一种掺氢天然气的园区综合能源系统储能规划方法与流程

本发明属于综合能源系统规划优化，具体涉及一种掺氢天然气的园区综合能源系统储能规划方法。

背景技术：

1、随着天然气作为一种清洁的化石能源得到广泛的应用，燃料费用低、污染物排放少的燃气机组在供能系统中的比重不断增加，中小型综合能源系统通常以热电联产chp燃气机组作为系统核心设备，由电网子系统、热网子系统、气网子系统等不同种类能源网络组成，并通过众多能量转换装置耦合在一起，同时为能源终端用户提供冷、热、电的一站式供能服务。同时，氢能作为高热值、低碳的燃料，在终端能源结构中的应用受到重点推广。但是，纯氢使用存在安全性、稳定性等问题，因此将氢气与天然气混合，形成氢混天然气hcng成为目前氢气使用的重要模式。

2、冷热电联供是综合能源系统最重要的供能部分，其根据能源梯度利用的原理，充分利用不同品位能量，实现能源互补，为用户提供电能、热能需求。同时，系统中还接入了分布式可再生能源，作为电源为系统提供电能。而储能设备则在系统中扮演着控制系统能量时间分布的角色，根据调度计划经济性与系统供需情况，选择存储/释放能量。以蓄电池为代表的短时储能和以电制氢p2h和氢储为代表的长时跨季节储能在掺氢天然气的园区综合能源系统中的应用受到广泛关注。电锅炉、电制冷机等各种装置，则根据系统的供需情况实现电-热-冷能量之间的相互转换。

3、掺氢天然气的园区综合能源系统存在电和气两种形态的能源，不同能源的差异化运行时间尺度导致了对应能源设备响应时间的不同，以储能为代表的灵活性资源存在以多时间尺度、多类型耦合为特点的应用复杂性。在新型储能发展实施方案中，强调了多时间尺度储能技术工程应用的重要性。规划是实现储能设备经济可靠落地的基础，不同时间颗粒度的储能在综合能源系统运行中存在不同的优化作用。短期储能可实现日内削峰填谷，而长期储能则可保证跨季节的能源平衡与规模化存储。

4、但是目前，针对掺氢天然气的园区综合能源系统不同长短时储能下的规划优化方法尚未得到充分的研究，针对以蓄电池为代表的的短时储能以及以电制氢p2h和氢储为代表的长时储能的规划模式、运行模式、竞争性价格未进行深入探讨，如何充分挖掘利用是目前面临的问题。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提供了一种掺氢天然气的园区综合能源系统储能规划方法。

2、本发明提供如下技术方案：包括如下步骤：

3、步骤s1，建立掺氢天然气的园区综合能源系统中典型设备的模型；

4、步骤s2，根据典型设备的模型，构建考虑多类型储能系统的园区综合能源系统运行框架；

5、步骤s3，以综合成本最小为目标，根据园区综合能源系统运行框架，构建园区综合能源系统多类型储能线性规划模型，求解获得规划方案。

6、步骤s1中，所述典型设备包括热电联产机组、电制氢设备、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机、换热装置、储氢罐和蓄电池。

7、所述热电联产机组的模型如下式：

8、

9、式中，s表示第s个场景，t表示第t个时刻，为热电联产机组的发电效率，为热电联产机组的热水回收效率，为氢混天然气的低位热值，为热电联产机组的输出电功率，为热电联产机组的热水回收功率，为热电联产机组的热烟气回收功率，为热电联产机组的热烟气回收效率，δt为系统的调度时间间隔,为注入热电联产机组的天然气速率，为注入热电联产机组的氢气速率；

10、所述电制氢设备的模型如下式：

11、

12、式中，为电制氢设备输入的电功率，ηp2h为电制氢设备的转换效率，为氢气高位热值，为电制氢设备制成氢气的速率；

13、所述电制冷机的模型如下式：

14、

15、式中，为电制冷机的输入电功率，为电制冷机的输出冷功率，copec为电制冷机的制热能效比；

16、所述电锅炉的模型如下式：

17、

18、式中，为电锅炉的输入电功率，为电锅炉的输出热功率，ηeb为电锅炉的电热转换效率；

19、所述燃气锅炉的模型如下式：

20、

21、式中，是输入的燃气流量，是锅炉的输出热功率，ηgb是锅炉的制热系数，lhvng是燃气的低位热值；

22、所述吸收式制冷机的模型如下式：

23、

24、式中，表示制冷功率，cop表示制冷系数，

25、ac

26、为输入的热功率；

27、所述换热装置的模型如下式：

28、

29、式中，表示换热功率，ηhe表示换热效率，为输入的热功率；

30、所述储氢罐的模型如下式：

31、

32、式中，分别为调度时刻t与t-1时储氢罐中储氢量；

33、所述蓄电池的模型如下式：

34、

35、式中，分别为调度时刻t与t-1时蓄电池中储电量，σbt表示蓄电池的自损耗率，表示蓄电池的充放电量，表示蓄电池的充放电效率。

36、所述热电联产机组的模型中，

37、

38、式中，k11、k12、k21、k22、k31、k32为关系式系数，为氢混天然气中氢气体积分数；

39、所述氢混天然气中氢气体积分数如下式：

40、

41、步骤s2中，所述园区综合能源系统运行框架包括电力母线、热水母线、烟气母线和空气母线上各自的能量平衡，

42、其中，电力母线上的热电联产机组电出力、主电网购电量、光伏发电量、风电发电量、蓄电池充放电量、电负荷、电制冷机用电量、电锅炉用电量、电制氢设备用电量形成平衡，

43、热水母线上的热电联产机组热水出力、电锅炉热出力、燃气锅炉热出力、换热器热出力、吸收式制冷机用热量、热负荷形成平衡，

44、烟气母线上的热电联产机组热烟气出力和换热器用热量形成平衡，

45、空气母线上的电制冷机制冷量、吸收式制冷机制冷量、冷负荷形成平衡。

46、所述电力母线上的能量平衡模型如下式：

47、

48、式中，为从主电网的购电量，分别为系统中的光伏与风电用电量，为系统用户侧的电负荷功率需求；

49、所述热水母线上的能量平衡模型如下式：

50、

51、式中，为系统用户侧的热负荷功率需求；

52、所述烟气母线上的能量平衡模型如下式：

53、

54、所述空气母线上的能量平衡模型如下式：

55、

56、式中，为系统用户侧的冷负荷功率需求。

57、所述园区综合能源系统运行框架还包括如下约束条件：

58、所述热电联产机组的运行功率约束为：

59、

60、式中，分别为热电联产机组的输出电功率上下限；

61、所述热电联产机组的运行爬坡功率约束为：

62、

63、式中，r为机组最大爬坡功率；

64、所述电制氢设备、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机、换热装置的运行功率约束为：

65、

66、式中，分别为电制氢设备的运行功率上下限，分别为电制冷机的运行功率上下限，分别为电锅炉的运行功率上下限，分别为燃气锅炉的运行功率上下限，分别为吸收式制冷机的运行功率上下限，分别为换热装置的运行功率上下限；

67、所述储氢罐、蓄电池的运行容量约束为：

68、

69、式中，caphst、capbt分别为储氢罐、蓄电池的容量，为0-1变量，为蓄电池的充放电量；

70、所述储氢罐实现跨季均衡，所述蓄电池实现日内均衡：

71、

72、式中，s表示场景总数，表示储氢罐第s个场景初始0时刻的储氢量，表示储氢罐第s-1个场景末尾t时刻的储氢量，表示储氢罐第1个场景初始0时刻的储氢量，表示储氢罐第s个场景末尾t时刻的储氢量，蓄电池第s个场景初始0时刻的储电量，表示蓄电池第s个场景末尾t时刻的储电量；

73、所述电力母线上的能量平衡模型中的电网交互功率约束为：

74、

75、式中，为系统向外部电网最大购电量；

76、所述热水母线上的能量平衡模型中光伏、风机约束为：

77、

78、式中，分别表示光伏、风机的预测功率；

79、所述氢混天然气中氢气体积分数约束为：

80、

81、式中，ωmax、ωmin分别表示氢混天然气中氢气体积分数上下限。

82、步骤s3中，

83、所述多类型储能线性规划模型的目标函数如下式：

84、

85、式中，cplan表示规划成本，co&m表示运维成本，cope表示运行成本，cpun表示惩罚费用，cplan,m表示设备m的单位容量成本，r表示折扣因子，ym表示设备m的使用寿命，co&m,m表示设备m的单位运维成本，表示购电单价，表示售电单价，表示买气单价，cpun表示弃风弃光惩罚单价。

86、本发明所提出的掺氢天然气的园区综合能源系统储能规划方法，充分考虑了掺氢天然气与纯天然气在用能方面的性质差异，建立了掺氢天然气的园区综合能源系统储能规划方法，并通过k-medoids算法进行全年典型日多场景降维，计及掺氢天然气型园区综合能源系统的多类型储能下多时间尺度规划，对比分析不同储能场景下的规划与运行结果，有利于挖掘跨季节掺氢天然气储能系统相比传统短时电储能系统的竞争性价格，推动实现用户侧新能源有效消纳、节能减排、保障用能稳定可靠。