一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法技术

本发明专利技术公开了一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，属于优化调度领域。本文首先构建了精细化的DIES架构，在此基础上，分析了碳排放税机制的主从博弈模型，并考虑了用户侧的用能特性；其次，以税收成本和生产成本之和最小为目标函数，构建了计及碳排放税和DR的主从博弈优化调度模型；然后，利用KKT最优条件对模型进行线性化处理，采用Yamilp/Cplex进行求解；最后，进行算例分析，结果表明所提策略能有效兼顾系统运行的低碳性和经济性。和经济性。

【技术实现步骤摘要】
一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法


[0001]本专利技术属于优化调度领域，具体涉及一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法。

技术介绍

[0002]在“碳达峰、碳中和”背景下，解决区域综合能源系统(District Integrated Energy System,DIES)中低碳经济运行问题，发挥多能流优势互补是实现低碳运行的有效途径。
[0003]近年来，随着国家能源交易市场的逐步调整，建设低碳经济、安全高效的新一代智能电网已成为当前研究的重中之重。以冷热电联产(combined cooling heating and power,CCHP)为核心的区域综合能源系统(District integrated energy system,DIES)是提高能源梯级利用率和绿色经济可持续发展的重要一环，已成为当今世界能源高效利用的主流新模式之一。
[0004]目前针对DIES的低碳化运行已有大量研究，总体可分为两类，一是对系统产生的碳排放直接纳税；二是在目前的碳交易市场体制下，将系统产生的碳排放进行交易。提出的一种碳交易机制，虽然直指碳排放量，但其作为一种人为设计、控制的市场，存在着昂贵的管理成本以及潜在的道德风险。与碳交易相比，本文提出的碳排放税在管理及运行成本上相对要低很多；而且其作为政府纳税来源之一，相对稳定便于相关企业做好减排工作，另外还可以增加政府收入，从而可用来投资开发新的减排技术。
[0005]基于此，为进一步深化能源市场改革、促进新能源的消纳，在考虑碳排放税的基础上，通过用户侧需求响应(Demand Response,DR)来对DIES进行灵活调控。将单一的电负荷DR建模延伸至冷、热负荷，实现系统多能互补灵活运行。提出的一种碳排放同需求响应相结合的调度方法，在提高能源梯级利用率的同时有效限制了碳排放量，但并未解决系统各主体利益相冲突的问题以及分布式的调度策略的要求。
[0006]能源市场的改革为大量新兴主体的涌入提供了条件，采用博弈论的思想可以很好地处理各主体利益冲突的难题。提出的一种基于碳交易机制的RIES多主体主从博弈优化，但未考虑用户侧用能特性与能源市场间的交互关系。综上所述，针对碳排放税、主从博弈及能源市场三者间相结合的研究尚未见报道，因此，建立能发挥三者优势互补的DIES优化调度策略是当前研究亟待解决的重点。
[0007]为此，本文提出了一种计及碳排放税和DR的主从博弈优化调度策略。首先，构建了精细化的DIES多能互补架构，在此基础上，分析了碳排放税机制的主从博弈模型，并考虑了用户侧的用能特性。其次，以税收成本和生产成本之和最小为目标函数，建立了计及碳排放税和DR的主从博弈优化调度模型。然后，利用KKT最优条件对模型进行线性化处理，采用结合Cplex工具箱的目标级联分析法进行求解。最后算例结果表明了所提策略的低碳性和经济性。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，包括如下步骤：
[0011]步骤1：构建区域综合能源系统架构，以政府机构对碳排放量直接纳税作为上层领导者，综合能源销售商基于碳排放税和用户侧DR，制定运行计划，将综合能源销售商作为下层跟随者，建立基于碳排放税机制的双层优化主从博弈模型；
[0012]步骤2：以税收成本和生产成本之和最小为目标函数，构建计及碳排放税和用户侧需求响应的主从博弈优化调度模型；
[0013]步骤3：利用利用KKT(Karush
‑
Kuhn
‑
Tucker，最优条件)对主从博弈优化调度模型进行线性化处理，采用Yamilp/Cplex(数学双层规划解模工具)对模型进行求解；
[0014]步骤4：进行算例分析。
[0015]优选地，其特征在于：区域综合能源系统包括输入侧单元、耦合点单元和输出侧单元；
[0016]输入侧单元，包括电网和气网；
[0017]耦合点单元，包括风电机组、P2G装置、CCHP联产机组、耦合装置和储能装置；
[0018]风电机组，被配置为用于将多余的风能转化成电能；
[0019]P2G装置，被配置为用于实现电
‑
气之间的双向耦合，增强电网与天然气网间的耦合水平；
[0020]CCHP联产机组，包括燃气轮机、余热锅炉和燃气锅炉；
[0021]耦合装置，包括蓄冷空调和吸收式制冷机；
[0022]储能装置，包括蓄电池和蓄热装置；
[0023]输出侧单元，包括冷负荷、热负荷和电负荷；
[0024]输入侧单元和风电机组作为供能侧，用来供电和供气；耦合装置、CCHP联产机组以及P2G装置用来进行能量转换，提高能源的梯级利用率；输出侧单元作为用能侧，满足用户集群的多能需求；储能装置在用能低谷期储能，在用能高峰期释能，起到“削峰填谷”的正作用；输入侧单元与输出侧单元通过能源联络线连接，CCHP联产机组、耦合装置、P2G装置、储能装置均与能源联络线相连接来进行能量转换，从而实现多能流间的耦合。
[0025]优选地，P2G装置的数学模型为：
[0026][0027]式中：P
P2G
(t)、H
P2G
(t)、P
H2
(t)、F
P2G
(t)分别为P2G装置输入的电能、输出的热能、氢能和天然气流量；η
EL
、η'
EL
分别为输入和输出能量转换效率；R
LHV
为天然气低热值。
[0028]优选地，CCHP联产机组的燃气轮机数学模型为：
[0029][0030]式中：a、b、c分别为燃耗系数和GT启停成本系数；P
GT
(t)、G
GT
(t)、H
GT
(t)分别为GT输出的电能、消耗的气能和输出的热能；η
GT
为能量转换效率；
[0031]CCHP联产机组的余热锅炉数学模型为：
[0032][0033]式中：H
WHB
(t)为WHB输出的热能；η
h
、η
WHB
为热损失率和热回收率；
[0034]CCHP联产机组的燃气锅炉数学模型为：
[0035]H
GB
(t)＝G
GB
(t)η
GB
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0036]式中：H
GB
(t)、G
GB
(t)为分别GB输出的热能和输入的气能；η
GB
为产热效率。
[0037]优选地，蓄冷空调与吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：构建区域综合能源系统架构，以政府机构对碳排放量直接纳税作为上层领导者，综合能源销售商基于碳排放税和用户侧DR，制定运行计划，将综合能源销售商作为下层跟随者，建立基于碳排放税机制的双层优化主从博弈模型；步骤2：以税收成本和生产成本之和最小为目标函数，构建计及碳排放税和用户侧需求响应的主从博弈优化调度模型；步骤3：利用KKT最优条件对主从博弈优化调度模型进行线性化处理，采用数学双层规划解模工具对模型进行求解；步骤4：进行算例分析。2.根据权利要求1所述的计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：区域综合能源系统包括输入侧单元、耦合点单元和输出侧单元；输入侧单元，包括电网和气网；耦合点单元，包括风电机组、P2G装置、CCHP联产机组、耦合装置和储能装置；风电机组，被配置为用于将多余的风能转化成电能；P2G装置，被配置为用于实现电
‑
气之间的双向耦合，增强电网与天然气网间的耦合水平；CCHP联产机组，包括燃气轮机、余热锅炉和燃气锅炉；耦合装置，包括蓄冷空调和吸收式制冷机；储能装置，包括蓄电池和蓄热装置；输出侧单元，包括冷负荷、热负荷和电负荷；输入侧单元和风电机组作为供能侧，用来供电和供气；耦合装置、CCHP联产机组以及P2G装置用来进行能量转换，提高能源的梯级利用率；储能装置在用能低谷期储能，在用能高峰期释能，起到“削峰填谷”的正作用；输出侧单元作为用能侧，满足用户集群的多能需求；输入侧单元与输出侧单元通过能源联络线连接；CCHP联产机组、耦合装置、P2G装置、储能装置均与能源联络线连接来进行能量转换，从而实现多能流间的耦合。3.根据权利要求2所述的计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：P2G装置的数学模型为：式中：P
P2G
(t)、H
P2G
(t)、P
H2
(t)、F
P2G
(t)分别为P2G装置输入的电能、输出的热能、氢能和天然气流量；η
EL
、η'
EL
分别为输入和输出能量转换效率；R
LHV
为天然气低热值。4.根据权利要求2所述的计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：CCHP联产机组的燃气轮机数学模型为：
式中：a、b、c分别为燃耗系数和GT启停成本系数；P
GT
(t)、G
GT
(t)、H
GT
(t)分别为GT输出的电能、消耗的气能和输出的热能；η
GT
为能量转换效率；CCHP联产机组的余热锅炉数学模型为：式中：H
WHB
(t)为WHB输出的热能；η
h
、η
WHB
为热损失率和热回收率；CCHP联产机组的燃气锅炉数学模型为：H
GB
(t)＝G
GB
(t)η
GB
ꢀꢀꢀꢀ
(5)；式中：H
GB
(t)、G
GB
(t)为分别GB输出的热能和输入的气能；η
GB
为产热效率。5.根据权利要求2所述的计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：蓄冷空调与吸收式制冷机的数学模型为：式中：Q
AC
(t)、P
AC
(t)为分别AC输出的冷能和输入的电能；Q
AR
(t)、H
AR
(t)为分别AR输出的冷能和输入的热能；η
AC
、η
AR
为制冷效率；蓄电池的数学模型为：式中：SOC
t
为BT的荷电状态；Δt为持续时间；P
BT,ch
(t)、P
BT,dis
(t)为BT的充放电能；η
BT,ch
、η
BT,dis
为充放电效率。6.根据权利要求2所述的计及碳排放税和需求响应的DIES主从博弈优化调度方法，其特征在于：在步骤1中，碳排放税机制是政府机构按照碳排放量直接纳税的机制，其目的是在保证获益最大的同时为将某DIES的碳排放量限制在一定范围内；因此，单主单从博弈为刻画政府部门与DIES的能源交易提供了合理的建模与分析方法；由于政府机构与综合能源销售商既相对独立又相互制约，故建立以政府机构为上层Leader，综合能源销售商为下层Follower，同时计及用户侧DR行为的双层优化主从博弈模型；双层优化主从博弈模型，包括上层领导者模型、下层跟随者模型和用户侧DR模型；上层领导者模型；政府机构通过对碳排放量制定合理的碳排放税率，实现以最少税收成本将碳排放量控制在容许范围内的目标，其目标函数为：式中：S
i
为机组i的容量；α
i
为政府机构制定的碳排放税率；为避免因碳排放限制下降而导致碳排放总量增加，还需对其加以约束，表示为：
式中：E
P
为容许碳排放总量；i为机组；j为负荷段；ΔT
j
为第j个负荷段持续的时间；e
i
为碳排放系数；P
ij
为综合能源销售商的发电量；下层跟随者模型；综合能源销售商在考虑政府机构和用户侧的基础上制定售能计划，以碳排放生产成本最小为目标函数，表示为：式中：P
ij
∈argmin为下层优化问题的最优解；b
i
为机组i的等效发电成本；由于在下层Follower模型中，销售商与供电或者供热公司通过竞价的方式来获取用户侧的售能优先权，从而形成一种内部能源价格优化的结果；为避免用户侧直接与供电或者供热公司直接交易，需保证销售商的售价略低于市价，故下层优化问题的约束条件为：式中：P
im
、P
in
分别为机组最小和最大输出功率；μ
j
为调度问题的对偶变量；D
j
为功率需求；c
g,b
(t)和c
g,s
(t)分别为t时刻上网和售电电价；c
e,b
(t)和c
e,s
(t)分别为t时刻出售给用户侧和购买上级电网的电价；c
h,b
(t)和c
h,s
(t)分别为t时刻出售给用户侧和购买上级热网的热价；c
h,min
(t)为热能最低的价格限制；c
h,max
(t)为热能最高的价格限制；此外从上级电网购电量约束、上级热网购热量约束各个机组出力上下限约束以及售能约束为：式中：P
e
(t)为销售商从上级电网的购电量；P
h
(t)为销售商从上级热网的购热量；P
d
(t)为设备的出力；为k类能源的售价；P
e,max
(t)为从上级电网购电量上限；P
h,max
(t)为从上级热网购热量上限；P
d,min
(t)和P
d,max
(t)为设备出力的上下限；为销售商售电价格的上下限；为销售商售热价格的上下限；
用户侧DR模型；用户侧DR的电、热、冷能实际负荷量为：式中：L
j,e,R
(t)、L
j,h,R
(t)、L
j,c,R
(t)分别为t时刻的实际电、热、冷负荷；L
j,E
(t)、L
j,H
(t)、L
j,C
(t)分别为基本电、热、冷负荷；L
j,E,DR
(t)、H
j,h
(t)、C
j,c
(t)分别为电、热、冷需求响应负荷；用户侧在销售商给出的售价基础上，灵活对电、热、冷的负荷需求优化；以消费者剩余最大为目标函数，表示为：为：为：DI
j,k
(t)＝L
j,k,R
(t)
‑
L
j,k,B
(t)
ꢀꢀꢀ
(17)；式中：F
j,user
为销售商综合效益；L
j,k,R
...

【专利技术属性】
技术研发人员：于永进，荆如兵，张玉敏，吉兴全，刘健，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：