电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法及系统

本发明属于氢能源应用，具体涉及一种电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法及系统。

背景技术：

1、建设以新能源为主体的新型电力系统是我国实现“双碳”目标的必由之路。集成清洁能源发电、储电、充电、电解水制氢、储氢、注氢等功能的电氢制充注一体站，可以实现(近)零碳的能源供应，并为下游电动汽车、氢燃料电池汽车等提供充电、注氢服务，推动交通系统的深度脱碳。区域一体站协同并网运行时，将形成电氢制充注一体站柔性网络：通过协同新能源发电、电-氢储能系统和充注模块，可以促进新能源的充分消纳，并使一体站作为可控电源提高电网的灵活调节能力；另一方面，通过主动响应电价信号，可以实现一体站网络与电网的柔性双向互动。因此，构建电氢制充注一体站柔性网络对我国能源电力和交通系统的清洁、低碳化转型具有重要意义。

2、目前，我国氢能产业发展仍处于起步阶段，具有需求小、成本高的特点。传统静态的规划方式(面向未来长期需求进行一次性投资)不能满足电氢制充注一体站柔性网络建设的经济性需求。随着氢能技术革新、市场推动以及政策引导，氢能产业的发展将有望促进需求增长并降低设备成本。因此，可以通过对未来氢能产业发展轨迹的预判和追踪，利用多阶段规划方法生成适应性动态投资流，从而提高电氢制充注一体站柔性网络规划方案的经济性。例如，基于氢需求增长和设备成本下降模拟，在满足负荷需求的前提下，适当推迟部分重要投资，从而实现投资成本的节约。

3、然而，有关电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法的理论研究与技术应用鲜见报道。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法及系统，用于解决实际工程需求中电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划建模困难的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法，包括以下步骤：

4、s1、获取电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划所需的参数信息；

5、s2、基于步骤s1得到的参数信息模拟生成电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划所需的典型场景序列；

6、s3、基于多阶段决策框架，以最小化净现支出为目标，构建电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型；

7、s4、基于步骤s1得到的参数信息以及步骤s2得到的典型场景序列，求解步骤s3得到的电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型，得到电氢制充注一体站柔性网络经济性最优的多阶段选址定容方案。

8、具体的，步骤s1中，参数信息包括设备参数、气象参数、电气参数、负荷参数和经济参数。

9、具体的，步骤s3中，电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型具体为：

10、

11、

12、其中，t＝2,…,t，t为阶段的角标；xt表示阶段t的投资相关决策，并作为纽带连接相邻阶段的优化问题；yt表示阶段t的运行相关决策；φ表示净现总支出；φt表示阶段t的净现支出；表示阶段t的价值函数。

13、进一步的，阶段t(t＝1,,t)的净现支出φt为：

14、

15、其中，表示阶段t的投资成本；表示阶段t的运行成本；表示阶段t的固定资产清理成本；表示阶段t的运行收益；ir表示年化利率；用于将阶段t的总支出转化为净现支出。

16、更进一步的，阶段t的投资成本为：

17、

18、阶段t的运行成本为：

19、

20、阶段t的固定资产清理成本为：

21、

22、阶段t的运行收益为：

23、

24、其中，k为备选系统/设备的索引，k1＝{wt,pv,elz,ht}、k2＝{bs}、k3＝{cp,hd}为备选系统/设备的集合，wt、pv、bs、elz、ht、cp、hd分别表示风力发电系统、光伏发电系统、电池储能系统、电解槽、储氢罐、充电桩和加氢机；j为配电网节点的索引；λ表示由于地理限制、政策因素等原因目标园区配电网允许接入电氢制充注一体站的备选节点集合；为电氢制充注一体站的基本建设费用，为阶段t系统/设备k的单位投资成本，为阶段t电池储能系统的单位功率价格和单位能量价格；为0-1变量，用来衡量电氢制充注一体站的投建行为，时表示阶段t节点j有电氢制充注一体站投建；为阶段t节点j系统/设备k的新增配置容量，为阶段t节点j电池储能系统的新增功率/蓄电容量；为阶段t节点j充电桩或加氢机的购置个数，n+＝{1,2,…}为目标区域配电网的节点集合，满足配电网通过节点0处的主变压器与外部电网相连；m为目标区域内各子区域的索引，m为目标区域所有子区域构成的集合；λm(m∈m)为各子区域所含配电网备选节点的集合；为电氢制充注一体站阶段t的基本年运维费用，为系统/设备k(k∈k1∪k2∪k3)在阶段t的单位年运维费用；为0-1变量，用来描述电氢制充注一体站的运行状态，时表示阶段t节点j有电氢制充注一体站运行；为阶段t节点j系统/设备k的运行容量，为阶段t节点j电池储能系统的运行功率容量；为阶段t节点j充电桩或加氢机的运行个数；d为典型日的索引，d为各阶段选取的典型日总数；h为各典型日中运行时段的索引，h为典型日运行时段总数；时间转换因子用于将各典型日计算得到的数值转换为阶段数值；为阶段t典型日d运行时段h子区域m的氢加注需求；为阶段t典型日d运行时段h节点j可以得到满足的氢加注负荷；ξh为可中断氢加注负荷补偿成本系数；为阶段t典型日d运行时段h子区域m的充电需求；为阶段t典型日d运行时段h节点j可以得到满足的充电负荷；ξc为可中断充电负荷补偿成本系数；ξe为可中断用电负荷补偿成本系数；表示阶段t典型日d运行时段h节点j的用电需求；表示阶段t典型日d运行时段h节点j可以满足的用电负荷；表示阶段t典型日d运行时段h从上级电网购电的有功功率；表示阶段t运行时段h向上级电网购电的电价，采用分时电价机制；δh为优化规划考虑的运行时间粒度，一般取为小时，为阶段t系统/设备k的单位报废成本；为阶段t节点j系统/设备k的报废容量；为阶段t节点j电池储能系统的报废功率容量；为阶段t节点j充电桩或加氢机的报废个数，为阶段t运行时段h的售氢价格；为阶段t运行时段h的售电价格；为阶段t向外部电网售电价格；为阶段t典型日d运行时段h向上级电网输送的有功功率。

25、进一步的，阶段t内，电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型的投资约束包括投资预算约束、接入下限约束、设备购置约束和阶段耦合约束。

26、更进一步的，投资预算约束：

27、

28、其中，为阶段t电氢制充注一体站柔性网络的投资上限；

29、接入下限约束具体如下：

30、

31、设备购置约束具体如下：

32、

33、

34、

35、

36、其中，为节点j系统/设备k容量配置的上/下限；为节点j电池储能系统功率容量配置的上/下限；为阶段t节点j电池储能系统的运行蓄电容量；为节点j电池储能系统蓄电容量配置的上/下限；为节点j充电桩和加氢机的数量上/下限；

37、阶段耦合约束具体如下：

38、相邻阶段电氢制充注一体站的投建决策与运行状态之间的关系如下：

39、

40、相邻阶段各设备运行、投建与报废间的关系如下：

41、

42、

43、

44、

45、各设备阶段t的报废容量与其寿命阶段前的投建容量之间的关系如下：

46、

47、

48、

49、

50、其中，ltk表示设备k的寿命；为阶段t节点j电池储能系统的报废蓄电容量。

51、进一步的，阶段t内，电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型的运行约束包括新能源发电系统运行约束、电池储能系统运行约束、充电桩运行约束、充电需求分配约束、电解槽运行约束、储氢罐运行约束、加氢机运行约束、氢加注需求分配约束、功率平衡约束、配电网潮流约束、节点电压约束和变压器关口交互功率约束。

52、更进一步的，新能源发电系统运行约束包括：

53、新能源发电系统的有功出力约束：

54、

55、新能源发电系统的无功约束：

56、

57、其中，表示目标区域阶段t典型日d运行时段h的风/光波动因子；为阶段t典型日d运行时段h新能源发电系统的有功出力，为阶段t典型日d运行时段h新能源发电系统的无功出力；分别表示新能源发电系统并网功率因数角的上/下限；

58、电池储能系统运行约束包括：

59、电池储能系统的充放电约束：

60、

61、

62、

63、

64、

65、电池储能系统的蓄电量约束：

66、

67、耦合相邻运行时段的充放电平衡方程：

68、

69、其中，ηk为电池储能系统的充/放电效率；

70、各典型日电池储能系统的始末蓄电量相同：

71、

72、其中，为阶段t典型日d运行时段h节点j电池储能系统的充/放电功率；m1为一个足够大的正实数；分别为阶段t典型日d运行时段h节点j表示电池储能系统充/放电状态的0-1变量，为阶段t典型日d运行时段h节点j电池储能系统的蓄电量；为电池储能系统的最大放电深度；

73、充电桩运行约束：

74、

75、其中，wk为充电桩的充电能力；

76、充电需求分配约束：

77、

78、

79、

80、其中，为充电负荷分配因子；

81、电解槽运行约束：

82、

83、

84、其中，为阶段t典型日d运行时段h节点j电解槽的注入电功率；为阶段t典型日d运行时段h节点j电解槽产生的氢气；χelz为电解槽的电-氢转换因子；ηelz为电解槽的工作效率；

85、储氢罐运行约束：

86、

87、

88、其中，为阶段t典型日d运行时段h节点j储氢罐的氢气存储量；为储氢罐的氢损失系数；

89、加氢机运行约束：

90、

91、其中，vk为加氢机的加注能力；

92、氢加注需求分配约束：

93、

94、

95、

96、其中，为氢加注负荷分配因子；

97、功率平衡约束包括：

98、有功功率平衡约束：

99、

100、无功功率平衡约束：

101、

102、其中，表示为阶段t典型日d运行时段h节点j电氢制充注一体站通过节点处的低压变压器与配电网的有功/无功交互功率；为阶段t典型日d运行时段h节点j可实际满足的有功/无功负荷；为阶段t典型日d运行时段h节点j的有功/无功需求；

103、配电网潮流约束：

104、

105、

106、

107、

108、

109、其中，为阶段t典型日d运行时段h支路(i,j)流过的有功/无功功率；b为配电网的线路集合；θ(j)为节点j的子节点集合；为阶段t典型日d运行时段h主变压器的有功/无功输送功率；为阶段t典型日d运行时段h节点j的电压幅值；u0为主变压器节点的参考电压；rij为支路(i,j)的电阻；xij为支路(i,j)的电抗；

110、配电网节点电压约束：

111、

112、其中，表示节点j电压幅值的上/下限；

113、变压器关口交互功率约束：

114、

115、其中，slv,j为备选节点j处低压变压器的容量；

116、目标区域配电网与外部电网的交互功率受主变压器额定容量限制：

117、

118、

119、

120、

121、

122、其中，分别为描述阶段t典型日d运行时段h向上级电网购/售电状态的0-1变量；m2为一个很大的正实数；ssub为主变压器的容量。

123、第二方面，本发明实施例提供了一种电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划系统，其特征在于，包括：

124、数据模块，获取电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划所需的参数信息；

125、模拟模块，基于数据模块得到的参数信息模拟生成电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划所需的典型场景序列；

126、构建模块，基于多阶段决策框架，以最小化净现支出为目标，构建电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型；

127、规划模块，基于数据模块得到的参数信息以及模拟模块得到的典型场景序列，求解构建模块得到的电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型，得到电氢制充注一体站柔性网络经济性最优的多阶段选址定容方案。

128、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

129、一种电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划方法，以经济性最优为目标的电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型；基于目标区域关键参数的历史数据，模拟生成典型场景序列，在多阶段决策框架下，确保所得到的电氢制充注柔性网络多阶段规划方案可以灵活适应系统的动态演进轨迹。在工程应用中，可以根据目标区域的动态演进需求，采用本发明方法制定与之相适应的电氢制充注一体站多阶段选址定容方案，使电氢制充注一体站网络的经济性和运行特性满足设计要求；本发明涉及面向工程需求的电氢制充注一体站柔性网络多阶段冬天规划问题，可以有效提高电氢制充注一体站选址定容方案的经济性以及综合效能，为实际工程中的电氢制充注一体站柔性网络的多阶段动态规划提供切实有效的技术路线。

130、进一步的，步骤s1中参数信息包括设备参数、气象参数、电气参数、负荷参数和经济参数的获取，可以为步骤s2中的场景序列模拟提供基础数据，并为电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划提供必要参数支撑。

131、进一步的，步骤s3中电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型设置的目的是在满足各阶段一系列投资、约束的前提下，最优化电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划的经济性。

132、进一步的，步骤s3中各阶段的目标函数为最小化阶段内的净现支出。阶段内的净现支出为净支出的现值。净支出的计算方式为投资成本、运行成本、固定资产清理成本的和再减去运行收益。该目标函数的设置可以综合考虑阶段内电氢制充注一体站柔性网络的投资和运行经济性。

133、进一步的，步骤s3中阶段t的投资成本包括电氢制充注一体站柔性网络的基础投建费用以及各系统/设备的购置费用；阶段t的运行成本包括电氢制充注一体站柔性网络的基本年运维成本、各系统/设备的年运维成本、可中断氢加注负荷补偿成本、可中断充电负荷补偿成本、可中断用电负荷补偿成本以及向外部电网购电成本；阶段t的固定资产清理成本包括电氢制充注一体站柔性网络各系统/设备的报废清除费用；阶段t的运行收益包括电氢制充注一体站柔性网络的氢加注收益、充电收益、向区域用户售电取得的收益以及向外部电网售电取得的收益。以上成本或收益的设置可以进一步精细量化电氢制充注一体站柔性网络各阶段的投资、运行经济性。

134、进一步的，步骤s3中，阶段t内投资约束的设置可以为电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划提供投资边界。

135、进一步的，步骤s3中投资预算约束、接入下限约束、设备购置约束和阶段耦合约束的设置可以进一步明确电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型中投资约束的内容和形式。

136、进一步的，步骤s3中，阶段t内运行约束的设置可以为电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划提供运行边界。

137、进一步的，步骤s3中新能源发电系统运行约束、电池储能系统运行约束、充电桩运行约束、充电需求分配约束、电解槽运行约束、储氢罐运行约束、加氢机运行约束、氢加注需求分配约束、功率平衡约束、配电网潮流约束、节点电压约束和变压器关口交互功率约束的设置可以进一步明确电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划模型中运行约束的内容和形式。

138、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

139、综上所述，本发明涉及面向工程需求的电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划问题，能够有效提高电制充注一体站选址定容方案的经济性与综合效能，为实际工程中的电氢制充注一体站柔性网络多阶段动态规划提供切实有效的技术路线。

140、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。