计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型

1.本发明属于电力系统电源调度领域，具体涉及一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型。


背景技术：

2.随着环境问题愈发严重和资源日益匮乏，农村地区能源系统作为我国能源网络的重要组成部分，其高效与经济性能备受关注。农村地区拥有丰富的风能、光能、生物质能等多种可再生能源，可再生能源的开发利用，不仅肩负能源利用结构优化的使命，同时也是改善农村能源生产和消费结构，促进乡村振兴的重要支撑。然而目前农村用能方面仍然存在能效低、利用率不足、规划配置不合理等问题。构建综合能源系统作为利用清洁能源并协调能量分配的重要手段，可有效解决上述问题。
3.目前，对农村光伏发电、沼气与综合能源系统的结合及其在运行中的调度策略已有研究。黄扬琪(黄扬琪，何伟，赵伟哲等.计及动态响应特征的农村综合能源系统分层调控[j].电力系统及其自动化学报，2022，34(02)：122-9.)等人针对农村综合能源系统中平抑间歇式可再生能源波动造成的生态养殖热电联产系统大范围出力波动问题，提出了一种计及储能和热电联产快慢协同的农村综合能源系统分层控制框架。刘雪飞(刘雪飞，庞凝，王云佳等.农村综合能源系统多层协同优化运行方法[j].电力建设，2022，43(05)：63-71.)等人在考虑适应农村典型场景的基础上基于农村综合能源系统典型设备，建立了三层农村综合能源系统源-储-荷联合优化调度模型以及相应的优化调度流程。牛浩森等(牛浩森，付学谦.可再生能源为主体的农业能源互联网碳循环建模与优化[j].电力建设，2022，43(10)：1-15)等人提出一种面向农业能源互联网碳循环的核算方法以及计及农业柔性负荷及碳交易的农业能源互联网优化运行策略并构建了农业园区内光伏、热电联产等碳排放核算模型。林卓然(林卓然，王守相，王绍敏等.考虑阶梯型碳交易机制的区域电-热综合能源系统分布协同调度方法[j].电网技术：1-13.)等人提出了一种考虑阶梯型碳交易机制的区域电-热综合能源系统分布协同调度方法，同样设置三层优化调度模型。
[0004]
以上研究部分考虑了在农村地区，尤其是秸秆、残枝败叶等生物质资源丰富且负荷相对大而集中的农村地区的沼气利用，但大部分未考虑沼气利用过程中的碳排放效益，且均针对整个农村或者农业园区进行综合能源系统的设计建模，未能充分考虑不同用能家庭的负荷差异性。
[0005]
有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

[0006]
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，实现减碳降本，提升能效的显著作用。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其构建方法包括以下步骤：
[0008]
考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建集成光伏发电、沼气发酵供热供炊与能量储存的并网型农村住宅综合能源系统模型；
[0009]
构建沼气利用过程中的碳排放模型、光伏发电的减碳补偿模型与电网购电碳排放模型；
[0010]
考虑光伏发电以及电负荷的不确定性，建立两阶段鲁棒优化日前经济调度模型，基于列约束生成算法进行求解，输出最优方案。
[0011]
进一步的，所述并网型农村住宅综合能源系统模型包括：将农村住宅综合能源系统中的气负荷、热负荷、冷负荷和电负荷并入上级电网。
[0012]
进一步的，所述气负荷包括：
[0013]
1)沼气发酵装置产生的沼气，在设备运行过程中，沼气流量满足的约束为：
[0014][0015]
式中b(t)为t时刻产生的沼气总流量，分别表示t时刻沼气池直接供给制热及炊事的沼气流量；表示t时刻沼气储气装置供给沼气储气装置的沼气流量；bc(t)表示t时刻沼气供能所吸收的沼气总量；表示沼气储气装置向输气管道所输送的沼气量；
[0016]
2)沼气储气装置输入和输出的沼气，在一个优化周期内的输入输出保持平衡，即：
[0017][0018]
式中b
ms
(t)表示t时刻沼气储存装置剩余沼气量，和分别表示t时刻沼气储存装置的进气量和出气量，t表示一个调度周期内的时段数；
[0019]
3)沼气燃气装置消耗的沼气。
[0020]
进一步的，所述热负荷包括：
[0021]
1)储热装置储存与释放的能量，其运行方式及约束条件模型为：
[0022][0023]
式中：d
hs
(t)为t时刻储热装置的能量，单位为kw
·
；h
ch
(t)和h
dch
(t)分别为t时刻储热装置的储热、释热功率；δt为时间间隔，取值为1h；t为设备运行周期，取值为24h；η
ch
和η
dch
表示储能装置的充、放电效率。
[0024]
2)沼气燃气装置输出的热负荷，满足如下约束条件：
[0025][0026]
式中：hb(t)与为t时刻燃气设备输出的热功率，单位为j；ηb为产热效率；bc(t)为t
时刻机组输入的沼气量；为沼气中的甲烷体积分数，lvhm为甲烷燃烧的热值；
[0027]
3)空气源热泵输出的热负荷，以满足农村住宅的冬季部分热负荷，其出力及功率约束如下：
[0028]qeph
(t)＝η
eph
p
ep
(t)，
[0029]
式中：q
eph
(t)为空气源热泵t时刻输出的热功率，kw；η
eph
为空气源热泵产热效率；p
ep
(t)为空气源热泵t时刻输入功率。
[0030]
进一步的，所述冷负荷包括：空气源热泵输出的冷负荷，以满足农村住宅的夏季冷负荷，其出力及功率约束如下：
[0031]qepc
(t)＝η
epc
p
ep
(t)
[0032]
式中：q
epc
(t)分别为空气源热泵t时刻输出的冷功率，kw；η
epc
为空气源热泵的制冷效率；p
ep
(t)为空气源热泵t时刻输入功率，kw。
[0033]
进一步的，所述电负荷包括：
[0034]
1)屋顶光伏产生的电能；
[0035]
2)空气源热泵消耗的电能；
[0036]
3)电动汽车产生和消耗的电能；
[0037]
4)与上级电网之间的输入和输出电能。
[0038]
进一步的，所述沼气利用过程中的碳排放模型包括：通过核算家庭使用的燃料量，计算燃烧所释放的co2量，通过核算燃气设备热出力，计算其所分配的碳配额量，包括：
[0039][0040][0041][0042][0043]
式中，bb(t)为t时刻沼气总流量，为沼气使用总碳排放量；v1为沼气泄露的甲烷的co2当量；v2为沼气使用中无法燃烧的co2量；v3为沼气中甲烷燃烧产生的co2量；ρ为甲烷的密度；是甲烷相当于co2的全球变暖潜力，和为co2和ch4在沼气中的体积分数；为天然气的单位热值含碳量；为沼气中甲烷的碳氧化率。
[0044]
进一步的，所述光伏发电的减碳补偿模型，其减排情况如下：
[0045][0046][0047]
式中：为光伏发电减排量；ef为电网基准线排放因子；e
fom
为电量边际排放因子；e
fbm
为容量边际排放因子。
[0048]
进一步的，所述电网购电碳排放模型包括：
[0049]
[0050]
其中，表示向电网购电的碳排放量，f
felec
为电网碳排放因子，p
buy
(t)为t时刻向电网购入的电量。
[0051]
进一步的，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的约束条件包括：
[0052]
1)等式约束，包括：电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、冷负荷平衡约束和沼气负荷平衡约束
[0053]
2)不等式约束，包括沼气流量约束、功率限值约束、电动汽车电能容量约束、充放能状态约束和网端购售电功率约束。
[0054]
进一步的，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的结构为：
[0055][0056][0057][0058]
其中：y为第一阶段的决策变量；即t时刻住宅的各季节电热冷气及炊事气负荷；空气源热泵的输出热功率及冷功率q
eph
(t)、q
epc
(t)，储电装置的充放电功率e
ce
(t)、e
dce
(t)，储热模块吸热及释热功率h
ch
(t)、h
dch
(t)，向电网的购售电功率p
buy
(t)、p
sell
(t)，以及沼气发酵池的输气流量b(t)，储气装置的吸放气流量
[0059]
x为第二阶段的决策变量，包括：t时刻储能单元的充放能状态，向电网购售电状态变量；
[0060]
u为不确定变量，u＝[p
pv
(t),p
load
(t)]
t
；
[0061]
约束中，第一个约束表示不等式约束中除充放能状态约束之外的其余不等式约束；第二个约束表示等式约束中的所有负荷平衡约束，第三个约束表示各储能设备的充放能约束；而和表示y和x分别为n维和m维的非负连续决策变量。
[0062]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0063]
本发明考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建了集成光伏发电，沼气发酵供热供炊，能量储存的并网型农村住宅电-热-冷-气综合能源系统模型，并且考虑沼气利用过程中的碳排放以及光伏发电的减碳补偿。针对光伏发电以及电负荷的不确定性，建立了两阶段鲁棒优化日前经济调度模型。再基于列约束生成算法按主-子问题框架进行求解。最后进行算例分析，通过场景对比验证了本发明构建的农村住宅综合能源系统及其优化调度算法具有减碳降本、提升能效的显著作用。
[0064]
本发明基于列约束生成算法，按主-子问题框架求解两阶段鲁棒优化模型。主问题对应第一阶段，为混合整数线性规划问题；子问题对应第二阶段，先将内层最小化问题对偶转换为最大化问题，使之与外层最大化问题合并，再利用大m法处理0-1变量和连续变量相乘的双线性项，最终得到混合整数线性规划问题。主问题求解得到目标函数下界，并将所得决策向量传递给子问题。子问题根据求解得到目标函数上界，同时将求解所得不确定向量u、决策向量y及其相应约束传递给主问题，不断扩大主问题规模，以实现对重要恶劣场景的识别。经反复迭代，当上、下界差值满足阈值条件即得到最优解。
[0065]
为了充分发挥农村地区光、生物质资源丰富的优势，本发明提出与电网互动的沼气发酵供能及其碳排放与光伏发电协同综合能源系统调度模型，提供农村住宅优化用能参考模型，对改善农村住宅用能结构，促进农村地区实现低碳用能具有重大意义。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0067]
图1：本发明并网型农村住宅综合能源系统模型的结构示意图；
[0068]
图2：本发明综合能源系统优化算法流程图；
[0069]
图3：预测和实际电负荷功率曲线及光伏出力曲线图；
[0070]
图4：夏季用能条件下的各设备优化出力结果；
[0071]
图5：夏季储气罐的工作情况图；
[0072]
图6：冬季电平衡各设备出力及购售电情况；
[0073]
图7：冬季热负荷平衡设备出力情况；
[0074]
图8：冬季储热罐运行情况图；
[0075]
图9：夏季传统用能情况图；
[0076]
图10：冬季传统用能情况图；
[0077]
图11：综合能源系统与传统用能成本的对比图；
[0078]
图12：综合能源系统与传统用能碳排放量的对比图。
具体实施方式
[0079]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
[0080]
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0081]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0082]
一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其构建方法包括以下步骤：
[0083]
考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建集成光伏发电、沼气发酵供热供炊与能量储存的并网型农村住宅综合能源系统模型；
[0084]
构建沼气利用过程中的碳排放模型、光伏发电的减碳补偿模型与电网购电碳排放模型；
[0085]
考虑光伏发电以及电负荷的不确定性，建立两阶段鲁棒优化日前经济调度模型，基于列约束生成算法进行求解，输出最优方案。
[0086]
其中，并网型农村住宅综合能源系统模型包括：将农村住宅综合能源系统中的气负荷、热负荷、冷负荷和电负荷并入上级电网。
[0087]
如图1所示，沼气发酵装置作为热负荷及气负荷的来源，仅在一天内气温较高时稳定供气，配合沼气储气装置实现燃气供热以及炊事气负荷的供需平衡。屋顶光伏作为主要电能来源，来满足部分日间电负荷并协同储电设备储电。空气源热泵负责满足夏季的冷负荷以及冬季的部分热负荷，并与沼气制热协同储热装置进行充放热能。整个系统与上游配电网存在双向电能交互，协同满足住宅负荷需求。
[0088]
具体的，考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建集成光伏发电、沼气发酵供热供炊与能量储存的并网型农村住宅综合能源系统模型包括：
[0089]
1.1沼气发酵池模型
[0090]
农村住宅沼气发酵池可以通过厌氧作用将有机废弃物进行发酵，产生沼气用以储存在沼气储能装置中，直接供给住宅内气负荷用以炊事活动，在设备运行过程中，沼气流量满足的约束为：
[0091][0092][0093]
式中，b(t)为t时刻产生的沼气总流量，分别表示t时刻沼气池直接供给制热及炊事的沼气流量；表示t时刻沼气储气装置供给沼气储气装置的沼气流量。bc(t)表示t时刻沼气供能所吸收的沼气总量；表示沼气储气装置向输气管道所输送的沼气量。
[0094]
1.2沼气储气模型
[0095]
在农村住宅综合能源系统中，沼气发酵池产生的沼气会有一部分进入到沼气储能设备之中。本发明考虑气态即沼气的储存及利用，采用储气罐模型。将发酵产生的沼气进行储存，根据调度结果来调控住宅炊事活动所需的燃气需要，从而实现系统的经济运行，为了保证生物质储能的持续利用，其在一个优化周期内的输入输出应保持平衡，即：
[0096][0097][0098]
式中，b
ms
(t)表示t时刻沼气储存装置剩余沼气量，和分别表示t时刻
沼气储存装置的进气量和出气量。t表示一个调度周期内的时段数。
[0099]
1.3沼气燃气供热模型
[0100][0101]
式中：hb(t)与为t时刻燃气设备输出的热功率，单位为j；ηb为产热效率；bc(t)为t时刻机组输入的沼气量；为沼气中的甲烷体积分数，lvhm为甲烷燃烧的热值。
[0102]
1.4屋顶光伏
[0103]
光伏发电模型可表示为：
[0104]
p
pv
(t)＝η
pv
θ
tspvnpv
[0105]
0≤p
pv
(t)≤p
pv,n
(t)
[0106]
式中：p
pv
(t)为t时刻光伏输出的电功率，单位kw；η
pv
为光电转化效率，θ
t
为t时刻光辐射强度；s
pv
为单个光伏板面积，n
pv
为屋顶光伏板总数量，p
pv,n
(t)为光伏额定输出功率，单位kw。
[0107]
1.5空气源热泵
[0108]
采用一个可变功率的空气源热泵满足农村住宅的夏季冷负荷，其出力及功率约束如下：
[0109]qeph
(t)＝η
eph
p
ep
(t)
[0110]qepc
(t)＝η
epc
p
ep
(t)
[0111]
式中：q
eph
(t)和q
epc
(t)分别为空气源热泵t时刻输出的热功率和冷功率，kw；η
eph
为空气源热泵产热效率；η
epc
为空气源热泵的制冷效率。p
ep
(t)为空气源热泵t时刻输入功率，kw。
[0112]
1.6家用储热
[0113]
为了缓解家用综合能源系统负荷不确定性以及季节天气等原因造成的影响，在系统中设置储热系统，储热装置的运行方式及约束条件模型表示为：
[0114][0115]
式中：d
hs
(t)为t时刻储热装置的能量，单位为kw
·
；h
ch
(t)和h
dch
(t)分别为t时刻储热装置的储热、释热功率；δt为时间间隔，取值为1h；t为设备运行周期，取值为24h，η
ch
和η
dch
表示储能装置的充、放电效率。
[0116]
具体的，构建沼气利用过程中的碳排放模型、光伏发电的减碳补偿模型与电网购电碳排放模型，包括：
[0117]
2.1沼气产能碳排放模型
[0118]
农村沼气利用的碳排放主要由沼气池泄漏甲烷的co2当量、沼气中的co2量及燃烧产生的co2量构成。假设整个传输过程中沼气泄露量为5％。通过核算家庭使用的燃料量，计算燃烧所释放的co2量。通过核算燃气设备热出力，计算其所分配的碳配额量，具体包括：
[0119]
[0120][0121][0122][0123]
式中bb(t)为t时刻沼气总流量，为沼气使用总碳排放量；v1为沼气泄露的甲烷的co2当量；v2为沼气使用中无法燃烧的co2量；v3为沼气中甲烷燃烧产生的co2量；ρ为甲烷的密度；是甲烷相当于co2的全球变暖潜力，和为co2和ch4在沼气中的体积分数；为天然气的单位热值含碳量；为沼气中甲烷的碳氧化率。
[0124]
2.2光伏减排补偿模型
[0125]
光伏发电属于新能源发电，其减排情况如下：
[0126][0127][0128]
式中：为光伏发电减排量；ef为电网基准线排放因子；e
fom
为电量边际排放因子；e
fbm
为容量边际排放因子，p
pv
(t)为t时刻光伏的发电功率。
[0129]
2.3电网购电碳排放模型
[0130][0131]
其中，式中：表示向电网购电的碳排放量，f
felec
为电网碳排放因子，p
buy
(t)为t时刻向电网购入的电量。
[0132]
具体的，考虑光伏发电以及电负荷的不确定性，建立两阶段鲁棒优化日前经济调度模型，基于列约束生成算法进行求解，包括：
[0133]
图2所示为综合能源系统优化算法流程图，具体步骤为：
[0134]
步骤1，设定模型目标函数为综合能源系统的单日运行成本最低；
[0135]
步骤2，根据实际情况设定模型中的不确定变量为单日光伏出力及住宅电负荷；
[0136]
步骤3，初始化综合能源系统部分设备参数，设定算法目标上界
[0137]
ub＝+∞，下界lb＝-∞，迭代次数k＝0，收敛精度ε；
[0138]
步骤4，设定主问题为求解综合能源系统中各设备出力，求解主问题，得到最优解，并更新目标下界；
[0139]
步骤5，将得到的最优解带入子问题，得到最优目标值和不确定变量u的取值，并更新目标上界；
[0140]
若满足ub-lb≤ε，则输出最优方案；若不满足，则返回至步骤4，直至满足条件。
[0141]
具体的，优化步骤如下：
[0142]
3.1总成本函数
[0143]
[0144]
1.设备运行维护成本
[0145][0146]
式中为t时刻各设备运行维护成本，表示各设备的单位运行成本，表示t时刻各设备的出力功率，其中n∈{pv,hs,es,b,ms,ep}。
[0147]
2.网端购能成本
[0148][0149]
式中ω
grid
为向电网购电的电价，t为一个用电期长度，共有高峰，平段和低谷三个用电期，p
grid
(t)表示和电网交易的电量，其中向电网购电时为正值，向电网售电时为负值。
[0150]
3.碳排放成本
[0151][0152]
表示非直接排放的单位碳排放价格，表示直接排放的单位碳排放价格。
[0153]
3.2等式约束
[0154]
在等式约束中，考虑电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、冷负荷平衡约束以及沼气负荷平衡，如下式所示：
[0155]
1.电负荷平衡
[0156]
p
buy
(t)+p
pv
(t)+e
dce
(t)-e
ce
(t)-p
sell
(t)＝p
load
(t)
[0157]
式中e
dce
(t)和e
ce
(t)分别表示t时刻储电装置的充放电功率，p
buy
(t)和p
sell
(t)分别表示向电网的购售电量，p
load
(t)表示t时刻住宅电负荷。
[0158]
2.热负荷平衡
[0159]qeph
(t)+q
discharge
(t)-q
charge
(t)＝q
load
(t)
[0160]
式中q
discharge
(t)和q
charge
(t)分别表示t时刻储热装置的充放热功率，q
load
(t)表示t时刻住宅热负荷。
[0161]
3.冷负荷平衡
[0162]qepc
(t)＝qc(t)
[0163]
式中q
epc
(t)和qc(t)分别表示t时刻热泵的制冷功率和冷负荷。
[0164]
4.沼气负荷平衡
[0165][0166]
式中b
load
(t)表示t时刻住宅气负荷。
[0167]
3.3不等式约束
[0168]
1.沼气流量约束
[0169][0170][0171][0172]
其中表示沼气储存装置的额定容量，和分别表示管道输送限
制的额定进出沼气量。
[0173]
2.功率限值约束
[0174]
0≤pn(t)≤p
n,max
[0175]
p
n,max
为各设备的单位时间内出力上限，式中n∈{pv,hs,es,b,ms,ep}。
[0176]
3.充放能状态约束
[0177]
ν
chhch,min
≤h
ch
(t)≤ν
chhch,max
[0178]
ν
dchhdis,min
≤h
dis
(t)≤ν
dishdis,max
[0179]
0≤ν
ch
+ν
dis
≤1
[0180][0181][0182]
0≤ν
cb
+ν
dcb
≤1
[0183]hch(dis),min
，和h
ch(dis),max
分别表示储能设备的充放能功率上下限，ν为0-1变量，表示储能设备的运行状态，储能设备处于一种工作状态时取值为1，则此刻对应另一状态的ν取值为0。
[0184]
4.网端购售电功率约束
[0185][0186][0187][0188]
式中，p
tbuy
、p
tsell
、p
buy,max
、p
sell,max
、和分别表示t时刻住宅综合能源系统向电网的购售电功率、购售电功率的上限以及购售电行为的0-1变量。
[0189]
3.4两阶段鲁棒优化模型及求解
[0190]
住宅级综合能源系统的运行目标为在一个调度周期内运行成本最小，此处一个调度周期定为一天，两阶段鲁棒优化模型可表示为：
[0191][0192][0193][0194]
其中：y为第一阶段的决策变量；即t时刻住宅的各季节电热冷气及炊事气负荷。空气源热泵的输出热功率及冷功率q
eph
(t)、q
epc
(t)，储电装置的充放电功率e
ce
(t)、e
dce
(t)，储
热模块吸热及释热功率h
ch
(t)、h
dch
(t)，向电网的购售电功率p
buy
(t)、p
sell
(t)，以及沼气发酵池的输气流量b(t)，储气装置的吸放气流量
[0195]
x为第二阶段的决策变量，包括：t时刻储能单元的充放能状态，向电网购售电状态变量。
[0196]
u为不确定变量，u＝[p
pv
(t),p
load
(t)]
t
[0197]
约束中，第一个约束表示不等式约束中除充放能状态约束之外的其余不等式约束；第二个约束表示等式约束中的所有负荷平衡约束，第三个约束表示个各储能设备的充放能约束；第四个约束表示不确定集约束，而和表示y和x分别为n维和m维的非负连续决策变量。
[0198]
以下为算例分析案例说明。
[0199]
1.参数设置
[0200]
本发明选取河南省某典型农村中等用家庭。住宅建筑面积为100m2，屋顶可利用面积40m2。分别统计其家庭在夏冬两季的电热冷负荷及炊事活动的燃气负荷。在住宅区设置包含光伏板，储电装置，并接入电网用以满足住宅电负荷；沼气供热设施、变频空气源热泵以及储热装置用以满足住宅热负荷；空气源热泵满足夏季冷负荷沼气发酵池；沼气储气装置用来满足各季气负荷。各设备参数如下表1所示。其中并网购售电采用分时电价，价格如表2。为实现在满足家庭用能负荷的情况下，达到碳排放量最低的效果，结合住宅综合能源系统各设备特性，设置了设备碳排放配额及碳排放量核算标准，具体数据如表3。
[0201]
表1部分设备参数表
[0202][0203][0204]
表2分时电价
[0205][0206]
表3碳排放及碳配额核算参数
[0207][0208]
2.并网型农村住宅综合能源系统模型经济调度方案
[0209]
在实际应用中，单一家庭的电负荷功率和光伏出力允许的最大波动偏差可根据以往的历史预测偏差进行设定。本发明中考虑负荷功率和光伏出力的波动偏差均为20％，预测和实际电负荷功率曲线及光伏出力曲线如图3所示，阴影部分即为本发明考虑的不确定集。
[0210]
其中农村家庭夏季用能只涉及电冷气负荷，冬季涉及电热气负荷。图4为夏季用能条件下的各设备优化出力结果。图5为夏季储气罐的工作情况。图6为冬季电平衡各设备出力及购售电情况。图7为冬季热负荷平衡设备出力情况，图8为冬季储热罐运行情况。
[0211]
由调度结果可以看出，在冬夏两季，1-6时及19-24时，光伏处理功率为0，住宅内的电负荷完全依靠向电网购电供给。这两个时间段涉及用电高峰期和低谷期，从电网购电的电价不同，在低谷期时从电网大量购电，满足电负荷需求后将剩余电量存入储电装置，在用电高峰期时从电网购电满足部分电负荷，其余电负荷由储电装置放电满足。
[0212]
在其余时段光伏均以最大功率进行出力，在11h-15h光伏出力大于电负荷时，将多余电量优先储存于储电装置中，仅在12h光伏出力最大且储电装置充满时将多余电量售给电网。
[0213]
在分时电价机制下，储能单元在低谷期充电，在用电高峰期进行放电，实现削峰填谷，并提高整个系统运行的经济性。
[0214]
在夏季时，由于住宅增加冷负荷需求，所有冷负荷由变频热泵耗电制冷提供。另外夏季炊事活动所需的气负荷由沼气发酵装置制沼气提供，因此从图5中看出，在8h-17h产气
大于气负荷时，剩余沼气将存入储气罐；在不产气时，由储气罐放气满足气负荷。
[0215]
冬季将家庭供暖及炊事活动所需能量统一为热负荷，由沼气燃气制热及热泵供热满足，其中大部分热负荷由热泵提供，沼气制热持续工作，多余热量将存入储热罐。
[0216]
3.不同用能方式结果比较
[0217]
为验证住宅综合能源系统运行的经济型与低碳性，本发明将对比传统农村家庭的用能情况，计算出通过燃煤以及燃烧薪柴等传统的农村家庭供能方式的用能成本，以及核算出其排碳量，与住宅综合能源系统的运行成本及碳排放量进行比较验证。其中统计夏季和冬季两个典型季节，设定为每个季节90天，进行日总运行成本的比较。
[0218]
传统用能方式的成本主要包括购买传统能源的成本，以及使用传统能源的的碳排放成本，为了方便核算，各种能耗单位都采用tce，并将价格也折算成元/tce。
[0219]
结合图9和图10，一农村典型用能家庭的冬夏季用能情况如下表4、表5和表6所示：
[0220]
表4
[0221][0222]
表5
[0223][0224]
表6
[0225][0226]
住宅综合能源系统总成本包括各设备的运行成本，购电成本，以及碳排放成本。碳排放量为从电网购电所折算的碳排放量及使用沼气的碳排放量减掉光伏发电的减碳排量。具体数据如下表：
[0227]
[0228]
最终分别对比两个季节两种用能方式的单日总成本及单日碳排放量，得出结论。
[0229][0230]
结合图11和图12，通过比较可以得出在夏冬两个典型用能季节，采用综合能源系统对家庭进行供能，夏季单日节省成本5.28元，并且可实现减少碳排放达0.5kg；在冬季由于增加取暖热负荷，在用能方面综合能源系统可比购买使用传统能源节省11元，并能实现减少碳排放7kg。分析可得采用综合能源系统在经济性和低碳性上较传统用能方式均有显著改进，证明了综合能源系统的有效性和可行性。
[0231]
本发明基于两阶段鲁棒优化方法建立了考虑住宅综合能源系统中光伏发电和电负荷不确定性的经济调度模型，并计及系统碳排放量，分析结论如下：
[0232]
(1)所提出的模型考虑了系统内光伏发电和电负荷的不确定性，通过对两阶段鲁棒优化模型的求解，综合能源系统能够得到“最恶劣”场景下系统运行成本最小的调度方案.
[0233]
(2)通过改变不确定性调节参数，能够灵活调整综合能源系统优化方案的保守性，有利于在调度时在运行成本和运行风险间进行合理选择。
[0234]
(3)鲁棒优化方法相对于确定性优化方法的优势随着预测误差的增大而更加显著，得到的日前调度方案具备更强的鲁棒性和抵御实时市场电价波动风险的能力。
[0235]
(4)分时电价机制下，微电网对储能的调度计划取决于峰谷电价差和储能单位充放电成本之间的关系，该结论可为规划储能时提供参考，同时也有助于配电网运营商设计合理的激励机制。
[0236]
(5)在构建综合能源系统时考虑在农村地区原料来源较为丰富的沼气能，利用沼气能满足一部分的家庭用能，可以为农村秸秆等废料的利用提供新的思路。
[0237]
(6)在住宅综合能源系统经济运行的情况下考虑整个过程的碳排放量，并得出采用综合能源系统供能的住在碳排放量上较传统购能使用有较大的减少，为未来进行农村用能结构改造及推进农村地区减排提供了借鉴。
[0238]
本发明针对农村生物质能丰富但利用能效较低的特点以及家庭用能具有差异性的特点，构建了包括光伏、沼气发酵供能、储能系统，热泵以及与电网交互协同运行住宅总综合能源系统的优化调度算法。考虑住宅冬夏两季的电-热-冷-气负荷及主要能量来源的运行碳排放量，建立以日运行成本最低以及碳排放量最小为目标的两阶段鲁棒优化日前调度模型，并基于列约束算法进行求解，得到了满足功率平衡、设备运行约束下的可靠、低碳、经济运行的最优解。依据本发明构建的住宅综合能源系统优化调度模型显著提升生物质能利用率、显著降低农村用能成本，减少农村住宅碳排放量。
[0239]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：其构建方法包括以下步骤：考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建集成光伏发电、沼气发酵供热供炊与能量储存的并网型农村住宅综合能源系统模型；构建沼气利用过程中的碳排放模型、光伏发电的减碳补偿模型与电网购电碳排放模型；考虑光伏发电以及电负荷的不确定性，建立两阶段鲁棒优化日前经济调度模型，基于列约束生成算法进行求解，输出最优方案。2.根据权利要求1所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述并网型农村住宅综合能源系统模型包括：将农村住宅综合能源系统中的气负荷、热负荷、冷负荷和电负荷并入上级电网。3.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述气负荷包括：1)沼气发酵装置产生的沼气，在设备运行过程中，沼气流量满足的约束为：式中b(t)为t时刻产生的沼气总流量，分别表示t时刻沼气池直接供给制热及炊事的沼气流量；表示t时刻沼气储气装置供给沼气储气装置的沼气流量；b
c
(t)表示t时刻沼气供能所吸收的沼气总量；表示沼气储气装置向输气管道所输送的沼气量；2)沼气储气装置输入和输出的沼气，在一个优化周期内的输入输出保持平衡，即：式中b
ms
(t)表示t时刻沼气储存装置剩余沼气量，和分别表示t时刻沼气储存装置的进气量和出气量，t表示一个调度周期内的时段数；3)沼气燃气装置消耗的沼气。4.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述热负荷包括：1)储热装置储存与释放的能量，其运行方式及约束条件模型为：式中：d
hs
(t)为t时刻储热装置的能量，单位为kwh；h
ch
(t)和h
dch
(t)分别为t时刻储热装置的储热、释热功率；δt为时间间隔，取值为1h；t为设备运行周期，取值为24h；η
ch
和η
dch
表示储能装置的充、放电效率；2)沼气燃气装置输出的热负荷，满足如下约束条件：
式中：h
b
(t)与为t时刻燃气设备输出的热功率，单位为j；η
b
为产热效率；b
c
(t)为t时刻机组输入的沼气量；为沼气中的甲烷体积分数，lvh
m
为甲烷燃烧的热值；3)空气源热泵输出的热负荷，以满足农村住宅的冬季部分热负荷，其出力及功率约束如下：q
eph
(t)＝η
eph
p
ep
(t)，式中：q
eph
(t)为空气源热泵t时刻输出的热功率，kw；η
eph
为空气源热泵产热效率；p
ep
(t)为空气源热泵t时刻输入功率。5.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述冷负荷包括：空气源热泵输出的冷负荷，以满足农村住宅的夏季冷负荷，其出力及功率约束如下：q
epc
(t)＝η
epc
p
ep
(t)，式中：q
epc
(t)分别为空气源热泵t时刻输出的冷功率，kw；η
epc
为空气源热泵的制冷效率；p
ep
(t)为空气源热泵t时刻输入功率，kw。6.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述电负荷包括：1)屋顶光伏产生的电能；2)空气源热泵消耗的电能；3)电动汽车产生和消耗的电能；4)与上级电网之间的输入和输出电能。7.根据权利要求1所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述沼气利用过程中的碳排放模型包括：通过核算家庭使用的燃料量，计算燃烧所释放的co2量，通过核算燃气设备热出力，计算其所分配的碳配额量，包括：量，包括：量，包括：量，包括：式中：v1为沼气泄露的甲烷的co2当量；b
b
(t)为t时刻沼气总流量；为ch4在沼气中的体积分数；ρ为甲烷的密度；是甲烷相当于co2的全球变暖潜力；v2为沼气使用中无法燃烧的co2量；为co2在沼气中的体积分数；v3为沼气中甲烷燃烧产生的co2量；为天然气的单位热值含碳量；为沼气中甲烷的碳氧化率；为沼气使用总碳排放量；。8.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述光伏发电的减碳补偿模型，其减排情况如下：
e
f
＝75％
×
e
fom
+25％
×
e
fbm
，式中：为光伏发电减排量；e
f
为电网基准线排放因子；e
fom
为电量边际排放因子；e
fbm
为容量边际排放因子，p
pv
(t)为t时刻光伏的发电功率。9.根据权利要求2所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述电网购电碳排放模型包括：其中，表示向电网购电的碳排放量，f
felec
为电网碳排放因子，p
buy
(t)为t时刻向电网购入的电量。10.根据权利要求1所述的一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，其特征在于：所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的约束条件包括：1)等式约束，包括：电负荷平衡约束、热负荷平衡约束、冷负荷平衡约束和沼气负荷平衡约束2)不等式约束，包括沼气流量约束、功率限值约束、电动汽车电能容量约束、充放能状态约束和网端购售电功率约束；优选地，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的结构为：优选地，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的结构为：优选地，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的结构为：优选地，所述两阶段鲁棒优化日前经济调度模型的结构为：其中：y为第一阶段的决策变量，即t时刻住宅的各季节电热冷气及炊事气负荷；空气源热泵的输出热功率及冷功率q
eph
(t)、q
epc
(t)，储电装置的充放电功率e
ce
(t)、e
dce
(t)，储热模块吸热及释热功率h
ch
(t)、h
dch
(t)，向电网的购售电功率p
buy
(t)、p
sell
(t)，以及沼气发酵池的输气流量b(t)，储气装置的吸放气流量x为第二阶段的决策变量，包括：t时刻储能单元的充放能状态，向电网购售电状态变量；u为不确定变量，u＝[p
pv
(t),p
load
(t)]
t
；约束中，第一个约束表示不等式约束中除充放能状态约束之外的其余不等式约束；第
二个约束表示等式约束中的所有负荷平衡约束，第三个约束表示个各储能设备的充放能约束；第四个约束表示不确定集约束，而和表示y和x分别为n维和m维的非负连续决策变量。

技术总结
本发明提供了一种计及碳排放的农村住宅光-沼储能综合能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，属于电力系统电源调度领域，其构建方法包括以下步骤：考虑农村家庭不同季节的用能差异性，构建集成光伏发电、沼气发酵供热供炊与能量储存的并网型农村住宅综合能源系统模型；构建沼气利用过程中的碳排放模型、光伏发电的减碳补偿模型与电网购电碳排放模型；考虑光伏发电以及电负荷的不确定性，建立两阶段鲁棒优化日前经济调度模型，基于列约束生成算法进行求解。本发明构建的农村住宅综合能源系统及其优化调度模型具有减碳降本、提升能效的显著效果。果。果。


技术研发人员：肖承仟 张逸群 乔恺 张姝 贾子昊 张彦兵 季炎炎 赵宇丹 刘诗旭 赵云龙 朱芳直
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/28