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计及需求响应与碳约束的综合能源系统多时间尺度三层协调优化研究（Matlab代码实现）

news 2026/8/7 16:37:12

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💥第一部分——内容介绍

计及需求响应与碳约束的综合能源系统多时间尺度三层协调优化研究

摘要

面向高比例风光新能源并网带来的出力波动、供需时序错配与双碳管控约束问题，单一时间尺度调度策略难以兼顾系统运行经济性、功率跟踪精度与实时调节可靠性。本文以电 - 热 - 气 - 碳多能耦合综合能源系统为研究对象，搭建日前、日内、实时三层递进式多时间尺度协同调度框架，分层实现长周期经济规划、中周期偏差修正与短周期快速精细调节。日前调度以小时为调度步长，统筹风光机组、燃气轮机、电锅炉、电转气、碳捕集装置、电 / 热储能及外部能源网络交互设备，结合用户需求响应贡献度量化用户柔性调节潜力，以全调度周期综合运行成本最低为目标完成全局经济性优化；日内调度以 15 分钟为时间尺度，针对风光日前预测与实际出力的偏差量，修正各机组出力、储能充放能计划，抑制功率供需偏差累积；实时调度采用 5 分钟超短步长，依托储能快速响应特性完成瞬时功率平抑，保障系统供需实时平衡。三层调度自上而下传递约束、自下而上反馈偏差，形成闭环协同调控机制。基于商业求解器完成多场景算例仿真，结果表明所提三层多时间尺度协调策略可有效降低多能流跟踪偏差，兼顾系统长期经济运行与短时动态调节能力，为高新能源渗透率综合能源系统低碳调度提供理论支撑与调度方案参考。

关键词：综合能源系统；多时间尺度；三层协调调度；需求响应；电 - 热 - 气 - 碳耦合；偏差跟踪；碳捕集

1 引言

1.1 研究背景与意义

新型电力系统建设背景下，电、热、天然气多能流耦合互联的综合能源系统成为消纳风光分布式新能源、提升能源利用效率、落实低碳减排目标的核心载体。燃气轮机、电转气、碳捕集、储能等多元可调设备接入系统，不同能源设备调节时延、响应速率存在显著差异：燃气机组、储能具备快速调节能力，电转气、碳捕集装置调节响应迟缓，风光新能源具有强随机波动性。若仅采用单一时间尺度调度，长时尺度调度无法适配风光短时剧烈波动，短时尺度调度缺乏全局经济统筹，易出现运行成本偏高、功率越限、碳排约束难以满足等问题。

与此同时，用户侧柔性负荷可通过需求响应参与系统调节，不同用户负荷可调潜力、调节成本存在区分，仅笼统纳入需求响应难以充分挖掘用户调节价值。现有多时间尺度优化研究多聚焦电 - 热双能耦合体系，对天然气网络、碳捕集设备协同调控与用户需求响应贡献度量化考虑不足，分层调度间约束传递、偏差反馈机制设计较为简化，日内、实时层级的偏差跟踪调节效果存在提升空间。

在此背景下，构建覆盖电 - 热 - 气 - 碳多能耦合、计及差异化需求响应贡献度的日前 - 日内 - 实时三层协调调度体系，分层匹配不同设备调节特性，逐级平抑新能源预测偏差，兼顾系统长期经济运行与短时运行稳定，对推动综合能源系统低碳、高效、可靠运行具备重要理论与工程价值。

1.2 国内外研究现状

现有综合能源系统调度相关研究可分为单时间尺度优化与多时间尺度协调优化两类。单时间尺度调度多以小时级为周期，侧重全局经济性最优，但未考虑新能源短时波动带来的功率偏差，无法保障短时段供需平衡。多时间尺度调度思路逐步成为主流，现有文献普遍划分为日前与实时两层调度，日前确定机组基础出力计划，实时利用储能快速平抑波动，但两层架构缺少中间缓冲层级，风光预测误差累积后易造成实时调节压力过大，储能频繁充放损耗加剧。

部分文献引入日内调度形成三层调度框架，但多数研究仅考虑电、热两类能源，忽略天然气网络耦合与碳捕集低碳设备协同运行；针对需求响应的建模多统一设定柔性负荷调节区间，未区分不同用户的调节贡献差异，难以精准量化用户参与调度带来的成本与减排收益。参考现有经典多时间尺度优化文献，其模型完整覆盖电 - 热 - 气多能耦合链路，量化需求响应贡献度，但分层调度的偏差传递、修正逻辑仍可进一步细化，日内跟踪、实时精细调节的调控目标可进一步区分，实现三层调度功能差异化分工。

现有优化求解框架多依托商用求解器完成线性、混合整数规划模型求解，但多数研究未完整搭建分层数据交互、偏差反馈、结果可视化一体化程序架构，模型复用、场景拓展难度较高。综上，现有研究仍存在多能耦合维度不全、需求响应刻画粗糙、三层调度协同逻辑薄弱、分层偏差跟踪调控效果不足等短板，本文针对上述问题开展优化改进。

1.3 本文主要工作

1）搭建电 - 热 - 气 - 碳四维耦合综合能源系统架构，包含风光新能源、燃气轮机、电锅炉、电转气、碳捕集设备、电储能、热储能及外部电网、热网、气网交互通道，量化不同设备运行约束、能量转换损耗与碳排放成本；引入需求响应贡献度指标，区分不同柔性用户调节潜力，将用户侧资源纳入系统分层调度体系。 2）设计日前、日内、实时三层递进式多时间尺度协同调度机制，明确各层级调度步长、优化目标、调控对象与层级间信息交互逻辑：日前调度步长 1h，以周期综合运行成本最低为目标，制定机组基础出力、储能日运行计划与需求响应基础调用方案；日内调度步长 15min，以缩小风光实际出力与日前预测值偏差为核心目标，修正各类机组可调出力区间，缓解实时阶段调节压力；实时调度步长 5min，以瞬时功率平衡、多能流跟踪偏差最小为目标，依托储能快速响应完成精细功率调节。三层调度自上而下传递设备出力上下限约束，自下而上反馈各时段功率偏差，形成闭环协同调控逻辑。 3）参照经典多时间尺度优化文献核心建模思路，复现电 - 热 - 气 - 碳耦合与分层调度核心模型，并优化层级间偏差修正逻辑，基于标准优化求解框架完成模型求解，设置多组风光出力波动场景开展算例分析。 4）通过多场景仿真验证三层协调调度策略有效性，分析日内、实时层级功率跟踪偏差水平，对比单层、两层调度方案在运行成本、碳排放、储能损耗、功率偏差等指标上的差异，论证所提三层多时间尺度调度方案的经济性与调节优越性。

2 综合能源系统多能耦合架构与分层调度机理

2.1 电 - 热 - 气 - 碳多能耦合系统组成

本文研究的综合能源系统包含能源供给侧、能源转换设备、储能设备、用户负荷侧、外部能源网络与碳捕集减排单元六大部分。能源供给侧包含风力发电机组、光伏发电机组两类新能源设备，出力具备随机、波动特性；能源转换设备涵盖燃气轮机、电锅炉、电转气装置，实现电能、热能、天然气之间双向能量转换，燃气轮机同步输出电能与热能，实现热电联产；电转气设备将富余电能转化为天然气，消纳新能源过剩出力；电锅炉以电能为热源供给热负荷。储能单元分为电储能与热储能两类，具备双向充放能能力，电储能响应速度快，适配实时短时调节；热储能调节时延更长，主要参与日前与日内中长期调度。碳捕集装置可捕获燃气机组、能源转换过程产生的二氧化碳，降低系统整体碳排放，装置运行消耗电能，存在运行功率约束与碳捕获上限。负荷侧包含刚性电、热、气负荷与柔性可调负荷，引入需求响应贡献度表征不同用户单位调节容量对应的成本、减排收益，高贡献度用户优先参与调度调节。系统可与外部大电网、市政热网、天然气网络进行功率交互，存在购能、售能价格与功率交换上限约束。

系统内部形成多条能量耦合链路：天然气输入燃气轮机产出电、热能；富余电能经电转气转化为天然气存储或外送；电能驱动电锅炉产热、碳捕集设备运行；热储能、电储能平抑不同时段供需缺口；碳捕集装置耦合全系统碳排放流，实现多能流低碳协同运行。

2.2 多时间尺度分层调度机理

综合能源系统内部各类设备响应速率存在明显分层特性，对应三层调度的时间尺度划分逻辑。 1）长周期日前调度（1h）：适配调节时延较长的设备，包含碳捕集装置、电转气设备、热储能、外部气网长期交易计划。该层级依托风光日前预测数据，以一日 24 小时为调度周期，统筹全天购售能成本、设备启停成本、需求响应成本、碳排放成本，确定各机组基础出力、储能全天充放电总计划、柔性负荷基础调节量，为下层调度提供出力上下限约束，核心目标为全局运行经济性最优。 2）中周期日内调度（15min）：作为日前与实时调度的缓冲层级，适配燃气轮机、电锅炉等中等响应速度设备。采用精度更高的日内风光预测数据，对比日前预测出力得到偏差量，小幅修正机组出力区间、调整储能小时级充放计划，提前平抑大部分中等尺度功率波动，避免偏差全部累积至实时调度阶段，核心目标为缩小多能流供需跟踪偏差。 3）短周期实时调度（5min）：适配响应速度最快的电储能设备，基于风光实时实测出力数据，针对日内调度后剩余瞬时功率偏差进行精细调节，不改变机组基础出力区间，仅依靠储能快速充放完成瞬时功率平衡，保障系统实时运行稳定，核心目标为最小化短时功率跟踪偏差。

三层调度形成自上而下约束传递、自下而上偏差反馈的协同逻辑：日前调度输出各设备出力基准区间作为日内调度硬约束；日内修正后的出力边界传递至实时调度；实时运行产生的功率偏差数据反向反馈至日内与日前调度，为后续时段计划修正提供依据，实现长、中、短周期调控目标协同统一。

3 计及需求响应贡献度的三层多时间尺度优化调度模型构建

3.1 三层调度总体优化逻辑

三层调度模型遵循分层独立优化、层级约束耦合的建模思路，各层级拥有独立优化目标与调度变量，上层优化结果作为下层变量约束，下层偏差反馈修正上层计划余量。日前调度属于全局规划层，优化变量包含各小时风光机组计划出力、燃气轮机启停与出力、电转气运行功率、碳捕集处理规模、电 / 热储能小时充放能功率、用户需求响应基础调节量、外部电网 / 热网 / 气网交互功率，优化目标为全天综合运行成本最小，成本项涵盖购气购电成本、设备运行损耗成本、需求响应补偿成本、碳排放治理成本、风光弃能惩罚成本。日内调度属于偏差修正层，以 15 分钟为时段单元，优化变量为各时段机组出力修正量、储能充放功率微调量、柔性负荷二次调节量，优化目标为电、热、气多能流供需偏差加权和最小，同时严格遵循日前调度给出的设备出力上下限，仅在允许区间内完成小幅修正，降低实时调节压力。实时调度属于精细调节层，以 5 分钟为最小调度单元，仅调节电储能充放电功率，不改变燃气轮机、电转气、碳捕集等慢响应设备出力，优化目标为实时电能供需跟踪偏差最小，快速平抑新能源瞬时出力波动，保障系统功率实时平衡。

3.2 电 - 热 - 气 - 碳多能耦合约束体系

完整复现经典文献中的多能耦合约束框架，覆盖能量转换平衡、设备运行边界、储能充放特性、碳流动平衡、外部网络交互五大类约束。能量转换平衡约束分别建立电能、热能、天然气功率平衡方程，串联各转换设备能量输入输出关系，考虑设备转换损耗系数；各类机组设置出力上下限、爬坡速率、最小启停时长约束，燃气轮机增加热电耦合运行区间约束；电转气、碳捕集装置设置最小运行功率、最大处理容量约束，碳捕集单元耦合系统全环节碳排放，捕获的二氧化碳可封存或资源化利用，形成碳流闭环约束。储能设备约束包含充放电功率上限、储能容量上下限、充放电状态互斥约束，区分电储能与热储能自损耗差异；外部能源网络约束限定系统与外网交换功率上限，区分购能、售能分时价格；需求响应约束依据贡献度划分柔性用户可调区间，高贡献度用户调节成本更低，优先参与各层级功率调节，约束用户总调节容量上下限。

3.3 层级间协同约束与偏差反馈机制

为实现三层调度协同，设计上下层耦合约束。日内调度中各设备修正后出力不得突破日前调度确定的出力上下限；实时调度储能调节功率不得超出日内调度预留的储能调节余量。偏差反馈机制用于量化各层级调控效果，日内调度统计每个 15 分钟时段风光预测偏差、电 / 热 / 气负荷供需偏差，将偏差均值作为下一调度日日前计划余量调整依据；实时调度统计 5 分钟级瞬时功率偏差序列，反馈至日内调度，用于优化下一个 15 分钟时段的出力修正幅度，形成动态闭环调控，持续降低全时段多能流跟踪误差。

4 模型求解框架与算例设置

4.1 优化求解整体架构

本文依托成熟标准化优化工具搭建分层求解架构，完整实现三层调度模型顺序求解、数据交互、结果存储与可视化输出。整体求解流程按照日前 - 日内 - 实时顺序依次求解，上层求解完成后输出设备出力边界、储能容量状态等参数，自动导入下层模型作为固定约束；下层求解完成后输出各时段功率偏差数据，完成偏差统计与反馈记录。整套架构分层封装三层调度模块，模块间数据接口统一，可单独运行单一层级调度模型，也可完整执行三层协同调度流程，模块内部逻辑注释完整，各设备参数、分时价格、风光出力数据独立配置，便于更换场景、调整设备容量开展对比仿真。求解完成后自动输出全时段运行成本、碳排放总量、各设备出力曲线、多能流跟踪偏差曲线、储能充放曲线等可视化结果，直观展示三层调度运行效果。

4.2 算例系统参数与场景设置

选取典型园区级电 - 热 - 气 - 碳耦合综合能源系统作为仿真算例，系统包含额定容量固定的风光机组、多台燃气轮机、电锅炉、电转气装置、碳捕集设备、配套电储能与热储能，接入市政电网、热网、天然气外网。负荷包含工业刚性电、热、气负荷与居民、商业柔性可调负荷，划分不同需求响应贡献度用户群体，配置分时购售能电价、气价、热价与碳排放治理成本参数。设置三类典型仿真场景：场景一为风光出力平稳基准场景；场景二为日间光伏大发、风电小幅波动场景；场景三为风光短时剧烈波动极端场景。同时设置两组对比调度方案：方案 1 仅采用单层日前调度；方案 2 采用日前 - 实时两层调度；方案 3 为本文所提日前 - 日内 - 实时三层协调调度方案，通过多场景横向对比验证三层调度优势。

4.3 评价指标体系

从经济性、跟踪调节性能、低碳性三个维度构建评价指标，量化不同调度方案运行效果。 1）经济指标：系统全天总运行成本、风光弃能损失、需求响应补偿成本、碳捕集运行成本； 2）跟踪调节指标：日内阶段平均多能流跟踪偏差、实时阶段瞬时功率最大偏差、储能日均充放损耗； 3）低碳指标：系统日总碳排放量、单位供能碳排放强度。

5 算例仿真结果与分析

5.1 三层调度设备出力运行特性分析

在基准风光平稳场景下，日前调度依据全天负荷与风光预测数据，制定燃气轮机、电转气、碳捕集全天平稳出力计划，电、热储能在负荷低谷时段储能、高峰时段释能，高贡献度柔性负荷集中在电价高峰时段削减用电，实现全天成本最优。日内调度基于 15 分钟高精度风光数据，小幅调整燃气轮机与电锅炉出力，预留充足储能调节余量，针对光伏、风电小幅出力偏移完成偏差修正，各设备出力曲线仅在日前计划基准上小幅波动，未出现频繁启停现象。实时调度仅依靠电储能完成 5 分钟级瞬时波动平抑，燃气轮机、碳捕集、电转气等慢响应设备出力保持日内修正后数值不变，储能充放电功率随风光瞬时出力小幅调整，调节动作平稳，无大幅度功率突变。

极端风光波动场景下，单层日前调度无法应对短时出力骤升骤降，出现大量弃风弃光与功率供需缺口；两层调度缺少日内缓冲，实时储能调节幅度接近上限，储能频繁大功率充放，损耗显著提升；三层调度通过日内层级提前消化大部分中等尺度偏差，实时储能仅承担小幅精细调节，设备运行工况更加平稳。

5.2 多能流跟踪偏差结果分析

统计三类场景下日内、实时层级电、热、气能流平均跟踪偏差与最大瞬时偏差。日内调度经过 15 分钟尺度修正后，电、热、气供需平均偏差维持在较低水平，大幅削减传递至实时层级的偏差量；实时 5 分钟精细调节后，系统瞬时功率跟踪偏差进一步降低，多能流供需曲线贴合度高。对比单层、两层调度方案数据：单层调度全天多时段功率偏差显著，无法满足短时供需平衡要求；两层调度实时阶段最大偏差远高于三层调度，储能调节压力大；本文三层协调调度依托日内中间缓冲层级，实现偏差分级消解，日内、实时跟踪效果均表现良好，有效解决新能源波动带来的功率失配问题。

5.3 经济性与低碳指标对比分析

横向对比三种调度方案全天总运行成本，单层调度因弃能惩罚、外网购能成本偏高，总运行成本最高；两层调度依靠实时储能调节降低部分弃能损失，但储能损耗补偿、短时高价购能仍推高成本；三层调度通过日前全局经济规划、日内偏差提前修正、实时精细调节三级配合，风光消纳水平显著提升，弃能成本大幅下降，储能充放损耗更低，全天综合运行成本最优。

碳排放维度，三层调度可统筹碳捕集设备分层运行计划，日前调度确定碳捕集全天基础处理规模，日内根据风光出力调整碳捕集用电功率，实时依托富余新能源电能提升碳捕获量，系统日碳排放总量低于单层与两层调度方案，兼顾经济运行与低碳减排目标。

5.4 需求响应贡献度调控效果分析

模型中区分高低贡献度柔性用户参与分层调度，日前调度优先调用高贡献度用户完成长时段负荷调节，降低基础调节成本；日内与实时阶段小幅调整低贡献度用户负荷应对短期偏差。仿真结果表明，引入需求响应贡献度量化机制后，系统需求响应补偿成本显著降低，柔性负荷调节潜力得到充分挖掘，进一步辅助三层调度缩小多能流跟踪偏差，提升系统整体调控灵活性。

6 结论与展望

6.1 主要结论

1）针对电 - 热 - 气 - 碳多能耦合综合能源系统，本文构建日前 1h、日内 15min、实时 5min 三层递进式多时间尺度协调调度框架，分层匹配不同能源转换设备、储能的响应速率，自上而下传递设备出力约束、自下而上反馈功率偏差，形成闭环协同调控机制，完整复现经典文献多能耦合与分层优化核心模型，并优化层级偏差修正逻辑。 2）三层调度分工明确，日前调度实现全局长期经济最优，日内调度作为缓冲层级消解中等尺度风光预测偏差，实时调度依托电储能完成瞬时功率精细调节；算例结果验证日内、实时层级多能流跟踪偏差维持在较低水平，功率跟踪调节效果良好。 3）相较于单层调度、日前 - 实时两层调度方案，所提三层协调策略能够显著提升风光新能源消纳能力，降低系统综合运行成本与碳排放，减少储能频繁大功率充放带来的设备损耗，同时计及需求响应贡献度可充分挖掘用户侧柔性资源调节价值，进一步优化调度经济性。 4）标准化分层求解架构逻辑清晰、适配性强，可直接用于综合能源系统多时间尺度调度相关课题拓展，便于修改设备容量、调整调度步长、拓展多能耦合维度开展后续研究。

6.2 研究展望

本文研究仍存在可拓展方向，后续可围绕以下内容深化： 1）引入电动汽车、氢能储能等新型可调资源，完善多能耦合体系，优化三层调度框架适配新型储能设备调节特性； 2）考虑多综合能源站互联集群系统，构建区域级多层级协同调度模型，增加站间能源交互约束； 3）引入风光负荷概率预测数据，构建鲁棒、随机多时间尺度优化调度模型，应对极端出力波动场景； 4）在分层调度中增加电网、热网管段潮流安全约束，兼顾系统经济调度与管网运行安全。