基于季节性碳交易机制的园区综合能源系统低碳经济调度

为有效提高碳排放配额分配的合理性,并且避免年度结算时碳排放量超标导致环境污染加剧问题,提出基于奖惩因子的季节性碳交易机制,以园区综合能源系统(park integrated energy system,PIES)为对象进行低碳经济调度。首先,构建包含能量层–碳流层–管理层的综合能源系统(integrated energy system,IES)运行框架,建立电气热多能流供需动态一致性模型;其次,分析系统内“日–季节–年度”碳排放特性,打破传统应用指标法的配额分配方法,采用灰色关联分析法建立碳排放配额分配模型,并基于奖惩阶梯碳价制定季节性碳交易机制;最后,以系统内全寿命周期运行成本及碳交易成本最小为目标,对执行季节性碳交易机制的PIES进行低碳经济调度,分析长时间尺度下季节性储能参与调度的减碳量。搭建IEEE 33节点电网5节点气网7节点热网的PIES,并基于多场景进行算例分析,验证此调度方法能够实现零碳经济运行,保证系统供能可靠性,为建立零碳园区奠定理论基础。

低碳矿区综合能源系统经济运行优化研究

针对煤矿开采过程中碳排放量高以及乏风、瓦斯、矿井涌水等伴生能源得不到及时有效利用的问题,提出一种低碳经济运行的矿区综合能源系统(coal mine integrated energy system, CMIES)。首先,为使矿区伴生能源得到充分利用,搭建了一个包含燃气轮机、乏风氧化发电单元、水源热泵等设备的CMIES模型。其次,为降低矿区碳排放量,在CMIES中加入光伏、风电、电转气与氢燃料电池等设备。同时,引入阶梯式碳交易机制与绿色证书交易机制(green certificate trading, GCT),通过“双机制”模型来约束系统碳排放、激励新能源设备出力。最后,调用CPLEX商业求解器,以购能成本、新能源设备运行成本、碳排放成本最小为目标函数进行求解。结果表明:优化后的CMIES碳排放量显著降低,运行成本大幅减少。

含碳捕集电厂与氢能多元利用的综合能源系统低碳经济调度

随着中国“碳达峰·碳中和”战略的不断推进,综合能源系统的绿色低碳转型迫在眉睫。针对传统碳捕集电厂灵活性较差、风电并网难以消纳等问题,提出一种含碳捕集电厂与氢能多元利用的综合能源系统低碳经济调度模型。首先,引入储液罐对传统碳捕集电厂进行改造,提高电厂应对风电波动的运行灵活性;其次,构建含两段式电转气、氢燃料电池、储氢罐和掺氢热电联产在内的氢能多元利用结构,以充分挖掘氢能利用与碳捕集电厂的协同运行潜力。在此基础上,引入阶梯碳交易机制,建立以碳交易、碳封存、燃煤及购气成本之和最小为优化目标的低碳经济调度模型。算例结果表明,文中模型能够有效提高系统的风电消纳水平和能源利用效率,具有显著的低碳经济效益。此外,碳交易基准价格的合理设定能够引导系统提高碳捕集水平。

储液式CCS耦合P2G的综合能源系统低碳经济调度

为应对电转气P2G(power-to-gas)和碳捕集系统CCS(carbon capture system)在可再生能源出力不足时耦合失效的问题,考虑对常规CCS引入CO_(2)储液罐以加强P2G和CCS的耦合。首先,构建储液式CCS和P2G的耦合模型,利用储液罐将CCS捕集的CO_(2)时移至可再生能源富足时段,供P2G再利用;其次,构建储液式CCS与P2G耦合的电热气综合能源系统日前优化调度模型;最后,以北方某工业园区为例进行仿真。结果证明所提模型可以充分利用CCS捕集的CO_(2),从而获得更好的经济和环境效益。

考虑绿色氢能证书和水电制氢的综合能源系统优化运行

利用清洁能源发电富余电力电解水制氢,绿色氢能实现了生产源头的二氧化碳零排放,在全球能源转型中扮演着重要角色。针对绿色氢能证书市场机制不健全等问题,该文提出一种考虑绿色氢能证书组合双向拍卖和水电制氢的综合能源系统优化运行方法。首先,为解决园区内绿色氢能证书价格和数量匹配不均衡的问题,提出绿色氢能证书组合双向拍卖(combinatorial double auction,CDA)交易机制竞价模型;其次,建立含水电制氢的综合能源系统优化模型,并将绿色氢能证书组合双向拍卖机制引入其中;最后,以某省含水电制氢的综合能源系统为例进行仿真分析,结果表明所提模型不仅能有效提高综合能源系统(integrated energy system,IES)的运行经济性,也能提升可再生能源的消纳量。

计及AA-CAES与PTC集成的综合能源系统运行优化与性能分析

为进一步发挥综合能源系统的多能互补优势,提出一种计及先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)与槽式太阳能集热器(PTC)集成的综合能源系统(IES-PTC-CAES)优化运行策略。首先,对AA-CAES、PTC以及系统中其他设备进行分析并建立相应模型;进而以经济性、环保性和能效性为优化目标,以设备运行的关键参数为优化变量,基于分时电价建立了协同优化策略,并通过K-means算法将模拟出的典型年负荷聚类为典型日负荷;最终,使用并行式的遗传算法对系统进行寻优,得到不同目标下IES-PTC-CAES的最优运行策略。结果表明:与参考系统相比,IES-PTC-CAES系统经济目标下总成本降低了14.61万元,环保目标下二氧化碳排放量减少了6194.38 kg。

计及多重需求响应的综合能源系统多时间尺度低碳运行

为挖掘需求侧资源响应潜力,文中提出一种计及多重需求响应的综合能源系统(integrated energy system,IES)多时间尺度低碳调度策略。首先,考虑到需求侧资源在不同时间尺度下的响应差异性,建立计及价格型和激励型的多重综合需求响应(integrated demand response,IDR)模型。然后,为减少源、荷预测误差对IES运行的影响,分别构建日前低碳经济调度模型和日内双时间尺度滚动优化平抑模型。最后,算例仿真设置不同场景进行对比分析。结果表明,相比传统IDR,多重IDR能有效挖掘用户响应潜力,提升系统经济性。此外,计及多重IDR的多时间尺度调度策略能有效缓解源、荷误差带来的功率波动并降低系统碳排放量,实现IES低碳、经济和稳定运行。

考虑超碳需求响应的综合能源系统低碳优化调度

西北地区新能源发展迅速,充分利用当地独有的光热资源优势,同时结合火电低碳化改造与新能源协同运行,有利于推动当地能源系统绿色低碳转型。为尽最大限度地提升系统的减碳能力,提出一种基于源荷协同降碳的超碳需求响应模型,将动态碳排放因子作为分时电价的惩罚因子,从而将源侧碳信号传递至荷侧,驱使用户侧进行低碳性状态转移。首先,在日前调度阶段,构建预调度-再调度两阶段调度运行机制,再调度根据预调度的系统状态信息进行超碳需求响应,来深度降低系统碳排量。其次,将光热电站引入综合能源系统,与风电场、碳捕集电厂协同运行,从而构建高比例新能源场景,来验证超碳需求响应在此场景下的减碳效益。最后,建立了基于超碳需求响应的预调度-再调度两阶段低碳调度模型。经算例仿真分析表明,所提源荷协同降碳的新思路能有效提高系统的减碳能力,深入挖掘系统的降碳空间,提升系统的经济效益。

基于组合赋权与灰云模型的综合能源系统需求响应效益评价

考虑到当前综合能源系统研究缺乏完善的需求响应量化评估方案,难以在优化运行层面综合评估需求响应效益这一问题,提出了一种基于改进AHP群决策—CRITIC组合赋权与灰云模型的综合能源系统需求响应效益评价方法。首先,从综合能效性、社会经济性和需求侧互动性三个维度构建了需求响应效益评价指标体系。其次,采用一致性和权重拟合性更优的指数标度法构造判断矩阵,降低赋值误差,并通过AHP群决策法确定主观权重,从而削弱主观极值偏差对权重的影响;在由CRITIC法确定客观权重后,基于最小欧氏距离建立组合权重模型,并通过非线性规划求取最优组合权重;针对评价等级信息的模糊性与隶属等级的随机性,采用正态灰云白化权模型确定指标分类等级与场景评分。最后,以北方某综合能源系统为例,根据用户参与需求响应方式设置了4种运行场景,分析了不同需求响应对系统运行的影响与作用,算例结果表明所提指标体系与评价方法科学有效。

考虑移动式储能的综合能源系统冰灾后抢修与调度协同优化

冰灾易造成大规模停电事故,此时综合能源系统中的热电耦合设备可协调电出力和热出力,降低损失。根据典型的气象数据模拟冰灾故障场景,建立除冰抢修、综合能源系统与移动式储能系统双层协同优化调度模型,以减少冰灾带来的不利影响。上层优化模型为保障综合能源系统的电网快速恢复供电的除冰抢修调度模型,下层优化模型为综合能源系统与移动式储能系统调度模型,上层的各故障线路除冰抢修进度与下层的各节点实时切负荷情况相互传递、交互优化,保障在短时间内抢修更多的故障线路的同时恢复更多的用电负荷,并充分利用热电联产机组灵活的热电比以优化综合能源系统调度,有效减少系统整体经济损失。另外,下层优化模型依据故障后综合能源系统的切负荷情况调度移动式储能系统,进一步减少系统切负荷损失,同时可提高综合能源系统韧性。通过算例仿真验证所提方法的有效性。

基于碳捕集-电转气的矿区综合能源系统协同优化调度

“双碳”战略目标下,为促进风光消纳与能源电力低碳转型、提高矿区能源利用率,提出一种含伴生能源和碳捕集与电转气耦合的矿区综合能源系统低碳经济调度模型。首先,综合考虑瓦斯、乏风、涌水等矿区伴生能源利用,建立矿区综合能源系统基本模型,并以碳捕集和电转气设备为耦合单元,促进节能减排与可再生能源消纳。然后,引入奖惩阶梯式碳交易机制,以矿区综合能源系统运行成本最小为目标,建立矿区综合能源系统协同优化调度模型。最后,以中国云南某大型煤矿为例,通过设置不同场景进行仿真分析。结果表明,所提模型能够促进矿区综合能源系统低碳经济运行,提高风光消纳率。

含垃圾能源化处理及电动汽车负载的区域综合能源系统协调优化

传统能源系统互相独立、欠缺联动,容易导致能量的浪费,并且能源结构也难以优化。区域综合能源系统具备多能互补、高效利用的优点,是提高能源利用效率和环保性的重要改进技术。为了利用垃圾蕴含的能量和电动汽车负载端的能源消纳,文中建立一个考虑垃圾焚烧和电动汽车负载的区域综合能源系统模型,利用模型进行系统的优化调度研究。论文分析了系统内的多能源能量流通关系,而后对系统内的各种能源转换设备及电动汽车进行分析,引入垃圾能源化处理,将热能转化为电能,并利用电动汽车进行电能消纳的模式,得出区域综合能源系统的能源效益最大化的模型。通过python进行算例分析,结果表明,含垃圾处理和电动汽车参与的区域综合能源系统既能提高能源的利用效率,又能带来更优的经济效益。

多园区综合能源系统接入主动配电网双层优化调度研究

随着园区综合能源系统的不断发展与普及,其与上级大电网并网实现交互已成为大势所趋。文中构建了通过联络线相耦合的多园区综合能源系统接入主动配电网的双层优化调度模型。在主动配电网层面,以最小运行成本为目标,充分考虑了联络线功率、分布式电源、储能设备、柔性负荷、电动汽车等可调度资源;在园区层面,以多园区总运行成本最小为目标,考虑了相互联结的多类型园区的并网情况。利用目标级联法对双层模型进行求解。通过算例验证,文中所构建模型具有良好的经济特性与削峰填谷效果,充分证明了文中所提模型的经济性与有效性。

基于纳什谈判和主从博弈的多园区综合能源系统优化调度

为充分考虑多园区综合能源系统(MCIES)中多利益主体间交易合作与多种能量间的耦合关系,提出了1种基于纳什谈判-主从博弈的点对点分布式交易策略。首先,建立考虑综合需求响应的MCIES主从博弈动态定价模型,以园区综合能源系统(CIES)运营商作为领导者,给下层用户制定动态电价与热价,用户响应电价与热价进行综合需求响应,CIES运营商根据用户的需求响应计划调整机组出力;其次,基于纳什谈判理论,建立包含主从博弈动态定价机制与CIES间合作博弈的MCIES双层优化模型;然后,将原问题等效为MCIES收益最大化子问题和合作收益分配最大化子问题,采用交替方向乘子法(ADMM)对模型进行求解。最后,仿真结果表明所提策略可实现CIES联盟利润的最大化,并合理分配收益,同时最小化用户用能成本。

考虑条件风险价值和阶梯碳交易的综合能源系统优化调度

为进一步提升综合能源系统环境效益,减少新能源出力不确定性所带来的潜在风险,提出了计及条件风险价值(conditional value at risk,CVaR)以及阶梯碳交易的综合能源系统优化调度模型。考虑到系统风电和光伏出力不确定性可能带来的影响,采用条件风险价值量度不确定性带来的潜在风险,并将碳捕获技术、电转气设备以及阶梯式碳交易机制引入系统调度模型,构建了综合考虑系统运行成本和碳交易成本的优化调度目标函数,由于所建立模型为混合整数规划问题,采用CPLEX求解器进行求解,设置4种场景进行验证分析,算例表明所提模型可有效减少二氧化碳排放,在兼顾经济性和环境性的同时引入CVaR,可避免由于忽略风光不确定性所带来的较为乐观的调度结果,使系统最终调度结果更为合理。

基于近端策略优化算法含碳捕集的综合能源系统低碳经济调度

为了实现园区综合能源系统(PIES)的低碳化经济运行和多能源互补,解决碳捕集装置耗电与捕碳需求之间的矛盾,以及不确定性源荷实时响应的问题,提出了基于近端策略优化算法含碳捕集的综合能源系统低碳经济调度方法。该方法通过在PIES中添加碳捕集装置,解决了碳捕集装置耗电和捕碳需求之间的矛盾,进而实现了PIES的低碳化运行;通过采用近端策略优化算法对PIES进行动态调度,解决了源荷的不确定性,平衡了各种能源的供给需求,进而降低了系统的运行成本。实验结果表明:该方法实现了不确定性源荷的实时响应,并相比于DDPG(deep deterministic policy gradient)和DQN(deep Q network)方法在低碳化经济运行方面具有有效性及先进性。

计及气象因素与分时电价影响的综合能源系统负荷调控策略研究

用能高峰时段,综合能源系统多元负荷受气象因素影响,使其用能需求量短时持续上升,导致供需矛盾加剧;同时,综合能源系统多能耦合转换与蓄放单元的电驱动特点(如冰蓄冷空调、电制冷制冰)致使其用能成本受分时电价影响进一步增加。以供冷季用能高峰时段综合能源系统冷-电供需调控为研究对象,提出一种包含冷负荷需求自身调节与供冷功率主动控制的两阶段递进式调控策略,旨在实现多能供需平衡空间的拓展与用能成本的降低。基于模糊C均值聚类并考虑综合气象因素与分时电价的影响,选取调控时段;在第1阶段构建了温-湿舒适度最佳与冷能需求量最低的多目标负荷调节模型,在第2阶段提出了用能成本最低和运行能耗最小的多目标供冷输出功率主动控制策略;选取某校园综合能源系统实际运行数据进行算例仿真,采用ε-约束法以及多维偏好线性规划方法进行多目标求解,并基于用能舒适度变化的运行能耗、用能成本等指标,对比分析负荷需求在用能高峰时段调控优化前后的效果。结果表明,所提方法在满足用能舒适度的同时,能削减约13%的负荷需求,并降低约1.9%系统用能成本,有效缓解多能供需矛盾,增强系统运行的灵活性。

计及电制氢和碳捕集的园区综合能源系统动态规划

“碳达峰,碳中和”目标对综合能源系统提出了低碳高效的新要求。针对园区综合能源系统的源-网-荷-储联合规划问题,基于Bellman最优理论将系统净收益最大化的规划模型进行分解,建立“风光储协同-多能互联耦合-能源消纳制氢-最优碳捕集”的多阶段动态规划模型并求解设备的最佳配置方案。结果表明,该模型在经济性和环保性方面具有显著优势,电制氢收益可观并促进电能就地消纳,碳捕集降低了系统碳排放并具有售卖CO_(2)气体和碳配额的双重收益,同时在动态规划过程中达到了最佳的电制氢配置和最优的碳捕集比例。

计及氢能高效利用和热电灵活输出的综合能源系统源荷灵活运行策略

为进一步发挥氢能高效利用优势,构建绿色低碳能源系统,提出一种计及氢能高效利用和热电联产灵活输出的综合能源系统源荷灵活运行策略。首先,对源侧供能模型进行两方面改进:一是引入含风电制氢、燃气混氢、多能用氢和储氢的氢能利用模型,并考虑到电解水和甲烷化反应过程中的热量散失情况,引入热量回收装置,构建计及热量回收的氢能高效利用模型;二是针对常规热电联产灵活性不足的问题,构建含电锅炉和有机朗肯循环的热电灵活输出模型,以解耦常规热电联产“以热定电”和“以电定热”限制。其次,在荷侧引入含可转移、可削减和可平移的电、热柔性负荷,以缓解电、热负荷峰谷差,并与源侧相结合,形成源荷灵活运行模型。最后,综合考虑阶梯型碳交易成本、设备运行维护成本、弃风成本以及购能成本,建立综合能源系统源荷灵活优化运行模型。采用CPLEX求解器对所提综合能源系统源荷灵活运行模型进行求解,并设置不同场景进行对比。结果表明,相比常规氢能利用模型,考虑所提计及热量回收的氢能高效利用模型时,系统的总成本、碳排放量分别降低了1.92%、4.22%,并且引入热电联产改进模型后,其总成本、碳排放量可进一步降低4.08%、7.32%,实现系统低碳、经济和灵活运行。

考虑需求响应和热能梯级利用的园区综合能源系统多目标优化调度

园区综合能源系统(Park-level Integrated Energy System,PIES)供能设备多样,能源耦合机制复杂,是典型的复杂能源系统。为实现PIES低碳经济运行并提升风电消纳量以及解决系统因用能结构不合理导致的能源利用效率偏低问题,文中建立了电热需求响应模型优化负荷,并充分考量能量的“质”与“量”,基于热力学第一、第二定律建立了对系统碳排放约束性较强的综合能效模型,并将系统的热负荷根据能源品位进行细化区分,依据热能梯级利用理论,建立了能量耦合设备的数学模型。最后结合系统经济成本目标及系统综合能效目标建立了园区综合能源系统多目标优化调度模型,实现针对系统内各设备出力的调度。算例分析表明,文中提出的优化调度方案能够在提升系统风电消纳率及运行经济性的同时兼顾系统的低碳高效运行。