一种季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法与流程

本发明涉及电力系统规划，尤其是一种季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法。

背景技术：

1、随着高比例可再生能源的持续并网，其出力不确定性及受外界影响较大等因素引发的电力系统电力电量不平衡问题是当下电力系统面临的重要问题。目前，存在多种调节电力系统供需电力、电量不平衡的手段，其中以传统火电厂、水电站为主，传统火电厂对环境影响大，不符合当下可持续发展的道路，因而其占比逐渐减小；而水电站受自然资源和地理位置的发展限制很大。因而，将电能转化为氢能进行储存成为目前电力系统中主要的灵活性调节资源。

2、然而，现有的储能技术研究大多以考虑短时间尺度的日内储能规划为主，缺乏针对长时间尺度下的储能规划研究。因此，迫切需要一种包含含电解槽、储氢罐及燃料电池的季节性时间尺度的氢储能电站规划方法，将其形成长-短期协同储能策略，为电力系统规划设计、运行控制及优化调度时的灵活性资源平衡提供更具科学性和工程实用性的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种构建了长短时间尺度混合的氢储能系统，建立了考虑技术经济性的混合时间尺度的氢-电联合储能系统规划模型，规划所考虑的因素更加接近实际运行，规划的结果能够显著提升规划的技术经济效益的季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法，该方法包括下列顺序的步骤：

3、(1)采集数据并进行预处理：采集历史记录的用电负荷数据、新能源发电功率实际数据，进行规划水平年内典型日的用电负荷及新能源发电功率预测，得到规划水平年内典型日的负荷及新能源发电功率；

4、(2)建立季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型；

5、(3)将预处理后的数据进行划分，分成k份，每个子集互不相交且大小相同，依次从k份中选出1份作为验证集，其余k-1份作为训练集，进行k次单独的季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型训练和验证，最后将k次验证结果取平均值，作为季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型的验证误差；

6、(4)将不同典型日内的历史负荷数据以及新能源出力输入训练好的季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型，以总的投资成本及运行成本最小为目标，得到季节性时间尺度的氢储能电站的规划方法。

7、在步骤(2)中，所述季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型的目标函数是最小化储能电站的综合年化成本cann，最小化储能电站的综合年化成本cann包括设备投资成本cinv、运维成本cope和弃风弃光惩罚成本cpun，表达式如下：

8、cann＝cinv+cope+cpun                            (1)

9、其中，设备投资成本cinv的公式如式(2)所示：

10、

11、式中：xq为q类设备的容量，cinv,q为q类设备的单位投资成本，nq为q类设备的种类数；r为折现率；npl为设备规划服役年数；

12、运维成本cope的公式如式(3)所示：

13、

14、式中：ni为规划水平年的天数，取值为365；ns为典型日个数；π(k)为典型日k的出现概率；为t时刻从电网购电的单位电能费用，为t时刻从电网售电的单位电能费用；为t时刻从电网购电的0-1状态变量，为t时刻从电网售电的0-1状态变量；pk,t为第k个典型日负荷；nt为典型日的时段数；

15、弃风弃光惩罚成本cpun的公式如式(4)所示：

16、

17、式中：为典型日k内时刻t的弃风弃光功率；为典型日k内时刻t的单位弃风弃光成本。

18、在步骤(2)中，所述氢储能电站包括电解槽、燃料电池及储氢罐，所述季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型约束条件包括：

19、(3a)电解槽在各时段输入功率的上、下限约束为：

20、

21、式中，表示典型日k内第t时段电解槽的输入功率；表示电解槽的额定功率；表示典型日k内第t时段电解槽的运行状态，1表示运行，0表示停止；

22、(3b)电解槽的开机和关停时间约束为：

23、

24、式中，分别表示典型日k内第t-1时段、第k时段电解槽的运行状态；to表示电解槽允许的最小开机时间；ts表示电解槽允许的最小关停时间；

25、(3c)燃料电池在各时段输出功率的上、下限约束在经过大m法线性化后得到：

26、

27、式中，表示典型日k内第t时段燃料电池的输出功率；表示燃料电池的额定功率；表示典型日k内第t时段燃料电池的运行状态，1表示运行，0表示停止；

28、(3d)燃料电池的连续开机和关停时长约束为：

29、

30、式中，分别表示典型日k内第t-1时段、第t时段燃料电池设备的运行状态，为0-1二进制变量；表示燃料电池处于运行状态；表示燃料电池处于未运行状态；

31、(3e)储氢罐在典型日k内不同时段的能量状态水平表示为：

32、

33、式中，表示典型日k内第t+1时段储氢罐的能量状态水平；表示典型日k内储氢罐的初始能量状态水平；ηed表示电解槽的功率系数；ηfc表示燃料电池的功率系数；δt为氢储能运行时间间隔；t′表示第t′时段，取值为1～nt，nt取24h；分别表示典型日k内t′时段的电解槽、氢燃料电池的运行功率；

34、(3f)储氢罐在一年内充、放氢能量状态水平相等，表示为：

35、

36、(3g)为满足电力系统的供需平衡，即风、光出力与负荷功率、各储能设备充放功率平衡，需在典型日k内第t时段均满足电力平衡约束：

37、

38、式中，分别表示典型日k内第t时段的风电出力、光伏出力；和分别表示典型日k内第t时段的氢燃料电池运行功率、从上级电网购电功率、电解槽运行功率、向上级电网的售电功率和负荷功率。

39、由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明针对含高比例可再生能源电力系统中灵活性需求的多时间尺度特性，构建了长短时间尺度混合的氢储能系统，建立了考虑技术经济性的混合时间尺度的氢-电联合储能系统规划模型，与现有单一时间尺度的储能系统规划方法相比，规划所考虑的因素更加接近实际运行，规划的结果能够显著提升规划的技术经济效益。

技术特征：

1.一种季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

2.根据权利要求1所述的季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型的目标函数是最小化储能电站的综合年化成本cann，最小化储能电站的综合年化成本cann包括设备投资成本cinv、运维成本cope和弃风弃光惩罚成本cpun，表达式如下：

3.根据权利要求1所述的季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述氢储能电站包括电解槽、燃料电池及储氢罐，所述季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型约束条件包括：

技术总结
本发明涉及一种季节性时间尺度下的氢储能电站规划方法，包括：采集数据并进行预处理；建立季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型；将预处理后的数据进行划分成K份，进行K次单独的模型训练和验证，最后将K次验证结果取平均值，作为模型的验证误差；将不同典型日内的历史负荷数据以及新能源出力输入训练好的季节性时间尺度的氢储能电站的规划模型，以总的投资成本及运行成本最小为目标，得到季节性时间尺度的氢储能电站的规划方法。本发明构建了长短时间尺度混合的氢储能系统，建立了考虑技术经济性的混合时间尺度的氢‑电联合储能系统规划模型，规划所考虑的因素更加接近实际运行，规划的结果能够显著提升规划的技术经济效益。

技术研发人员：刘倩,贾健雄,靳幸福,胡晨,孙博,王馨,丁仕祺,任曦骏,阚正宇,孟晓星,徐冉
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12