计及LCA碳排放的源荷双侧合作博弈调度方法

本发明涉及新型电力系统，特别是指一种计及lca碳排放的源荷双侧合作博弈调度方法。

背景技术：

1、随着国家大力推动新型电力系统的建设，发展可再生能源的重要性日益凸显。但由于新能源机组装机规模不断增大、负荷种类日趋多元化、传统电力系统中仅仅依靠发电侧维持供需平衡的能力有限，且成本较高。所以，如何通过源荷双侧协同调度来实现电力系统的低碳经济已成为现在研究重点之一。

2、目前，针对源荷双侧协同的经济调度已经有了相关的研究，文献[1]为平衡能源服务商和用户的双方利益，构建了基于主从博弈的综合能源系统优化调度框架；文献[2]针对多种用电特性不同类型负荷，以运行成本和用户满意度为目标，构建考虑分布式可再生能源出力不确定性和计及用户满意度的日前优化模型；文献[3]针对风电消纳问题，利用灵活可转移负荷消纳过剩的可再生能源，提出考虑风电消纳的综合能源系统源荷协调运行优化方法；文献[4]针对多种用户，通过设置多时段变动电力套餐，提出计及用户响应不确定性的多时间尺度可变电价套餐和用电策略，提升电力系统运行的稳定性和经济性；文献[5]为应对多类型负荷系统的快速发展，提出了电、气、热同步交易的三层多能日前市场结构和运行机制，提高源荷系统的稳定性和经济性。以上研究验证了柔性负荷的合理调度对于源荷双侧合作的经济性起了积极作用，但仅仅考虑系统的经济效益，没有考虑日益严重的碳排放问题。

3、碳交易机制能够提升系统经济性，减少碳排放，是源荷双侧协同运行达到低碳经济的重要手段。文献[6]结合碳交易机制，考虑综合需求响应，深度挖掘综合能源系统在经济和低碳方面的调度优势，提出一种综合能源系统低碳经济调度模型，文献[7]基于阶梯型碳交易、需求响应、绿证机制，同时考虑供需主从博弈策略，提出基于阶梯型需求响应激励机制的供需主从博弈电源规划方法，提升系统的经济效益及风电消纳能力；文献[8]考虑环境污染成本，提出基于机会约束规划的不确定环境下综合需求响应系统调度模型，降低系统的运行成本，提高系统运行稳定性；文献[9]针对源荷不确定问题，引入伪f-统计指标，建立以系统运行成本和碳交易成本之和最小为目标的优化模型，有效促进系统低碳经济效用；文献[10]结合碳交易机制，提出了一种考虑多种能源价格激励的工业园区低碳经济双层最优调度模型，有利于实现多能源系统的经济性和低碳性。但以上研究只考虑系统设备运行时的碳排放成本，没有考虑生命周期评价下系统中设备的碳排放成本。

4、参考文献：

5、[1]li y,wang c,li g,et al.optimal scheduling of integrated demandresponse-enabled in tegrated energy systems with uncertain renewablegenerations:a stackelberg game approach[j].energy conversion and management,2021,235:113996.

6、[2]陈寒,唐忠,鲁家阳,等.基于cvar量化不确定性的微电网优化调度研究[j].电力系统保护与控制,2021,49(05):105-115.

7、[3]任德江,吴杰康,毛骁,等.考虑风电消纳的综合能源系统源荷协调运行优化方法[j].智慧电力,2019,47(09):37-44.

8、[4]傅质馨,李紫嫣,朱俊澎,等.面向多用户的多时间尺度电力套餐与家庭能量优化策略[j].电力系统保护与控制,2022,50(11):21-31.

9、[5]liu p,ding t,zou z,et al.integrated demand response for a loadserving entity in mu lti-energy market considering network constraints[j].applied energy,2019,250:512-529.

10、[6]贠保记,张恩硕,张国,等.考虑综合需求响应与“双碳”机制的综合能源系统优化运行[j].电力系统保护与控制,2022,50(22):11-19.

11、[7]刘文霞,姚齐,王月汉,等.基于阶梯型需求响应机制的供需主从博弈电源规划模型[j].电力系统自动化,2022,46(20):54-63.

12、[8]li y,wang b,yang z,et al.optimal scheduling of integrated demandresponse-enabled community-integrated energy systems in uncertainenvironments[j].ieee transactions on in dustry applications,2021,58(2):2640-2651.

13、[9]张靠社,冯培基,张刚,等.考虑源荷不确定性的cchp型微网多目标优化调度[j].电力系统保护与控制,2021,49(17):18-27.

14、[10]gu h,li y,yu j,et al.bi-level optimal low-carbon economicdispatch for an industri al park with consideration of multi-energy priceincentives[j].applied energy,2020,262:114276.

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种计及lca碳排放的源荷双侧合作博弈调度方法，计及lca碳排放，构建源荷双侧合作博弈优化调度模型。将能源调度商和负荷聚合商进行协同运行，以合作联盟总成本最小为目标，并利用改进的shapley值法对联盟收益进行分配；有利于降低系统运行的总成本、减少系统碳排放量、提升可再生能源消纳量，有效促进系统低碳经济的发展。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种计及lca碳排放的源荷双侧合作博弈调度方法，其步骤如下：

4、首先，考虑灵活可调度的柔性负荷，构建源荷双侧合作运行模型；其中，源侧为能源调度商，包括火电机组、风电、热电联产机组、电转气设备、燃气锅炉；荷侧为负荷聚合商，包括分布式光伏、固定电负荷、可转移电负荷、固定热负荷和储能装置；

5、其次，采用生命周期评价方法分析源荷双侧合作运行模型中不同能源链的碳排放量，并结合碳交易机制，建立碳交易成本计算模型；

6、最后，基于合作博弈策略和碳交易成本计算模型，建立以源荷合作联盟总成本最小为目标的源荷双侧协同运行优化模型，并利用改进的shapley值法对成员合作收益进行分配。

7、所述采用生命周期评价方法分析源荷双侧合作运行模型中不同能源链的碳排放量的方法为：

8、把生命周期评价能源链分成分类、特征化、量化三个实施步骤，准确分析各设备生产、运输、使用的碳排放量，具体计量公式如下：

9、煤电机组生命周期评价能源链的温室气体排放主要来自煤炭的生产、煤炭的运输、煤炭的使用，表示如下：

10、

11、em＝epm+etm+eum                           (2)；

12、式中：epm为煤炭生产过程的碳排放系数；ipm为煤炭生产的单位能耗；ηp为煤炭转换率；qep为煤炭生产的碳排放系数；α为原煤生产过程中自燃造成的单位功率损失率；β为原煤洗选过程造成的单位功率损失率；etm为煤炭运输过程的碳排放系数；aa为煤炭运输方式的集合，包括铁路、公路、水路；bb为各种燃料类型，包括汽油、柴油和电能；ia,b为第a类运输模式使用第b类燃料的单位能耗；qa,b,c为使用第b类燃料的第a类运输模式下产生的第c类温室气体的碳排放系数；ka,b为使用第b类燃料的第a类运输模式的运输里程与总运输距离的比率；ma为使用第a类运输模式下运煤总量；da为使用第a类运输模式下平均运输距离；eum为煤炭发电过程的碳排放系数；im为发电过程的单位煤耗；qm,c为燃煤机组发电单位标准煤当量的第c类温室气体的碳排放系数；em为燃煤机组生命周期评价总排放系数；

13、燃气机组生命周期评价能源链的温室气体排放主要来自天然气的开采、运输和使用过程，可表示如下：

14、

15、eg＝epg+etg+eug                         (4)；

16、式中：epg为天然气开采过程的碳排放系数；为第i'种温室气体与碳排放的折算系数；ipg,i'为第i'种温室气体的排放系数；ω为天然气开采过程中的逃逸率；ipg为天然气碳排放系数；n为温室气体种类；etg为天然气运输过程的碳排放系数；λg为管道运输中天然气与总运输天然气的比值；et,g为天然气在管道运输中的碳排放系数；et,l为天然气在液化运输中的碳排放系数；eug为天然气使用过程中的碳排放系数；ε1为chp单位发电量的碳排放强度；ζeh为热能和电能的折算系数；ε2为gb单位热量的碳排放强度；eg为燃气机组生命周期评价总排放系数；

17、新能源机组lca能源链的温室气体排放包括风、光设备的生产、运输过程，可表示如下：

18、

19、er＝epr+etr                           (6)；

20、式中：epr为生产过程中的碳排放系数；etr为运输过程中的碳排放系数；为单位标准电能和能耗的折算系数；θpi为风、光设备建造所需第i类材料的损耗系数；为建造所需第i类材料的碳排放系数；ψpi为建造所用第i类材料的内含能源强度量；为生产过程中第i类材料的碳排放系数；ψti为生产过程材料运输耗能系数；er为风、光设备生命周期评价总排放系数；

21、同时考虑p2g设备的低碳特性，将p2g设备考虑进碳排放中，得到计及生命周期评价下系统实际运行时各设备的碳排放量，如下所示：

22、

23、式中：为碳排放总和；eh为燃煤机组的碳排放量；eg为燃气机组的碳排放量；ej为可再生能源机组的碳排放量；ec为储能装置的碳排放量；ep2g为电转气设备的碳排放量；为电转气设备的单位碳排放强度；ec为储能装置的单位碳排放强度；ηe,chp为chp的气-电转换系数，ηh,chp为chp的气-热转换系数，ηh,gb为gb的气-热转换系数；为燃煤机组的功率，为chp的电功率，为chp的热功率，为gb的热功率，为可再生能源机组的功率、为p2g的功率、为储能装置的功率。

24、所述碳交易机制是允许将碳排放权作为商品在市场中进行交易的一种机制；主要实施无偿碳排放分配方式，即对每一个碳排放源分配对应的无偿碳排放额度；假如一个碳排放源的碳排放量在碳配额内，则多余碳配额可以在碳交易市场出售获益；假如一个碳排放源的碳排放量多于碳排放额度，则需从碳交易市场购买超出碳排放额部分。

25、所述碳交易成本计算模型为：

26、

27、式中：cf为综合碳交易成本；γc为单位碳交易价格；eall为碳排放配额总和。

28、所述以源荷合作联盟总成本最小为目标的源荷双侧协同运行优化模型为：

29、

30、

31、式中：t为一天内调度时间，取t＝24；ch为火电运行成本；cgas为购买天然气成本；cp2g为电转气设备运行维护成本；cb-d为负荷聚合商购电成本；cb-r为负荷聚合商购热成本；cu为用户不舒适度成本；cf-edp为能源调度商碳排放成本；cf-la为负荷聚合商碳排放成本；cq-wt为弃风成本；cq-pv为弃光成本；具体公式如下：

32、火电运行成本：

33、

34、式中：为t时段火电机组输出功率；a'、b'、c'均为火电机组运行成本系数；

35、购买天然气成本：

36、

37、式中：为t时段燃气机组消耗的天然气功率；为t时段电转气设备生成的天然气功率；λgas为单位购买天然气价格；

38、p2g运行维护成本：

39、

40、式中：λp2g为p2g单位功率运行成本系数；

41、弃风、弃光惩罚成本：

42、

43、式中：ζ1弃风单位惩罚系数，ζ2为弃光单位惩罚系数；为t时段风预测功率值，为t时段光预测功率值；为t时段风实际功率值，为t时段光实际功率值；

44、负荷聚合商购电成本：

45、

46、式中：为t时段购电价；为t时段固定电负荷；为t时段内转移电负荷；为t时段储电设备充电量；为t时段储电设备放电量；

47、负荷聚合商购热成本：

48、

49、式中：为t时段单位购热价；为t时段固定热负荷；

50、用户不舒适度成本：

51、

52、式中：γk为电负荷偏离惩罚成本系数。

53、源荷双侧协同运行优化模型的约束条件包括：

54、电、热功率平衡约束：

55、

56、

57、式中：为t时段chp的输出电功率，为t时段chp的输出热功率；为t时段gb的输出热功率；

58、火电机组约束：

59、

60、式中：为t时段火电出力上限，为t时段火电出力下限；为t时段火电厂爬坡率上限，为t时段火电厂爬坡率下限；为t时段火电机组输出功率；

61、chp机组约束

62、

63、式中：为t时段chp消耗的天然气功率；为电效率系数，为热效率系数；为chp消耗的天然气功率上限；为chp爬坡率上限，为chp爬坡率下限；为热电比上限，为热电比下限；

64、p2g机组约束：

65、

66、式中：ηp2g为p2g设备的转换效率，为t时段p2g设备生成的天然气功率；为t时段p2g设备的输入功率；为p2g设备最大功耗；

67、燃气锅炉约束：

68、

69、式中：为t时段gb消耗的天然气功率；为gb的产热效率；为gb的输出功率上限；

70、储能设备约束：

71、

72、式中：sl,t为充、放周期内t时段的荷电状态，sl,0为充、放周期内初始荷电状态，sl,t为充、放周期内最终时刻荷电状态；σl为电储能自身损耗率；为t时段充电效率，为t时段放电效率；为t时段充电功率，为t时段放电功率；为t时段充电状态标志位，为t时段放电状态标志位；为剩余荷电量上限，为剩余荷电量下限；为充放电功率的最大值，为充放电功率的最小值；

73、风电、光伏约束：

74、

75、可转移柔性负荷约束：

76、

77、式中：λd为可转移负荷比例；为t时段固定电负荷最大值。

78、所述改进的shapley值对应的收益分配公式为：

79、

80、式中：λi”为修正因子；为合作参与者i”的综合评价值和联盟平均值的差值；xi”(v)为参与者i”的利益分配方案；v(l)为联盟l的收益；v(n')为合作联盟总收入；n'为合作总联盟；v(l\i”)为参与者i”不参与下合作联盟收益；(n-|l)！为其他成员的排列；[v(l)-v(l\i”)]为参与者i”参与不同联盟为自身参与联盟创造的边际贡献。

81、所述修正因子λi表示为：

82、λi”＝(α1,α2)(χ1,χ2)                            (29)；

83、式中：α1、α2为加权系数，且α1+α2＝1；χ1为参与者i”的碳排放量占联盟碳排放量的比例，χ2为参与者i”成本贡献占联盟总成本的比例。

84、与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

85、(1)建立计及lca碳排放的源荷双侧合作博弈优化模型，综合考虑设备生产、输送、运行碳排放，使模型更加贴近实际。通过源荷双侧合作运行，既降低合作联盟总成本，又减少系统碳排放量，同时引入p2g设备，进一步提升可再生能源消纳能力，实现能源调度商和负荷聚合商的双赢，达到系统运行的低碳经济性目标。

86、(2)通过仿真分析对比，设置不同比例柔性负荷可优化源荷合作运行的低碳经济性，提升可再生能源的消纳能力。但随着柔性负荷比例不断增大，系统总成本降低幅度变小，碳排放量也趋于稳定，系统优化效果慢慢趋于平缓，且增加用户补偿成本，降低用户用电舒适度。