论文标题：Low-carbon collaborative dual-layer optimization for energy station considering joint electricity and heat demand response

期刊：Frontiers in Energy

作者：Shaoshan Xu, Xingchen Wu, Jun Shen, Haochen Hua

发表时间：25 Jun 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0958-0

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文章导读

为了实现“碳达峰和碳中和”目标，中国科学院、中国科学院大学、北京理工大学的研究人员与河海大学合作，开发了一种开创性的双层优化策略，用于园区级综合能源系统（PIES）。这一策略整合了电力和热需求响应，显著提高了能源站的经济效率和低碳运行。

Fig.1 Energy flow relationship between energy station and users

全球对碳中和的推动加速了向风能和太阳能等可再生能源的转型。然而，这些能源的固有不可预测性和变化性给综合能源系统的稳定运行带来了挑战。传统的垂直整合市场交易结构未能充分解决能源站和用户之间复杂的互动和协作关系，导致经济和环境结果次优。

研究团队引入了一种新颖的双层优化框架，涉及能源站和用户在协作决策过程中的参与。上层代表能源站，确定电力和热能的销售价格、能源供应设备的输出计划以及电池储能的操作状态。下层由用户组成，通过需求响应调整他们的电力和热能需求。采用了差分进化和二次规划（DE-QP）的组合来解决能源站和用户之间的互动策略。

模拟结果表明，与传统结构相比，所提出的策略有效地将能源站的收入提高了5.09%，用户的消费者剩余提高了2.46%。在能源站引入沼气作为可再生燃料源，减少了对不可再生天然气的依赖，增强了天然气供应和电力生产的稳定性。分阶段的碳交易策略进一步激励参与者减少碳排放，导致碳交易成本减少了5.23%，碳排放减少了2.54%。

这项研究解决了对更高效和可持续能源系统的迫切需求。通过将传统的垂直整合互动模式转变为热电协作互动模式，使能源站能够更灵活地适应用户能源需求，并鼓励用户改变他们的能源消费行为。双层优化策略不仅提高了能源站的经济绩效，还通过减少碳排放促进了环境的可持续性。

文章信息

Low-carbon collaborative dual-layer optimization for energy station considering joint electricity and heat demand response

Shaoshan Xu^1,2, Xingchen Wu³, Jun Shen^1,2,4, Haochen Hua³

Author information:

1. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

3. School of Electrical and Power Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China

4. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Abstract:

In the park-level integrated energy system (PIES) trading market involving various heterogeneous energy sources, the traditional vertically integrated market trading structure struggles to reveal the interactions and collaborative relationships between energy stations and users, posing challenges to the economic and low-carbon operation of the system. To address this issue, a dual-layer optimization strategy for energy station-user, taking into account the demand response for electricity and thermal, is proposed in this paper. The upper layer, represented by energy stations, makes decisions on variables such as the electricity and heat prices sold to users, as well as the output plans of energy supply equipment and the operational status of battery energy storage. The lower layer, comprising users, determines their own electricity and heat demand through demand response. Subsequently, a combination of differential evolution and quadratic programming (DE-QP) is employed to solve the interactive strategies between energy stations and users. The simulation results indicate that, compared to the traditional vertically integrated structure, the strategy proposed in this paper increases the revenue of energy stations and the consumer surplus of users by 5.09% and 2.46%, respectively.

Cite this article:

Shaoshan Xu, Xingchen Wu, Jun Shen, Haochen Hua. Low-carbon collaborative dual-layer optimization for energy station considering joint electricity and heat demand response. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0958-0

Full text：

通讯作者简介

沈俊，国家高层次领军人才，北京理工大学机械与车辆学院教授、博士生导师。

2019年获得国家杰出青年科学基金项目。长期从事新型制冷与极低温技术的基础和应用研究。围绕最具潜力替代传统蒸气压缩制冷的全固态磁制冷技术，开展了“材料、关键技术和工程应用”的全链条研发工作。发明了高性能磁制冷材料，突破了基于多层结构磁工质的耦合制冷关键技术，研制出新型复合制冷装备，实现了磁制冷的工程应用，为磁制冷技术的创新发展做出了重要贡献。发表第一/通讯作者论文70篇，获授权国家发明专利65项，国际发明专利2项。2021年获第三届科学探索奖，2020年获第十六届中国青年科技奖，2018年获第十四届中国青年女科学家奖，2017年获中国工程热物理学会“吴仲华优秀青年学者奖”。目前担任国际学术期刊Applied Thermal Engineering副主编，中国稀土学会稀土磁制冷材料与技术专业委员会副主任委员，中国制冷学会低温专业委员会委员等。

华昊辰，河海大学教授、博士生导师，卓越工程师学院副院长。

国家“万人计划”青年拔尖人才，国家重点研发计划国际合作项目首席科学家，入选全球前2%顶尖科学家榜单，从事用能互联网方向研究。

担任IEEE PES Analytic Methods for Power Systems委员会副秘书长、中国电科院期刊中心青年专家团委员、中国自动化学会能源互联网专委会委员、《中国电力》《电力建设》《南方电网技术》青年编委、教育部学位中心学位论文评审专家。作为项目负责人承担：国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点项目，国家自然科学基金联合基金重点项目、面上项目、青年项目，中国博士后科学基金特别资助、面上项目一等资助（第70批全国电气工程学科唯一的一等资助）等。累计发表论文120余篇，其中第一作者IEEE 亮点论文1篇、ESI热点论文1篇、ESI高被引5篇；参与撰写中英文著作3本，授权发明专利14项。撰写“能源互联网定义”英文词条被互联网百科全书The SAGE Encyclopedia of the Internet收录。主讲的硕博士生全英文课程《综合能源系统》入选河海大学留学生线上品牌课程。

获得荣誉包括：江苏省“双创博士”，江苏省委组织部第十一批科技镇长团优秀挂职干部，江苏省人才工作领导小组办公室江苏省科技镇长团荣誉团员，南京市江北新区科技人才工作顾问，清华校友总会博士后分会第四届理事会理事，清华大学博士后联谊会第三十届理事会杰出工作奖，英国利物浦大学杰出职工成就奖等。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由高等教育出版社、中国工程院和上海交通大学共同主办。致力于发表能源领域具有“前沿性、创新性和交叉性”的原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。截至2024年12月05日，2024年海内外下载量为108万，即时Impact Factor为5.1,即时CiteScore为6.8。

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