CN112417652A - 一种电-气-热综合能源***优化调度方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电‑气‑热综合能源***优化调度方法及***,方法包括:基于阶梯式碳交易机制构建电‑气‑热低碳经济调度模型;基于电‑气‑热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函数和约束条件;对低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数,以使根据低碳优化参数对综合能源***进行低碳调度,进而证明阶梯式碳交易机制对于低碳调度的合理性。
Description
技术领域
本发明涉及能源优化调度技术领域,特别是涉及一种电-气-热综合能源系 统优化调度方法及***。
背景技术
当今世界碳排量与日俱增,减少碳排量成为各国共识,我国在《巴黎协定》 中承诺,到2030年实现碳排放强度下降60%~65%的目标,为此我国提出设立 碳税、碳交易市场等一系列政策机制,综合能源***概念的提出为碳减排提供 了新思路。综合能源***是指将能源产生、传输、分配、转换、消费各环节统 一协调规划所产生的能源产供销一体化***,在能源和环境问题日渐突出的背 景下,综合能源***被认为是降低碳排量的有效举措,电-气-热综合能源*** 的运行优化一直是该领域的研究热点。
目前有关电-气-热综合能源***的研究集中在经济调度方面。文献《含电 转气的电-气-热***协同调度与消纳风电效益分析》考虑了电转气设备在电- 气-热综合能源***对风电消纳的作用,有利于提升***经济性。
碳交易被认为是减少碳排量的有效措施之一,其主要被分为传统碳交易机 制和阶梯式碳交易机制。文献《基于场景概率的含风电***多目标低碳经济调 度》提出一种考虑场景概率含风电的低碳经济调度模型,文中引入传统碳交易 机制,证明可有效减少碳排量,促进低碳机组出力。文献《基于碳交易的含大 规模光伏发电***复合储能优化调度》在含光伏的电力***调度中引入阶梯式 碳交易机制,证明阶梯式碳交易机制对碳排量有更严格的控制。在综合能源系 统方面,文献《基于碳交易的电—热—气综合能源***低碳经济调度》考虑在 综合能源***调度中引入阶梯式碳交易,在考虑火电外购的情况下,协调综合 能源***的经济性和低碳性,但外购火电并不能使全局***经济性最优。综上 可见,目前主要将碳交易机制引入综合能源***,并未对阶梯式碳交易机制原 理引入综合能源***。
发明内容
基于此,本发明的目的是提供一种电-气-热综合能源***优化调度方法及 ***,以实现减少***碳排量的目的。
为实现上述目的,本发明提供了一种电-气-热综合能源***优化调度方法, 所述方法包括:
步骤S1:基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型;
步骤S2:基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函 数;
步骤S3:构建低碳优化模型的约束条件;
步骤S4:对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数;所述低碳 优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风电机组出 力。
可选地,基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函 数,具体公式为:
minF=min(Ch+Cr+Fp-IP2G)
式中:F为***运行总成本,Ch为燃煤机组成本,Cr为外购天然气成本, Fp为需要支付的碳交易费用,IP2G为电转气所获收益,ρgas为天然气价格,qg为天然气热值,QRZ为单位电能所能转化的热能,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤 机组i输出功率,ai、bi、ci均为燃煤机组成本系数,Pre,i,t为在t时段上网的燃 气轮机i输出的电功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热功率,ηrg为燃气 锅炉的效率,ηrq为燃气轮机的电效率,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总 数,nh为ρH2为氢气售卖价格,YH2为氢气产生量,YCH4为天然气产生量,nh为 燃煤机组的个数。
可选地,所述构建低碳优化模型的约束条件,具体包括:
步骤S31:构建负荷平衡约束条件;
步骤S32:构建P2G设备功率约束条件;
步骤S33:构建风电机组约束条件;
步骤S34:构建燃煤机组约束条件;
步骤S35:构建燃气轮机约束条件;
步骤S36:构建燃气锅炉约束条件;
步骤S37:构建储气罐约束条件;
步骤S38:构建直流潮流约束条件;
步骤S39:构建天然气网约束条件;
步骤S310:构建热网约束条件。
可选地,所述构建负荷平衡约束条件的具体公式为:
式中:Pel,t为在t时段的电负荷,Pwe,t为在t时段可利用的风电功率,Pp2g,t为在t时段电转气设备消耗的功率,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤机组i输出功 率,Pre,i,t为在t时段上网的燃气轮机i输出的电功率,Prl,t为在t时段的热负荷, Prh,i,t为在t时段燃气轮机i输出的热功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热 功率,Ploss,t为在t时段的热网损耗,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总数, nh为燃煤机组的个数。
可选地,所述构建天然气网约束条件的具体公式为:
式中:QYi,t为节点i的气源在t时段的产气量,QHi,t为节点i的气荷在t时 段的耗气量,QP2Gi,t为节点i的P2G设备在t时段的产气量,QINi,t为节点i的 管道进气量,QOUTi,t为节点i的管道出气量,Lij,t为节点i到j管道的气流量, Lp ij,t指管道ij的气流量的平均值,Cij,t是管道ij在t时段的管存量,lij为管道ij 长度,Kij、Sij分别为和管道长度等相关的固定参数,pi,t为节点i在t时段的气 压,Lijmin和Lijmax分别为管道ij的最小流量限值和最大流量限值,pimin和pimax分别为节点i的最小气压限值和最大气压限值,QYimin和QYimax分别为节点i 的气源产气量最小限值和最大限值。
可选地,所述构建直流潮流约束条件的具体公式为:
可选地,所述构建热网约束条件的具体公式为:
式中:Tsout为供水管网水流通过管道ij的温度,Trout为回水管网水流通过 管道ij的温度,Ts为供水管网水流进入管道ij的温度,Tr为回水管网水流进入 管道ij的温度,Ta为环境温度,U为传热系数,Lij为管道ij的长度,Cp为水 的比热容,Mij为通过管道ij的流量,MOUT,n为节点处第n条输出管道的水流 量,MIN,n1为节点处第n1条输入管道的水流量,TNODEOUT为节点处输出管道水 流量的温度,TNODEIN,n1为节点处第n1条输入管道水流量的温度,HRY为供热 机组的输出热功率,HFH为负荷热功率,MRY为通过供热机组的水流量,MFH为通过负荷的水流量,TS为通过供热机组的供水温度,TR为通过供热机组的 回水温度,TSF为通过热负荷的供水温度,TRF为通过热负荷的回水温度。
本发明还提供一种电-气-热综合能源***优化调度***,所述***包括:
低碳经济调度模型构建模块,用于基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低 碳经济调度模型;
目标函数构建模块,用于基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优 化模型的目标函数;
约束条件构建模块,用于构建低碳优化模型的约束条件;
优化求解模块,用于对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数; 所述低碳优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风 电机组出力。
可选地,基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函 数,具体公式为:
minF=min(Ch+Cr+Fp-IP2G)
式中:F为***运行总成本,Ch为燃煤机组成本,Cr为外购天然气成本, Fp为需要支付的碳交易费用,IP2G为电转气所获收益,ρgas为天然气价格,qg为天然气热值,QRZ为单位电能所能转化的热能,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤 机组i输出功率,ai、bi、ci均为燃煤机组成本系数,Pre,i,t为在t时段上网的燃 气轮机i输出的电功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热功率,ηrg为燃气 锅炉的效率,ηrq为燃气轮机的电效率,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总 数,nh为ρH2为氢气售卖价格,YH2为氢气产生量,YCH4为天然气产生量,nh为 燃煤机组的个数。
可选地,所述约束条件构建模块,具体包括:
第一约束条件构建单元,用于构建负荷平衡约束条件;
第二约束条件构建单元,用于构建P2G设备功率约束条件;
第三约束条件构建单元,用于构建风电机组约束条件;
第四约束条件构建单元,用于构建燃煤机组约束条件;
第五约束条件构建单元,用于构建燃气轮机约束条件;
第六约束条件构建单元,用于构建燃气锅炉约束条件;
第七约束条件构建单元,用于构建储气罐约束条件;
第八约束条件构建单元,用于构建直流潮流约束条件;
第九约束条件构建单元,用于构建天然气网约束条件;
第十约束条件构建单元,用于构建热网约束条件。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明公开一种电-气-热综合能源***优化调度方法及***,方法包括: 基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型;基于电-气-热低碳经 济调度模型构建低碳优化模型的目标函数和约束条件;对低碳优化模型进行求 解,获得低碳优化参数,以使根据低碳优化参数对综合能源***进行低碳调度, 进而证明阶梯式碳交易机制对于低碳调度的合理性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的 前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例电-气-热综合能源***优化调度方法流程图;
图2为传统碳交易和阶梯式碳交易原理图;
图3为燃煤机组成本分析图;
图4为本发明实施例电-气-热综合能源***结构示意图;
图5为本发明实施例碳交易影响分析图;
图6为本发明实施例模型的求解流程图;
图7为本发明实施例***拓扑结构图;
图8为本发明实施例不考虑碳交易时各机组情况示意图;
图9为本发明实施例考虑传统碳交易时各机组情况示意图;
图10为本发明实施例考虑阶梯式碳交易时各机组情况示意图;
图11为本发明实施例三种场景下热负荷机组出力情况示意图;
图12为本发明实施例三种场景下各类机组出力情况示意图;
图13为本发明实施例碳交易价格对碳排量的影响示意图;
图14为本发明实施例碳交易价格对***成本的影响示意图;
图15为本发明实施例传输线容量对碳排量影响示意图;
图16为本发明实施例传输线容量对***成本的影响示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电-气-热综合能源***优化调度方法及***,以 实现减少***碳排量的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本发明公开一种电-气-热综合能源***优化调度方法,所述 方法包括:
步骤S1:基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型。
步骤S2:基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函 数。
步骤S3:构建低碳优化模型的约束条件。
步骤S4:对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数;所述低碳 优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风电机组出 力。
下面对各个步骤进行详细论述:
1、碳交易机制的分析比较
碳交易实质上是通过建立合法的碳排放权,并允许通过市场对碳排放权进 行交易从而达成控制二氧化碳排放的交易机制。
1.1、碳交易配额
中国碳交易机制目前处于摸索阶段,对于不同电厂其无偿配额也不同,因 此计算燃煤机组的碳排量配额的具体公式为:
Di=λhPGi;
式中:Di为第i个燃煤机组的碳排量配额,λh为燃煤机组的配额系数,PGi为第i个燃煤机组的输出功率。
燃气机组包括燃气轮机和燃气锅炉;对于燃气轮机供电量的碳排量配额可 以按供热量进行折算,即其供电量折算成热量和原本供热量相加得出总热量, 然后按总热量进行配额;对于燃气锅炉,仅按热量配额;因此计算燃气机组的 碳排放配额的具体公式为:
式中:Dj为第j个燃气机组的碳排放配额,λr为燃气机组的配额系数,PRj为第j个燃气机组的输出热量,PEj为第j个燃气机组的输出电量,β为电的折 算系数。
1.2、碳交易机制
碳交易机制在中国主要分为两种形式:一是传统碳交易;二是阶梯式碳交 易。
传统碳交易指在一定的调度周期内,当***主体的二氧化碳碳排放量没有 超过排放配额,则可以获得交易额度,将该部分卖掉获得收益,反之,则需要 对超额的部分进行购买,可用下式表示:
式中:Fp为需要支付的碳交易费用,σ为单位碳排放权交易价格,Ec为系 统的实际碳排放量,nh为燃煤机组的个数,nr为燃气机组的个数。
阶梯式碳交易指将二氧化碳排放量分为多个区间,碳排量越多的区间,单 位碳排放权交易(碳交易)价格越高,***所需的花费越多,碳交易成本如下 式所示:
式中:nh为燃煤机组的个数,nr为燃气机组的个数,Ec为***的实际碳排 放量,Di为第i个燃气轮机的碳排放配额,Dj为第j个燃气轮机的碳排放配额, σ()为单位碳排放权交易价格,p为关于碳交易的碳排放区间,在本文中为 25t,δ是碳交易价格的增长幅度,本文中取25%。
设80MW常规燃煤机组碳排量在48.5t(50MW)处形成阶梯,则对于传 统碳交易和阶梯式碳交易的区别可以用下图2表示:
图2为常规燃煤机组在传统碳交易和阶梯式碳交易情况下其单位成本和 此时***收益的关系,***收益在本文指电转气所获收益。从图2可以看出, 传统碳交易和阶梯式碳交易的区别主要在于在50MW时存在单位成本(每一 单位电量所需综合成本)分段点。
当此时***收益为210元/MWh时(收益1),传统碳交易不存在分段点, 此燃煤机组输出功率只要大于44MW,就会尽量满发以获取最大利益,此时系 统对大于44MW的燃煤机组没有抑制能力。
阶梯式碳交易存在分段点,当燃煤机组功率在44-50MW时,***收益大 于燃煤机组单位成本,若燃煤机组功率大于44MW,则其最多能多发到50MW, 使***收益最优,此时***可以使燃煤机组出力限制在50MW以内,抑制了 二氧化碳的排放。
当***收益为214元/MWh时(收益2),在满足基本负荷约束情况下,传 统碳交易燃煤机组输出功率只要大于30MW,***对此燃煤机组就没有了抑制 能力,使碳排量增多。
在阶梯式碳交易中,***收益大于燃煤机组单位成本存在两段,分别是输 出功率为30-50MW和70-80MW,当满足基本约束情况下,输出功率达到 70MW以上,***对碳排量没有抑制,但当输出功率在30MW-50MW时,考 虑到机组爬坡约束,输出功率不会超过30-50MW到70MW以上的区间,使输 出功率限制在50MW以下,此时碳排量得到抑制。
如果单纯的将传统碳交易价格提高,对排碳量抑制能力提高,但***总体 成本会大幅上涨。因此,在保证一定经济性条件下,阶梯式碳交易对***碳排 量的抑制能力更强,有利于碳排量的减少。
上述原理分析针对单一燃煤机组情况,当全***存在多种燃煤机组时,系 统分析情况如下所示:
碳交易成本公式可简化为下式
式中:PZ为燃煤机组总功率,PGi为第i个燃煤机组的输出功率,λi为机组 i的碳排放强度,λh为燃煤机组的配额系数,nh为燃煤机组的个数,p为关于 碳交易的碳排放区间,δ是碳交易价格的增长幅度。
上式对阶梯式碳交易公式前两个公式进行简化处理,当碳排量没超过第一 区间时,碳交易成本和燃煤机组的碳排放系数有关。
当碳排量超过第一区间时,碳交易成本除了和碳排放系数相关,更和碳排 放的增长区间、碳交易价格的增长幅度有关。从碳排放第二区间左式中可知, 对于不同的燃煤机组,碳排放少的机组在碳排放第二区间甚至可获收益(相对 于第一区间单位碳交易成本减少),碳排放多的机组则会得到惩罚(相对于第一 区间单位碳交易成本提高),低碳和高碳燃煤机组的成本差值进一步扩大,因 目标为成本最低,因此可压制碳排放,促进低碳燃煤机组的发展。而传统碳交 易仅通过碳排放系数进行碳惩罚(碳排放第一区间),并不足以制约高碳机组。 如图3所示,此图中单位成本指单位电量的成本,如碳交易单位成本是平均电量下的碳交易成本,燃煤机组单位成本为平均电量下的燃煤机组燃料成本。
2、基于碳交易的电-气-热低碳经济调度模型。
步骤S1:基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型。
本发明借鉴文献《考虑制氢设备效率特性的煤风氢能源网调度优化策略》 中的全网集中调度思路,考虑大型能源转换装置从而建立的电-气-热低碳经济 调度模型。所述电-气-热低碳经济调度模型由燃煤机组、燃气轮机和风电机组 供电,由燃气轮机和燃气锅炉供热,将电能转化为氢气和天然气,由储气罐进 行天然气存储,总体模型构架如图4所示。
如图4所示,在该***中为了应对风电的反调峰特性,设置电转气(P2G) 设施用以消纳弃风,将多余的风电转化为氢气和天然气。考虑到当前中国氢能 消费需求的上涨,2018年氢能消耗量超2000万吨,而天然气消耗量仅为2780 亿立方米,将电转气技术产生的一部分氢气售出,另一部分转化为天然气。由 于氢气的运输性差和易于就近消纳,本文将一成氢气用于售出,其余转换成天 然气供应燃气机组,若转换的天然气过多,则将多余部分进行出售。
当在综合能源***中引入碳交易机制时,***所受影响如下:
从图5可知,当在综合能源***中引入碳交易机制,会对各机组产生单位 能量的成本造成影响。因国家鼓励燃气机组发展,燃气机组单位热量的碳排量 小于配额,因此,单位成本降低。而一般的燃煤机组会提升单位成本,高碳燃 煤电厂提升多,低碳提升少,故碳交易机制可引导低碳燃煤机组多发。
步骤S2:基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函 数,具体公式为:
minF=min(Ch+Cr+Fp-IP2G)
式中:F为***运行总成本,Ch为燃煤机组成本,Cr为外购天然气成本, Fp为需要支付的碳交易费用,IP2G为电转气所获收益,ρgas为天然气价格,qg为天然气热值,取36MJ/m3,QRZ为单位电能所能转化的热能,取3600 MJ/(MW·h),Phe,i,t为在t时段上网的燃煤机组i输出功率,ai、bi、ci均为燃煤 机组成本系数,Pre,i,t为在t时段上网的燃气轮机i输出的电功率,Prg,i,t为在t 时段燃气锅炉i输出的热功率,ηrg为燃气锅炉的效率,取0.8,ηrq为燃气轮机 的电效率,取0.35,同时其热效率也为0.35,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气 轮机总数,nrg+nrq=nr,nh为ρH2为氢气售卖价格,YH2为氢气产生量,YCH4为天 然气产生量,nh为燃煤机组的个数。
本发明基于考虑阶梯式碳交易的电-气-热综合能源***经济调度模型考虑 一天24h的经济调度问题,以碳交易成本、燃煤机组成本、外购天然气成本与 电转气所获得的收益之差最小,进而构建目标函数。
步骤S3:构建低碳优化模型的约束条件,具体包括:
步骤S31:构建负荷平衡约束条件;所述负荷平衡约束条件包括电负荷约 束条件和热负荷约束条件;构建负荷平衡约束条件的具体公式为:
式中:Pel,t为在t时段的电负荷,Pwe,t为在t时段可利用的风电功率,Pp2g,t为在t时段电转气设备消耗的功率,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤机组i输出功 率,Pre,i,t为在t时段上网的燃气轮机i输出的电功率,Prl,t为在t时段的热负荷, Prh,i,t为在t时段燃气轮机i输出的热功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热 功率,Ploss,t为在t时段的热网损耗,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总数, nh为燃煤机组的个数。
步骤S32:构建P2G设备功率约束条件,具体公式为:
0≤Pp2g,t≤Pp2gmax;
式中:Pp2g,t为P2G设备功率,Pp2gmax为P2G设备的额定功率。
步骤S33:构建风电机组约束条件;风电机组约束条件包括最大功率约束 条件和允许弃风约束条件;构建风电机组约束条件的具体公式为:
式中:Pw,t为风电预测功率,Pwe,t为风电实际能发功率,Pw,max为风电场额 定功率。
步骤S34:构建燃煤机组约束条件;所述燃煤机组约束条件包括额定功率 上下限约束条件和爬坡率约束条件;构建燃煤机组约束条件的具体公式为:
式中:Phimin为燃煤机组i最小出力值,Phimax为燃煤机组i最大出力值, PXimax为燃煤机组i最大下爬坡率,PSimax为燃煤机组最大上爬坡率,Phe,i,t为在 t时段燃气轮机i电出力值。
步骤S35:构建燃气轮机约束条件;所述燃气轮机约束条件包括出力上下 限约束条件、爬坡率约束条件和热电比约束条件;构建燃气轮机约束条件的具 体公式为:
式中:Pre,i,t为在t时段燃气轮机i电出力值,Prh,i,t为在t时段燃气轮机i 热出力值,Preimin为燃气轮机i最小出力值,Preimax为燃气轮机i最大出力值, PreiXmax为燃气轮机i最大下爬坡率,PreiSmax为燃气轮机i最大上爬坡率,α为燃 气轮机的热电比,本文取1。
步骤S36:构建燃气锅炉约束条件,所述燃气锅炉约束条件包括出力上下 限约束和爬坡率约束;构建燃气锅炉约束条件的具体公式为:
式中:Prgimin为燃气锅炉i最小出力值,Prgimax为燃气锅炉i最大出力值, PrgiXmax为燃气锅炉i最大下爬坡率,PrgiSmax为燃气锅炉i最大上爬坡率。
步骤S37:构建储气罐约束条件,所述储气罐约束包括储气容量上下限约 束条件、储气周期始末相等约束条件、充放气约束条件和储气平衡约束条件; 构建储气罐约束条件的具体公式为:
式中:ER,t为储气罐在t时刻的储气量,ERmax为储气罐容量上限,ER,1为 储气罐在周期内初始储气量,ER,24为储气罐在周期结束时储气量,EC,t为t时 刻的进气量,ED,t为t时刻的放气量,ECmax和EDmax分别为单位时间进气和放 气量上限,n为二进制变量,指进气和放气在单位时间内只能执行一项。
步骤S38:构建直流潮流约束条件;所述直流潮流约束条件包括传输线容 量约束条件和相角约束条件;构建直流潮流约束条件的具体公式为:
步骤S39:构建天然气网约束条件;所述天然气网约束条件包括天然气流 量平衡约束条件、气网管道约束条件、节点气压约束条件和气源约束条件;构 建天然气网约束条件的具体公式为:
式中:QYi,t为节点i的气源在t时段的产气量,QHi,t为节点i的气荷在t时 段的耗气量,QP2Gi,t为节点i的P2G设备在t时段的产气量,QINi,t为节点i的 管道进气量,QOUTi,t为节点i的管道出气量,Lij,t为节点i到j管道的气流量, Lp ij,t指管道ij的气流量的平均值,Cij,t是管道ij在t时段的管存量,lij为管道ij 长度,Kij、Sij分别为和管道长度等相关的固定参数,pi,t为节点i在t时段的气 压,Lijmin和Lijmax分别为管道ij的最小流量限值和最大流量限值,pimin和pimax分别为节点i的最小气压限值和最大气压限值,QYimin和QYimax分别为节点i 的气源产气量最小限值和最大限值。
考虑气网约束条件的非凸问题,采用连续锥算法进行求解。
步骤S310:构建热网约束条件;所述热网主要分为供水管网和回水管网, 约束条件包括温度约束条件、水流结合约束条件、热源热量约束条件和热荷热 量约束条件;构建热网约束条件的具体公式为:
式中:Tsout为供水管网水流通过管道ij的温度,Trout为回水管网水流通过 管道ij的温度,Ts为供水管网水流进入管道ij的温度,Tr为回水管网水流进入 管道ij的温度,Ta为环境温度,U为传热系数,Lij为管道ij的长度,Cp为水 的比热容,Mij为通过管道ij的流量,MOUT,n为节点处第n条输出管道的水流 量,MIN,n1为节点处第n1条输入管道的水流量,TNODEOUT为节点处输出管道水 流量的温度,TNODEIN,n1为节点处第n1条输入管道水流量的温度,HRY为供热 机组的输出热功率,HFH为负荷热功率,MRY为通过供热机组的水流量,MFH为通过负荷的水流量,TS为通过供热机组的供水温度,TR为通过供热机组的 回水温度,TSF为通过热负荷的供水温度,TRF为通过热负荷的回水温度。
考虑热网约束条件的非线性问题,采用质调节方法进行线性化求解。
步骤S4:对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数,以使根据 所述低碳优化参数对综合能源***进行调度,进而证明阶梯式碳交易机制对于 低碳调度的合理性;所述低碳优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、 电转气设备出力、风电机组出力。图6中的流程图通过选取不同的碳交易机制, 在满足基本负荷和约束的情况下,根据不同时刻机组单位成本和电转气收益的 比较,确定此时刻机组变出力大小使综合经济最优。
本发明还公开一种电-气-热综合能源***优化调度***,所述***包括:
低碳经济调度模型构建模块,用于基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低 碳经济调度模型。
目标函数构建模块,用于基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优 化模型的目标函数。
约束条件构建模块,用于构建低碳优化模型的约束条件。
优化求解模块,用于对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数; 所述低碳优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风 电机组出力。
作为一种实施方式,本发明所述约束条件构建模块,具体包括:
第一约束条件构建单元,用于构建负荷平衡约束条件。
第二约束条件构建单元,用于构建P2G设备功率约束条件。
第三约束条件构建单元,用于构建风电机组约束条件。
第四约束条件构建单元,用于构建燃煤机组约束条件。
第五约束条件构建单元,用于构建燃气轮机约束条件。
第六约束条件构建单元,用于构建燃气锅炉约束条件。
第七约束条件构建单元,用于构建储气罐约束条件。
第八约束条件构建单元,用于构建直流潮流约束条件。
第九约束条件构建单元,用于构建天然气网约束条件。
第十约束条件构建单元,用于构建热网约束条件。
3、仿真实验分析
本文采用改进的IEEE-30节点电网、6节点热网、7节点气网进行算例分 析,电-气-热综合能源***结构如图7所示:其中,G1、G3、G4、G5为常规 燃煤机组,其碳排量分别为0.98t/MWh、1.08/MWh、0.97tt/MWh、1.15t/MWh, 配额取0.7t/MWh,机组参数详见表1。G2为燃气轮机,其电功率出力上限为 80MW,出力下限为10MW。燃气锅炉的热功率出力上限为80MW,出力下限 为10MW。燃气机组成本和天然气的售价有关,本文取3元/m3。其碳排量取0.065t/GJ,配额为0.102t/GJ。碳交易价格定为100元/t。其中在11节点处,将 原燃煤机组替换为200MW风电机组和150MW电转气设备的组合;电制氢效 率设为0.7,氢制天然气效率设为0.85,综合电制气效率为0.6。氢气市场售价53元/kg,考虑其运输储存成本,厂端售价定位40元/kg。
表1燃煤机组参数表
本文通过CPLEX进行优化求解,***以24小时为周期,以1小时为步 长进行仿真。
本文对不同碳交易机制下,同一种***的情况进行分析,分为下列3种场 景。场景一:在阶梯式碳交易情况下,以不考虑碳交易成本,仅考虑运行成本 为目标函数的***情况。场景二:考虑传统碳交易机制***情况。场景三:考 虑阶梯式碳交易机制***情况。
本文根据上述三种场景,得到***运行情况如表2所示。
表2***运行情况表
从表2中可知,场景三碳排量相对于场景一减少了1299.9t,即19.49%; 而场景二仅减少了251.2t,即3.77%;在综合运行成本方面,场景二相比于场 景一成本下降了26235元,即下降了1.37%,场景三虽然比场景二成本高了9986 元,但相比于场景一下降了16249元,即下降了0.85%。综合来看,场景三相 比于场景二综合运行成本虽高了0.52%,但碳排量减少了15.72%,证明了阶 梯式碳交易在低碳经济调度方面的有效性。
图8到图10是三种场景下电负荷机组出力图,可以看出:
在5时之前,3种场景下燃煤机组和电转气设备出力无差别,因为此时风 电较大、燃气轮机受以热定电影响出力较高,而负荷功率较低,燃煤机组在较 低出力下,单位成本低于电转气设备收益,可以使电转气维持额定出力。
从5时到8时,随燃气轮机出力下降、负荷功率的上升,燃煤机组功率在 场景一二开始升高,但在场景三却降低电转气的功率,因为考虑阶梯式碳交易 单位成本高于电转气收益,压制燃煤机组的上涨,使碳排量得到减小。
从8时到11时,负荷功率上升,燃气轮机出力下降,场景一二的燃煤机 组单位成本都低于电转气收益,因此电转气设备都维持额定出力。场景三考虑 到传输线容量使风电只有65MW可上网,因此燃煤机组需上涨补足负荷,此 时燃煤机组不会对电制气供电,相对于场景一和二碳排量得到减小。
从11时到19时的负荷高峰期,场景一燃煤机组皆为满足电制气需求而增 出力,受到整体线路传输容量的限制无法满发。场景二因考虑传统碳交易使燃 煤机组单位成本最高的一个机组不能对电转气设备供电。场景三受风电上网传 输线容量限制,只能上网65MW,其他负荷由燃煤机组补足,而电转气只用于 消纳多余风电,形成自适应的削峰填谷。
从19时到24时,随燃气轮机出力上涨、风电的回升,场景一二电转气设 备维持额定出力,燃煤机组随负荷下降而下降。场景三负荷下降但燃煤机组出 力基本不变,因为此时燃煤机组单位成本低于电转气收益,使电转气功率提高。
从图11可发现风电上网输线容量影响燃煤机组的出力,因此可以通过改 变传输线容量观察***变化。
从图12可知,在一天的调度周期内,场景一燃煤机组输出电量最高而风 电上网电量最低,而场景三燃煤机组输出电量最低而风电上网电量最高,证明 阶梯式碳交易对于提高风电上网的有效性,有利于提高清洁机组的竞争力,减 少***碳排放。
从图11和12可知碳交易对燃气轮机和燃气锅炉的出力无影响。一是因为 燃气锅炉效率高于燃气轮机,因此热负荷主要由燃气锅炉供给,燃气轮机补足, 致使以热定电的现象发生;二是由于碳交易价格不足,使燃气轮机变出力产生 的成本减少量不可能压制燃煤机组和燃气锅炉变化的成本增加量。
碳交易价格影响:
随着经济发展,未来为了阻止环境恶化,碳交易价格会发生改变。碳交易 价格的变化会对***各机组出力产生影响,下图13为随着碳交易价格的变化, ***成本和***碳排量的变化曲线。
由图13可知,随着碳交易价格的提高,两种碳交易机制的碳排量都在下 降,而阶梯式碳交易的碳排量在传统碳交易之下。原因如下:
碳交易价格在400元/t以前主要是压制提供电转气的燃煤机组出力从而使 碳排量减少。在400元/t以后,***通过提高燃气轮机出力对燃煤机组进行压 制,使碳排量得到降低。对于考虑传统碳交易,碳交易价格在550元/t以后才 能对燃气轮机产生影响,说明考虑阶梯式碳交易更有利于清洁机组的上网。
由图14可知,碳交易价格在400元/t后,考虑传统和阶梯式碳交易的系 统成本逐渐靠近。原因在于阶梯式碳交易改变燃气轮机出力压制燃煤机组出 力,使碳排量逐渐低于过量碳排量,使阶梯式碳交易成本逐渐接近一阶碳交易 成本,但因燃气轮机容量较燃煤机组容量小,其***碳排量不可能小于总体配 额,因此随碳交易价格的提高,总成本一直处于上涨趋势。
风电上网传输线容量影响:
随着经济发展,电网朝着越来越便捷的方向发展,且在全网集中调度中为 了保证***总体收益最高,传输线容量越大越好,本文分析风电上网的传输线 容量对***碳排量和成本的影响,如图15所示:
由图15中可知,随着传输线容量的上涨,不考虑碳交易的***碳排量上 升,考虑传统碳交易的***碳排量略微下降,考虑阶梯式碳交易的***碳排量 大幅下降,最终趋于平稳。原因在于不考虑碳交易的***增大燃煤机组出力用 以电转气使***运行成本降低,但会提高碳排量。考虑阶梯式碳交易的***可 以通过提高传输线容量使更多的风电上网用以压制燃煤机组出力,使碳排量减 少。
由图16可知,随着传输线容量的上涨,三种场景下***成本都处于下降 趋势,且传统碳交易和阶梯碳交易的***成本差逐渐减少。原因是在阶梯式碳 交易的***中,传输线容量的上升使风电上网更多,***总成本减小。而在传 统碳交易的***中,较小的传输线容量(40MW)已足够燃煤机组供应电转气 或风电供应负荷,因此,其***成本在40MW后不会变化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的 一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种电-气-热综合能源***优化调度方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤S1:基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型;
步骤S2:基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函数;
步骤S3:构建低碳优化模型的约束条件;
步骤S4:对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数;所述低碳优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风电机组出力。
2.根据权利要求1所述的电-气-热综合能源***优化调度方法,其特征在于,基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函数,具体公式为:
min F=min(Ch+Cr+Fp-IP2G)
式中:F为***运行总成本,Ch为燃煤机组成本,Cr为外购天然气成本,Fp为需要支付的碳交易费用,IP2G为电转气所获收益,ρgas为天然气价格,qg为天然气热值,QRZ为单位电能所能转化的热能,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤机组i输出功率,ai、bi、ci均为燃煤机组成本系数,Pre,i,t为在t时段上网的燃气轮机i输出的电功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热功率,ηrg为燃气锅炉的效率,ηrq为燃气轮机的电效率,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总数,nh为ρH2为氢气售卖价格,YH2为氢气产生量,YCH4为天然气产生量,nh为燃煤机组的个数。
3.根据权利要求1所述的电-气-热综合能源***优化调度方法,其特征在于,构建低碳优化模型的约束条件,具体包括:
步骤S31:构建负荷平衡约束条件;
步骤S32:构建P2G设备功率约束条件;
步骤S33:构建风电机组约束条件;
步骤S34:构建燃煤机组约束条件;
步骤S35:构建燃气轮机约束条件;
步骤S36:构建燃气锅炉约束条件;
步骤S37:构建储气罐约束条件;
步骤S38:构建直流潮流约束条件;
步骤S39:构建天然气网约束条件;
步骤S310:构建热网约束条件。
5.根据权利要求3所述的电-气-热综合能源***优化调度方法,其特征在于,所述构建天然气网约束条件的具体公式为:
式中:QYi,t为节点i的气源在t时段的产气量,QHi,t为节点i的气荷在t时段的耗气量,QP2Gi,t为节点i的P2G设备在t时段的产气量,QINi,t为节点i的管道进气量,QOUTi,t为节点i的管道出气量,Lij,t为节点i到j管道的气流量,Lp ij,t指管道ij的气流量的平均值,Cij,t是管道ij在t时段的管存量,lij为管道ij长度,Kij、Sij分别为和管道长度等相关的固定参数,pi,t为节点i在t时段的气压,Lijmin和Lijmax分别为管道ij的最小流量限值和最大流量限值,pimin和pimax分别为节点i的最小气压限值和最大气压限值,QYimin和QYimax分别为节点i的气源产气量最小限值和最大限值。
7.根据权利要求3所述的电-气-热综合能源***优化调度方法,其特征在于,所述构建热网约束条件的具体公式为:
式中:Tsout为供水管网水流通过管道ij的温度,Trout为回水管网水流通过管道ij的温度,Ts为供水管网水流进入管道ij的温度,Tr为回水管网水流进入管道ij的温度,Ta为环境温度,U为传热系数,Lij为管道ij的长度,Cp为水的比热容,Mij为通过管道ij的流量,MOUT,n为节点处第n条输出管道的水流量,MIN,n1为节点处第n1条输入管道的水流量,TNODEOUT为节点处输出管道水流量的温度,TNODEIN,n1为节点处第n1条输入管道水流量的温度,HRY为供热机组的输出热功率,HFH为负荷热功率,MRY为通过供热机组的水流量,MFH为通过负荷的水流量,TS为通过供热机组的供水温度,TR为通过供热机组的回水温度,TSF为通过热负荷的供水温度,TRF为通过热负荷的回水温度。
8.一种电-气-热综合能源***优化调度***,其特征在于,所述***包括:
低碳经济调度模型构建模块,用于基于阶梯式碳交易机制构建电-气-热低碳经济调度模型;
目标函数构建模块,用于基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函数;
约束条件构建模块,用于构建低碳优化模型的约束条件;
优化求解模块,用于对所述低碳优化模型进行求解,获得低碳优化参数;所述低碳优化参数包括:燃煤机组出力、燃气机组出力、电转气设备出力、风电机组出力。
9.根据权利要求8所述的电-气-热综合能源***优化调度***,其特征在于,基于所述电-气-热低碳经济调度模型构建低碳优化模型的目标函数,具体公式为:
min F=min(Ch+Cr+Fp-IP2G)
式中:F为***运行总成本,Ch为燃煤机组成本,Cr为外购天然气成本,Fp为需要支付的碳交易费用,IP2G为电转气所获收益,ρgas为天然气价格,qg为天然气热值,QRZ为单位电能所能转化的热能,Phe,i,t为在t时段上网的燃煤机组i输出功率,ai、bi、ci均为燃煤机组成本系数,Pre,i,t为在t时段上网的燃气轮机i输出的电功率,Prg,i,t为在t时段燃气锅炉i输出的热功率,ηrg为燃气锅炉的效率,ηrq为燃气轮机的电效率,nrg为燃气锅炉总数,nrq为燃气轮机总数,nh为ρH2为氢气售卖价格,YH2为氢气产生量,YCH4为天然气产生量,nh为燃煤机组的个数。
10.根据权利要求8所述的电-气-热综合能源***优化调度***,其特征在于,所述约束条件构建模块,具体包括:
第一约束条件构建单元,用于构建负荷平衡约束条件;
第二约束条件构建单元,用于构建P2G设备功率约束条件;
第三约束条件构建单元,用于构建风电机组约束条件;
第四约束条件构建单元,用于构建燃煤机组约束条件;
第五约束条件构建单元,用于构建燃气轮机约束条件;
第六约束条件构建单元,用于构建燃气锅炉约束条件;
第七约束条件构建单元,用于构建储气罐约束条件;
第八约束条件构建单元,用于构建直流潮流约束条件;
第九约束条件构建单元,用于构建天然气网约束条件;
第十约束条件构建单元,用于构建热网约束条件。
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