一种含重卡换电站的综合能源系统的优化调度方法

本发明属于综合能源领域，涉及综合能源系统优化调度技术，尤其是一种含重卡换电站的综合能源系统的优化调度方法。

背景技术：

1、风光等清洁能源大规模并入电网会造成电网不稳定等问题，综合能源系统不仅可以通过多种能源之间的协调转化来提高纳新能源的利用率，还可以通过挖掘负荷的调度潜力和配置储能设备进一步提升综合能源系统的经济性和对新能源的利用率；将重卡换电站作为带储能的柔性负荷并入综合能源系统，既可优化系统运行又可减少因修建电储能设备的投资成本；因此，重卡换电站在综合能源系统调度之中将发挥重要作用。

2、针对含换电站的综合能源系统优化运行这一相关问题，目前国内外关于电动汽车换电站的研究其对象大多是单一能源的电力系统，对换电站的充放电行为对综合能源系统优化调度的影响的研究较少；且对换电站的研究大多侧重与电池容量较小、换电时间不固定家用电动汽车的运行机制和充放电策略，而对于像电动公交车、电动重卡这类电池容量较大、周期性换电的设备的研究较少。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含重卡换电站的综合能源系统的优化调度方法，旨在解决现有综合能源系统碳排放量和经济成本较高以及新能源利用率较低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种含重卡换电站的综合能源系统的优化调度方法，包括以下步骤：

3、步骤一、构建在固定线路上往返运输的换电重卡的换电负荷数学模型；

4、步骤二、根据在固定线路上往返运输的换电重卡的换电负荷数学模型建立重卡和重卡换电站的电池更换模型、重卡换电站的站内电池充放电数学模型；

5、步骤三、构建包括各类柔性负荷和热电比可调的燃气轮机以及用于制冷和供热的热能比例可调的余热锅炉的含重卡换电站的综合能源系统的设备数学模型；

6、步骤四、在满足重卡换电需求以及系统的电热冷能源协调的基础上，构建以减少碳排放量、提高系统的经济性以及对新能源的消纳能力为目标的采用阶梯式碳交易机制计算综合能源系统的碳排放成本含重卡换电站的综合能源系统的优化调度模型；

7、步骤五、将典型场景输入综合能源系统优化模型中，采用matlab/cplex进行求解，得到最佳运行方案。

8、其中，在固定线路上往返运输的换电重卡的换电数学模型及运行约束

9、在固定线路上往返运输的换电重卡的换电数学模型表示为：

10、

11、式中：表示在j运行时段更换到第i辆重卡的电池soc要支持的往返运行次数更换情况(0表示不更换，1，2，…，nrun表示更换的电池要支持的往返运行次数)，nrun表示一次换电可以完成的最多往返次数；nt,start为重卡开始工作的时间段；nt为调度周期的时间段总数；ntruck表示重卡的数量，ntrans表示重卡一个调度周期的往返运行总次数；

12、在固定线路上往返运输的换电重卡的总换电车次数约束表示为：

13、

14、式中：nswap,max表示一个时段内的最大换电次数，表示第i辆重卡在j运行时段的电池更换状态(更换为1，不更换为0)。

15、其中，(1)重卡电池更换数学模型

16、重卡电池更换数学模型表示为：

17、

18、式中：表示在j运行时段更换到第i辆重卡的电池编号的站内存放位置编号(0表示不更换，1，2，…np,total表示更换到重卡的电池在换电站内的存放位置编号)，np,total为站内电池(存放位置)总数；

19、(2)重卡换电站电池更换数学模型

20、重卡换电站电池更换数学模型表示为：

21、

22、为重卡换电站内要更换到重卡上的第i号存放位置的电池在j时间段初始时刻的soc要支持的往返运行次数(0表示不更换，1，2，…，nrun表示在j时段初进行更换的站内电池电量要支持的往返运行次数)；和分别为第m位置的站内电池在j时间段的平均充电soc和平均放电soc；为第m位置的电池在j时间段开始时的soc；sone为重卡完成一次往返运行所需soc；slow为电池工作的最低soc；t为一个时间段的时长；

23、(3)重卡换电站的站内电池充放电数学模型

24、重卡换电站的站内电池充放电数学模型表示为：

25、

26、式中：表示第m位置的电池在j时段的充电电量，表示第m位置的电池在j时段的放电电量，表示第m位置的电池在j时段开始时的电量，pc,max,pd,max和s分别表示一个时段内的最大充电功率，最大放电功率和电池容量，sone为重卡完成一次往返运行所需电量，slow为电池电量过低警示电量，nba为站内电池数量，分别表示第m位置的电池在j时段的充、放电状态(处于充、放电状态为1，不进行充、放电为0)，ncd表示充放电舱的数量。

27、其中，建立含重卡换电站的综合能源系统设备模型的步骤包括：

28、(1)构建可调热电比的燃气锅炉的数学模型

29、可调热电比的燃气锅炉的数学模型表示为：

30、

31、式中：pgt,t,分别为t时间段燃气锅炉产生的总功率，发电功率和产热功率；ηgt为燃气轮机的效率，vgt,t为t时间段燃气轮机天然气消耗量，qlg表示天然气低热值；分别为燃气轮机最小、最大电热比；

32、(2)构建用能比例可调的余热锅炉的数学模型

33、用能比例可调的余热锅炉的数学模型表示为：

34、

35、式中：hwhb,t为t时间段余热回收装置的制热量，ηwhb为余热回收装置的效率；分别为t时间段余热锅炉的制热量用于供热、用于吸收式制冷机制冷的热量；

36、(3)构建光伏、风机、燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机、电制冷机、热泵和蓄热罐等设备的数学模型；

37、构建各种柔性负荷的数学模型。

38、其中，步骤四包括：

39、(1)根据设备的数学模型构建含重卡换电站的综合能源系系统优化调度模型：

40、为了减少系统的碳排放和提高新能源利用率，将碳排放量和新能源利用率转化为经济指标融入目标函数，因此目标函数包括整个系统的购能成本cbuy、运维成本com、柔性负荷补偿成本cfl、电动重卡电池充放电损耗成本closs和阶梯型碳交易成本以及弃风弃光惩罚成本cpun，具体模型如下：

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、式中：ce_buy,t为分时购电电价；cg_buy为单位体积天然气价格；pe_buy,t为t时间段的平均购电功率；wk为设备k的单位功率运行成本系数；uk为设备k的单位功率容量日维护成本系数；pk,t为设备k的出力；qk为设备k的容量(k取1、2、…、7和8，分别代表光伏设施、风电设施、燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机、电制冷机、热泵和蓄热罐)；ηc_loss和ηd_loss分别为重卡电池充和放1kw·h的电能的损耗成本；ε为弃风弃光电量单位惩罚成本；和分别为光伏和风电的预测出力；和为光伏和风电的实际消纳量；

48、阶梯式碳交易机制模型分为三部分，首先是碳排放配额的分配，其次是综合能源系统实际碳排放量的计算，最后是利用阶梯式定价策略确定碳交易成本；

49、(1碳排放配额

50、目前国内主要采用的配额方法为无偿配额，因此本文采用无偿配额，并利用基准线法为综合能源系统分配碳排放配额；

51、此处，一般认为二氧化碳主要来自燃气轮机、余热回收锅炉和电网购售电产生，并且本文认为上级购电均来源于燃煤机组发电；所以建模时综合能源系统的碳配额考虑以上三个部分，其碳排放配额模型如下：

52、

53、

54、ec_whb,t＝δg·hwhb,t (16)

55、ec_grid,t＝δcf·(pe_buy,t-pe_sell,t) (17)

56、式中：ec_ies为综合能源系统碳配额总量，ec_gt,t、ec_whb,t和ec_grid,t分别为t时间段燃气轮机、余热锅炉和电网购售电的碳配额分配量；δg、δcf分别为天然气机组产生单位热能和火电厂产生单位电能的碳排放权配额；βe2h为燃气轮机发电量折算系数；

57、(2实际碳排放量

58、本文综合能源系统中天然气作为燃气轮机的能源，可通过计算其天然气使用量得到综合能源系统的燃气轮机和余热锅炉的实际碳排放量，并计及与电网购售电产生的碳排放量，则实际碳排放模型如下：

59、

60、

61、

62、式中：为t时间段综合能源系统实际碳排放量，分别为t时间段燃气设备运行过程中和电网购售电产生的实际碳排放量；vg,t为t时间段综合能源系统使用的天然气体积，mc为1立方米天然气燃烧产生的co2质量；δe为电网购售电能的碳排放系数；

63、(3阶梯型碳交易成本计算

64、求得综合能源系统的碳排放权配额及实际碳排放量，即可求得实际参与到碳交易市场的碳排放权交易额；

65、

66、式中：etrade为综合能源系统的碳排放权交易额；

67、阶梯式定价机制划分了多个购买区间，随着需要购买的碳排放权配额越多，相应区间的购价越高；阶梯式碳交易成本为：

68、

69、式中，λ为碳交易的基础价格；l为碳排放的区间划分长度；α为价格变化率；etrade为碳排放权交易额；

70、(2)常规运行约束条件：

71、重卡换电站运行约束，蓄热罐运行约束，燃气锅炉运行约束，余热锅炉运行约束，吸收式制冷机运行约束，光伏/风电运行约束，热泵运行约束，电制冷机运行约束，能源交易约束；

72、(3)冷热电能量平衡约束条件：

73、

74、式中：和分别为t时间段热泵和电制冷机的平均用电功率；为t时间段的基础电负荷平均功率；为优化前t时间段的最大可转移电负荷平均功率；为t时间段优化后被转移到其他时间段的可转移电负荷平均功率；为优化后转移到t时间段的可转移电负荷平均功率；为优化后t时间段的可平移电负荷平均功率；为优化前t时间段的最大可削减电负荷平均功率；为优化后t时间段的可削减电负荷被削减的电负荷平均功率；为t时间段热泵的平均产热功率；和分别为t时间段蓄热罐的存储和释放的平均热功率；和分别为t时间段的基础热负荷、优化后的可平移热负荷、优化前最大可可削减热负荷和优化后被削减的可削减热负荷的平均热功率；和分别为t时间段吸收式制冷机和电制冷机的平均制冷功率；和分别为t时间段的基础冷负荷、优化后的可平移冷负荷、优化前的最大可削减冷负荷和优化后被削减的可削减冷负荷的平均冷功率。

75、其中，步骤五中，

76、将典型场景输入含重卡换电站的综合能源系统优化模型中，采用matlab/cplex进行求解，得到最佳运行方案。

77、区别于现有技术，本发明的一种含重卡换电站的综合能源系统的优化调度方法，建立电动重卡换电站等装置的数学模型，根据运输需求及相应约束得到重卡换电站的充放电模型。本发明将电动重卡换电站作为一种带储能作用的柔性负荷，计及各类型的柔性负荷和可调热电比的燃气轮机以及用于制冷和供热的热量比例可调的余热锅炉构建含重卡换电站的综合能源系统优化调度模型，在满足重卡换电需求以及系统的电热冷能源协调的基础上，综合考虑阶梯式碳交易消耗、设备运维消耗、电池充放电消耗、弃风弃光惩罚代价、柔性负荷参与优化调度的补偿消耗、基于分时电价的购电消耗及购气消耗，以减少碳排放量、提高系统的经济性以及对新能源的消纳能力为目标优化系统运行。最后利用matlab调用cplex求解该模型，得到系统最佳运行方案。此方案的实施能够有效减少碳排放量、提高系统的经济性以及对新能源的消纳能力。