一种基于绿氢的区域电网制氢优化方法与流程

本发明涉及一种基于绿氢的区域电网制氢优化方法，隶属于电力系统低碳运行领域。

背景技术：

1、氢在运输、工业、炼油和合成燃料生产等许多领域都有作用，随着对氢需求量的增加，绿氢作为一种纯正的绿色能源，利用可再生能源如太阳能、风能等发电后转化为电能，将电能通过电解水制氢设备转化成氢能。因绿氢的制取过程中只产生水，碳排放可以达到净零。故绿氢被称为最纯正的绿色新能源，在全球新能源转型中扮演着重要角色。

2、然而，如果在可再生能源为主的电网中安装p2h（电转氢）机组不符合电网规范要求，则可能会显著增加电网在各种运行条件下的运行负荷，这种操作可能会使电网面临广泛的电网安全问题，如过载、母线电压下降等危害。因此，如何合理安装p2h机组，增加绿氢的产量，使电网运营商的利润最大化，已成为急需解决的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提出一种基于绿氢的区域电网制氢优化方法，通过调整p2h机组的达到合适位置，在确保电网正常运行的情况下，生产尽可能多的绿氢并将其输送到下游行业，从而使电网运营商的利润最大化。

2、技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于绿氢的区域电网制氢优化方法，其特征主要包括以下步骤：

3、步骤s1：目标函数的构建：构建区域电网制氢的目标函数，该目标函数通过考虑电力需求和风力发电的不确定性，以及电网规范的要求，寻找在区域电网中分配p2h（电转氢）机组的理想方案，以最大化市场中绿氢的预期利润；

4、步骤s2：约束条件的构建：构建区域电网制氢的约束条件，该约束条件包括p2h机组的运行约束、p2h机组斜坡速率约束、火电机组储备约束和风力发电厂的渗透水平约束，其中，p2h机组的运行约束采用二进制变量确定用于分配的p2h机组的最佳位置，风力发电厂的渗透水平约束根据每小时功率需求调整风力发电厂的功率渗透水平；

5、步骤s3：构建基于绿氢的区域电网制氢优化模型，该模型通过采用二进制变量确定用于分配的p2h机组的最佳位置和根据每小时功率需求调整风力发电厂的功率渗透水平，以在合适范围内生产更多的绿氢；

6、步骤s4：在电力系统上测试基于绿氢的区域电网制氢优化模型，根据目标函数和约束条件，利用行业验证的cplex求解器对基于绿氢的区域电网制氢优化模型进行求解，最大限度提高绿氢的生产量，并通过在市场销售生产的绿氢以最大化区域电网的预期利润。

7、进一步的，步骤s1中所述目标函数的构建如下：

8、所提出的目标函数通过考虑电力需求和风力发电的不确定性，以及电网规范的要求，寻找在区域电网中分配p2h机组的理想方案，以最大化市场中绿氢的预期利润构建，其表达式如下：

9、

10、式中，表示最大化，表示整个过程所花费的时间且，表示销售绿氢的预期收益、表示生产绿氢的预期成本。

11、进一步的，销售绿氢的预期收益，具体如下式所示：

12、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>r</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>e</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>t</mi></mstyle></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>=</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><munderover><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>∑</mi></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>∈</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>ω</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><munderover><mi /><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mn>2</mn></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>h</mi></mstyle></mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle></munderover></mstyle></mrow><mrow /></munderover></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi></mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mo>[</mo><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mo>(</mo><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>,</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mn>0</mn></mstyle></mrow></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>⋅</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>δ</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>t</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>⋅</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>γ</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle></msub></mstyle></mstyle><mo>)</mo></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mo>+</mo></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><munder><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>∑</mi></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>s</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>∈</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>s</mi></mstyle></mrow></munder></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi></mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>σ</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>s</mi></mstyle></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>⋅</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mo>(</mo><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>λ</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>,</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mn>1</mn></mstyle></mrow></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>⋅</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>h</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>d</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mrow><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>i</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>,</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>t</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>,</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>s</mi></mstyle></mrow></msub></mstyle></mstyle><mo>)</mo></mstyle></mstyle><mo>]</mo></mstyle></mstyle>

13、式中，表示系统的节点编号、 表示连接p2h机组的节点集合、和表示p2h机组的绿氢销售价格系数、表示在总线上安装p2h机组的二进制变量、表示总情景数、表示总情景中的某一种情景、表示发生情景的概率、表示在情景处，时间时，连接母线的p2h机组提取的绿氢量。

14、进一步的，生产绿氢的预期成本包括火力机组的启动成本、火力机组的运行成本、风力机组的发电成本和p2h机组的运行成本，具体如下式所示：

15、

16、式中，表示连接到热力机组的节点集合、，和为热力机组的成本系数、表示热力机组启动成本、表示热力机组关闭成本、表示热力机组线性化成本函数的斜率、表示热力机组产生的有功功率、表示连接到风力机组的节点集合、表示可再生能源限电处罚价格、表示在情景处，时间时风力发电厂的预测输出功率、表示在情景处，时间时，连接母线的风力发电厂的有功功率分配、表示连接到p2h机组的节点集合、和表示p2h机组的成本系数；表示在情景处，时间时，连接母线的p2h机组的有功功率。

17、进一步的，步骤s2中所述约束条件的构建包括以下步骤：

18、步骤s2-1：p2h机组的运行约束；

19、步骤s2-2：p2h机组斜坡速率约束；

20、步骤s2-3：火电机组储备约束；

21、步骤s2-4：风力发电厂的渗透水平约束。

22、进一步的，步骤s2-1所述构建的p2h机组的运行约束包括以下公式：

23、

24、

25、

26、上式采用二进制变量定义为确定用于分配p2h机组的最佳位置，其中，表示在情景处，时间时，连接母线上 p2h机组的额定功率，表示第个p2h机组最大容量，表示所有p2h机组的最大容量，表示允许安装的p2h机组总数；

27、

28、上式将p2h机组的注入功率分为正常运行时的功率和超载时的功率，式中，表示正常运行时的功率，表示过载时的功率；

29、

30、

31、上式表示p2h机组正常运行和过载时的功率边界，表示p2h机组的最小功率，表示p2h机组的最大功率；

32、

33、

34、上式为p2h机组有功功率和无功功率大小约束，表示情景处，时间时，连接母线的p2h机组的无功功率、表示p2h机组消耗无功功率的上界系数；表示p2h机组消耗无功功率的下界系数。

35、进一步的，步骤s2-2所述构建的p2h机组斜坡速率约束包括以下公式：

36、

37、上式表示p2h机组的斜坡速率约束，表示情景处，时间时，连接母线上的p2h机组的有功功率、表示连接到母线上的p2h机组的下坡速率、表示连接到母线上的p2h机组的上坡速率。

38、进一步的，步骤s2-3所述构建的p2h机组储备约束包括以下公式：

39、

40、上式保证每个时间间隔内火电机组产生的总功率大于输出功率，表示j节点火电机组最大有功输出。

41、进一步的，步骤s2-4所述构建的风力发电厂的渗透水平约束包括以下公式：

42、

43、

44、上式表示根据每小时功率需求调整风力发电厂的功率渗透水平，表示风力发电厂每小时的功率渗透水平、表示连接到电气负载的节点集合、表示降压节能时的有功需求；

45、

46、上式表示，示在情景处，时间时，连接母线的风力发电厂的无功功率分配、表示风力发电厂产生的无功功率下界系数、表示风力发电厂产生的无功功率上界系数。

47、进一步的，步骤s2-4所述构建的风力发电厂的渗透水平约束中降压节能时的有功需求包括以下公式：

48、

49、上式表示降压节能时的有功需求，表示i节点的标称电压，值为1p.u.，表示情景s中时间t时母线i的电压幅值、表示情景s中时间t时母线i的有功需求，、和为有功需求系数。

50、进一步的，步骤s2-4所述构建的风力发电厂的渗透水平约束中降压节能时的有功需求表达式是非线性的，求解器无法求解，需要进行线性化，线性化方法如下：

51、

52、上式对降压节能时的有功需求表达式进行了线性化，该线性化机制在标准电压范围内有效，即在标幺值范围内有效。

53、有益效果

54、本发明提出一种基于绿氢的区域电网制氢优化方法，与现有技术相比，能通过确定p2h机组的最佳位置以及风力发电厂的渗透水平，在确保电网正常运行的情况下，生产尽可能多的绿氢并将其输送到下游行业，从而使电网运营商的利润最大化。