电转气场站能源优化调度方法、电子设备、存储介质

本发明属于能源调度优化，更具体地，涉及一种电转气场站能源优化调度方法、电子设备、存储介质。

背景技术：

1、电转气(power to gas，以下简称p2g)技术是将电能转换为天然气，将得到的气体存储在天然气存储设备，在可再生能源出力高峰时期进行转化存储，在电力短缺时供能，从而提高系统可再生能源的消纳能力。将p2g技术引入综合能源系统，并使其参与调度优化，首先需要对p2g的特性进行建模，以揭示气体产量与电力消耗之间的关系。

2、目前相关的研究中已经有了一些可行的方法。最简单的方法是假设气体产量与功率输入成正比，即电解水和甲烷化环节具有固定的效率。这种简易的模型常被用于含有大量能量元件的综合能源系统调度中。然而，上述的恒定效率模型未计及p2g的实际运行特性。对于电解水环节，工作温度与工作电流均会影响氢气的生产效率，此外，当电解槽处于热备用和完全关闭的状态时，其具有不同的启动过程与特性除了电解水环节，压缩储氢和甲烷化环节同样也是p2g重要的部分。储氢罐内部气体物理状态和甲烷反应器热启动耗时特性等因素也将对p2g运行效率产生显著影响，因此必须考虑各生产环节的技术特点建立p2g动态运行模型。

3、因此，需要构建一个更为精准的p2g模型，以提高电转气场站能源优化调度的经济效益。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电转气场站能源优化调度方法、电子设备、存储介质，其目的在于构建一个更为精准的p2g模型，以提高电转气场站能源优化调度的经济效益。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电转气场站能源优化调度方法，包括：

3、步骤s1：建立电转气场站优化调度模型，所述电转气场站优化调度模型包括目标函数和约束条件，所述约束条件包括电解水模型约束、压缩储氢模型约束和甲烷化模型约束，所述目标函数为使电转气场站的综合经济效益最大；

4、步骤s2：求解所述电转气场站优化调度模型，得到优化调度结果；

5、在步骤s1中：

6、所述电解水模型约束包括：氢气生产速率与电解槽工作电流之间的速率关系约束；电解槽功率密度与温度和电流密度之间的功率关系约束；电解槽在生产、备用、停机、冷启动四种种状态之间的状态转换关系约束；电解槽冷启动的开始条件约束；电解槽冷启动的状态持续时间约束；

7、所述压缩储氢模型约束包括；储氢罐充放气过程的气体质量变化关系约束；储氢罐内部的能量守恒关系约束；储氢罐罐内氢气最高温度约束；储氢罐罐内气压变化约束；压缩机的功率约束；

8、所述甲烷化模型约束包括：甲烷化装置热启动的启动时间与闲置时间的时间关系约束；甲烷化装置在生产、闲置、停机、冷启动、热启动五种状态之间的状态转换关系约束；甲烷化装置冷启动开始条件约束和热启动开始条件约束；甲烷化装置冷启动状态持续时间约束和热启动状态持续时间约束；甲烷化装置闲置状态最大持续时间约束。

9、在其中一个实施例中，所述电解槽在生产、备用、停机、冷启动四种状态之间的状态转换关系约束包括：

10、

11、

12、

13、

14、

15、

16、式中，分别表示t时刻电解槽是否处于生产、备用、停机的状态或是冷启动的过渡状态的0-1变量，取0表示未处于对应状态，取1表示处于对应状态；

17、所述电解槽冷启动的开始条件约束包括：

18、

19、

20、

21、式中，表示t时刻电解槽是否开始冷启动，取0表示未开始，取1表示开始；

22、所述电解槽冷启动的状态持续时间约束包括：

23、

24、

25、其中，为冷启动过程需要的持续时刻数。

26、在其中一个实施例中，所述储氢罐内部的能量守恒关系约束为经过大m法线性处理后的约束，包括：

27、

28、

29、

30、

31、式中，表示t时刻储氢罐的储氢量是否位于第j区间的0-1变量，取0表示未处于对应区间，取1表示位于对应区间；ms,t表示t时刻储氢罐的实际储氢量，mmin和mmax为储氢装置最小和最大储氢量，k2为设定的区间数，m是一个很大的整数，为t时刻储氢罐储氢量近似估计值；

32、所述储氢罐罐内氢气最高温度约束为经过大m法线性处理后的约束，包括：

33、

34、

35、式中，ts,t表示t时刻储氢罐内气体温度，cv、cp分别表示氢气的定容比热和定压比热，min,t代表t时刻储氢罐进气口的氢气流速，tin表示输入储氢罐的氢气温度，ain、ain分别为储氢罐换热面积和换热系数，tw为环境温度，ts,t为t时刻储氢罐内气体温度，pcool,t为t时刻制冷单元的制冷功率，δt表示相邻时刻间隔；

36、所述储氢罐罐内气压变化约束为经过大m法线性处理后的约束，包括：

37、

38、

39、式中，ps,t表示t时刻储氢罐罐内气压，v为储氢罐体积，r是理想气体常数；是氢气的摩尔质量；

40、所述压缩机的功率约束为经过大m法线性处理后的约束，包括：

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、式中，表示t时刻储氢罐气压是否处于第j区间的0-1变量，取0表示未处于对应区间，取1表示位于对应区间；k3为设定的区间数；ps,min和ps,max为储氢罐最小和最大允许气压；pc,t为t时刻压缩机功率；ηc是压缩机机械效率；为t时刻储氢罐气压估计值；pin为输入氢气的气体压强，r是氢气的等熵指数。

48、在其中一个实施例中，

49、所述甲烷化装置热启动的启动时间与闲置时间的时间关系约束包括：

50、当时，

51、式中，和表示第j段闲置时间区间的最小值和最大值，表示当闲置时间处于第j段闲置时间区间时对应的热启动时间，为甲烷化装置闲置时间，为甲烷化装置热启动时间；

52、所述甲烷化装置在生产、闲置、停机、冷启动、热启动五种状态之间的状态转换关系约束包括：

53、

54、

55、

56、

57、

58、

59、其中，分别表示t时刻甲烷化装置是否处于生产、停机、闲置、冷启动、热启动状态的0-1变量，取0表示未处于对应状态，取1表示处于对应状态；

60、所述甲烷化装置冷启动开始条件约束包括：

61、

62、

63、

64、式中，表示t时刻甲烷化装置冷启动是否开始的0-1变量，取0表示未开始，取1表示开始；

65、所述甲烷化装置热启动开始条件约束包括：

66、

67、

68、

69、式中，表示t时刻甲烷化装置热启动是否开始的0-1变量，取0表示未开始，取1表示开始；

70、所述甲烷化装置冷启动状态持续时间约束包括：

71、

72、

73、式中，为冷启动过程需要的启动时刻数；

74、所述甲烷化装置热启动状态持续时间约束包括：

75、

76、

77、式中，为热启动过程需要的启动时刻数；

78、所述甲烷化装置闲置状态最大持续时间约束包括：

79、

80、

81、

82、式中，是表示t时刻闲置状态持续时间是否达到最大持续时间的0-1变量，取0表示未达到，取1表示达到；为闲置状态最大持续时刻数。

83、在其中一个实施例中，所述功率关系约束为在功率密度-电流密度-温度的关系曲面上做经过常规工作点的切平面的切平面方程，所述常规工作点具有常规工作温度和额定电流密度。

84、在其中一个实施例中，所述约束条件还包括余热回收模型约束，所述余热回收模型约束包括对电解槽辅助冷却系统的散热功率以及对甲烷化过程的放热量进行回收利用。

85、在其中一个实施例中，所述电解水模型约束还包括电解水功率约束，所述电解水功率约束为经过大m法线性处理后的约束，包括：

86、

87、

88、

89、

90、式中，pe,t为t时刻电解水功率，pe,t为t时刻电解槽功率密度，ncell为串联子电解槽总数，acell为电解槽横截面积，为交流转直流的转换效率，m是一个很大的整数，和分别表示单个子槽处于备用和冷启动状态下的功率。

91、在其中一个实施例中，所述压缩储氢模型约束还包括储氢罐流量关系约束，所述储氢罐流量关系约束包括：

92、ms,t+1＝ms,t+me,tδt-mmδt

93、

94、

95、

96、式中，me,t为t时刻电解水供给储氢罐的氢流量；mm,t为t时刻储氢罐供给甲烷化的氢流量；ms,t为t时刻储氢罐的储氢量；和为储氢罐充氢和放氢速率最大值；和为分别表示充氢状态和放氢状态的0-1变量，取0表示未处于对应状态，取1表示处于对应状态。

97、按照本发明的另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。

98、按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

99、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

100、本发明所提及的电转气场站能源优化调度方法，通过构建调度模型并对模型求解，得到经济效益较佳的调度方案。调度模型越贴合实际情况，越有利于进行能源的精确调度，从而可以提高优化调度的经济效益。本发明主要对调度模型进行优化，分别考虑电解水、压缩储氢和甲烷化三个子环节的运行方式，并对各个子环节建立对应的模型约束，且每种模型约束充分考虑对应环节的运行过程。针对电解水模型约束，通过选择速率关系约束、功率关系约束、状态转换关系约束和状态持续时间约束，考虑电流、温度对氢气生产效率的影响以及考虑电解水各状态的约束，可以较为精确地模拟电解水环节运行过程。针对压缩储氢模型约束，通过选择气体质量变化关系约束、能量守恒关系约束、氢气最高温度约束、气压变化约束和压缩机的功率约束，可以保证储氢过程的安全运行并较为准确地模拟该储氢过程。针对甲烷化模型约束，通过选择时间关系约束、状态转换关系约束、冷启动开始条件约束和热启动开始条件约束、闲置状态最大持续时间约束，可以保证甲烷化的安全运行并较为准确地模拟该甲烷化过程。综合以上各约束条件，便能够较为准确地刻画电转气场站安全运行地运行过程，基于该调度模型，可以提高能源调度的准确性，从而提高调度所得的整体经济效益。

101、进一步地，通过在功率密度-电流密度-温度的关系曲面上做经过常规工作点的切平面，以切平面方程作为功率密度-电流密度-温度的功率关系约束，可以简化运算，降低模型求解难度。

102、进一步地，对于约束条件中的非线性约束进行大m法线性处理，以转换为线性约束，可以进一步降低模型求解难度。

103、进一步地，为进一步提高调度的经济效益，本发明还考虑对电解水和甲烷化环节的余热进行回收利用，因此，本调度模型还包括余热回收模型约束，所述余热回收模型约束包括对电解槽辅助冷却系统的散热功率以及对甲烷化过程的放热量进行回收利用，通过加入余热回收模型约束，可以降低能量损耗，提高系统运行效益。