本文是一篇电气工程论文，本文为实现农村综合能源系统的低碳经济稳定运行，搭建了含有沼气发酵和沼气掺氢的高比例可再生能源农村综合能源系统双层规划模型，探究风沼氢之间的多能耦合作用，并在源侧考虑风电的出力不确定性，荷侧引入综合需求响应机制平滑负荷曲线，并通过算例验证了方法的有效性。
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
面对全球变暖的加剧，人们越来越认识到，在经济发展和环境保护之间需要寻求合理的权衡，而减少二氧化碳排放是解决全球变暖问题的关键。在过去的几十年里，中国的新兴经济体导致碳排放量大幅上升，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布，中国努力实现2030年二氧化碳排放达到峰值，实现2060年碳中和[1]。电力行业是能源行业的一个关键领域，而电力行业二氧化碳排放量占全国总排放量的50%，因此，电力行业碳减排是我国实现碳减排的重要研究方向[2]。
随着各类新能源发电和分布式发电的快速发展，综合能源系统可以有效地整合多种类型的能源，充分利用不同能源的互补特性，实现能源的阶梯式利用，提高能源的利用率，是实现碳减排和碳中和目标的重要研究方向[3]。
农村能源是国家能源系统的重要组成部分[4]，国家陆续出台相关政策，以促进农村可再生能源的利用。目前，我国农村家庭能源消费中非商业能源消费的比重仍然很大，其中煤炭、秸秆、木柴和电力所占比例最大，且农村能源消费存在消费结构不合理、清洁能源比重低、利用效率低等问题[5]。在国家实施乡村振兴战略和碳中和的背景下，农村能源亟需优化[6]。新形势下，农村能源品类向多元化发展，传统能源系统由单一能源系统向综合能源系统转变，多能源互补成为解决农村能源问题的重要手段。然而，不同能源的特点不同，实现多种能源的互补协调仍存在困难，亟需提出可行的解决方案。现阶段，农村多种能源的相互促进和耦合利用尚未深入开展，如何设计农村能源系统综合规划方案，将成为我国未来农村能源转型的重要内容。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 农村综合能源系统研究现状
农村综合能源系统整合了多种能源来源，能够满足农村地区的能源需求，减少对传统化石能源的依赖，降低能源成本，改善能源供应的稳定性，提供可持续、高效、环保的能源解决方案。文献[12]将生物质沼气发电与储能相结合，提出了一种涉及垃圾处理设施的农村综合能源系统优化模型。通过仿真验证，合理利用废弃物可以有效实现废弃物处理与电、热、沼气等多能供应的协调与优化。文献[13]建立了多区域农村可再生能源规划的多准则决策评价，结果表明，资源条件是制约农村可再生能源发展的主要因素。文献[14]建立了多参与者协同运营模式和利益循环机制，探究了混合可再生能源系统能源循环经济的潜力，验证了运营优化模型能够促进农村综合能源系统的能量循环和提高各主体经济效益。文献[15]针对农村分散式综合能源系统经济环保运行问题，提出了一种多目标运行优化方法，研究了农村分散式综合能源系统的基本结构，构建了能源供需平衡和设备容量平衡约束下的综合能源系统多目标运行优化模型，通过仿真分析，优化后的系统在运行过程中的经济性和环保性得到提升。文献[16]建立了基于阶梯碳交易政策的两阶段效益优化和共享模型，为促进农村综合能源系统的发展提供新的思路。文献[17]提出并评估了一种集电力、供热、制冷和化工产品于一体的生物质多联产综合能源系统。通过算例分析，研究了不同农村地区生物质多联产综合能源系统的可行性。文献[18]建立了一种的农村综合能源系统多目标规划模型，旨在降低系统碳排放，并优化综合能效水平。文献[19]建立了农村综合能源系统多准则评价指标体系，对农村综合能源系统可持续发展方面进行了评估。文献[20]提出了一种农村多能源互补系统结构，以最低运行成本、最低碳排放量为目标，开发优化模型。
以上研究围绕农村综合能源系统的优化调度展开研究，构建了高效、可持续的能源供应体系，探究了农村综合能源系统在经济性与低碳性，但未对农村综合能源系统运行中进行全面碳排放核算，且对生物质的碳减排特性未进行充分研究。
第2章 农村综合能源系统数学模型
2.1 农村综合能源系统结构
为促进能源低碳化发展，本章建立了含风、沼、氢、储的电热农村综合能源系统架构如图 2.1所示。其中，能源供给侧为风力发电(Wind Power, WP)、沼气池(Biogas Digester, BD)、上级电网，能源耦合设备包含微型燃气轮机(Gas Turbine, GT)、电解槽(Elctrolyser, EL)、热泵(Heat Pump, HP)，储能设备包含储氢罐(Hydrogen Storage Tank, HST)、储沼罐(Biogas Storage Tank, BST)，负荷侧包含电、热两种负荷。
2.2 可再生能源机组模型
2.2.1 风力发电模型
风力发电机作为一种主要的可再生能源装置，能够有效地将大自然的风能转化为电能，满足工业生产和日常生活的电力需求，清洁、充沛的能源特性使其在国家能源供应、结构调整以及经济发展等方面具有重要作用。近年来，我国风力发电产业蓬勃发展，风电装机容量不断增加，为我国的节能减排和可持续发展做出了积极贡献。
风力发电是一种可再生资源利用策略，它将风能转化为电能。然而，风速的不确定性导致功率输出的间歇性和不可控性。选择风力发电机的出力数学模型为分段函数。
沼气厌氧发酵的工作过程如图2.2所示。首先，生物质原料(如牛粪、秸秆)经过预处理单元的调节和酸化，然后进入沼气池进行发酵，产生沼气。然后，沼气通过生物脱硫脱水工艺进行净化，除去硫化氢、水等杂质，用作燃气轮机热电联产的燃料。
氢气作为一种能量密度高的清洁燃料，用作热电联产机组的燃料，可以促进大规模可再生能源的消费。当风能过剩时，可以通过电解槽转化为氢气。当风电出力低下时，燃料成本相对较低的氢气被热电联产消耗以发电和供热。在组合系统中，热电联产机组相当于氢气负荷，电解槽机组相当于电力负荷。
第3章 考虑多能耦合的农村综合能源系统低碳双层优化配置-运行 ............................... 16
3.1 农村综合能源系统双层优化配置模型 .................... 16
3.1.1 上层优化模型 .................. 16
3.1.2 下层优化模型 ........................... 17
第4章 计及综合需求响应的农村综合能源系统区间优化调度研究...............33
4.1 风电不确定性建模 ....................... 33
4.2 综合需求响应模型 ..................................... 33
总结与展望 ........................... 50
总结 ................................ 50
展望 ................................... 50
第4章 计及综合需求响应的农村综合能源系统区间优化调度研究
4.1综合需求响应模型
需求响应是指用户根据负荷价格或激励机制调整自己的用能习惯，参与电网互动，从而优化负荷曲线，提高系统稳定性。需求响应根据其响应形式可分为基于价格的需求响应和基于激励的需求响应。传统的需求侧负荷响应大多只考虑电力负荷需求响应，但热负荷与电力负荷相似，有潜力实现需求响应调度。考虑负荷的耦合特性，分别构建了电负荷、热负荷需求响应模型。
目前，电力系统中主流的需求响应方式是分时电价。电价制定和时间段划分相对固定，变化周期长，因此进行实际应用的推广比较容易。电力负荷采用合同管理模式，即能源供应商与用户签订合同，用户提前通知能源供应商自身在各时段灵活负荷的功率，并协商电力负荷的补偿价格和与电网互动的时间段，能源供应商根据自己的生产能力，灵活调整用户在每个时段对柔性负荷的需求，并根据用户参与交互功率大小对用户进行补偿。
总结与展望
总结
本文为实现农村综合能源系统的低碳经济稳定运行，搭建了含有沼气发酵和沼气掺氢的高比例可再生能源农村综合能源系统双层规划模型，探究风沼氢之间的多能耦合作用，并在源侧考虑风电的出力不确定性，荷侧引入综合需求响应机制平滑负荷曲线，并通过算例验证了方法的有效性。本文的主要工作成果如下：
(1) 针对风电功率与负荷曲线不匹配的情况，建立了含电解槽制氢与沼气池加热协同运行的农村综合能源系统架构，并使沼气和氢气混合进入燃气轮机热电联产。为精确计算系统的碳排放，用生命周期评价方法对农村综合能源系统不同能源链转化过程产生的碳排放量进行了分析，将计算出的碳排放系数引入阶梯型碳交易机制，进一步约束综合能源系统的碳排放。随后，建立了上层优化设备容量，下层优化运行的双层农村综合能源系统优化模型。算例结果表明，电解槽能够有效在风电出力峰时消纳风电制取氢气，通过将氢气储存于氢气罐中，并在负荷高峰时放出的形式实现了能量时移；沼气池吸收系统余热，提高自身发酵温度与产气率，增加风电渗透率的同时，提高了生物质的利用率。与优化前相比，碳排放量减少了1162.16kg，所有计划外的风电都可以被系统吸收，弃风率降为0，成本减少了47.2%，与单层优化相比，除热泵的容量没有改变，其他设备容量均有所减少，尤其电解槽的容量减少了46.8%，虽然年度运行成本增加了6.8%，但是年度投资成本减少了9.4%，使得系统更具备经济性。
(2) 为充分挖掘负荷侧的碳减排特性，通过基于电负荷对不同电价敏感性的差异和热负荷的灵活性，分别构建了电负荷和热负荷需求响应模型，电、热负荷能够根据系统需求平移或削减负荷。为应对风力发电的不确定性，引入区间优化将不确
