本發(fā)明涉及虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度，尤其是涉及一種計及電轉氣和階梯式碳交易的虛擬電廠優(yōu)化方法。

背景技術：

1、在電力系統(tǒng)轉型和供能結構優(yōu)化的背景下，多能互補系統(tǒng)和低碳能源技術的推廣有助于提升能源利用效率與減排效果。然而，風電和光伏等分布式電源因其隨機性和波動性，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2、虛擬電廠作為一種先進的能源管理方式，通過對分布式電源的聚合和優(yōu)化調(diào)度，為分布式資源高效接入電網(wǎng)提供了技術支持，同時提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟性和低碳性。結合電轉氣（p2g）、碳捕集與封存（ccs）等低碳技術，虛擬電廠在實現(xiàn)多種能源形式的協(xié)同優(yōu)化和低碳運行方面展現(xiàn)出巨大的潛力。

3、現(xiàn)有關于虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的研究主要集中在不確定性建模、低碳技術或電碳交易的單一方面，較少系統(tǒng)性地考慮虛擬電廠在參與電碳聯(lián)合市場時的風光資源不確定性問題。因此，如何在綜合考慮不確定性和低碳技術和碳交易機制的前提下，進一步優(yōu)化虛擬電廠的調(diào)度決策，成為當前研究和實踐中的重要課題。

4、經(jīng)過檢索，中國發(fā)明申請公開號cn117674073a公開了一種計及階梯型碳交易的風電-碳捕集虛擬電廠的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，包括構建階梯型碳交易模型、構建風電-碳捕集虛擬電廠模型、引入模糊機會約束、構建約束條件以及對計及階梯型碳交易的風電-碳捕集虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度模型在約束條件下進行求解，得出各機組最優(yōu)出力分配方案等步驟，優(yōu)化調(diào)度的模型包括階梯型碳交易成本、火電機組發(fā)電成本、靈活運行的碳捕集電廠和風電廠運行維護成本，以系統(tǒng)總運行成本最小為目標優(yōu)化各機組出力。該現(xiàn)有申請未考慮電轉氣的因素，因此存在虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化不佳的問題。

5、如何實現(xiàn)綜合考慮電轉氣技術和階梯式碳交易的虛擬電廠優(yōu)化，成為需要解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種計及電轉氣和階梯式碳交易的虛擬電廠優(yōu)化方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種計及電轉氣和階梯式碳交易的虛擬電廠優(yōu)化方法，所述方法包括：對采集的風電和光伏出力數(shù)據(jù)、用戶側負荷數(shù)據(jù)以及氣象歷史數(shù)據(jù)進行預處理，形成完整的資源負荷時間序列數(shù)據(jù)集；

4、構建包括電解制氫和氫轉甲烷的雙階段電轉氣模型；

5、構建虛擬電廠參與電碳聯(lián)合市場的階梯式碳交易模型；基于雙階段電轉氣模型和碳捕集與封存系統(tǒng)深度耦合，構建協(xié)同供能的多元能源系統(tǒng)；

6、基于雙階段電轉氣模型、階梯式碳交易模型和多元能源系統(tǒng)的調(diào)度結果，構建虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型；將資源負荷時間序列數(shù)據(jù)集輸入虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型，輸出虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度方案。

7、優(yōu)選地，所述的雙階段電轉氣模型包括第一階段的電解制氫子模型以及第二階段的氫氣甲烷化子模型；

8、所述電解制氫子模型用于分析電解槽在不同負荷條件下的電能消耗與產(chǎn)氫量之間的關系；

9、所述氫氣甲烷化子模型用于分析甲烷化設備中氫氣與二氧化碳的轉化效率，確定產(chǎn)氣量與能耗之間的映射關系。

10、更加優(yōu)選地，所述的氫氣甲烷化子模型具體為：

11、，

12、式中：和為時刻電解消耗的電功率和產(chǎn)氫功率；和為時刻甲烷化設備的耗氫功率和產(chǎn)氣功率；和分別為電解水制氫和甲烷化的轉化效率；

13、所述的氫氣甲烷化子模型具體為：

14、，

15、式中：和分別為時刻碳捕集與封存技術再生的甲烷化利用的量以及封存的量；為甲烷的低熱值；為時刻碳捕集與封存技術再生的co2剩余量；為co2的密度。

16、優(yōu)選地，所述方法還包括構建綜合碳排放模型，其過程包括：

17、s3.1，基于歷史運行數(shù)據(jù)對風光發(fā)電、傳統(tǒng)發(fā)電、用戶側電、熱負荷的各類能源設備的碳排放特性進行詳細分析，評估其單位供電或供熱功率的碳排放強度，作為后續(xù)碳排放優(yōu)化的基準；其中歷史運行數(shù)據(jù)包括歷史一段時間內(nèi)各能源設備的出力以及碳排放數(shù)據(jù)；

18、s3.2，根據(jù)碳排放基準、系統(tǒng)總負荷需求以及不同能源設備的排放特性，分配虛擬電廠的碳排放配額，并在系統(tǒng)的總負荷框架內(nèi)設定初始的碳排放限額；

19、s3.3，結合系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和外部環(huán)境，動態(tài)調(diào)整碳排放限額，實現(xiàn)碳排放與電力需求、熱能供應的平衡，并為多元能源系統(tǒng)提供反饋。

20、更加優(yōu)選地，構建所述多元能源系統(tǒng)的過程包括：基于雙階段電轉氣模型和碳捕集與封存系統(tǒng)深度耦合，通過靈活的電、熱、氣三種能源形式協(xié)調(diào)運行，結合風光電出力特性和用戶電、熱負荷需求，通過引入碳排放限額和配額分配結果，優(yōu)化電、氣、熱的多種能源形式的調(diào)度策略，實現(xiàn)能源的協(xié)同優(yōu)化，并且在調(diào)度過程中控制碳排放總量。

21、優(yōu)選地，所述虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型的目標函數(shù)為總成本最小化，具體為：

22、，

23、式中，為總成本，包括碳交易成本、碳封存成本、煤電機組的啟停成本、煤耗成本、購氣成本和棄風成本。

24、更加優(yōu)選地，所述的碳交易成本和碳封存成本的計算具體為：

25、，

26、，

27、式中：為時刻交易的成本；為封存單位質量的的成本；為調(diào)度周期；為時刻封存的量；

28、所述煤電機組的啟停成本和煤耗成本的計算具體為：

29、，

30、式中：為煤電機組的啟停成本系數(shù)；和均為二進制變量，分別表示時刻和 t-1時刻機組的運行狀態(tài)；、和均為燃煤機組的煤耗成本系數(shù)；

31、所述棄風成本和購氣成本的計算具體為：

32、，

33、，

34、式中：為單位棄風量的懲罰成本；為時刻的棄風量；為天然氣單價；為時刻系統(tǒng)購買的天然氣所對應的功率。

35、更加優(yōu)選地，所述虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型的約束條件包括：功率平衡約束、風光約束、燃氣輪機約束、燃氣鍋爐爬升及出力約束、電熱鍋爐爬升及出力約束、火電機組爬升及出力約束、碳捕集約束、儲能約束、電轉氫能耗上下限及爬升約束。

36、更加優(yōu)選地，所述功率平衡約束具體為：

37、，

38、式中：和為時刻負荷側的熱和電需求；和分別為時刻電解消耗的電功率和產(chǎn)氫功率；和分別為時刻甲烷化設備的耗氫功率和產(chǎn)氣功率、、和分別為 t時刻摻氫燃氣輪機的電功率、 t時刻火電機組的發(fā)電量、 t時刻風電機組的發(fā)電量和 t時刻儲能設備的放電量；、、、分別表示 t時刻電解槽的電功率、 t時刻碳捕集系統(tǒng)的總電功率、 t時刻負荷側的電需求和 t時刻儲能設備的充電量；、分別表示 t時刻摻氫燃氣輪機和摻氫燃氣鍋爐消耗的天然氣的功率；為 t時刻系統(tǒng)購買的天然氣所對應的功率；、、、分別表示 t時刻燃氣輪機、電解槽的熱功率、熱儲能設備充、放的熱功率；和分別表示t時刻燃氣輪機和摻氫燃氣鍋爐的氫氣消耗功率；

39、所述碳捕集約束包括：碳捕集運行能耗不能超過最大運行工況：

40、，

41、儲液設備容量約束：

42、，

43、式中：和為富液設備的容量上下限；和為貧液設備的容量上下限；和為儲液設備的初始容量；和分別為儲液設備最后剩余容量；和分別為 t時刻貧液設備和富液設備的容量；

44、儲液設備在一個運行周期 t結束后容量保持不變，約束如下：

45、，

46、式中：、分別為 t時刻貧富液罐的流入液體體積；、分別為t時刻貧富液罐的流出液體體積。

47、更加優(yōu)選地，所述電轉氫（p2h）能耗上下限及爬升約束：

48、，

49、式中：、分別為電解消耗電功率的上下限：和為電解槽功率爬升上下限；和分別為 t時刻和 t-1時刻電解消耗電功率；

50、所述儲能約束具體如下，其中儲能中熱、電、氫氣的約束條件統(tǒng)一用下式表示：

51、，

52、式中：為第 i個儲能裝置時刻的容量；以及分別為儲能系統(tǒng)的容量下限和上限；以及為第 i個儲能裝置時刻的充、放能功率；表示第 i個儲能裝置充能功率上限；表示第 i個儲能裝置放能功率上限：以及分別表示第 i個儲能裝置時刻充能狀態(tài)和放能狀態(tài)的二進制變量。

53、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

54、（1）本發(fā)明在建立虛擬電廠參與電碳聯(lián)合市場交易的同時，綜合考慮風光出力不確定性，構建了雙階段電轉氣模型與碳捕集與封存系統(tǒng)深度耦合的多元能源系統(tǒng)，解決了如何將可再生能源的波動性與系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性之間的矛盾；通過將多余電力轉化為氫氣并用于甲烷化，進一步減少了對電網(wǎng)的壓力；同時，通過碳捕集技術有效地減少了二氧化碳排放，推動了低碳目標的實現(xiàn)；并引入階梯式碳交易機制，通過動態(tài)調(diào)整碳排放成本和碳懲罰因子，綜合考慮不確定性、低碳技術和碳交易機制的前提下，實現(xiàn)了虛擬電廠在低碳目標下的優(yōu)化調(diào)度，可廣泛適用于不同類型的虛擬電廠和多能互補系統(tǒng)，提高虛擬電廠調(diào)度的經(jīng)濟性和低碳性。

55、（2）本發(fā)明通過整合電轉氫與氫氣甲烷化過程，充分利用風光資源的富余電力，將其轉化為可儲存燃氣，并將捕集的二氧化碳用于甲烷化反應，從而實現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用，實現(xiàn)可再生能源的高效消納與轉換，通過協(xié)同不同能源類型（電力、熱力、氣體）的運行，達到低碳目標與成本優(yōu)化的平衡，提高了系統(tǒng)整體能源利用效率，降低了化石能源的消耗。

56、（3）本發(fā)明基于歷史運行數(shù)據(jù)，評估單位供電或供熱功率的碳排放強度，作為后續(xù)碳排放優(yōu)化的基準；分配虛擬電廠的碳排放配額，并在系統(tǒng)的總負荷框架內(nèi)設定初始的碳排放限額，為后續(xù)的碳排放優(yōu)化提供約束條件；結合系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)和外部環(huán)境動態(tài)調(diào)整碳排放限額，實現(xiàn)碳排放與電力需求、熱能供應的平衡，結合運行策略對碳排放總量進行動態(tài)監(jiān)測和優(yōu)化，為后續(xù)的多元能源系統(tǒng)調(diào)度提供反饋。

57、（4）本發(fā)明通過引入階梯式碳交易機制，通過根據(jù)排放量不同設定不同的碳交易價格梯度，調(diào)節(jié)碳配額和碳交易成本；項目在優(yōu)化發(fā)電收益的同時，有效減少了碳排放量，并降低了系統(tǒng)運行成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏。