一种综合能源系统源荷协调优化调度方法

本发明涉及电力系统优化运行，具体地说是一种综合能源系统源荷协调优化调度方法。

背景技术：

1、随着世界能源危机日益严峻，社会各界越来越关注能源的高效利用以及可持续发展理念。我国在2020年，提出co2排放量力争于2030年之前达到顶峰，2060年前实现碳中和的目标。综合能源系统在能源梯级利用、多能互补，提高能源利用率上发挥着重要作用。

2、综合能源系统打破了传统电、气、热能源独立运行模式的壁垒，具有多能互补、提高能源利用效率、降低用能成本的优点。但是目前高比例可再生能源接入的综合能源系统中，可再生能源和负荷的波动性与不确定性给系统的安全运行带来了挑战。因此如何分析异质能源之间的耦合特性，协调配合能源侧供能设备和负荷侧用能设备，以此提高系统灵活性、提高可再生能源消纳和降低系统总成本，是目前仍需解决的重要问题。

3、目前有研究考虑从源侧入手通过增设灵活性资源容量借助系统灵活性资源的调节作用，从而提高整体灵活性。有的学者考虑电储能装置充放电作用提高系统灵活性以应多可再生能源接入所带来的问题，但是上述研究仅仅关注电热耦合设备和储能侧灵活性资源，忽略了电-氢耦合设备对系统灵活性的影响。氢能作为一种清洁低碳的二次能源其热值高、污染低，随着制氢技术的发展和普及，氢能需求越来越大，因此在系统中考虑氢能源高效利用具有实际意义。同时有研究负荷侧灵活性资源但仅分析验证了综合需求响应对于提升系统经济性和消纳的能力，只针对某一需求响应方法或直接将多种需求响应方法同时应用于风电消纳，忽略了负荷侧资源所能提供的灵活性供给能力以及对系统运行灵活性影响的分析。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出一种综合能源系统源荷协调优化调度方法，旨在促进可再生能源消纳，提高系统应对不确定性干扰的能力。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种综合能源系统源荷协调优化调度方法，包括以下步骤：

3、步骤a：首先建立综合能源系统的灵活性资源和灵活性需求的模型，为更直观地表示系统的运行灵活性，引入灵活性裕度指标，其值为灵活性供给与灵活性需求之间的差值，若灵活性裕度小于0，则说明系统灵活性不足，根据系统不同时刻出现的灵活性不足问题分为上调灵活性不足和下调灵活性不足时段；

4、所述综合能源系统灵活性需求源自可再生能源及电负荷的波动性和不确定性，负荷的波动性可由相邻时段的一阶差分表示，而风光联合出力作为源侧资源向下波动实际产生的是向上灵活性需求，因此系统灵活性需求量化模型如下：

5、

6、式中：分别为上、下调灵活性需求值；lt为t时段的电负荷；λu和λd分别为系统电负荷预测误差对上下调灵活性资源的需求；为风电、光伏功率预测的全天最大值；为t时段的风电、光伏功率预测值；ωu、ωd分别为风电功率预测误差对上下调灵活性资源的需求；αu、αd为光伏功率预测误差对上、下调灵活性资源的需求；

7、对可再生能源出力与负荷不确定性具有调节能力的可调度资源均可视为灵活性资源，通过预留调节能力来应对系统内的灵活性需求，从而提高系统灵活性，所述灵活性资源包括可调度的常规机组、储能设备、chp机组与氢燃料电池、综合需求响应；

8、所述综合能源系统中常规机组以火电机组为主，火电机组爬坡速率低并且受限于调度指令，灵活调节能力较差，只能提供有限的灵活性，灵活性供给可表示为：

9、

10、式中：分别为常规机组上下爬坡速率；pn,max、pn,min分别为常规机组出力上下限；pn,t为t时刻常规机组出力；分别为常规机组产生的上、下调供给；

11、所述综合能源系统中储能设备以蓄电池为主，蓄电池通过放能提供上调灵活性，通过充能提供下调灵活性，其灵活性供给可表示为：

12、

13、式中：分别为蓄电池的最小、最大荷电状态；ssoc,t为t时刻蓄电池的荷电状态；为蓄电池放、充电效率；为蓄电池最大容量；为充放电功率的最大值；为分别为时刻产生的上、下调供给；

14、步骤b：源侧分析电氢耦合单元运行特性构建热电联产机组和氢燃料电池联合运行模型，充分发挥氢能源热值高、污染低、来源广的优势，利用氢燃料电池良好的热电联产特性，增加供能灵活性资源同时提高chp机组灵活调节范围；

15、chp与氢燃料电池联合运行模型中，其所能提供的灵活性供给不仅与chp机组有关还与氢燃料电池热电联产特性相关，其灵活性供给可以表示为：

16、

17、式中：为chp机组输出电功率最小最大值；pchpe,t为t时刻chp机组产生的电功率；为chp机组输出电功率爬坡上限和下限；为氢燃料电池输出电功率最小最大值；ph-e,t为t时刻氢燃料电池产生的电功率；为氢燃料电池输出电功率爬坡上限和下限；分别为t时刻联合运行模型产生的上、下调供给；

18、步骤c：引入用户侧需求响应作为荷侧灵活性资源，据此构建综合能源系统综合需求响应模型；idr所能提供的上、下调供给可表示为：

19、

20、式中：分别为idr产生的上、下调供给，分别为参与响应电负荷、热负荷最大最小值，i、j∈{cut,mov}表示可削减和可转移负荷；为t时刻进行参与响应的电、热负荷；χ表示热能灵活性资源折算系数，其取值与chp机组热电转换效率有关；

21、步骤d：在步骤a的基础上，调用步骤b中所述的源侧联合运行模式，考虑步骤c中所述的综合需求响应模型，获得源荷协调的综合能源系统调度方案；

22、步骤e：基于步骤d中的源荷协调的综合能源系统调度方案，建立以系统综合成本最优为目标函数，考虑系统灵活性约束的优化调度模型；

23、对各类资源灵活性供给能力进行整合，可以得到：

24、

25、式中：分别为t时刻系统的上、下调供给；

26、所述灵活性约束是在确定时间尺度下满足灵活性供给大于需求：

27、

28、步骤f：基于步骤d中的考虑灵活性约束的多能互补综合能源系统经济优化调度模型，利用matlab软件中的求解器cplex软件对模型进行求解。

29、本发明进一步的优选方案：所述步骤a中的综合能源系统包括风电机组、光伏机组、外部电网、外部气网、热电联产机组、电解槽装置、氢燃料电池机组、储能设备、常规电热气负荷和可参与需求响应的柔性电热负荷。

30、本发明进一步的优选方案：所述步骤a中的灵活性是否充足是根据调度区域可再生能源机组预测出力大小、负荷预测大小和灵活性资源调节能力大小共同决定。

31、本发明进一步的优选方案：所述步骤a中的上调灵活性不足是上调灵活性需求大于系统内可向上调节的灵活性容量，即净负荷波动产生的向上的灵活性需求大于系统内灵活性资源向上调节的能力；所述步骤a中的下调灵活性不足是下调灵活性需求大于系统内可向下调节的灵活性容量，此时净负荷波动产生向下的灵活性需求大于系统内灵活性资源向下调节的能力。

32、本发明进一步的优选方案：所述步骤b中的联合运行模式为：首先，在能源侧利用氢燃料电池良好的电热特性与传统chp机组联合构成新型热电联产系统；氢燃料电池所用的氢来源于电解槽利用盈余电量制得的氢能，一部分氢能用于氢燃料电池热电联产，发掘氢能利用潜力，提高氢能利用效率，弥补部分灵活性缺额；一部分用于甲烷化反应，产生天然气供给chp机组从而减少购气成本；一部分储存在储氢罐中，储氢装置能够解决氢气在获取和利用的时间不匹配问题。

33、本发明进一步的优选方案：所述步骤c中的需求响应模型包括激励型电负荷需求响应模型及激励性热负荷需求响应模型，综合需求响应作为综合能源系统中重要的灵活性资源，是促进综合能源系统源荷协调的关键。

34、本发明进一步的优选方案：所述综合能源系统源荷协调优化调度方法还包括对各个环节的约束，包括功率平衡约束、机组运行约束、综合能源系统中各个设备的约束和联络线交互功率约束、综合需求响应约束、灵活性约束。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

36、1、本发明基于综合能源系统运行灵活性机理分析，建立灵活性资源和灵活性需求模型，提出一种综合能源系统源荷协调优化调度方法，建立考虑灵活性约束的经济优化调度模型，根据研究结果分析引入氢燃料电池的灵活运行和综合需求响应对灵活性的有效性以及本文所提调度方法对经济运行的影响。

37、2、本发明在上调灵活性不足时，为解决上调灵活性不足带来的切负荷风险，首先利用用户侧idr灵活性资源，引导负荷参与需求响应以平滑负荷曲线，使得机组出力更好匹配负荷水平，在发挥源荷协调特性的同时提高系统经济性优势；发挥chp-氢燃料电池联合运行模型产电特性，增大机组出力，为系统提供上调灵活性供给；常规机组调节能力相对较差，只能提供有限的灵活性，因此系统内灵活性供给主要来源于chp、氢燃料电池、idr及储能设备；最终实现该时段内上调灵活性充足的目标。

38、3、本发明在下调灵活性不足时，此时可再生能源不能被完全消纳，带来弃能风险，依据可再生能源尽可能全额消纳全额上网原则，将可转移电负荷移至该时段，以提高部分电负荷需求，同时将盈余电量利用电解槽电解水制得氢能储存在储氢罐中，以供给氢燃料电池装置进行热电联产，实现电-氢-电热的转换；此外蓄电池进行充电，以提升下调灵活性供给，在负荷水平较高时放电实现电能在时间上的转移；若系统下调灵活性仍不足，则采取一定的弃风弃光措施。