一种考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期优化运行方法与流程

本发明涉及综合能源系统应用，特别涉及一种考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期优化运行方法。

背景技术：

1、氢能系统不仅可以平抑短时间尺度的电力波动，还可以应对长时间尺度源荷季节性供需不平衡问题。此外，氢能系统可以通过氢转气等技术灵活转换为多种能源形式，进一步加深了电力、交通、化工等能源系统的耦合关系。因此，以电氢为核心的区域综合能源系统是最具前景的区域终端能源系统形态。现有的电-氢耦合系统中长期优化研究中，现有研究大多均是利用电-氢-电(p2g2p)实现季节性能量时空转移，仅解决电力系统中源荷季节性不平衡问题，尚未充分挖掘氢能在综合能源系统解决多能季节性供需不平衡的作用因此，如何利用氢能灵活转换的特征，优化氢能中长期利用方式，对解决季节性多能供需不平衡问题具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期优化运行方法，能提升氢能在综合能源系统中的协调互动能力，有效缓解综合能源系统多能季节性源荷不平衡问题。具体技术方案如下：

2、一种考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期优化运行方法，包括以下步骤：

3、s1、基于氢能的多能转换特性，构建氢能多模式利用架构；

4、s2、基于氢能多模式利用架构，同时考虑多个约束条件，以全年运行成本最小为目标，建立了考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期运行模型；

5、s3、基于改进场景法，以有限个短时间尺度典型场景代替原有长时间尺度场景，并保留了典型场景与原始场景的时序特征。

6、优选的，上述步骤s1中，所述建立考虑氢能多能转换特性的氢能多模式利用架构的方法具体如下：

7、以电解水和新能源、电网构成制氢环节，以低压储氢罐、高压储氢罐为储氢环节，以压缩机和降压阀构成压强转换环节，以加氢站、氢燃料电池和甲烷化装置构成用氢环节，共同构成了氢气产、储、用的区域级氢能系统。

8、优选的，上述步骤s2中以全年购能成本、运维成本、碳排放成本、弃负荷惩罚成本以及售能收入运行成本最小为目标，建立电氢区域综合能源系统的中长期优化运行模型，具体如下：

9、

10、

11、

12、

13、

14、

15、式中，分别为时刻t系统购能成本、运维成本、碳排放成本、弃负荷惩罚成本以及售能收入；ny分别为全年小时数，取8760；为时刻t系统从上级电网购电的单位价格，ptgrid为时刻t系统与上级电网的交互功率，当时，表示从上级电网购电，反之则向电网倒送电能；cgas,buy为购气单位价格，为时刻t天然气购气量；n为所有设备的集合，为第n个设备单位运维成本，pt,n为时刻t第n个设备的功耗；cem为单位碳排放成本，λe、λgas、λh分别为用电、用气、化石能源制氢的碳排放比例；pte,1、分别为时刻t系统弃电功率、弃气量和弃氢量，ce,p、cgas,p、ch,p分别为弃电、弃气、弃氢单位惩罚成本；为典型日k时刻t系统售氢量，ch,sell为售氢价格。

16、优选的，所述约束条件包括电解槽的运行约束，具体为：

17、

18、

19、式中，为电解槽的规划容量；分别为最小和最大运行功率比；pted为电解槽的功率，med,h为电解槽制氢质量；ped为电解功率；lhvh为氢气的低热值；ηed为电解设备制氢效率。

20、优选的，所述约束条件还包括氢燃料电池的运行约束，具体为：

21、

22、

23、式中，为氢燃料电池设备的规划容量；分别为最小和最大运行功率比；ptfc为氢燃料电池的功率；ηac/dc为变流器效率；ηfc为氢燃料电池输出效率；为氢燃料电池消耗的氢气质。

24、优选的，所述约束条件还包括甲烷化设备的运行约束，具体为：

25、

26、

27、

28、式中，ptmr为t时刻甲烷化装置功耗；ηmr为甲烷化转换效率；分别为甲烷化装置的最小、最大功耗比；pmr,rated为甲烷化装置的规划容量；分别为t时刻反应器消耗二氧化碳和氢气的速率；分别为t时刻反应器产生甲烷的速率和摩尔速率；为反应产生甲烷和氢气的物质的量比例；mh、分别为二氧化碳、氢气和甲烷的相对分子质量。

29、优选的，所述约束条件还包括季节性储氢约束，具体为：

30、低压气态储氢罐运行模型为：

31、

32、

33、式中，为t时刻的低压气态储氢罐压强，为t时刻的低压气态储氢罐中氢气物质的量，为t时刻的低压气态储氢罐中氢气质量，vlhs为低压气态储氢罐体积，r为理想气体常数，th为气体温度此外低压气态储氢罐运行还需满足：

34、

35、

36、

37、

38、式中，ηlhs,loss、ηlhs,in、ηlhs,out分别为低压气态储氢罐储氢自损率、充氢损耗和释氢损耗；分别为低压气态储氢罐在t时刻的储氢量和释氢量；τlhs,in、τlhs,out

39、分别为低压气态储氢罐最大储氢、释氢速率比，slhs为低压气态储氢罐容量；分别为低压气态储氢罐最小储氢压强和最大储氢压强；分别为低压气态储氢罐充氢、释氢0-1状态变量。

40、优选的，所述约束条件还包括氢能多模式利用平衡约束，具体为：

41、

42、

43、式中，为t时刻系统氢负荷，为t时刻氢燃料电池消耗氢气的质量，为t时刻电解槽产生氢气的质量，为t时刻高压气态储氢罐充氢质量，为t时刻高压气态储氢罐释氢质量；

44、还包括气流平衡约束，具体为：

45、

46、式中，gt为t时刻气网总气负荷，为甲烷密度。

47、优选的，所述约束条件还包括电网潮流约束，具体为：

48、

49、

50、

51、

52、

53、e∈{1,...,4}

54、式中，分别是i、j电压的平方；pij、qij分别为支路ij的有功、无功功率；pi、qi分别为节点i、j的净流入有功、无功功率；rij、xij分别为支路ij的电阻和电抗；分别为节点电压最小值、最大值的平方，v0为平衡节点电压的平方；sij，max为支路ij的线路最大传输容量；ψi为与i相连节点的集合。

55、优选的，上述步骤s3中，建立基于改进场景法的高效求解方法具体如下：

56、低压储氢罐储氢状态在不同典型日间和典型日内均存在时序耦合约束，在典型日内，

57、连续两个时刻的低压储氢罐储氢日内储氢量关系为：

58、

59、

60、式中，为典型日k时刻t的日内储氢量，日内初始时刻设定为0，与低压储氢罐真实储氢质量无关；ηlhs，loss、ηlhs，in、ηlhs，out分别为低压储氢罐储氢自损率、充氢损耗和释氢损耗；分别为低压储氢罐日内储氢、释氢量，需满足：

61、

62、

63、

64、式中，分别为典型日k时刻t的lhs储氢、释氢0-1状态变量，以储氢状态为例，当为1时，储氢罐为储氢状态，反之则不是；

65、连续两个运行日之间，低压储氢罐初始时刻储氢质量需满足：

66、

67、

68、式中，为运行日r+1的初始时刻储氢质量，nt为一天的总时刻，nr为一年的总运行日；h(r)是根据k-means聚类算法对全年所有运行日进行聚类得到的运行日与典型日之间的映射函数。

69、结合低压储氢罐日间和日内约束，低压储氢罐真实储氢质量可表示为：

70、

71、式中，为每个运行日r时刻t的真实储氢质量，低压储氢罐储能容量需满足以

72、下条件：

73、

74、式中，分别为低压储氢罐理论最小和最大储氢质量比；对上式进行等效处理得：

75、

76、

77、式中，分别为储氢罐在典型日k的日内最大、最小储氢质量。。

78、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

79、本发明基于氢能多能转换特性建立氢能多模式利用架构，综合考虑系统拓扑约束、氢能设备运行约束、能量平衡等约束条件，并以此建立了考虑季节性储氢的电氢区域综合能源系统中长期运行模型，同时，提出了综合能源系统中长期运行的高效求解方法，该方法能充分挖掘综合能源系统中氢能的协调互动能力，有效缓解综合能源系统多能季节性源荷不平衡问题。