绿碳综合能源系统主从博弈智能定价策略与优化方法

2023年会策略与优化方法侯慧武汉理工大学2研究背景及意义。理论基础●研究背景●贡献与创新苏州太仓3.2MW分布式光伏项目口是国家/国际组织对发电企业每兆瓦时非水可再生能源上网电量颁发的具有独特标识代码的电子证书，是消费绿色电力的唯一凭证。绿色电力证书口每个绿证对应1MWh(1000绿色电力证书配额制度(RPS)履约●RE100有条件认可伏项目。有无补贴均可有补贴项目：120-800元/MWh50元/MWh部位于美国●RE100认可的国际绿证30元/MWh●RE100认可的国际绿证有补贴项目：3-5元/MWh额分配至企业。如果企业实际排放高于配额，需要到市场上购买配额。口全国碳排放权交易机构负责组织开展全国企业A实际碳排放量大于配额需要在市场上购买配额实际碳排放量小于配额可以在市场上出售配额口中国从2011年开始在北京、天津、上海、重庆、广东、湖北、深企业A实际碳排放量大于配额需要在市场上购买配额实际碳排放量小于配额可以在市场上出售配额研究背景研究背景一mswamswa 中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好t1.nm6a4a⁰ro604a04007444aa”研究背景二研究意义口设计了一种“绿碳”抵消机制，考虑3个强关联指标，可实现口设计了一种“绿碳”抵消机制，考虑3个强关联指标，可实现口碳排放交易和绿证交易机制是实现口综合能源系统能够打破单一能源供本研究的主要贡献口博弈理论是促进源荷交互、解决能本研究的主要贡献Received:20March2023¹SchoolofAutomation,WuhanUniversityofStateGridHubeiEle³GuangdongKeyLaboratoryofElectricPowerEquipmentReliability,EleInstituteofGuangdongPowerGridCo,Ltd.,systemresiliencehasbecomeimperative.Thispaperproposesatwo-stagestochasticpro-ratewindspeedpredictions.Simuuncertaintyoflinedamage,repaircrewsandmobileemergencygeneratorsarenetworkreconfguration,dispatchesrepaircutilizingdatafromthe2018supertdistributionsystem,windfieldmodel,transportationnetwork,repaircrews,mobileeme“绿碳”交易层能源输入层“绿碳”交易层能源输入层能源转化与存储层能源输出层建立了一种4层“绿碳”(integrated口“绿碳”交易层口能源输入层天然气：太阳能：天然气：太阳能：氢能：热能：冷能：“强制配额自愿购售”市场监管价格监控放权实实际碳排放。负荷预测精度激励@出售碳配额碳碳购买碳配额“强制配额自愿购售”实际绿证实际绿证量d实际绿证量G实际绿证量G绿证折实实际绿证量5量碳配额出售绿证“绿碳”综合能源系统框架实际碳排放实际碳排放实际碳排放实际碳排放碳配碳配“绿碳”综合能源系统框架“绿碳”综合能源系统框架●绿证配额：●基于数量竞争型古诺模型GCT价格：参考“中国绿色电力证书认购交易平台(/)”中2017年5月-2023年1月历史交易价格平均值，假设风电和“绿碳”交易层“绿碳”交易层GREEN-CARBON"INTEGRATEDENERGYSYSTEM口“绿碳”交易机制为激励IES运营商提高新能源出力占比，减少碳排放，考虑新能源出力减排效益、新能源出力占比以及实际碳排放与配额占比共3个强相关性指标，设计了一种“绿碳”抵消机制。IES可利用盈余绿证换取碳配额以抵消系统碳排放。利用绿证换取的碳排放权被定义为“绿碳”,即QgrenCcer=QcrPcEr=(Q"-Q.-Q)Pcer购买碳配额实实际碳排放实际碳排放实际碳排放初始碳配0出售碳配额实际碳排放实际碳排放初始碳配额Q出售碳配额绿证折算碳配额Q,-初始碳出售绿证出售绿证购买绿证购买绿证算碳配盈余绿证折算为碳配额负荷辣测精度激励绿证配额量c.绿证折算碳配额0,绿证配额量q,绿证折算碳配绿证配实际绿证量实际绿证量0绿证折CCHP通过燃气轮机(GT)燃烧天然气发电，发电时产生的余热由余热锅炉(WHB)回收并转化为热能，回收热能一p⁰T=vT·HCH₄.ηeTH₉T=pST.(1-n.T-nGs)/ngTcAC=HAC.ηACH(B=vCB.HCH4.ηCB口电转气模型(P2G)P2G可实现两种能源转化，在电解槽(EL)将电能转化为氢气。一部分用于氢能供应，另一部分在甲烷反应器氢能可以通过HFC设备转化为电能和热能。丑HC丑引入SOC荷电状态变量描述各装置状态。当系统处于充能状态时：当系统处于放能状态时：P2G系统用于制备甲烷，一部分将封存起来以降低碳排放。未捕集的CO₂将排放至大气中。pcts=pccws+pects=λccsocts+zccsQctspcus≤pct³≤pccus能源输出层“绿碳”综合能源系统框架能源输出层口弹性负荷口可中断负荷PromotionalArticleaddedbytheECE,notincludedintheoriginalslidesReceived:23September2022Revised:4January2023Acepted:12January2023'SchoolofScienceandEngineering,TheChineseUniversityofHongKong,Shenzhen,China²ShenzhenResearchInstituteofBigData,³SchoolofElectricalandEl⁴ShenzhenInstituteofArtificiaThispaperfirstpresentsthegeneraldefinitionoftheDEFtocharacterizetheemissandfocusesontheunit-levelDEF(UDEF).Thepiecewisenon-linearUDEF(PThenanaccuratepiecewiselinethesegmentpointsandextremepointsofbothP-UDEFandgenenomicemissiondispatch(CEED),anddynamiccarbonemissionfactors,piecewiselinearcostapproemissionestimation,thermalgeneratingunits●交易框架●交易框架●约束条件基于Stackelberg博弈的IES交易方法IES运营商作为能源交易的领导者与协调者，能够口定量阶段需求需求互领导者：综合能源系统运营商能源价格能源消耗能源价格能源消耗博弈“绿碳”综合能源系统框架IES“绿碳”综合能源系统框架IES运营商效益模型'GREEN-CARBON"INTEGRATEDENERGYIES运营商作为Stackelberg博弈的领导者，具有优先定价权，能够基于用户能耗及绿证、碳排放需求制定合理的能源价格，以获得最大系统收益，主要包括供能收益、外部电网及天然气网交易成本、运维成本、碳交易成本、绿证交易收益。●外部电网及天然气网交易成本C.=Cccus+cscus+CcET用户效益模型“绿碳”综合能源系统框架用户效益模型消费者剩余越大，表示用户能耗满意度越高，这里采用消费效用函数和能耗成本fos=Lc:+Lc+LH²cF²+L;c“绿碳”综合能源系统框架其他约束条件'GREEN-CARBON"INTEGRATEDENERGY口定价约束口天然气流平衡约束口碳排放流平衡约束口碳排放流平衡约束口交换功率约束□CCHP运行功率约束口能源供需平衡约束口P2G运行功率约束“绿碳”综合能源系统框架“绿碳”综合能源系统框架'GREEN-CARBON"INTEG口HFC运行功率约束□ESS荷电状态约束求解方法●循环迭代法或逆向归纳法直接求解该方法可自主设置求解流程，但求解过程复杂，迭代次数多，求解时间较长。●利用KKT条件变换或对偶理论将复杂的多目标问题转换为易于求解的单目标问题该方法用户的效益成为了次要目标，脱离了交互博弈的本质。●启发式算法或智能算法该方法能够加快迭代收敛速度，但容易陷入局部最优解。●智能算法和商业求解器联合求解该方可以摆脱传统优化模型线性化的复杂操作，既能有效简化计算，缩短求解时间，又能避免陷入局部最优的问题。本文提出一种改进自适应灾变遗传算法(adaptivecatastrophic领导者模型为非线性优化问题，采用ACGA求解。通过引入灾变算子，可有效避免传统遗传算法发生早熟陷入局部最优解的问题，设置自适应灾变规模可有效降低求解复杂度，减少求解迭代次数。跟随者模型为混合整数二次规划(MIQP)问题，采用CPLEX求解。风光出力硫样放码求设种辞运交计生成种高如是能源用户鉴子替能定试化自身辆寄达纳什最优“院”兄损量缩京能源用户最优能月源户消贯者师余最大化绿正码水约条件事農设置定价阶文效用品数优化华果答图5Stackelberg博弈优化流程图'SchoolofAutomation,HangzhouDianZiUniversity,XiashaHigherEducationZone,²UNSWBusinessSchool,TheUniversityofNewofElectricalEngineering,TechnicalUniversityofDenmark,Kgs,Lyngby,De⁴DisciplineofEngineeringandEnergy,MurdochUniversity,Perth,AustrAA-CAEShasimmensepotentialinmulti-energysupplysystems,CCHPAA-CAESandwindpowergeneration(influencesthecoolingsupply.Subsequently,thecooling,heating,andpoweroftheAA-Inconclusion,theproposedmethodisdemonstratedinanindustrialpark,andtheoperationcostoftheAA-CAESsystemisminimised.T参数设置●仿真结果分析参数设置●仿真结果分析算例分析分时电价(元kW)上网电价(元/m³)阶梯碳价c=0.2元/kg成本系数k₅=0.0207元/kg算例分析算例分析图6三个典型日的负荷预测及新能源出力预测口IES运营商智能定价策略分析●电价在18:00-20:00负荷“峰值”●在10:00-14:00负荷“峰值”时，光伏发电量大、能源供应充足，用户需求响应“削峰”效果明显，同时有盈余电能向外部电网出售，因此该时段峰时电价明●在3:00-7:00时段受热负荷供应●由于夏季电负荷略高于温和季、冬季电负荷略低于温和季，故夏季的平均电价略高于温和季，冬算例分析仿真分析算例分析仿真分析口能源用户需求响应分析线主要呈现“削峰填谷”的●在负荷峰值时大量弹性负荷转移至谷时，多个时段存在可中断负荷的削减，致使图8能源用户需求响应情况表4不同案例设置“绿碳”1√√2X√√√√3√X√√√√4√√X√√√5√√√XXX6XXXXXX●Case2未考虑IDR,假设能源用户均不随能●Case3未考虑IES运营商与能源用户间的●Case4未考虑CCUS技术，二氧化碳均排放至●Case5未考虑CET、GCT市场以及“绿碳”机制。IES运营商需满足碳排放及绿证配额需求。算例分析电负荷电负荷图9电负荷供需情况●从整体来看，电能主要由光伏、风电及CCHP系统供应，外部电网、HFC以及蓄电池主要起辅助供应作用。●由于氢负荷及HFC的氢能供应主要由P2G设备提供，因此电能的消耗主要为P2G设备，EC和CCUS设备的运行仅消耗少量的电能。算例分析图10热负荷供需情况●热能主要由CCHP、GB及HFC供应，虽然GB和HFC的制热效率更高，但为满足电能供应，减少外部电网购电成本，故CCHP的供热占比更高。HFC的运行受P2G氢能供应的影响，导致HFC供热占比较低于CCHP和GB。andmaximizeself-cofortheoperationalconstraintsofthedistributiontransformers'ratings)andtherechargingtimesoftheEVs.Itexpchargingstations,electricvehicles,PVself-consu算例分析仿真分析算例分析ESS,disESS,chrHFC氢负荷图11氢负荷供需情况●结合图11可知，氢负荷均由ESS,disESS,chrHFC氢负荷图11氢负荷供需情况ACEC一冷负荷●结合图12可知，由于EC的制冷效率高于AC,因此冷负荷主ACEC一冷负荷图12冷负荷供需情况算例分析算例分析00CCCC表5不同案例下IES运营商与能源用户的经济效益₂n00CaseF图17能源用户的消费者剩余n00本文所提出的方法能够显著降低购气购电成本，减少系统碳排放，提高双方交算例分析算例分析微物放别微物放别图18不同碳价增长率和基础碳交易价格下IES碳排放容图19不同基础绿证交易价格和基础碳交易价格下IES的“绿碳”兑换量“绿碳”兑换量格G图20不同基础绿证交易价格和基础碳交易价格下IES的碳交易成本图21不同基础绿证交易价格和基础碳交易价格下IES的绿证交易收益口“绿碳”抵消机制可以有效降低系统排放成本。如果IES同时参与CET、GCT市场和绿碳抵消机制，碳排放成本将降低48.40%,GCT的收入仅减少7.25%。可以激励运营商管理能源供应，并通过动态定价改变能源用户的消费行为。口分析了“绿碳”抵消机制的关键参数。如果CET和GCT的价格过高或过低，系统的碳总结与展望总结与展望能源共享、碳转移、绿证市场等新型IES运行模型是未来可考虑关键市场机制。口多网耦合方面：电网、天然气网等能源网络与交通网耦合是未来的发展趋势。结合实际交通网对综合能源汽车等综合能源进行优化调度，有利于能源网络间的协同发展与优化布局，降低整体能源系统的碳足迹。口博弈论应用方面：考虑混合博弈论在IES优化运行中的应用，采用IES内部采用合作博弈优化系统运行结果，实现不同IES互利共赢，IES与外部电网、外部天然气网基于Stackelberg博弈建立“多主-多从”运行模型，优化整体运行策略。C