一种考虑动态能效的含氢综合能源优化调度方法及装置

本发明涉及一种考虑动态能效的含氢综合能源优化调度方法及装置，属于能源。

背景技术：

1、相比较与单一能源系统，可再生能源并入电网、多能耦合及能量梯级利用的综合能源系统能有效提升能源利用效率、促进可再生能源消纳、减少温室气体的排放、缓和化石燃料能源消耗，是未来能源领域发展的重要方向。氢能作为高效的清洁能源，热值高、无碳排放、便于储存。

2、当前，沿海地区海上风电资源丰富，含氢的综合能源系统可以利用电转气设备，将过剩风电转换成氢能加以利用，解决了风电出力波动造成的弃风问题；同时，氢能可以输送给氢燃料电池和甲烷反应器，生成电能、热能及天然气供综合能源系统使用，提高能源利用的灵活性及含电制氢的工业园区综合能源运行效率。综合能源系统设备运行效率易受负载率及环境变化影响，而在综合能源系统设备建模方面，大多将设备运行效率以恒定常数设置，忽略了实时反映设备效率变化对综合能源系统的影响，参见技术发明专利cn115660142a一种园区综合能源系统源荷储协调优化调度方法，提出含有电转气、风电机组、光伏机组、热电联产机组、储能设备的电-热-气的园区综合能源系统。

3、针对上述问题，在近海工业园区建立了考虑动态能效的含氢综合能源系统，解决了过剩风力消纳问题以及提高系统运行效率和能源利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑动态能效的含氢综合能源优化调度方法及装置，以解决现有技术海上风电利用不充分，综合能源系统利用效率不高的缺陷。

2、一种考虑动态能效的含氢综合能源优化调度方法，所述方法包括：

3、构建含氢综合能源系统模型；

4、基于含氢综合能源系统模型，构建考虑动态能效的含氢综合能源优化调度模型；其中所述含氢综合能源优化调度模型包括目标函数和约束条件；

5、根据一天内不同时刻获取的购电功率、风电出力功率及购买天然气量，对所述含氢综合能源优化调度模型进行求解得到含氢综合能源优化调度方案。

6、进一步地，所述含氢综合能源系统模型包括电能、天然气、用能模块以及储能模块，用能模块包含燃气轮机、余热锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机、尖峰加热器、电热泵、电制冷机、电解槽、甲烷反应器和氢燃料电池，储能模块包含储电设备、储热模块、储冷设备和储氢设备，按照能源品位高低将能源负荷细分为电负荷、冷负荷、蒸汽负荷、供暖负荷、高温负荷和中温负荷；

7、其中，燃气轮机燃烧天然气产生电能和蒸汽热能，余热锅炉对部分余热烟气进行加热供应中温负荷；燃气锅炉燃烧天然气产生蒸汽热能；吸收式制冷机消耗蒸汽产生冷能，尖峰加热器利用蒸汽供应高温负荷；将传统p2g设备分为电解槽和甲烷反应器，电解槽将电能电解为氢气，供储氢罐、氢燃料电池和甲烷反应器使用；氢气甲烷化反应的余热回收以及氢燃料电池产热供应供暖负荷。

8、所述电解槽将电能电解为氢气的电解过程如式(1)所示：

9、

10、式中：为t时段电解槽输出氢气功率；qp2g(t)为t时段p2g余热回收功率；ηel(t)和ηhp2g分别为电解槽转化效率和余热回收效率；pel,in(t)为电解槽输入侧电功率，peln为燃气轮机额定发电功率；i表示效率函数多项式拟合阶数；n表示效率函数多项式最高阶次数；βel,i表示电解槽第i阶多项式拟合因子。

11、将电解氢气供燃料电池和甲烷反应器使用，电解氢气供甲烷反应器使用如式(2)所示：

12、

13、式中：为t时段甲烷反应器产生的天然气功率；为甲烷反应器t时段消耗氢气功率；ηmr为甲烷反应器氢气与天然气间的转换效率；

14、电解氢气供氢燃料电池使用如式(3)所示：

15、

16、式中：phfc(t)和qhfc(t)分别为t时刻氢燃料电池输出电功率与输出热功率；为t时刻氢燃料电池输入氢气功率；为氢燃料电池产电效率，为氢燃料电池产热效率。

17、进一步地，所述燃气轮机的模型公式为：

18、

19、式中：ηgt(t)为燃气轮机t时刻发电效率；pgt(t)为燃气轮机t时刻输出电功率；pgtn为燃气轮机额定发电功率；i表示效率函数多项式拟合阶数；n表示效率函数多项式最高阶次数；βgt,i表示燃气轮机第i阶多项式拟合因子，h为天然气低位热值；ggt(t)为燃气轮机t时刻进气量；

20、系统燃气锅炉的模型公式为：

21、

22、式中：ηgb(t)为燃气锅炉t时刻发热效率；qgb(t)为燃气轮机t时刻输出热功率，qgbn为燃气锅炉额定功率值；ggb(t)为燃气轮机t时刻进气量；βgb,i表示燃气锅炉第i阶多项式拟合因子；

23、电制冷机的模型公式为：

24、

25、式中：hec(t)为电制冷机t时刻输出冷功率；hec(t)为电制冷机t时刻制冷功率，hecn为电制冷机t时刻额定制冷功率；pec(t)为电制冷机t时刻消耗电功率；βec,i为制冷能效比函数的第i阶多项式拟合因子；

26、储能模块设备模型公式为：

27、

28、式中：sx(t)和sx(t-1)为t与t-1时刻第x类储能设备储能状态；β为储能设备自损系数；px,c(t)为第x类储能设备在t时刻充能功率，px,d(t)为第x类储能设备在t时刻放能功率；ηx,c为设备充能效率、ηx,d为设备放能效率，δt为时间间隔，x表示储能模块设备类型，具体为储电设备es、储热设备qs、储冷设备hs、储氢设备h2s。

29、进一步地，所述考虑动态能效的含氢综合能源优化调度模型的约束条件包括：

30、需满足电负荷、冷负荷、蒸汽负荷、供暖负荷、高温负荷与中温负荷供需平衡以及天然气平衡和氢平衡，如式(8)所示：

31、

32、式中：pel,in(t)为电负荷、hh,l(t)为冷负荷、qst,l(t)为蒸汽负荷、qw,l(t)为供暖负荷、qm,l(t)为高温负荷、qm,l(t)为中温负荷；pwt(t)为风力发电；pg,buy(t)为t时段天然气购气量，pe,buy(t)为t时段购电量；qwhb,out(t)为余热锅炉t时刻输出热功率；qehp(t)为电热泵t时刻输出热功率，pehp(t)为电热泵t时刻输入电功率；qpca,out(t)为尖峰加热器输出热功率，qpca,in(t)为尖峰加热器输出热功率；qp2g(t)为t时段余热回收功率；hab(t)和qab(t)为吸收式制冷机组t时刻输出冷功率和消耗热功率；qgt,st(t)为燃气轮机输出的蒸汽热功率；

33、用能模块设备运行约束如式(9)所示：

34、

35、式中：s表示不同用能模块设备类型，ps(t)和ps(t-1)分别表示设备s在t时刻和t-1时刻的功率，psmax为设备s输出功率的上限，psmin为设备s输出功率的下限；δps,up为设备s爬坡速率上限，δps,down为设备s爬坡速率下限；

36、储能约束如式(10)所示：

37、

38、式中：调度设备初始时刻储能量sx(0)与结束时刻储能量sx(t)相同，t为调度周期；sx,max为储能状态上限，sx,min为储能状态下限；表示储能系统充能功率上限；表示储能系统放能功率上限；λ＝1表示储能系统充能；λ＝0表示储能系统放能。

39、进一步地，所述含氢综合能源优化调度模型的目标函数如式(11)所示：

40、

41、式中：f为总目标函数；c为系统实际运行总成本，c0为参定数运行总成本；ccut为系统实际惩罚；ccut,o为参定数弃风惩罚；η为系统实际能源利用率；ηo为参定数能源利用率；λ1、λ2和λ3为各目标的权重系数，且λ1+λ2+λ3＝1。

42、进一步地，所述实际运行总成本由式(12)表示：

43、c＝com+cbuy+ccar      (12)式中：com为系统运维成本；cbuy为系统外部购能成本；ccar为碳交易成本；

44、外部购电全为燃煤机组提供，碳交易成本中总碳排放配额由式(13)-(14)表示：

45、eies＝ee,buy+egtu      (13)

46、

47、式中：eies为总碳排放配额；ee,buy为外部电网碳排放配额，egtu为燃气系统碳排放配额；δe,p为单位电量碳排放分配额，δh,p为单位热量碳排放分配额；pe,buy(t)为t时段购电量；pgtu(t)为t时段燃气机组系统输出电能、qgtu(t)为t时段燃气机组系统输出热能；为电-热折算系数；

48、在实际碳排放模型中，甲烷反应器在氢气转天然气过程可吸收一部分co2，实际碳排放量及碳排放成本由下式表示：

49、eies,a＝ee,buy,a+egtu,a-emr,a       (15)

50、

51、

52、eies,t＝eies,a-eies     (18)

53、ccar＝pcareies,t      (19)式中：eies,a为园区实际碳排放量；ee,buy,a为外部电网实际碳排放量；egtu,a为燃气机组系统实际碳排放量，emr,a为甲烷反应器吸收的碳排量，a1、b1、c1为燃煤机组碳排放计算参数；a2、b2、c2为燃气机组碳排放计算参数，p(t)为t时段燃气机组等效输出功率，t为调度周期，ω为mr设备氢能转天然气过程吸收co2参数，eies,t为碳排放交易量，pcar为单位碳交易价格；

54、弃风成本由式(20)表示：

55、

56、式中：δcut为单位弃风惩罚成本；pwt,cut(t)为t时段弃风功率。

57、进一步地，所述系统实际能源利用率，系统实际能源利用率由式(21)表示：

58、

59、式中：λe为电负荷能质系数；λq为热负荷能质系数；λh为冷负荷能质系数；λe为电能的折算系数；λg为天然气的折算系数；λw为风能的折算系数；lq(t)为热负荷。

60、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

61、本发明针对海上风电利用不充分，综合能源系统利用效率不高，提出一种考虑动态能效的含氢综合能源优化调度方法，构建了基于能量梯级利用原理的综合能源运行模型，含有电制氢模块，考虑动态效率建立设备模型，考虑系统运行成本、弃风惩罚以及能量利用效率的优化目标，形成一种促进风电消纳，提高系统运行效率的最优综合能源调度方法。