本发明涉及生物质能综合能源，具体涉及一种考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法。
背景技术：
1、综合能源系统(integrated energy system，ies)现已成为世界各国共同关注的焦点，近年来许多国家制定了相应的综合能源系统发展策略，并取得了一定的发展和进步。在能源领域，生物质能具有较大的提升空间，现已成为仅次于天然气、煤炭和石油的第四大能源。我国作为世界上最大的农业国家之一，每年产生的农作物秸秆数量极其发丰富。相关数据表示，目前我国有机废弃物资源量高达63亿吨(折合标煤约10-12亿吨)，若能加以利用，每年可替代标煤4亿吨，减少二氧化碳排放至少10亿吨。但现阶段，生物质能在我国能源消费总量中仅占约1％，是一种相对“小众”的能源。相比欧盟，生物质能占比欧盟终端能源需求的12％。虽然近期我国逐步加大对生物质能的利用，但对比其他新能源，生物质能仍有很大的开发潜力。
2、随着我国“双碳”政策的推行，生物质能作为清洁能源不断引起关注。生物质热电联产(combined heat and power，chp)能够有效提高生物质能源的利用效率，在生物质能工程项目中，逐渐成为一种备受重视的可再生能源供能方式。目前，国内外学者针对生物质热电联产的研究和应用已取得了初步成果。文献将天然气引入到生物质chp中，提高了系统的效率；文献考虑生物质多种储运模式，并建立了秸秆储运成本模型；文献将地热能集成到生物质热电联产机组的汽水循环中，取代部分汽轮机抽汽，提高了系统的经济性；文献从工质流体的角度，使用有机物替换传统朗肯循环的工质水，进一步提高了系统的能源转换效率。然而，当前对生物质chp的研究主要侧重于生物质能的转换方式和生物质chp经济性与环保性两方面，对包括生物质能在内的ies系统研究较少，此外，对生物质chp的运行策略以及与其他能源的协调控制等方面的研究同样比较匮乏。
3、同时，综合需求响应(integrated demand respons，idr)会对系统的供能规划产生影响。文献建立了计及价格型和激励型的多重综合需求响应模型，对日前调度结果和日内调度结果进行分析。文献结合冷热电柔性负荷特性，建立柔性负荷需求响应模型，进而参与到园区ies的协同低碳运行。
4、上述文献多是在负荷侧引入综合需求响应以提高系统的灵活性和经济性，却并未提及市场机制如何对系统的运行产生影响。实际上，碳交易(carbon emission trading，cet)和绿色证书交易(green certificate trading，gct)会对系统的碳排量和经济性产生作用，进而影响到综合能源系统的规划方案。文献把系统多能耦合特性与新能源高比例的特点相结合，考虑利用氢能精细化多元，并结合绿证-碳联合交易建立模型；文献研究了绿证-碳交易机制，并结合考虑碳捕集模型与电转气模型；文献构建了双层优化模型，考虑了现货价格的不确定性，充分研究了cet和gct机制并结合构建电力现货市场出清模型；文献研究了阶梯式碳交易机制，根据系统的低碳性和经济性，构建了一个电-气-热ies。由于我国cet和gct机制还尚未健全，因此在绿电消费等领域仍有很大的研究空间。
5、综上所述，现有对生物质chp的研究更多倾向于生物质的实际系统仿真，以及比较生物质与传统燃料在经济和环保方面的表现，将其应用于综合能源系统的相关研究较少，导致无法充分利用生物质能作为可再生能源的潜力，同时限制了系统在面对能源需求和供应波动时的适应能力和韧性。将生物质chp纳入综合能源系统，合理规划生物质chp的运行，可以降低系统的运营成本，提高经济效益，通过研究生物质chp对于系统经济性、环保性的影响，有助于促进可再生能源的发展和普及。除此之外，计及阶梯碳-绿证交易和需求响应特性，对生物质chp运行模型进行优化调度分析更是缺乏深入的研究。
技术实现思路
1、针对以上现状，本发明在现有研究的基础上提出了一种考虑阶梯式碳-绿证联合交易机制和综合需求响应下的生物质能综合能源系统优化策略。首先，基于有机朗肯循环技术，构建生物质热电联产模块，同时对系统中其他设备建立数学模型。将农业废弃物秸秆转换为电热资源，解决废弃农作物秸秆的消纳问题，并作为供电、供热系统的主要部分；其次，将多种负荷的综合需求响应机制引入系统，实现电-热-气灵活响应，优化系统运行；然后，根据国家可再生能源政策，构建阶梯式碳-绿证联合交易机制来约束系统碳排放，提高新能源渗透率和能源利用率；最后，针对六个不同场景进行算例分析，从经济成本、碳排放量等方面，对比研究阶梯式碳-绿证联合交易机制、生物质成本和综合需求响应对系统规划产生的影响。仿真算例证明本发明提出的方法具有良好的经济性和碳减排效果。
2、为了实现上述目的，本发明提供了一种考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，该方法包括：
3、(1)基于有机朗肯循环技术，构建生物质热电联产模块，同时对系统中其他设备建立数学模型，将农业废弃物秸秆转换为电热资源，解决废弃农作物秸秆的消纳问题，并作为供电、供热系统的主要部分；
4、(2)将多种负荷的综合需求响应机制引入系统，实现电-热-气灵活响应，优化系统运行；
5、(3)根据可再生能源政策，构建阶梯式碳-绿证联合交易机制来约束系统碳排放，提高新能源渗透率和能源利用率；
6、(4)针对六个不同场景进行算例分析，从经济成本、碳排放量等方面，对比研究阶梯式碳-绿证联合交易机制、生物质成本和综合需求响应对系统规划产生的影响。
7、优选地，所述综合能源系统以通过有机朗肯循环技术对生物质资源进行发电为核心，由电源侧、供能设备与储能、负荷侧结合组成。系统整合了风电、光伏、外部电网和外部气网作为电源侧；储能供能设备包含生物质有机朗肯循环热电联产机组、燃气轮机chp机组、电动汽车以及电储能、热储能和气储能；在负荷侧，系统与电、热、气三类不同类型负荷相连接。
8、优选地，生物质orc-chp机组的出力模型如下：
9、
10、其中，pb(t)表示t时段生物质orc-chp机组的发电量；ηe为生物质orc-chp机组的电转换效率；mb(t)为t时段所燃烧的生物质燃料量；ηb为生物质燃烧的转换效率；δt为调度时间；qb(t)为t时段生物质orc-chp机组的热功率；ηc为生物质orc-chp机组的热转换效率。
11、优选地，燃气轮机chp机组出力模型表示如下：
12、
13、优选地，风力发电的功率输出由风机额定功率和风速确定，其输出模型如下：
14、
15、优选地，光伏发电的功率输出与太阳辐射强度等因素有关，其输出模型如下：
16、
17、优选地，电动汽车在到达充电站后，会根据自身用能需求进行充放电，电动汽车所需的净充电量与入网荷电状态、电池容量有关，其输出模型如下：
18、
19、优选地，采用统一建模对储电设备、储热设备、储气设备进行分析，x表示储能设备类型，各类储能设备表达式如下：
20、
21、优选地，建立综合需求响应模型，其中包含可转移负荷、可替代负荷和可削减负荷，电、热、气负荷中均包含可替代负荷，由于只有电负荷在时间上有明显的峰谷，所以电负荷包括可转移负荷和可削减负荷，电、热、气负荷的idr模型表示如下：
22、
23、优选地，碳交易机制是一种基于碳排放权交易的市场机制，通过调节碳排放权的价格控制和约束碳排量；当实际碳排放量低于所分配的碳排放配额时，可出售多余的碳排放配额以获取收益；反之，则必须通过购买碳排放配额来满足要求；
24、综合能源系统中的碳排放源主要包括外部购电、燃气轮机chp机组和生物质orc-chp机组，根据全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案，纯生物质发电机组年配额暂不纳入配额管理。
25、优选地，阶梯式碳交易机制是根据不同情况将碳排放划分为多个区间，并设置不同的碳交易价格，购买的碳排放配额越多，则相应的碳交易价格也越高，从而更有效地减少系统碳排放量，阶梯式碳排放交易表达式如下：
26、
27、本发明提出了一种计及阶梯式碳-绿证联合交易的生物质能综合能源系统优化策略。基于阶梯式碳-绿证联合交易机制，以ies总成本最小为目标，建立生物质能为核心，包含燃气轮机、风电、光伏、电动汽车、储能，考虑综合需求响应的电-热-气综合能源系统模型。选取华北地区某ies为研究对象，对实际典型日进行分析，通过不同场景的算例分析得出如下结论：
28、(1)采用阶梯式碳交易和绿证交易均可以提高系统的经济性与环保性。本发明在阶梯式碳交易和绿证交易的基础上，考虑阶梯式碳-绿证联合交易机制，由于绿证产生了额外的碳减排量，进一步减少了系统的碳排放量，系统的碳交易成本降低，体现了阶梯式碳-绿证联合交易机制的经济性、环保性与有效性。
29、(2)生物质orc-chp机组的一次能源节约比为6.83％-13.21％，投资利润率为2.89％-3.54％，系统的能源利用率较高且热经济效益显著。不仅为系统增加了供电收益，还增加了供热收益，降低了生物质发电对燃料价格的敏感性。但当生物质成本高达一定程度时，系统的经济性下降，因此，需要充分考虑生物质成本对系统的影响。
30、(3)电动汽车及储能设备既可作为供电设备又可作为用电设备，为系统带来收益，提高了系统的灵活性。采用ies把多种能源相组合，使系统的收益增加，并填补了系统因外界因素所带来的损失。
31、(4)参与idr优化后的电、热、气负荷峰谷差分别下降了43.28％、12.19％、35.74％，验证了通过idr优化，在降低系统成本方面具有显著效果。
32、本发明仅研究了系统某典型日运行的优化调度，未考虑ies长期运行以及源、荷不确定性对优化结果的影响，在后续的研究中，将重点考虑具有不确定性的生物质等可再生能源出力模型，并研究长期运行对ies的影响。
1.一种考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，该方法包括：
2.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，所述综合能源系统以通过有机朗肯循环技术对生物质资源进行发电为核心，由电源侧、供能设备与储能、负荷侧结合组成。系统整合了风电、光伏、外部电网和外部气网作为电源侧；储能供能设备包含生物质有机朗肯循环热电联产机组、燃气轮机chp机组、电动汽车以及电储能、热储能和气储能；在负荷侧，系统与电、热、气三类不同类型负荷相连接。
3.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，生物质orc-chp机组的出力模型如下：
4.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，燃气轮机chp机组出力模型表示如下：
5.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，风力发电的功率输出由风机额定功率和风速确定，其输出模型如下：
6.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，光伏发电的功率输出与太阳辐射强度等因素有关，其输出模型如下：
7.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，电动汽车在到达充电站后，会根据自身用能需求进行充放电，电动汽车所需的净充电量与入网荷电状态、电池容量有关，其输出模型如下：
8.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，采用统一建模对储电设备、储热设备、储气设备进行分析，x表示储能设备类型，各类储能设备表达式如下：
9.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，建立综合需求响应模型，其中包含可转移负荷、可替代负荷和可削减负荷，电、热、气负荷中均包含可替代负荷，由于只有电负荷在时间上有明显的峰谷，所以电负荷包括可转移负荷和可削减负荷，电、热、气负荷的idr模型表示如下：
10.根据权利要求1所述的考虑阶梯式碳-绿证联合交易和需求响应的生物质能综合能源系统优化方法，其特征在于，阶梯式碳交易机制是根据不同情况将碳排放划分为多个区间，并设置不同的碳交易价格，购买的碳排放配额越多，则相应的碳交易价格也越高，从而更有效地减少系统碳排放量，阶梯式碳排放交易表达式如下：
