含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度.pdf

第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 刘青，李亮，王宇，等 含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：中国博士后科学基金项目（）通信作者：刘青，女，陕西西安人，博士，副教授，：含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度刘青，李亮，王宇，曹乐，（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 ；西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 ）摘要：为提高综合能源系统的低碳性、经济性，提出一种考虑需求侧响应与碳排放配额的综合能源系统优化模型。首先，构建综合能源系统模型，分析能源在生产、转换、传输、存储、需求 个环节中的损耗；其次，同时考虑由不同电价引导的需求侧负荷响应与无偿碳排放配额，以系统综合成本最小作为目标，建立系统优化调度模型，并采用 求解器对不同场景下的调度模型进行求解。结果表明：在应用碳配额激励下，考虑需求侧响应会使系统总成本降低，综合能源利用效率提高。该方法可有效降低系统碳排放量与经济成本，改善负荷在不同时间段的分布，为系统选择更为低碳经济的购能方式提供参考。关键词：综合能源系统；优化调度；综合需求响应；碳排放配额；求解器中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：；引言综合 能 源 系 统（，）虽打破了原有系统供电、供气、供热等方面相互独立的局面，但 系统的整体经济性与低碳性问题仍亟待解决。为了提高系统的整体经济性，国内外学者从系统模型出发，对源网荷一体化系统进行研究。以往研究中，模型多为含新能源、电转气设备、多源储能设备的热电联供型 系统调度模型，从优化模型角度提高系统经济性 。王磊等通过系统年净收益最大为外层优化目标，系统日出力波动率和日出力峰谷差最小为内层目标对系统经济性进行优化 。崔杨等对北方地区弃新能源问题，采用电 热联合储能调度方法，降低弃风量 。等基于电储能特点，建立储能附加潜在效益模型，降低建筑级综合能源系统经济成本 。在对需求侧负荷优化的以往研究中，主要给出了可中断、可时移负荷模型，构建热电联供型微网优化配置方案 。王磊等通过含补燃装置系统的热电比调节能力进行分析，建立区域 多目标优化模型 。以上文献对综合能源系统的研究提供了一定的理论基础，但未考虑用户负荷侧的补偿作用，同时针对电储 热储双储能模型的研究较少。随着双碳目标的提出，较多学者针对 碳排放问题进行了研究。张程飞等基于电网碳排放配额模型，提升了系统的运行经济性 。朱晓荣等考虑了源、荷双侧不确定性，与环境的调度成本 。史佳琪等针对不同能源构建整体和区域 模型，考虑设备碳排放的惩罚费用 。丁雨昊等考虑碳排放约束及需求侧响应，但未考虑需求侧响应的碳排放量 。李天格、魏震波等通过提出多种能源的需求侧响应与碳排放的系统，建立日前 日内 实时三阶段的多时间尺度优化模型 。虽然以上文献均考虑了需求侧响应与碳排放配额，但未考虑用户需求侧响应部分的补偿费用成本。针对以上问题，文中将含系统用户侧补偿费用的系统综合成本费用最小作为优化目标，从产转 输 储 用 个环节中各设备之间耦合关系角度，构建考虑需求侧响应和碳排放配额的综合能源系统模型。首先，将需求侧负荷分为可中断和可时移负荷；其次，针对综合能源系统的碳排放构建一种碳排放交易机制；最后，采用综合能源利用效率作为评价指标，分析不同场景下综合能源系统的能源利用效率，结果表明同时考虑需求侧响应和碳排放配额的综合能源系统能够平滑负荷曲线，协同综合能源系统经济性与低碳性，为综合能源系统的低碳经济运行提供参考。综合能源系统模型从能量流动的角度构建的综合能源系统结构共有产 转 输 储 用 个环节 ，如图 所示，一共包含热、电 种能量的传输，且能量之间会通过能源转换环节进行相互耦合，转换环节包含的设备 ，有：热泵设备、电转气设备（，）、燃气锅炉设备以及热电联产设备（，），通过 个环节构成的综合能源系统，打破原有子系统之间的壁垒，实现能源之间互补互济，协调优化。能量分析在能源生产环节，主要对电网购电和系统内部各种能源进行研究，系统电网总购电量 为 ，（）式中 为新能源发电中用来生产电能的部分能量，；，为热电联产设备的产电效率，；为热泵消耗电量，；为流入传输设备的电量，；为热电联产设备产电消耗天然气量，。新能源产生的一部分电量通过 产生天然气，供给热电联产设备。系统总购天然气量 为 （）综合能源系统消耗总的能量 为（）（）式中 为新能源发电效率，；为燃气锅炉消耗天然气量，；为系统新能源提供给电转气设备用以生产热能的电量，；为电转气设备效率，。西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘青，等：含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度能量转换环节中，一部分电能通过热泵吸收外界环境中的热量，同时升高热量温度，将高温热能供给负荷侧使用。经过转换后输出的电能 ，即为。输出的热能 ，为，（）式中 ，为热电联产、燃气锅炉设备的产热效率，；，为热泵效率，。?图 综合能源系统能量流动结构 系统在能源转换环节的效率 为 （，）（）（）能量传输环节，转换后输出的电能 ，、热能 ，为 ，（，），（，）（，）（）式中 ，为电、热能传输设备损耗系数；，为用户侧产热占总能源转换环节产热量比例。系统在能量传输环节的效率 ，为，（，）（，）（）系统在能量需求环节中，考虑了前几种环节中损耗因素，用户的电需求、热需求 分别为 ，（，），（，），（，）（，），（，），（）式中 ，分别为储电罐的总容量和存储效率，；，分别为储热罐的总容量和存储效率，。优化策略综合能源系统优化调度策略是在满足用户侧负荷基础上，提高系统的经济性与低碳性。因此，综合能源系统优化调度策略应考虑如下：满足系统各设备协调运行前提下，优先考虑新能源发电；新能源发电不足时，从电网、燃气轮机所购能通过能量转换环节中各转换设备向负荷侧供能；当用户侧负荷满足需求且有多余时，储存在储能设备中；储能设备中有储能时，为了满足综合能源系统经济与低碳，应先由储能设备向系统供能。需求侧响应模型用户由电价或激励机制来调整自身用能的行为，称为需求侧响应（）。从负荷侧自主响应的角度，将其分为可时移和可中断负荷 。当存在负荷中断与时移的时间段时，需要对其进行一定补偿。电、热负荷响应模型均可用下式进行表示 （）式中，为可控、中断、时移的负荷功率，。可中断负荷功率 ，（）式中 判断负荷是否发生中断的 状态变量，当取值为 时，表示发生中断；取值为 时，负荷不发生中断；为中断负荷中断系数；为调度前时段可中断负荷功率。，分别为可中断负荷的最小、最大值，。负荷中断后用户得到相应的补偿费用 为 （）式中 为 单 位 时 间 内 中 断 负 荷 量 价 格，元 。可时移负荷 应保证在一个时间周期内移出负荷量等于移入负荷量。时的可时移负荷功率为 ，（）式中 为判断负荷是否发生时移的 状态变量；为调度前时间段内的可时移负荷功率，；，分别为可时移负荷的最小、最大值，。负荷时移后用户得到相应的补偿费用为 （）式中 为 单 位 时 间 内 时 移 负 荷 量 价 格，元 。碳排放交易机制采用基准值法为系统分配碳配额。碳交易机制主要由碳排放配额、碳排放量和碳交易成本构成。综合能源系统中碳配额由 中的燃气轮机和电网中的燃煤机组出力产生。模型如下 ，（）式中 ，分别为燃气轮机、燃煤机组产生单位热、电负荷的碳配额系数，；，分别为燃气轮机机组产热功率、产电功率，；，分别为燃煤机组产热、产电功率，。碳排放配额由国家发展改革委规定的“年度减排项目中国区域电网基准线排放因子”确定 。实际碳排放量 ，主要来自电网的燃煤机组、燃气轮机和燃气锅炉。模型如下 ，（，），（）式中 为燃煤机组、燃气轮机组的碳排放系数，；为燃气锅炉产热量，；，为燃气锅炉碳排放系数，。综合能源系统碳交易成本 ，为 ，（，）（）式中 ，为 的单价，元 。综合能源系统优化运行模型 目标函数综合能源系统的经济性目标为综合成本最小。该系统的成本由、构成。（）（）为需求响应侧热、电负荷向电网、新能源和燃气轮机的购电、购气费用，如下式 ，（，），（，）（）式中 ，分别表示电力负荷消耗电网、新能源、燃气轮机的功率，；，分别为热负荷消耗电网、新能源、燃气轮机的功率，；，为天然气价与电价，元 。为碳排放费用，如下式 ，（）为燃气锅炉产热费用，如下式 ，（）为当用户侧满足负荷的中断与时移时，综合能源系统提供给用户的补偿费用，如下式 （）约束条件 功率平衡约束忽略损耗，电功率平衡约束如下式 ，（）忽略损耗，热功率平衡约束如下式 ，（）式中 ，为蓄电池的输出、输入功率，；，为蓄热池的输出、输入功率，；，分别为 后可中断、可时移的电、热负荷量，。燃气轮机机组出力约束 ，（）式中 为燃气轮机机组的启停系数，当启停系数为 时，表示此时机组开启；当启停系数为 时，表示机组处于关机的状态。蓄电池、蓄热池约束蓄电池和蓄热池具有相同约束条件，此处仅 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘青，等：含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度列出蓄电池的约束条件如下 （）（），（），（）式中 （），（）为在 、时刻蓄电池剩余电量，；，分别为 时段蓄电池充、放电功率，；，分别为在 时段蓄电池能量中的充、放电转换效率，；，分别为蓄电池放、充电功率最大、最小值，；，分别为蓄电池最小、最大容量，。综合能源系统评价指标为评价调度策略低碳、经济效果，采用含能质系数的综合能源效率作为系统评价指标。将各种能对外所做功与能源总量比值，称为能质系数 。图 所示的能源系统，其综合能源效率为 （，）（，）（，）（，）（，）（）式中，分别为电负荷、热负荷的能质系数；，分别为新能源、天然气与电能的能质系数。求解方法文中提出一种考虑需求侧响应与碳排放配额的综合能源系统优化模型，目标函数为式（）式（），约束条件为式（）式（），由于所构建综合能源系统优化调度模型为混合整数线性规划问题，因此在 环境下，在 平台中利用 求解器求解该模型。作为 中求解优化问题的一个工具箱，其模型与求解的算法分离，因此无需针对不同算法建立不同模型。求解流程如图 所示。算例分析利用图描述的综合能源，对所提方法进行验证。分时电价见表 ，能源及负荷的能质系数见表，综合能源系统运行参数见表 、表 ，碳配额系数见表 。电、热负荷数据来自文献 ，由于风机出力服从威布尔分布，光伏出力服从贝塔分布，将?风机、光伏出力的概率性序列进行卷积，从而得到风光联合出力期望值 ，因此，电、热、新能源数据如图所示。调度周期 ，时间间隔，可时移负荷最大为该时段负荷的 。储能池按完全失去外部电源时，仍能满功率送电 配置蓄能容量和蓄能的充放功率，储电池在第时间段有上一时刻 的预留量。用户侧产热量占总能源转换节产热量比例系数为零。碳排放系数为 ，天然气价为 元，天然气与 电的能量相等 ，度电 ，二氧化碳的价格为 元。可中断负荷单价为 元 ，可平移负荷单价为 元 ，可中断负荷的中断系数为 ，热泵系数为 。表 分时电价 分类高价时段平价时段低价时段电价时段 ：电价（元 ）为了分析碳配额激励、需求侧响应对 的影响，采用以下几种场景进行对比。图 优化调度求解流程 场景 ：不考虑碳配额激励和需求侧响应。场景 ：考虑碳配额机制、不考虑需求侧响应。场景 ：考虑需求侧响应，不考虑碳配额机制。场景 ：在碳配额激励下考虑需求侧响应，即文中所描述的场景。表 能质系数 电能新能源天然气电负荷热负荷 表 系统运行参数 设备及参数数值热电联产供热系数 热泵效率 燃气锅炉效率 电产热设备效率 余热锅炉最大容量 设备及参数数值热电联产供电系数 燃气轮机最大容量 燃气锅炉额定容量 燃气轮机最小容量 表 系统蓄能参数 类型额定容量 最大充放功率 充放效率 蓄电 蓄热 表 系统碳排放配额参数 设备供电基准值 供热基准值 燃煤机组 燃气轮机?图 热、电负荷及风光联合出力数据 ，场景 的优化效果描述场景综合能源系统热、电负荷需求侧响应如图 所示。在 内，总的移出负荷量等于总的移入负荷量，从图可以看出，热、电负荷根据价格引导，需求响应规律基本一致，在晚上电价较低时段，有负荷移入该时段，中断负荷量小；当在电价高的时段，有部分负荷移出该时段，中断负荷量大。?图 前后的负荷曲线 西 安科技大学学报 年第 卷考虑需求侧响应后的热、电负荷各设备出力如图 所示。通过对不同时间段制定不同的电价水平，从而引导需求侧负荷响应，对每一时段系统负荷进行调整，引导用户尽量在需求高峰时间段少用电，在需求低谷时间段多用电，降低电负荷的“峰谷差”，达到缓解系统负荷侧曲线波动，提高系统经济性的目的。?图 电、热负荷需求侧响应 ，第 期刘青，等：含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度能源价格是影响系统中负荷优化调度的重要因素。图 为场景 下系统的热、电负荷优化效果。从图可以看出，电能在非再生能源中最先被利用，其次是天然气。在低电价时段，电负荷需求不大，由电网和新能源提供出力，多余出力则储存起来，以备系统出力不足时使用；在高电价时段，会由燃气轮机和新能源出力，由于电网出力会有碳排放的产生，新能源出力无碳排放，因此新能源出力值大。由于热负荷在各时段出力较小且均匀，主要由热泵供给，少部分的电量由蓄电池、燃气轮机和新能源提供。以此降低综合系统的整体费用，减少电网发电产生的过多碳排放。储热罐在低电价时段进行储能，在高电价时段放电，达到系统能量动态平衡。?图 场景 的热、电负荷优化效果 经济性分析表是种场景下综合能源系统成本，可以看出，场景 仅考虑碳配额的情况下，相较场景 总费用降低了约 万元，碳排放费用降低了约 万元，碳排放量降低 ，总费用成本降低约；场景仅考虑需求侧响应，在均不考虑碳配额抵消作用的场景 与场景 中，碳排放量降低 ，降低了 和碳排放费用，说明需求侧响应可以降低系统的碳排放量。场景 比场景 的 费用下降约 万元，总费用降低了 。因此场景 为系统选择的相对经济、低碳的购能方式。表 系统成本 场景 费用 万元碳排放费用 万元锅炉费用 万元补偿费用 万元总计 万元碳排放量 低碳性分析图 为 种场景下一天内每个时间段的碳排放量变化情况。在场景 与 中，：与 ：的碳排放量最大。由于无偿碳配额的提出，场景 的碳排放量最大出现在 ：，约为 ；场景每小时的碳排放量均小于其他场景下的排放量，因此，场景 下的系统低碳性最好。?图 综合系统实时碳排放 效率指标分析表 是 种场景下综合能源系统的效率。图是各场景实时综合能源效率。由表 可知，场景碳配额的提出，相比场景 系统能效提高 。场景 能源利用效率相比场景 ，虽牺牲了 ，但降低了 的总费用，很大程度上提高了系统经济性。因此场景是系统选择的经济、低碳的调度策略模型。各场景购电对比图 是 种场景下系统实时购电、购气功率对比，表 为 种场景下购电、购气总量。由表 可知场景 的购电、购气量最小，购电量相较场景 降低约 ，购气量对比场景 降低了约 。图 （）在 ：时，系统中天然气购买费用及燃气轮机产生碳排放费用小于电能的购买费用及燃煤机组所产生的碳排放费用，采用燃气轮机所带来的经济性优于采用燃煤机组的经济性，因此此时段所需电能主要由天然气提供，在之后时段，电负荷量增加时，由于燃煤机组碳配额大，碳排放量降低，所以会由燃煤机组提供大部分的电能。表 系统综合能源效率 场景效率 场景效率?图 系统实时综合能源效率?图 各场景下的购电、购气量对比 表 不同场景购电、购气量 场景 购电量 购气量 场景 购电量 购气量 结论）同时考虑碳排放与需求侧响应，可实现降低系统碳排放量，降低系统购电量、购气量，从而达到节约系统综合成本的目标，兼顾系统的经济性与低碳性，为系统选择了更为合理的购能方式。）引入可中断负荷与可时移负荷参与系统调度，有助于平滑负荷曲线。通过综合能源利用效率这一评价指标，可以得出在综合能源系统中，同时考虑碳排放配额与需求侧响应，可以提高系统能源利用效率。参考文献（）：李政洁，于强，龚文杰，等 计及模糊机会约束的电气 热能源枢纽多目标优化调度 电力系统及其自动化学报，（）：，（）：，：魏震波，黄宇涵，高红均，等 含电转气和热电解耦热电联产机组的区域能源互联网联合经济调度 电网技术，（）：，（）：，：，（）：西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘青，等：含需求响应与碳配额的综合能源系统优化调度 王磊，王昭，冯斌，等 基于双层优化模型的风 光储互补发电系统优化配置 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