示dr前后的电负荷，β表示用户电负荷的满意度下限；

57、根据响应资源、调节速率和响应量来调整激励补贴系数，激励用户参与活动；

58、激励型dr提高参与度和成功率，表示为

59、

60、其中，i表示电能或热能，αi表示第i类负荷的激励补贴系数，δii表示第i类负荷变化量，表示上限值，表示第i类负荷的激励补贴成本，γi表示第i类负荷的总削减率上限，δii，0表示第i类初始负荷。

61、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述考虑成本费用和碳交易成本构建优化调度模型包括考虑阶梯型碳交易机制和需求响应的ies模型以总经济成本最小为调度目标，考虑运维成本、购气成本、购售电成本、需求响应费用以及碳交易成本，构建优化调度模型表示为：

62、

63、其中，cop,t表示t时段运维成本，cg,t表示t时段购气成本，ce,t表示t时段购售电成本，cc,t表示t时段的碳交易成本，cdr,t表示t时段的需求响应成本，t表示总调度周期，n表示常规机组的类型数，cop,j表示第i种常规供能设备的运维成本，pi,t表示第i种常规供能设备的出力，cg表示天然气单价，gb,t表示t时段的购气量，ce,t表示t时段电价，pex,t表示t时段的电交互功率，ce,dr,t表示电需求响应补偿价格，cq,dr,t表示热需求响应补偿价格。

64、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的一种优选方案，其中：所述考虑成本费用和碳交易成本构建优化调度模型包括综合能源系统内部约束条件包括常规机组的运行需要同时满足出力上下限约束和出力爬坡约束，表示为：

65、

66、其中，pi,min和pi,max分别为第i种常规供能设备的出力上下限，pi,down和pi,up分别为第i种常规供能设备的上爬坡速率和下爬坡速率；

67、以及在为维持供能平衡需要与主网进行功率交互，需要满足功率交互限值的功率约束，表示为：

68、

69、其中，pex,min和pex,max分别为电交互功率的上下限，gb,max分别为购气功率的上限；

70、在运行过程中需满足各时段供能机组的总出力等于时段的用能负荷的平衡约束，表示为：

71、

72、其中，pex,t分别t时段的电交互功率，pes,t为t时段es的出力，pchp,t为t时段chp的电出力，pwt,t为t时段wt的电出力，pp2g,t为t时段p2g的耗电量，qchp,t为t时段chp的热出力，qeb,t为t时段eb的热出力，qhs,t为t时段hs的热出力，gchp,t为t时段chp的耗气量，gp2g,t为t时段p2g的产气量，gb,t为t时段购气量，pdr,t为t时段响应后的电负荷，gdr,t为t时段响应后的热负荷；

73、储能设备运行过程需满足容量状态上下限约束、始末电量平衡约束以及充放电约束的运行约束表示为：

74、

75、其中，ees,t为t时段es的容量，ees,min和ees,max分别es的上下限约束容量，pes,min和pes,max为es的充放电功率的上下限，ees,0和ees,t分别为es在调度周期起始时刻和结束时刻的容量，ehs,t为t时段hs的容量，ehs,min和ehs,max分别为hs的上下限约束容量，qhs,min和qhs,max为hs的充放电功率的上下限，ehs,0和ehs,t分别为hs在调度周期起始时刻和结束时刻的容量；

76、需求响应约束需要满足响应前后总负荷一致性约束、单时段能量转移限值约束表示为：

77、

78、其中，ql,i为响应前的热负荷，χ1为单个时段的电负荷转移限值，χ2为单个时段的热负荷转移限值。

79、本发明的另外一个目的是提供考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度系统，其能通过构建综合性双角度的需求响应模型，解决了目前的能源优化调度方法含有能源利用效率低的问题。

80、作为本发明所述的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度系统的一种优选方案，其中：包括

81、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的步骤。

82、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法的步骤。

83、本发明的有益效果：本发明提供的考虑碳交易机制和需求响应的能源优化调度方法针对综合能源系统主体结构进行分析，根据系统中各设备的运行特性，建立了ies中的主要设备模型，实现能源系统的整体规划，介绍需求响应相关基本理论，考虑电热负荷情况，进而构建综合性双角度的需求响应模型，提高能源利用效率，针对奖惩阶梯型碳排放交易机制进行研究，构建了考虑综合需求响应和碳交易机制的ies两阶段优化调度模型。该策略使系统运行更平稳，降低了负荷峰谷差，进一步实现了经济与节能的优化，本发明在能源利用效率、运行稳定性以及经济性方面都取得更加良好的效果。