本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域，特別是涉及一種基于協(xié)同博弈的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
1、二氧化碳(co2)是導(dǎo)致全球溫升的主要溫室氣體之一。碳捕集、利用和封存(ccus)是減少和去除排放后co2的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。此外，將質(zhì)子交換膜電解池(ec)和sabatier反應(yīng)器(sr，薩巴第爾反應(yīng)器)耦合技術(shù)融入電-氣綜合能源系統(tǒng)，通過二氧化碳的捕集和后續(xù)利用，為深度脫碳提供了一種有前景的解決方案，這已逐漸成為一個(gè)值得研究的新方向。
2、然而，現(xiàn)有的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃很少詳細(xì)模擬ccus的物理和運(yùn)行過程，且大多基于中心化框架，中心化框架難以協(xié)調(diào)多主體利益沖突，忽視了實(shí)體間的不同所有權(quán)和獨(dú)立決策行為，從而限制了其在實(shí)際場(chǎng)景中的適用性，且系統(tǒng)運(yùn)行效率與公平性較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的電-氣綜合能源系統(tǒng)的適用性、運(yùn)行效率與公平性較低的技術(shù)問題，提出一種基于協(xié)同博弈的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
3、一種基于協(xié)同博弈的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，包括以下步驟：s1、建立包括碳捕集發(fā)電廠、可再生能源和碳利用單元的多主體電-氣綜合能源系統(tǒng)模型；s2、構(gòu)建碳捕集發(fā)電廠模型、可再生能源模型和碳利用單元模型的分布式優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與運(yùn)行約束；s3、基于合作博弈聯(lián)盟，根據(jù)所述分布式優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與運(yùn)行約束，通過分布式優(yōu)化構(gòu)建協(xié)同博弈模型；s4、采用交替方向乘子法對(duì)所述協(xié)同博弈模型進(jìn)行分解與協(xié)同求解，通過迭代更新拉格朗日乘子與懲罰因子，生成電-碳雙邊交易量及動(dòng)態(tài)協(xié)商價(jià)格，用于多主體電-氣綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃。
4、在一些實(shí)施例中，步驟s2中，所述碳捕集電廠模型的運(yùn)行約束包括機(jī)組啟停約束、吸收再生過程中的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程及碳存儲(chǔ)壓力平衡方程；所述可再生能源模型的運(yùn)行約束包括出力預(yù)測(cè)約束、本地負(fù)荷供需平衡方程及電力交易收益方程；所述碳利用單元模型的運(yùn)行約束包括電解/合成反應(yīng)效率約束、碳資源采購路徑優(yōu)化方程及電力-燃?xì)怦詈辖灰追匠獭?/p>
5、在一些實(shí)施例中，所述吸收再生過程中的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程包括：吸收塔內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程和再生塔內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程，所述吸收塔內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程采用一維對(duì)流擴(kuò)散偏微分方程，具體包括溶劑流速與co2濃度的時(shí)空演化關(guān)系；所述再生塔內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程通過解吸系數(shù)關(guān)聯(lián)富液與貧液的co2濃度梯度；所述碳存儲(chǔ)壓力平衡方程基于氣體狀態(tài)方程與固定儲(chǔ)罐體積計(jì)算實(shí)時(shí)存儲(chǔ)質(zhì)量。
6、在一些實(shí)施例中，步驟s3中，所述合作博弈聯(lián)盟需滿足的條件包括群體理性及個(gè)體理性；所述群體理性為：聯(lián)盟整體的合作收益不得低于各主體在非合作情形下各自收益的總和；所述個(gè)體理性為：聯(lián)盟中每一參與主體所得收益不得低于其在未參與聯(lián)盟時(shí)的獨(dú)立收益。
7、在一些實(shí)施例中，所述通過分布式優(yōu)化構(gòu)建協(xié)同博弈模型包括：通過最大化納什乘積構(gòu)建協(xié)同博弈模型，納什乘積公式如下：
8、
9、其中，表示參與博弈的代理方總數(shù)，表示代理方在博弈中的實(shí)際收益，表示代理方在不參與合作情形下所獲得的最優(yōu)收益，即其博弈中斷點(diǎn)。差值表示通過參與合作博弈所獲得的收益增量，即利潤剩余。
10、在一些實(shí)施例中，步驟s4包括：s41、依據(jù)幾何平均不等式，將所述協(xié)同博弈模型等效轉(zhuǎn)化為聯(lián)盟收益最大化子問題；s42、采用交替方向乘子法將所述聯(lián)盟收益最大化子問題分解為各主體的分布式優(yōu)化子模型并協(xié)同求解，同時(shí)引入拉格朗日乘子與懲罰因子進(jìn)行迭代更新；s43、輸出滿足聯(lián)盟收益分配公平性的全局最優(yōu)解。
11、在一些實(shí)施例中，所述吸收塔采用單乙醇胺燃燒后捕集方法進(jìn)行碳捕集，所述一維對(duì)流擴(kuò)散偏微分方程如下：
12、其中，表示吸收塔中溶液的co2摩爾濃度，其與距離頂端距離 x及時(shí)間 t相關(guān)，表示吸收塔中溶液的時(shí)變流速，表示a端吸收系數(shù)，表示a端輸入co2質(zhì)量。
13、所述再生塔內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)態(tài)方程通過解吸系數(shù)關(guān)聯(lián)富液與貧液的co2濃度梯度的公式如下：
14、其中，表示再生塔中溶液的co2摩爾濃度，其與距離頂端距離 x及時(shí)間 t相關(guān)，表示再生塔中溶液的時(shí)變流速，為解吸系數(shù)，表示吸收塔中時(shí)間步長(zhǎng)，表示再生塔 i中e端 t時(shí)刻co2質(zhì)量，表示再生塔 i中f端 t時(shí)刻co2質(zhì)量，表示mea溶液密度，表示再生塔橫截面積，表示再生塔液體損失率，表示再生塔 i中g(shù)端 t時(shí)刻co2質(zhì)量。
15、所述碳存儲(chǔ)壓力平衡方程基于氣體狀態(tài)方程與固定儲(chǔ)罐體積計(jì)算實(shí)時(shí)存儲(chǔ)質(zhì)量的公式如下：
16、其中，表示固定儲(chǔ)罐體積，為co2摩爾質(zhì)量，為co2氣體常數(shù)， t時(shí)刻co2氣體體積，表示儲(chǔ)罐內(nèi)部 t-1時(shí)刻co2氣體體積，表示儲(chǔ)罐 i內(nèi)部 t時(shí)刻的壓強(qiáng)，表示儲(chǔ)罐 i內(nèi)部 t時(shí)刻壓強(qiáng)對(duì)時(shí)間的微分，表示儲(chǔ)罐內(nèi)部溫度，表示再生塔 i中h處 t時(shí)刻co2質(zhì)量，表示關(guān)于壓強(qiáng)的二次系數(shù)，表示關(guān)于壓強(qiáng)的一次系數(shù)，表示關(guān)于壓強(qiáng)的常數(shù)，表示關(guān)于壓強(qiáng)的二次系數(shù)，表示關(guān)于壓強(qiáng)的一次系數(shù)，表示關(guān)于壓強(qiáng)的常數(shù)。
17、在一些實(shí)施例中，采用有限差分法對(duì)所述一維對(duì)流擴(kuò)散偏微分方程進(jìn)行離散化處理，公式如下：
18、其中，表示吸收塔中高度步長(zhǎng)。
19、在一些實(shí)施例中，步驟s2中，所述碳捕集發(fā)電廠模型的目標(biāo)函數(shù)包括：常規(guī)發(fā)電單元的發(fā)電成本、碳捕集與封存系統(tǒng)的投資成本、按碳批發(fā)價(jià)格獲得的碳交易收益和碳利用單元以博弈價(jià)格獲得的碳交易收益；所述可再生能源模型的目標(biāo)函數(shù)包括：按照上網(wǎng)電價(jià)獲得的電力銷售收入、按照交易電價(jià)獲得的電力交易收入和由電力公司收取的電網(wǎng)接入費(fèi)用；所述碳利用單元模型的目標(biāo)函數(shù)包括：按照氣價(jià)所獲得的氣體收益、電力的上網(wǎng)采購成本、電力的博弈采購成本、co2的批發(fā)采購成本、co2的博弈采購成本和碳利用單元自身的投資成本。
20、在一些實(shí)施例中，所述碳捕集發(fā)電廠模型的目標(biāo)函數(shù)如下：
21、其中，表示按碳批發(fā)價(jià)格獲得的碳交易收益，表示碳利用單元以博弈價(jià)格獲得的碳交易收益，表示關(guān)于發(fā)電功率的二次成本函數(shù)，表示折現(xiàn)率，表示設(shè)備的生命周期，表示設(shè)備的折現(xiàn)系數(shù)，表示碳捕集發(fā)電廠 i在 t時(shí)刻的功率，表示吸收塔的縮寫，表示再生塔的縮寫，表示儲(chǔ)罐的縮寫。
22、所述可再生能源模型的目標(biāo)函數(shù)如下：
23、其中，表示按照交易電價(jià)獲得的電力交易收入，表示按照上網(wǎng)電價(jià)獲得的電力銷售收入，為關(guān)于電網(wǎng)接入功率的二次費(fèi)用函數(shù)，表示富余電量。
24、所述碳利用單元模型的目標(biāo)函數(shù)如下：
25、其中，表示按照氣價(jià)所獲得的氣體收益，表示電力的上網(wǎng)采購成本，表示按照交易電價(jià)獲得的電力交易成本，表示co2的批發(fā)采購成本，表示co2的博弈采購成本，表示設(shè)備的單位投資成本，表示設(shè)備的單位投資容量，表示質(zhì)子交換膜電解池的縮寫，表示薩巴第爾反應(yīng)器的縮寫。
26、在一些實(shí)施例中，步驟s4中，所述動(dòng)態(tài)協(xié)商價(jià)格的生成邏輯包括：當(dāng)工業(yè)電價(jià)低于上網(wǎng)電價(jià)時(shí)，所述碳利用單元優(yōu)先采購?fù)獠侩娋W(wǎng)電力；當(dāng)實(shí)時(shí)零售碳價(jià)低于批發(fā)碳價(jià)時(shí)，所述碳利用單元優(yōu)先采購?fù)獠刻假Y源；在電價(jià)/碳價(jià)峰值時(shí)段，觸發(fā)聯(lián)盟內(nèi)部博弈均衡交易，所述動(dòng)態(tài)協(xié)商價(jià)格介于主體供給成本與需求邊際效用之間。
27、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比的有益效果包括：
28、本發(fā)明提出的基于協(xié)同博弈的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，通過建立碳捕集發(fā)電廠模型、可再生能源模型和碳利用單元模型，并構(gòu)建各主體模型的分布式優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與運(yùn)行約束，能夠處理包括碳捕集發(fā)電廠、可再生能源與碳利用單元在內(nèi)的多類主體之間的分布式?jīng)Q策行為。同時(shí)結(jié)合分布式優(yōu)化構(gòu)建合作博弈模型，并通過構(gòu)建基于交替方向乘子法（admm）的雙階段分布式優(yōu)化求解算法，第一階段分別最大化各主體的收益，第二階段聯(lián)合確定電力與碳交易價(jià)格，兼顧隱私保護(hù)需求與合作剩余價(jià)值分配，實(shí)現(xiàn)多主體合作剩余公平分配，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率與公平性。
29、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明還具有以下有益效果：
30、通過引入基于單乙醇胺（mea）吸收法的燃燒后碳捕集的物質(zhì)流過程模型，替代傳統(tǒng)線性近似建模方式，能夠真實(shí)刻畫電-氣-碳系統(tǒng)中多能流之間的物理交互關(guān)系，進(jìn)一步提升模型物理可靠性與工程適用性。
31、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。