matlab碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行

1 主要内容

架构模型：

需求响应模型：

目标函数：

对比算例设计：

2 部分程序

3 程序结果

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1 主要内容

该程序复现文献《碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行》，解决碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行问题，根据负荷响应特性将需求响应分为价格型和替代型 2 类，分别建立了基于价格弹性矩阵的价格型需求响应模型，及考虑用能侧电能和热能相互转换的替代型需求响应模型; 其次，采用基准线法为系统无偿分配碳排放配额，并考虑燃气轮机和燃气锅炉的实际碳排放量，构建一种面向综合能源系统的碳交易机制; 最后，以购能成本、碳交易成本及运维成本之和最小为目标函数，建立综合能源系统低碳优化运行模型，并通过 4 类典型场景对所提模型的有效性进行了验证。程序采用matlab+yalmip（cplex作为求解器）求解。

架构模型：

在该系统中，电能和气能分别由上级电网、气网供应，从上级气网购气用来供给热电联产装置( combined heat and power，CHP) 和燃气锅炉( gas boiler，GB) ，剩余电能可出售给上级电网; 能量耦合设备有 CHP、热泵( heat pump，HP) 和 GB，能实现电热能量双向流动; CHP 由燃气轮机 ( gas turbine，GT) 、余热锅炉( waste heat boiler，WHB) 和基于有机朗肯循环( organic Ｒankine cycle，OＲC) 的低温余热发电装置组成，运行方式为热电解耦，该运行方式能适应系统不同运行工况; HP 和 GB 消纳风电并承担部分热负荷。引入 DＲ可以平抑负荷曲线波动，实现电热的交互耦合、削峰填谷并降低运行成本。

需求响应模型：

本程序将价格型需求响应和替代型需求响应均进行了实现。

目标函数：

对比算例设计：

程序采用四种对比算例，分别是仅包括碳交易、碳交易+需求响应、仅包括需求响应、均不包括四种情况。

2 部分程序

%% 碳交易机制下考虑需求响应的综合能源系统优化运行——魏震波
%场景 2: 碳交易机制下考虑需求响应

clc;clear;close all;% 程序初始化
%% 读取数据
shuju=xlsread('carbon+DR数据.xlsx'); %把一天划分为24小时
load_e=shuju(2,:); %初始电负荷
load_h=shuju(3,:); %初始热负荷
P_PV=shuju(4,:);    %光电预测
P_WT=shuju(5,:);    %风电预测
pe_b=shuju(6,:); %需求响应前电价
pe_a=shuju(7,:); %需求响应电价
ph_b=shuju(8,:); %需求响应前热价
ph_a=shuju(9,:); %需求响应热价

%% 需求侧定义变量
Z=zeros(24,24); %需求弹性矩阵
e_W1=0.5;e_W2=0.3;e_W3=0.15;e_W4=0.05;%约束：固定、可转移、可消减、可替代负荷占比50%，30%，15%，5% %这里进行4. 2. 2 需求响应灵敏度分析
h_W1=0.5;h_W2=0.2;h_W3=0.2;h_W4=0.1;%约束：固定、可转移、可消减、可替代负荷占比50%，30%，15%，5%  %这里进行4. 2. 2 需求响应灵敏度分析
Psl_e=zeros(1,24);%转移电负荷量
Pcl_e=zeros(1,24);%消减电负荷量
Prl_e=zeros(1,24);%电负荷被替代量
Psl_h=zeros(1,24);%转移热负荷量
Pcl_h=zeros(1,24);%消减热负荷量
Prl_h=zeros(1,24);%热负荷被替代量
P2H=1.83; %电转热系数
OP_load_e=zeros(1,24);%优化后的电负荷
OP_load_h=zeros(1,24);%优化后的热负荷
%% IES电网交互电价
price_buy_grid=shuju(7,:); %向电网购电价
price_sell_grid=shuju(10,:); %向电网售电价
%% 供应测定义机组变量
%CHP
P_GT=sdpvar(1,24,'full');%燃气轮机输出功率
e_GT=0.3;%燃气轮机供电效率
h_GT=0.4;%燃气轮机供热效率
P_WHB=sdpvar(1,24,'full');%余热锅炉输出功率
r_WHB=0.80;%热回收效率
P_ORC=sdpvar(1,24,'full');%ORC输出功率
r_ORC=0.80;%ORC效率

P_GB=sdpvar(1,24,'full');%燃气锅炉输出功率
h_GB=0.9;%燃气锅炉供热效率

P_HP=sdpvar(1,24,'full');%热泵输入功率
COP_HP=4.4;%电制冷机冷系数
B_grid=sdpvar(1,24,'full');%购电电量S_grid=sdpvar(1,24,'full');%售电电量B_grid_sign=binvar(1,24,'full'); %购电标志

ES_char=sdpvar(1,24,'full');%储电系统充电
ES_dischar=sdpvar(1,24,'full');%储电系统放电
ES_char_sign=binvar(1,24,'full');%储电系统充电标志
ES_max=400; ES_loss=0.01;ES_c_char=0.95;ES_c_discharge=0.9;%电储能最大容量；自损系数；充、放能效率

HS_char=sdpvar(1,24,'full');%储热系统充热
HS_dischar=sdpvar(1,24,'full');%储热系统放热
HS_char_sign=binvar(1,24,'full'); %储热系统充热标志
HS_max=400; HS_loss=0.01;HS_c_char=0.95;HS_c_discharge=0.9;%热储能最大容量；自损系数；充、放能效率;原文0.8
%% DR-需求侧响应优化
Z_e=ElasticityMatrix(pe_a); %电价需求弹性矩阵
Z_e_CL=diag(diag(Z_e)); %消减电负荷弹性矩阵,对角阵
Z_e_SL=Z_e-Z_e_CL; %转移电负荷弹性矩阵

Z_h=ElasticityMatrix(ph_a); %热价需求弹性矩阵
Z_h_CL=diag(diag(Z_h)); %消减热负荷弹性矩阵,对角阵
Z_h_SL=Z_h-Z_h_CL; %转移热负荷弹性矩阵

%价格型需求响应
[Psl_e,Pcl_e]=IBDR(Z_e_SL,Z_e_CL,load_e,pe_a,pe_b,e_W2,e_W3);
[Psl_h,Pcl_h]=IBDR(Z_h_SL,Z_h_CL,load_h,ph_a,ph_b,h_W2,h_W3);
%替代型需求响应
[Prl_e,Prl_h]=RBDR(pe_a,ph_a,e_W4,h_W4);

OP_load_e=load_e+Psl_e+Pcl_e-Prl_e+Prl_h/P2H;%优化后的电负荷
OP_load_h=load_h+Psl_h+Pcl_h-Prl_h+Prl_e*P2H;%优化后的热负荷
%%  IES供应侧储能约束     
ES_start=80;
HS_start=50;  %电储能和热储能的初始能量
for i=1:24ES(1,i)=ES_start+ES_char(1,i)*ES_c_char-ES_dischar(1,i)/ES_c_discharge; %储电初始容量约束ES_start=ES(1,i);
end
for i=1:23ES(1,i+1)= ES(1,i)*(1-ES_loss)+ES_char(1,i)*ES_c_char-ES_dischar(1,i)/ES_c_discharge; %储电容量约束
end
ES_start=ES(1,24);

for i=1:24EH(1,i)=HS_start+HS_char(1,i)*HS_c_char-HS_dischar(1,i)/HS_c_discharge; %储热初始容量约束HS_start=EH(1,i);
end
for i=1:23EH(1,i+1)= EH(1,i)*(1-HS_loss)+HS_char(1,i)*HS_c_char-HS_dischar(1,i)/HS_c_discharge; %储热容量约束
end
HS_start=EH(1,24);

%% IES供应侧优化
% 约束条件
C=[];
%%电储能设备运行约束for i=1:24  %运行约束C=[C,0<=ES_char(1,i)<=250*ES_char_sign(1,i)];C=[C,0<=ES_dischar(1,i)<=250*(1-ES_char_sign(1,i))];endfor i=1:24 %余量约束C=[C,0<=ES(1,i)<=400];end%热储能设备运行约束for i=1:24  %运行约束C=[C,0<=HS_char(1,i)<=250*HS_char_sign(1,i)];C=[C,0<=HS_dischar(1,i)<=250*(1-HS_char_sign(1,i))];endfor i=1:24 %余量约束C=[C,0<=EH(1,i)<=400];enda=0.5; %这里进行4. 2. 3 GT 产热分配比例的影响
%各个机组约束
for i=1:24   C = [C,0<=P_GT(i)<=4000];%燃气轮机上下限约束C = [C,0<=P_GB(i)<=1000];%燃气锅炉上下限约束 C = [C,0<=P_HP(i)<400];%热泵上下限约束C = [C,0<=P_ORC(i)<=400];%ORC上下限约束C = [C,P_GT(i)*h_GT*r_WHB*a<=P_WHB(i)<=P_GT(i)*h_GT*r_WHB*a];%余热回收分配公式，a为分配系数C = [C,P_GT(i)*h_GT*r_ORC*(1-a)<= P_ORC(i)<=P_GT(i)*h_GT*r_ORC*(1-a)];C = [C, 0<= B_grid(i)<= B_grid_sign*1500];C = [C, 0<= S_grid(i)<=(1-B_grid_sign)*1500]; %外部电网联络线约束
end