本發明涉及綜合能源系統優化，具體涉及一種考慮氫能多元利用和需求響應的綜合能源系統優化調度方法。
背景技術：
1、現有技術中，綜合能源系統（integrated?energy?system,?ies）面臨向多能協同、清潔低碳、高效智能方向轉型的迫切需求。氫能作為新型清潔能源，具備良好的跨時域、跨行業協同能力，在電、氣、熱多能互聯中發揮重要的樞紐作用。然而，目前的研究針對氫能多元利用系統建模尚不完善，缺乏對兩階段電轉氣（power?to?gas，p2g）全過程的精細化建模與優化。
2、當前分布式能源與摻氫熱電聯產(combined?heat?and?power?unit，chp)聯合優化的方法已具一定基礎，但在考慮p2g產氫過程與碳捕集系統參與下的熱電耦合機制方面仍顯不足。現有研究方法少有考慮動態熱電比、摻氫特性及其對系統碳排放水平的影響。因此，亟需開發一種融合分布式電源、兩階段p2g過程、碳捕集（carbon?capture?andstorage,?ccs）與動態熱電比特性的摻氫熱電聯產協同運行的優化方法，以提升綜合能源系統整體的低碳性和靈活性。
技術實現思路
1、為了解決上述技術問題，本發明提供一種在階梯式碳交易機制約束下的考慮氫能多元利用和需求響應的綜合能源系統優化調度方法，該方法綜合考慮了氫能在綜合能源系統中的多元利用特性，以及用戶側可調負荷在需求響應機制下的調節能力；并且該方法考慮了階梯式碳交易機制作為運行約束，提升綜合能源系統的經濟性和靈活性，并且降低系統的棄風棄光量和二氧化碳排放量。
2、本發明采取的技術方案為：
3、考慮氫能多元利用和需求響應的綜合能源系統優化調度方法，包括以下步驟：
4、步驟1：基于氫能多元利用構建?p2g兩階段運行模型；
5、步驟2：構建考慮分布式電源（distributed?generation，dg）、兩階段p2g、碳捕集ccs與動態熱電比的摻氫熱chp協同運行模型；
6、步驟3：在步驟2的基礎上引入階梯式碳交易機制，構建ies低碳經濟運行模型；
7、步驟4：在步驟3建立的ies低碳經濟運行模型的基礎上，結合ies的負荷特性，將需求響應機制融入調度框架，激勵用戶主動調整用能行為，構建以?ies運行成本最小化為目標函數的ies優化模型；
8、步驟5：考慮綜合能源系統中各設備和功率平衡約束，對步驟4建立的ies優化模型進行求解。
9、所述步驟1中，電轉氣（p2g）兩階段中，第一階段為將可再生能源產生的電能經過電解槽（electrolyzer,?el）轉化為氫氣。其中，一部分氫氣用于滿足氫負荷需求，其余氫氣可分別用于：①通過摻氫chp發電并供熱；②經燃料電池（hydrogen?fuel?cell,?hfc）回轉發電并通過換熱器回收余熱；③儲存在高壓儲氫罐中以實現跨時段調峰。
10、第二階段為將第一階段產生的氫氣送入甲烷反應器（methanation?reactor,?mr）生成合成天然氣。其中：
11、1.1：電解槽運行和約束模型如式（1）所示：
12、（1）；
13、式（1）中：、分別為綜合能源系統中el在 t時刻輸出的氫能和消耗的電功率；為el的能量轉換率；為下一時刻el消耗的電功率；、分別為el消耗電功率的最小值和最大值；、分別為ies中el的爬坡功率上下限。
14、1.2：氫燃料電池模型如式（2）所示：
15、（2）；
16、式（2）中：、分別為hfc設備的電能和熱能轉換率；、、分別為綜合能源系統中hfc設備 t時刻輸出的電功率、熱功率與消耗的氫能；、分別為ies中hfc設備消耗氫能的最小值和最大值；、分別為hfc設備熱電比的上下限。
17、1.3：儲氫罐運行和約束模型如式（3）所示：
18、（3）；
19、式（3）中：為 t時刻儲能值；為儲氫罐上一時刻的儲能值；、分別為 t時刻儲氫罐儲、放氫功率；、分別為儲氫和放氫效率；為儲氫罐容量；為單位時間步長，取1h；、分別為儲氫罐最大充氫和放氫功率。
20、1.4：甲烷反應器運行模型如式（4）所示：
21、（4）；
22、式（2）中：為?mr的能量轉換率；、分別為ies中?mr設備 t時刻所輸出的天然氣功率與消耗的氫功率；、分別為ies中mr設備消耗功率的最小值與最大值；
23、p2g兩階段運行模型中第一階段為將可再生能源產生的電能經過電解槽轉化為氫氣，如式（1）~電轉氣（3）所示；第二階段為將第一階段產生的氫氣送入甲烷反應器生成合成天然氣，如式（4）所示。
24、所述步驟2中，摻氫chp協同運行模型包括考慮動態熱電比的摻氫chp機組運行和約束模型、碳捕集設備運行模型、蓄電池和蓄熱槽運行和約束模型、分布式電源和chp機組協同運行模型以及p2g設備運行和約束模型，具體模型的數學表達式如式（5）~式（13）所示。
25、2.1：摻氫chp機組運行和約束模型如式（5）所示：
26、（5）；
27、式（5）中：為 t時刻chp機組的天然氣摻氫體積比；、分別為 t時刻所消耗的天然氣、氫氣的體積；、分別為chp機組在 t時刻輸出的電功率和熱功率；、分別為天然氣和氫氣的低位熱值；、、分別為chp機組的發電效率、產熱效率和總效率。
28、2.2：引入動態熱電比指標，用于chp機組在不同時間段內熱電輸出比值的動態變化特性，從而刻畫系統在多能負荷響應下的能量分配策略與運行偏向，定義如式（6）所示：
29、（6）；
30、式（6）中：為chp機組在 t時刻的熱電比；、分別為chp機組在 t時刻的產熱效率和發電效率。
31、chp的總效率隨動態熱電比的增大而增大，碳排放強度隨動態熱電比的增大而減小，如式（7）所示：
32、（7）；
33、式（7）中：、、分別為chp機組在 t時刻的總輸出功率，產熱效率和發電效率；為chp機組在 t時刻的熱電比；為chp機組在 t時刻的碳排放強度；為混氫天然氣的碳排放系數；為chp機組的輸入摻氫天然氣總功率。
34、2.3：碳捕集設備的運行模型如式（8）所示：
35、（8）；
36、式（8）中：為碳捕集總能耗功率；為基礎耗能功率；為運行耗能功率；、、分別為碳捕集機組在 t時刻的耗能量、碳捕集效率和單位碳排放強度；為碳排放量；為碳捕集機組在捕集單位co2是所消耗的能量。
37、在某一時刻下捕集到的co2量如式（9）所示：
38、（9）；
39、式（9）中：為碳捕集機組在 t時刻捕集到的co2量；為碳捕集機組在 t時刻的碳捕集效率；為碳排放量；
40、2.4：蓄電池和蓄熱槽運行和約束模型如式（10）~式（11）所示：
41、（10）；
42、式（10）中：為 t時刻蓄電池儲能值；為上一時刻蓄電池儲能值；、分別為 t時刻蓄電池充電、放電功率；、分別為充電和放電效率；為蓄電池容量；、分別為蓄電池最大充、放電功率。
43、（11）；
44、式（11）中：為 t時刻蓄熱槽儲能值；為上一時刻蓄熱槽儲能值；、分別為 t時刻蓄電池充熱、放熱功率；、分別為充熱和放熱效率；為蓄熱槽容量；、分別為蓄熱槽最大充熱和放熱功率。
45、2.5：分布式電源和chp機組輸出電功率可分為三部分，如式（12）所示：
46、（12）；
47、式（12）中：、、分別為綜合能源系統中光伏機組、風力機組和chp機組在 t時刻的發電功率；、、分別為光伏機組在 t時刻供電負荷需求、蓄電池充電和p2g設備的電功率；、、分別為風力機組在 t時刻供電負荷需求、蓄電池充電和p2g設備的電功率；、、分別為chp機組在 t時刻供電負荷需求、蓄電池充電和p2g設備的電功率。
48、2.6：綜合能源系統中p2g設備在 t時刻的運行和約束如式（13）所示：
49、（13）；
50、式（13）中：為ies中p2g設備在 t時刻的輸入電功率；為 t時刻電解槽耗電功率；、、分別為光伏、風機、chp機組在 t時刻輸送電解槽的電功率；、分別為p2g設備耗電功率的上、下限；、分別為ies中光伏機組出力上、下限；、分別為ies中風力機組出力上、下限。
51、所述步驟3中，ies低碳經濟運行模型包括階梯式碳交易機制中初始碳排放權分配、實際碳排放量計算、碳交易額和階梯式碳交易成本計算模型，具體模型的數學表達式如式（14）~式（17）所示。
52、階梯式碳交易機制中初始碳排放權如式（14）所示：
53、（14）；
54、式（14）中：表示ies的初始碳排放權；、、分別為單位購電、購熱功率和天然氣消耗的碳配額；、分別為ies中 t時刻外購電功率和外購熱功率；、分別為chp機組和燃氣鍋爐在 t時刻的天然氣消耗量；
55、實際碳排放量如式（15）所示：
56、（15）；
57、式（15）中：為ies的實際碳排放量；、、分別為單位購電、購熱功率和天然氣消耗的實際碳排放系數；、分別為?ies中 t時刻外購電功率和外購熱功率；、分別為chp機組和燃氣鍋爐在 t時刻的天然氣消耗量。為兩階段p2g運行減少的co2量；為碳捕集裝置捕集的co2量；為轉換為單位天然氣減少的co2量；為ies中p2g設備在 t時刻的輸入電功率。
58、ies中實際參與的碳交易額如式（16）所示：
59、（16）；
60、式（16）中：為實際參與的碳交易額；、分別為實際碳排放量和初始碳排放權；
61、階梯式碳交易成本如式（17）所示：
62、（17）；
63、式（17）中：為系統碳交易成本；為市場碳交易基價；為獎勵系數； l為系統碳排放量的區間，為價格增長幅度；為實際參與的碳交易額。
64、所述步驟4中，本發明結合?ies中電、熱、氫負荷的運行特性，將總體負荷分為固定負荷和柔性負荷，固定負荷指對時間與能量形態均無可調節余地的基礎負荷，既不可在時域內平移，也不可在能域間轉換；柔性負荷則具備一定調控潛力，可進一步分為可轉移負荷與可轉換負荷。其中，固定負荷不參與需求響應，任一時刻系統負荷表示為：
65、（18）；
66、式（18）中： i為ies中負荷的種類，包括電、熱、氫負荷；為 t時刻需求響應后的負荷；為固定負荷，不參與需求響應；為柔性負荷的轉移量；為柔性負荷的轉換量；
67、可轉移負荷在調度周期內的時長分布可靈活調整，但須滿足能量守恒約束，在整個研究周期內的轉移量總和為零，從而保證負荷總量不變。此類調控實質上對應負荷在時間軸上的橫向平移，其數學表達式如式（19）所示：
68、（19）；
69、式（19）中：為柔性負荷的轉移量；、分別為 t時刻可轉移負荷的轉入、轉出標記；、分別為 t時刻第 i種負荷的轉入、轉出量；、分別為可轉移負荷量上、下限。
70、ies中有一定比例的可轉換負荷，為更好地滿足用戶在各類能量形式上的實時需求。該類負荷具備跨能量形式調節的能力，即在滿足同一時刻供能需求的前提下，將某一形式的能源負荷轉換為其他形式，實現負荷的縱向平移能夠靈活進行需求響應調整。可轉換負荷的調節在某一時刻的可轉換負荷總量需保持恒定，即不可對總負荷水平產生擾動，僅在能量種類間重新分配。其參與需求響應的調度行為用數學表示，如式（20）所示：
71、（20）；
72、式（20）中：為柔性負荷的轉換量；、分別為 t時刻可轉換負荷的轉入、轉出標記；、分別為 t時刻第 i種負荷的轉入、轉出量；、分別為可轉換負荷量上、下限。
73、為有效激勵用戶積極參與綜合能源系統中的需求響應調度，在進行負荷轉移或能量形式轉換的過程中，可通過設置相應的經濟補貼機制，對用戶的靈活調節行為給予補償。需求響應補償成本表示為：
74、（21）；
75、式（21）中：為ies需求響應補償成本；、為可平移負荷和可轉換負荷補償系數；為柔性負荷的轉移量；為柔性負荷的轉換量；
76、所述步驟4中，以綜合能源系統綜合成本最小為目標函數，如式（22）所示：
77、（22）；
78、式（22）中：、、、、、分別為ies綜合成本、運行成本、碳交易成本、棄風棄光成本、dr補償成本、購能成本和碳捕集成本；
79、ies設備運行成本如式（23）所示：
80、（23）；
81、式（23）中：為ies的設備運行成本最低函數；、、、、、、、分別為ies中 t時刻蓄電池運行成本，儲氫罐運行成本，蓄熱槽運行成本，電解槽運行成本，chp機組運行成本，電鍋爐運行成本、燃氣鍋爐運行成本和氫燃料電池運行成本。
82、ies中棄風棄光成本如式（24）所示：
83、（24）；
84、式（24）中：為棄風棄光成本；為棄風棄光懲罰系數；為 t時刻的棄風棄光功率。
85、ies中購能成本如式（25）所示：
86、（25）；
87、式（25）中：為ies的購能成本；、、、分別為 t時刻的單位購電、購熱、購氫、購氣價格；、、、分別為 t時刻的購電、購熱、購氫、購氣功率。
88、ies優化模型以綜合能源系統綜合成本最小為目標函數如式（22）所示，其中ies設備運行成本、棄風棄光成本、購能成本如式（23）-（25）所示。
89、所述步驟5中：
90、5.1：功率平衡約束如式（26）所示：
91、（26）；
92、式（26）中：、、、、、分別為 t時刻ies中風力機組輸入功率、光伏機組輸入功率、chp機組發電功率、氫燃料電池發電功率、蓄電池放電功率和上級電網購電功率；、、、分別為 t時刻ies中需求響應后的電負荷、電鍋爐耗電功率、電解槽耗電功率和蓄電池充電功率；、、、、、分別為 t時刻ies中chp機組發熱功率、蓄熱槽放熱功率、燃氣鍋爐放熱功率、電鍋爐放熱功率、購熱功率和電解槽余熱功率；、分別為 t時刻ies中需求響應后的熱負荷和蓄熱槽儲熱功率；、、分別為 t時刻ies中電解槽產氫功率、儲氫罐放氫功率、購氫功率；、、、、分別為 t時刻ies中需求響應后的氫負荷、chp機組耗氫功率、氫燃料電池耗氫功率、甲烷反應器耗氫功率和儲氫罐充氫功率。
93、5.2：儲能設備約束如式（27）所示：
94、（27）；
95、式（27）中： j為三種儲能裝置，分別為蓄電池、蓄熱槽和儲氫罐裝置；、分別為 t時刻第 j種儲能裝置的充、放功率；、為0-1變量分別表示第 j種儲能裝置的充放情況；為第 j種儲能裝置的最大充放功率；為 t時刻第 j種儲能裝置的儲能值；、為第 j種儲能裝置的充、放效率；、、分別為 t時刻第 j種儲能裝置的容量和上、下限。
96、5.3：質子交換膜電解槽在電解過程中屬于放熱反應，其釋放的大量熱量經熱交換器回收后直接并入熱網，用以滿足系統熱負荷需求，從而減輕常規供熱設備的運行壓力，電解槽余熱傳遞約束如式（28）所示：
97、（28）；
98、式（28）中：、、、分別為 t時刻el產熱功率、熱損耗功率、輸出熱功率、輸入ies的熱功率；為 t時刻el的耗電功率；為el產熱效率；為el的等效熱阻；為對流換熱系數；、分別為 t時刻el溫度和環境溫度。
99、5.4：風機、光伏出力約束如式（29）所示：
100、（29）；
101、式（29）中：、分別為 t時刻風機、光伏預測出力；、分別為 t時刻ies中風力機組和光伏機組的出力上限。
102、所述步驟5中，以式（22）為目標函數，利用cplex求解器對ies優化模型的線性化問題求解。具體線性化過程為：
103、1）：根據所需精度，取個分段點，分別為第1,2… q+1個分段點，將原函數劃分為個區間；
104、2）：添加個連續型輔助變量[,,…,]與二進制型輔助變量[,,…,]，
105、其中，,,…,分別表示為第1,2… q+1個連續型輔助變量，,,…,分別表示為第1,2… q+1個二進制型輔助變量。
106、且滿足：
107、(30)；
108、式（30）中：,,…,分別表示為第1,2… q+1個連續型輔助變量；
109、3）：將非線性函數替代為線性表達式：
110、(31)。
111、式（31）中：為 t時刻ies的購能功率；為ies購能碳排放量；為第 q個分段點的購能碳排放量；為第 q個連續型輔助變量；為第 q個分段點；為將原函數劃分的區間個數；為分段線性化后用于遍歷各分段的索引號，取1,2… q+1。
112、求解過程包括以下步驟：
113、step1：建立以ies最小運行成本為目標函數如式（22）所示，式（25）~式（29）為約束條件的綜合能源系統優化模型；
114、step2：將目標函數線性化處理，具體線性化過程如式（30）~式（31）所示；
115、step3：在matlab中調用cplex求解器求解該優化模型，cplex求解器是由ibm開發的專業數學優化求解器，用于求解線性規劃、整數規劃、混合整數線性規劃、二次規劃及其擴展模型；
116、step4：提取與分析求解結果。
117、本發明一種在階梯式碳交易機制約束下的考慮氫能多元利用和需求響應的綜合能源系統優化調度方法，技術效果如下：
118、1）本發明優化方法根據氫能源低碳性，構建了考慮氫能多元利用的p2g兩階段運行模型。
119、2）本發明優化方法根據熱電聯產機組可調熱電比的特性，構建了考慮dg、p2g、ccs與動態熱電比的摻氫chp協同運行模型。
120、3）本發明優化方法在ies系統中引入階梯式碳交易機制，能夠在原先的ies基礎上增加系統的碳交易的收益，從而降低ies的綜合成本，同時降低了系統的碳排放量。
121、4）在本發明優化方法中，引入了需求響應機制，兼顧了用戶側的經濟性和電網側的穩定性，用戶側的綜合充電成本通過需求響應補償機制有所降低，電網側的負荷波動也得到了更好的平抑，削峰填谷效果明顯。
122、5）本發明優化方法對ies使用后，使系統保證氣網供應充足的情況下，實現ies購熱、購電、購氫成本為零，以及ies獨立運行的效果，并且顯著降低系統的碳排放量，更貼合ies實際運行情況。
123、6）該優化方法通過引入氫能多元利用和用戶側需求響應機制，確保綜合能源系統低碳運行的前提下，提高綜合能源系統的靈活性和經濟性。