本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于動態(tài)碳排放因子的建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化方法。

背景技術：

1、建筑業(yè)最終能源消費約占總消費的33％，直接和間接二氧化碳排放約占全球總消費的40％。從能源供需角度看，建筑能耗是能源系統(tǒng)的需求側(cè)。需求側(cè)資源參與實現(xiàn)源負荷協(xié)同優(yōu)化是推動實現(xiàn)零碳目標的重要組成部分。因此，在建筑運營階段，利用清潔能源實現(xiàn)碳替代，利用系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)碳減排，符合能源領域的減碳路徑。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，既有建筑負荷和用電量迅速增加。特別是在不同氣候條件下，滿足用戶冷/熱需求的能源負荷比例越來越高，給電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全運行帶來了很大挑戰(zhàn)。也影響到電力市場的穩(wěn)定運行。與此同時，隨著可再生能源建筑一體化技術的發(fā)展，與建筑相關的分布式可再生能源發(fā)電規(guī)模也越來越大。需求側(cè)的可再生能源產(chǎn)出面臨著供需不匹配所帶來的消費問題。

2、此外，碳排放的統(tǒng)計和計算在建筑和能源領域的低碳發(fā)展中也非常重要。目前，碳計量大多是根據(jù)政府間氣候變化專門委員會提供的不同能源的典型排放因子進行計算。碳排放因子是一個固定參數(shù)。然而，碳排放量沒有完全實現(xiàn)零碳的電力系統(tǒng)運行強度是時變的。穩(wěn)態(tài)碳排放因子很難精確測量碳排放。用戶在減少建筑碳排放方面的作用還沒有得到充分激發(fā)。如果能夠在實現(xiàn)碳減排的基礎上，充分發(fā)揮調(diào)控能力，構建靈活的資源，調(diào)整用戶低碳能源消費行為，響應電力系統(tǒng)的碳減排需求，將有利于建筑和能源領域的可持續(xù)發(fā)展。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于動態(tài)碳排放因子的建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化方法，解決現(xiàn)有技術存在的常見的建筑低碳運營策略依賴價格激勵來引導用戶行為，且需求側(cè)的可再生能源產(chǎn)出存在供需不匹配的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于動態(tài)碳排放因子的建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟一、建立電力建筑電碳耦合成本計算模型；

4、步驟二、基于虛擬儲能測算房間熱負荷及運行成本，并對用戶將可再生能源棄電做出處罰；

5、步驟三、建立建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化模型；

6、步驟四、調(diào)用matlab中gurobi求解器對步驟三建立的建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化模型進行求解，實現(xiàn)碳減排。

7、優(yōu)選的，步驟一的具體過程如下：

8、s11、計算低碳需求響應的動態(tài)碳排放因子，計算表達式如下：

9、

10、式中，ec,i,t為區(qū)域電網(wǎng)i在第t時段的動態(tài)碳排放因子；z為區(qū)域電網(wǎng)i覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點集；為節(jié)點j在第t時段的負荷；為節(jié)點j的碳勢；

11、s12、基于動態(tài)碳排放因子，計算建筑購電的碳排放量，計算表達式如下：

12、

13、式中，ek為建筑用戶k購電的碳排放量，單位為kgco2；為建筑用戶k在t期購電量，單位為kw·h；

14、s13、在低碳建筑的需求側(cè)設置光伏和熱電聯(lián)產(chǎn)作為供能設備，計算電力建筑電碳耦合成本，計算表達式如下：

15、

16、式中，ccarbon為電力建筑電碳耦合成本，λ為碳排放交易價格；ec,t為電網(wǎng)動態(tài)碳排放因子；ptgrid為上電網(wǎng)供電量，單位為kw；為熱電聯(lián)產(chǎn)碳排放計算系數(shù)；nc為熱電聯(lián)產(chǎn)裝機量；為熱電聯(lián)產(chǎn)設備在時間t的輸出功率，單位為kw；δt為機組調(diào)度時間，單位為h。

17、優(yōu)選的，步驟二的過程如下：

18、s21、根據(jù)能量守恒定律和熱平衡原理，獲得房間內(nèi)熱儲變化的關系，表達式如下：

19、

20、式中，a為房間比熱容系數(shù)；ta為房間內(nèi)溫度，單位為℃；φra為進入房間的熱量，單位為kw；φrelease,1為房間對外散失的熱量，單位為kw；φrelease,2為房間從圍護結構自然向外散熱量，單位為kw；

21、s22、根據(jù)熱傳導原理，考慮供暖條件下的熱慣性，獲得室溫準動態(tài)變化的簡化通用模型，表達式如下：

22、

23、其中，ta,t+1為下一時刻房間室內(nèi)溫度，單位為℃，tout,t為室外空氣溫度，單位為℃；φra,t為時段t的加熱功率，單位為kw；ηair為空氣導熱系數(shù)，單位為kw/℃；δt為調(diào)度時長，單位為h；tc為供暖時長，單位為h；ta,t為t時刻房間室內(nèi)溫度，單位為℃；

24、s23、計算房間虛擬儲能的充放電功率，計算表達式如下：

25、

26、式中，hroom為房間虛擬儲能系統(tǒng)的充放電功率；為考慮人體舒適度后，t時刻房間的實際熱負荷，單位為kw；為t時刻前房間的日預測熱負荷，單位為kw；

27、s24、計算房間的熱負荷，計算表達式如下：

28、

29、式中，φra,t表示房間的熱負荷；

30、s25、計算運行成本，運行成本包括建筑能源的電力/天然氣消耗成本和設備的運行維護成本；

31、s26、對用戶將可再生能源棄電做出處罰，處罰力度表示如下：

32、

33、式中，ccurtail為可再生能源棄電限電；ptpv,p為光伏發(fā)電量，單位為kw；ptpv為光伏調(diào)度出力，單位為kw；kp為棄光懲罰系數(shù)，npv為光伏安裝的數(shù)量。

34、優(yōu)選的，s25中建筑能源的電力/天然氣消耗成本和設備的運行維護成本的計算表達式如下：

35、建筑能源的電力/天然氣消耗成本為：

36、

37、式中，cmarket為建筑能源的電力/天然氣消耗成本；dgas為天然氣價格；nc為熱電聯(lián)產(chǎn)裝機量；ac,i、bc,i、cc,i為熱電聯(lián)產(chǎn)用氣成本計算系數(shù)；為熱電聯(lián)產(chǎn)設備在時間t的輸出功率，單位為kw；cp為上網(wǎng)電價，單位為cny；ptgrid為上電網(wǎng)供電量，單位為kw；δt為機組調(diào)度時間，單位為h；

38、設備的運行維護成本為：

39、

40、其中，cmaintan為設備的運行維護成本；為熱電聯(lián)產(chǎn)設備在時間t的輸出功率，單位為kw；為光伏設備在時間t的輸出功率，單位為kw；為電鍋爐在時間t的電功率，單位為kw；為冰箱在時間t的功耗，單位為kw；為t時刻儲能設備充放電功率，單位為kw；pv分別為熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏、電鍋爐、冰箱、儲能的單位功率運行維護成本；neb、nre、neg分別為電鍋爐、冰箱和儲能的數(shù)量。

41、優(yōu)選的，步驟三中建立建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化模型的過程如下：

42、s31、構建建筑能耗系統(tǒng)的總體目標函數(shù)，表達式如下：

43、f＝min(cmarket+cmaintan+ccurtail+ccarbon)；

44、其中，cmarket為建筑能源的電力/天然氣消耗成本；cmaintan為設備的運行維護成本；ccurtail為可再生能源棄電限電；ccarbon為電力建筑電碳耦合成本；

45、s32、對s31構建的建筑能耗系統(tǒng)的總體目標函數(shù)建立約束條件，包括能量平衡約束和能量交互約束。

46、優(yōu)選的，s32中能量平衡約束的表達式如下：

47、

48、其中，ptgrid為上電網(wǎng)供電量，單位為kw；ptload為節(jié)點電負荷需求，單位為kw；pt為節(jié)點注入功率，單位為kw；為節(jié)點熱負荷需求，單位為kw；φt為節(jié)點注入熱功率，單位為kw；ptchp為節(jié)點熱電聯(lián)產(chǎn)消耗功率，單位為kw；ptre為節(jié)點冰箱消耗功率，單位為kw；ptes為節(jié)點儲能消耗功率，單位為kw；pteb為節(jié)點鍋爐消耗功率，單位為kw；為節(jié)點熱電聯(lián)產(chǎn)注入熱功率，單位為kw；為節(jié)點鍋爐注入熱負荷功率，單位為kw。

49、優(yōu)選的，s32中能量交互約束包括建筑物多能源系統(tǒng)與上層電網(wǎng)之間的相互作用約束、各天然氣平均購氣率的上限約束、可再生能源產(chǎn)出限制約束、設備運行約束和電儲能操作約束，具體表達式如下：

50、建筑物多能源系統(tǒng)與上層電網(wǎng)之間的相互作用約束為：

51、

52、其中，為上電網(wǎng)供電量的上限，單位為kw；

53、各天然氣平均購氣率的上限約束為：

54、

55、其中，為t時段天然氣購氣量，單位為sm3/h，為t時段天然氣購氣量上限，單位為sm3/h；

56、可再生能源產(chǎn)出限制約束為：

57、

58、其中，ptre為t時段可再生能源發(fā)電量，單位為kw，為t時段可再生能源發(fā)電量上限，單位為kw；

59、設備運行約束為：

60、熱電聯(lián)產(chǎn)機組通過消耗天然氣產(chǎn)生電能和熱能，其數(shù)學模型表示為：

61、

62、其中，α、β、γ為熱電聯(lián)產(chǎn)特性系數(shù)；為熱電聯(lián)產(chǎn)供熱功率，單位為kw；ptchp為熱電聯(lián)產(chǎn)供電功率，單位為kw；為熱電聯(lián)產(chǎn)最大供電功率，單位為kw；δpu、δpd分別為熱電聯(lián)產(chǎn)最大升/降斜出力，單位為kw；為熱電聯(lián)產(chǎn)熱功率下限，單位為kw；為熱電聯(lián)產(chǎn)熱功率上限，單位為kw；為上一時刻熱電聯(lián)產(chǎn)消耗電功率，單位為kw；

63、電鍋爐的數(shù)學模型表示為：

64、

65、其中，qeb,τ為電鍋爐的加熱功率，單位為kw；ηeb為電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率；peb,τ為電鍋爐的功耗，單位為kw；為電鍋爐的額定功率，單位為kw；

66、室內(nèi)溫度tr的允許波動范圍為[tr,min,tr,max]，制冷系統(tǒng)的運行時間為[αac,βbc]：

67、tr,min≤tr(t)≤tr,max,t∈[αac,βac]；

68、電儲能操作約束為：

69、在可再生能源電力剩余時段[t1，t2]期間，電儲能吸收可再生能源廢物的能力描述為：

70、

71、式中，eal為剩余電力吸收量，單位為kw；ptbes為t時刻電儲能額定功率，單位為kw；為電儲能的額定容量，單位kw；ηbes為電儲能的充放電效率；δsocbes為示在時間段[t1,t2]內(nèi)的電動儲能系統(tǒng)的電荷狀態(tài)變化；為t2時刻電儲能的荷電狀態(tài)；為t1時刻電儲能的荷電狀態(tài)；為電儲能系統(tǒng)的最大荷電狀態(tài)；為電儲能的最大額定功率。

72、因此，本發(fā)明采用上述一種基于動態(tài)碳排放因子的建筑節(jié)能減排策略優(yōu)化方法，首先建立電力建筑電碳耦合成本計算模型，讓用戶以類似電費的形式承擔能源消費產(chǎn)生的碳排放成本，并將需求側(cè)供能設備的碳排放成本納入建筑用戶的能源消費策略。然后考慮建筑物虛擬儲能，進一步計算房間熱負荷測算及運行成本，通過利用空間和時間的轉(zhuǎn)換調(diào)度周期最大限度地減少建筑物在電力和碳排放高峰期的能源需求。最后制定建筑運行優(yōu)化策略，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟運營成本以及能源節(jié)約和碳減排的作用，將購電購氣成本、運行維護成本、可再生能源棄光限電成本、電碳耦合成本全部納入目標函數(shù)，以電氣能量交互作為約束條件，實現(xiàn)電力建筑節(jié)能減排策略的優(yōu)化求解。

73、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。