一种综合能源系统及其优化调度方法技术方案

本发明专利技术属于新能源与节能技术领域，为提升综合能源系统的能效水平，公开了一种考虑梯级碳交易机制和电转气(P2G)两阶段运行的综合能源系统及其优化调度方法。首先通过引入碳捕集系统(CCS)，解决了P2G所需碳源和热电联产机组的碳排放问题；同时在传统P2G的基础上引入氢燃料电池，研究P2G两阶段运行的多重效益；最后，运用梯级碳交易机制限制碳排放。在此基础上，建立以碳交易成本、系统运行成本、弃风弃光成本最小为目标的优化调度模型，利用IPOPT商业求解器进行求解，通过与其他传统模型对比分析，表明了所提模型的经济性、低碳性和风光消纳能力。纳能力。纳能力。

【技术实现步骤摘要】
一种综合能源系统及其优化调度方法


[0001]本专利技术属于新能源与节能
，具体为一种考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统及其优化调度方法。

技术介绍

[0002][0003]热电联产(combined heat and power,CHP)是IES的主要形式之一，在发电的同时将产生的热能也加以利用，提高了系统的经济性。但其“以热定电”的特性限制了可再生能源的消纳。为了增强CHP的灵活性，电转气(P2G)作为电力系统和天然气系统之间的连接器，可以将电能转化为天然气。但是，目前关于P2G 的研究大部分只考虑电转天然气的单一过程，未深入细化研究电解槽、甲烷反应器的能量转化过程。贾燕冰等指出电制氢气的效率比电制天然气高25％，而且燃烧氢气不排放二氧化碳。同时，鲜有文献考虑电解槽和氢燃料电池的产热作用，因此有必要对P2G两阶段运行深入研究。
[0004]在上述研究中，P2G的能量转换需要购买二氧化碳，这为P2G带来了碳源成本。碳捕集技术广泛应用于燃煤或燃气电厂。碳捕集系统(CCS)消耗电能捕获热电联产(CHP)排放的二氧化碳，相当于增加了CHP的电力负荷，进而在减少碳排放的同时提高可再生能源的利用效率。然而，目前的碳捕集技术多数为将捕获的二氧化碳存储起来，并远距离传输到P2G，需要传输和存储成本。因此，可以考虑引入CCS将CHP排放的二氧化碳直接捕获到P2G，避免远距离传输和储存，在满足P2G碳源的同时，减少CHP的碳排放。
[0005]针对上述研究，现有技术存在如下问题，大部分研究未提及CCS对P2G的作用；运用P2G时，未充分考虑P2G两阶段运行产生的效益；所建立的模型大多采用固定价格进行碳交易，没有对碳排放模型进行细化研究。同时，针对CCS、 P2G两阶段运行和梯级碳交易机制三者协调运行的研究也较少。

技术实现思路

[0006]针对上述问题本专利技术提供了一种考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统及其优化调度方法。该系统是考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统，是一种低碳经济调度模型，是以碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本综合最小为目标函数建立的。通过与其他传统场景对比，验证了CCS、细化P2G两阶段运行以及梯级碳交易机制对IES优化调度的积极影响，表明了所提系统及方法具有较高的经济性、低碳性和风光消纳能力。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种综合能源系统，所述综合能源系统是在考虑梯级碳交易机制和P2G两阶段运行下搭建的，包括风电光伏发电单元、碳交易市场单元、 CCS、P2G两阶段运行相关装置、CHP机组、微型燃气轮机组(MT)、电制冷机(ER)以及各类负荷；其中，P2G两阶段运行相关装置包括甲烷反应器(MR)、电解槽(EL)和氢燃料电池(HFC)；各类负荷包括电负荷、
热负荷、气负荷和冷负荷；风电、光伏为综合能源系统提供清洁的可再生能源；CHP和HFC是系统中电、热的重要供应源；CCS捕集CHP机组产生的二氧化碳以提升碳减排； EL进行热氢联产，是实现电能与氢、热能耦合的重要元件；MR将氢能转化为天然气能；MT燃烧天然气为系统提供电热冷能，实现气能与冷热电能之间的耦合；气负荷由气源和MR协调提供；ER与MT提供提供冷负荷所需冷能；MT 和P2G环节停止运行时燃煤CHP机组排放的二氧化碳经由梯级碳交易市场进行交易。
[0009]本专利技术还提供了一种基于上述综合能源系统的综合能源系统优化调度方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，系统中各单元模型的构建，包括碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型、梯级碳交易机制模型和其他环节的运行模型；
[0011]步骤2，综合考虑碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本，构建综合能源系统的优化运行目标函数；
[0012]步骤3，功率平衡约束条件及系统各环节运行约束条件的设立；
[0013]步骤4，采用通过Yalmip调用的IPOPT商业求解器进行求解。
[0014]进一步，所述步骤1中碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型具体包括 CHP热电联产环节和P2G两阶段运行环节，各环节的模型如下所示：
[0015](1)CHP热电联产环节：
[0016]CHP通过燃煤进行发电供给CCS、EL以及电负荷的用电，同时利用发电过程产生的热量来供应热负荷，其电能表达式为
[0017]P
CHP,e
(t)＝P
CHP,e1
(t)+P
CHP,e2
(t)+P
CHP,e3
(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0018]式中：P
CHP,e
(t)为CHP在t时段的发电功率；P
CHP,e1
(t)、P
CHP,e2
(t)和P
CHP,e3
(t) 分别为CHP在t时段供应给电网、CCS和EL的功率；
[0019](2)P2G两阶段运行环节
[0020]根据上述综合能源系统可知：电转气第一阶段，CCS消耗CHP提供的电能将其排放的二氧化碳捕获，并传输给MR，EL在制氢的同时引入热回收装置对产生的热量进行回收利用；第二阶段，MR利用一部分氢能合成甲烷；HFC将剩余氢能直接转化为电热能，相比于先合成甲烷再燃烧供能减少了能量的损耗和二氧化碳的排放；可见考虑P2G两阶段运行后可实现能源的精细化利用，提高能源利用效率；具体能量转化关系为：
[0021]1)CCS捕集二氧化碳环节：CCS捕集燃煤CHP机组排放的二氧化碳供电转气再利用，有效减少碳排放量，提高了系统的经济性；其碳捕集量表达式为
[0022]C
CC
(t)＝λ
CC
P
CHP,e2
(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0023]式中：C
CC
(t)为CCS在t时段的二氧化碳捕集量；λ
CC
为CCS的捕集系数；
[0024]2)EL热氢联产环节：在此环节引入热回收装置对电解槽产生的热量进行回收，将风光高发时段的电能转化为热能和氢能；其能量转化关系为
[0025][0026]P
EL,h
(t)＝λ
EL,h
P
CHP,e3
(t)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0027]式中：和P
EL,h
(t)分别为EL在t时段的制氢和产热功率；λ
EL,H2
和λ
EL,h
分别为EL的电制氢、产热转化系数；
[0028]3)MR制甲烷环节；MR就地利用CCS捕获的二氧化碳与EL产生的氢气合成甲烷，避免远距离传输和储存二氧化碳带来的费用和风险；其能量转化关系为
[0029]P
MR,gs
(t)＝λ
MR,gs
P
MR,H2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种综合能源系统，其特征在于：所述综合能源系统是在考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行下搭建的，包括风电光伏发电单元、碳交易市场单元、碳捕集系统、P2G两阶段运行相关装置、CHP机组、微型燃气轮机组、电制冷机以及各类负荷；其中，P2G两阶段运行相关装置包括甲烷反应器、电解槽和氢燃料电池；各类负荷包括电负荷、热负荷、气负荷和冷负荷；风电、光伏为综合能源系统提供清洁的可再生能源；CHP和氢燃料电池是系统中电、热的重要供应源；碳捕集系统捕集CHP机组产生的二氧化碳以提升碳减排；电解槽进行热氢联产，是实现电能与氢、热能耦合的重要元件；甲烷反应器将氢能转化为天然气能；微型燃气轮机燃烧天然气为系统提供电热冷能，实现气能与冷热电能之间的耦合；气负荷由气源和甲烷反应器协调提供；电制冷机与微型燃气轮机组提供冷负荷所需冷能；微型燃气轮机组和P2G环节停止运行时燃煤CHP机组排放的二氧化碳经由梯级碳交易市场进行交易。2.一种基于权利要求1所述综合能源系统的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，系统中各单元模型的构建，包括碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型、梯级碳交易机制模型和其他环节的运行模型；步骤2，综合考虑碳交易成本、系统运行成本和弃风弃光成本，构建综合能源系统的优化运行目标函数；步骤3，功率平衡约束条件及系统各环节运行约束条件的设立；步骤4，采用通过Yalmip调用的IPOPT商业求解器进行求解。3.根据权利要求2所述的一种综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述步骤1中碳捕集系统和电转气两阶段协调运行模型具体包括CHP热电联产环节和电转气两阶段运行环节，各环节的模型如下所示：(1)CHP热电联产环节：热电联产通过燃煤进行发电供给碳捕集系统、电解槽以及电负荷的用电，同时利用发电过程产生的热量来供应热负荷，其电能表达式为P
CHP,e
(t)＝P
CHP,e1
(t)+P
CHP,e2
(t)+P
CHP,e3
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：P
CHP,e
(t)为热电联产在t时段的发电功率；P
CHP,e1
(t)、P
CHP,e2
(t)和P
CHP,e3
(t)分别为热电联产在t时段供应给电网、碳捕集系统和电解槽的功率；(2)电转气两阶段运行环节根据上述综合能源系统可知：电转气第一阶段，碳捕集系统消耗热电联产提供的电能将其排放的二氧化碳捕获，并传输给甲烷反应器，电解槽在制氢的同时引入热回收装置对产生的热量进行回收利用；第二阶段，甲烷反应器利用一部分氢能合成甲烷；氢燃料电池将剩余氢能直接转化为电热能，相比于先合成甲烷再燃烧供能减少了能量的损耗和二氧化碳的排放；可见考虑电转气两阶段运行后可实现能源的精细化利用，提高能源利用效率；具体能量转化关系为：1)碳捕集系统捕集二氧化碳环节：碳捕集系统捕集燃煤热电联产机组排放的二氧化碳供电转气再利用，有效减少碳排放量，提高了系统的经济性；其碳捕集量表达式为C
CC
(t)＝λ
CC
P
CHP,e2
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：C
CC
(t)为碳捕集系统在t时段的二氧化碳捕集量；λ
CC
为碳捕集系统的捕集系数；2)电解槽热氢联产环节：在此环节引入热回收装置对电解槽产生的热量进行回收，将
风光高发时段的电能转化为热能和氢能；其能量转化关系为P
EL,h
(t)＝λ
EL,h
P
CHP,e3
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：和P
EL,h
(t)分别为电解槽在t时段的制氢和产热功率；λ
EL,H2
和λ
EL,h
分别为电解槽的电制氢、产热转化系数；3)甲烷反应器制甲烷环节；甲烷反应器就地利用碳捕集系统捕获的二氧化碳与电解槽产生的氢气合成甲烷，避免远距离传输和储存二氧化碳带来的费用和风险；其能量转化关系为P
MR,gs
(t)＝λ
MR,gs
P
MR,H2
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中：P
MR,gs
(t)为甲烷反应器在t时段的产气功率；P
MR,H2
(t)为t时段电解槽供应给甲烷反应器的氢功率；λ
MR,gs
为甲烷反应器的氢气转化系数；4)氢燃料电池热电联产环节：氢燃料电池内部发生氧化还原反应时，电子定向运动产生直流电压，经逆变器转化为交流电压后再经变压器升压将电能送至电负荷；化学反应发电的同时也会产生热量，从而减少其他设备的热出力，最终实现热电联产，同时，由于热电联产充分发挥了氢燃料电池的电热特性，本文近似取氢燃料电池的热电效率之和为定常数；其能量转化关系为P
HFC,e
(t)＝λ
HFC,e
P
HFC,H2
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)P
HFC,h
(t)＝λ
HFC,h
P
HFC,H2
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)λ
HFC,e
+λ
HFC,h
＝λ
HFC,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中：P
HFC,H2
(t)为t时段电解槽供应给氢燃料电池的氢功率；P
HFC,e
(t)和P
HFC,h
(t)分别为t时段氢燃料电池的发电、产热功率；λ
HFC,e
和λ
HFC,h
分别为氢燃料电池的电、热效率；λ
HFC,max
为氢燃料电池的热电效率之和最大值。4.根据权利要求2所述的一种综合能源系统优化调度方法，其特征在于：所述步骤1中其他环节的运行模型包括微型燃气轮机组电热冷联产环节和电制冷机运行模型，其中：(1)微型燃气轮机组电热冷联产环节具体为：微型燃气轮机组回收甲烷燃烧排出的高温烟气中的余热，提供冷热电能；其能量转化关系为，P
MT,e
(t)＝λ
MT,e
P
MT,gs
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)(9)式中，P
MT,gs
(t)为t时段微型燃气轮机组的耗气功率；P
MT,e
(t)为t时段微型燃气轮机组的发电功率；P
MT,h
(t)和P
MT,c
(t)分别为t...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵兴勇，李贵君，刘昊炀，赖建中，王雨祺，范晟，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：