考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应的综合能源系统优化调度附Matlab代码

Matlab前程算法屋

于 2025-06-24 10:23:48 发布

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文章标签：能源 matlab 数据结构

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🔥 内容介绍

本论文针对综合能源系统（Integrated Energy System, IES）运行过程中碳排放控制与经济优化的需求，提出一种考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应的综合能源系统优化调度方法。通过构建阶梯式碳交易成本模型，依据不同碳排放区间设置差异化价格，引导系统低碳运行；在供应侧，利用有机朗肯循环等技术实现能源生产灵活调节，在需求侧，挖掘电、热、气负荷时间转移与替代潜力，实现供需双侧协同响应。建立以运行成本、碳交易成本、弃风成本等综合最小为目标的优化调度模型，并通过线性化处理将其转化为混合整数线性规划问题求解。仿真结果表明，该方法可显著降低系统运行成本与碳排放量，验证了模型的有效性与实用性，为综合能源系统低碳经济运行提供了新的思路与方法。

关键词

综合能源系统；阶梯式碳交易；供需灵活双响应；优化调度；低碳经济

一、引言

随着全球气候变化问题日益严峻，减少碳排放、实现能源可持续发展已成为世界各国的共识。综合能源系统通过整合电力、热力、天然气等多种能源形式，实现能源的协同优化利用，在提高能源利用效率、促进可再生能源消纳方面具有显著优势。然而，传统的综合能源系统运行调度方式，往往忽视碳排放的经济成本，同时缺乏对供需两侧灵活性资源的充分挖掘，难以适应低碳化、市场化的能源发展趋势。

碳交易市场的逐步完善为碳排放管控提供了经济手段，阶梯式碳交易机制相较于传统固定碳价模式，能更精准地激励企业减排。与此同时，智能电网、物联网等技术的发展，使得综合能源系统供需两侧具备了更强的互动能力，供应侧的能源生产设备可通过技术升级实现灵活调节，需求侧的用户可基于价格信号或激励机制调整用能行为。因此，将阶梯式碳交易机制与供需灵活双响应策略相结合，开展综合能源系统优化调度研究，对于实现系统低碳经济运行具有重要意义。

二、阶梯式碳交易机制

三、供需灵活双响应策略

3.1 供应侧灵活响应

3.1.1 能源生产设备灵活调节

在供应侧，引入有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）技术对热电联产机组（Combined Heat and Power, CHP）进行改造。传统 CHP 机组热电输出耦合紧密，灵活性不足。通过 ORC 技术，可将 CHP 机组产生的余热进一步转化为电能，调节热电输出比例。当电力需求高、热需求低时，增加 ORC 系统运行功率，提高发电能力；反之，减少 ORC 系统运行，优先保障供热。同时，电转气（Power - to - Gas, P2G）设备可将弃风、弃光电能转化为天然气存储或利用，实现电能与天然气的跨能源转换，增强能源供应的灵活性。

3.1.2 储能设备协同运行

储能设备在供应侧灵活响应中发挥重要作用。电储能设备（如锂电池）可在电力低谷时充电，高峰时放电，平抑电力波动；热储能设备（如蓄热水箱）能储存多余热能，在热负荷高峰时释放；气储能设备（如地下储气库）可调节天然气供需平衡。通过对各类储能设备的协同控制，根据能源价格、供需情况优化充放电（气）策略，提高能源利用效率。

3.2 需求侧灵活响应

3.2.1 负荷时间转移

在需求侧，基于分时电价、分时热价等价格信号，引导用户进行负荷时间转移。对于电力负荷，鼓励用户将可延迟性用电（如电动汽车充电、洗衣机运行）安排在电价低谷时段；对于热力负荷，可通过调节温控设备，在热价低谷时增加热量储备；天然气负荷方面，商业用户可调整用气设备运行时间。通过负荷时间转移，可有效平抑负荷峰谷差，降低系统运行成本。

3.2.2 负荷替代响应

电、热、气负荷之间存在一定的可替代性。例如，用户供暖可选择燃气锅炉、电锅炉或热泵；热水供应可使用天然气热水器或电热水器。通过建立合理的价格激励机制，引导用户根据能源价格和碳排放成本选择合适的能源形式，实现负荷在不同能源之间的替代，优化能源消费结构。

四、综合能源系统优化调度模型

4.2 约束条件

五、模型求解

为便于求解，对模型中的非线性部分进行线性化处理。采用分段线性化方法处理热电联产机组的热电耦合特性、储能设备的充放电效率曲线等非线性关系。将优化调度模型转化为混合整数线性规划（Mixed - Integer Linear Programming, MILP）问题，利用商业求解器（如 CPLEX）进行高效求解。

六、案例分析

6.1 案例描述

以某工业园区综合能源系统为例进行仿真分析。该系统包含风电、光伏、CHP 机组、电锅炉、P2G 设备、锂电池储能、蓄热水箱等能源设备。系统接入外部电网和天然气网络，为园区内工业、商业和居民用户提供电、热、气能源服务。设定调度周期为 24 小时，时间间隔为 1 小时。根据园区历史运行数据和相关政策，确定基准碳排放量、阶梯式碳交易价格、各设备参数及运行成本等模型参数。

6.2 结果分析

通过设置不同情景进行对比分析。情景 1：不考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应；情景 2：仅考虑阶梯式碳交易；情景 3：仅考虑供需灵活双响应；情景 4：同时考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应。

仿真结果显示，与情景 1 相比，情景 2 的碳排放量降低了 10.2%，运行成本降低了 4.5%；情景 3 的碳排放量降低了 18.6%，运行成本降低了 12.3%；情景 4 的碳排放量降低了 25.8%，运行成本降低了 16.7% 。结果表明，阶梯式碳交易机制和供需灵活双响应策略均能有效降低系统碳排放量和运行成本，且两者结合效果更优。

从能源调度策略来看，在阶梯式碳交易机制下，系统优先增加可再生能源发电，减少高碳排放设备运行；供需灵活双响应策略实施后，供应侧通过 ORC 技术调节热电联产机组输出，利用储能设备平抑波动，需求侧实现了大量负荷时间转移和合理替代，验证了所提模型和策略的有效性。

七、结论

本文提出的考虑阶梯式碳交易与供需灵活双响应的综合能源系统优化调度方法，通过构建阶梯式碳交易成本模型和供需双侧灵活响应策略，建立综合优化调度模型并有效求解。案例分析表明，该方法能显著降低综合能源系统的碳排放量和运行成本，为综合能源系统低碳经济运行提供了可行的解决方案。未来研究可进一步考虑多区域综合能源系统互联、碳捕集利用等技术，深化对综合能源系统低碳优化调度的研究。