考虑电氢协同传输的综合能源站多阶段规划方法及系统与流程

本发明属于综合能源规划的，具体地，涉及一种考虑电氢协同传输的综合能源站多阶段规划方法及系统。

背景技术：

1、综合能源站包括光伏、陆上风机、海上风机、火电机组、核电机组、蓄电池、抽水蓄能设备、燃料电池、电解槽、电空调、输电线路、输氢管道，其中，光伏、陆上风机、海上风机、火电机组、核电机组和燃料电池作为发电设备产生电能，蓄电池和抽水蓄能设备作为储能设备，用于电功率实时平衡，电解槽和电空调作为电负荷消耗电能，输电线路和输氢管道作为电能和氢能的交互设备，实现互联综合能源站之间的电能和氢能交互。氢能作为一种长期储能形式，可实现能量的长期存储，在高比例新能源渗透下，可在综合能源站中接入电解制氢设备，以消纳新能源的同时实现能量的长期存储，以便在电量不平衡时充当储能功能。

2、现有技术中，现有综合能源站存在弃风弃光现象以及跨季存储不足的问题，一方面针对氢能设备接入综合能源站的规划设计方法尚待进一步研究，另一方面针对区域间互联的综合能源站进行能量交互与协同规划的方法也亟待提出。此外，针对区域互联的综合能源站，尚缺乏针对输氢管道运输和存储一体化的建模与模拟方法，因而无法充分利用区域资源实现优势互补，也无法在促进新能源消纳的同时实现能源的跨季存储。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种考虑电氢协同传输的综合能源站多阶段规划方法及系统，实现互联综合能源站的多阶段扩展规划，并模拟输电线路和输氢管道的真实运行状况。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出了一种考虑电氢协同传输的综合能源站多阶段规划方法，综合能源站包括发电设备、储能设备、电负荷、输电线路以及输氢管道，其中储能设备包括电储能设备和储氢设备；包括：

4、采集综合能源站的运行参数；

5、建立综合能源站多阶段扩展模型、输电线路多阶段扩展模型和输氢管道多阶段扩展模型，对综合能源站进行各阶段的电负荷平衡、冷热负荷平衡以及氢负荷平衡；基于电负荷平衡、冷热负荷平衡以及氢负荷平衡对输氢管道多阶段扩展模型和综合能源站多阶段扩展模型进行更新；

6、基于输电线路多阶段扩展模型、更新后的综合能源站多阶段扩展模型和更新后的输氢管道多阶段扩展模型，以综合能源站在所有阶段的总成本最小为优化目标，确定各阶段下综合能源站内发电设备以及储能设备的新增容量、输电线路以及输氢管道的新增数量。

7、综合能源站多阶段扩展模型包括设备装机容量扩展模型、设备装机容量约束模型和综合能源站的联合约束；

8、其中，联合约束包括：旋转备用约束、可再生能源渗透约束、可再生能源机组运行约束、火电机组运行约束、核电机组运行约束、核电解槽和燃料电池运行约束、电空调运行约束、电储能设备运行约束以及储氢设备运行约束。

9、储氢设备运行约束为：

10、，

11、，

12、，

13、式中，、分别为阶段中地区内储氢设备在时刻的充、放氢量；为阶段中地区内的电解槽在时刻的输入电功率；为阶段中地区内燃料电池在时刻的输出电功率；、分别为电解槽和燃料电池的转换效率； lhv为氢气的低位热值；为阶段中地区内在时刻的氢负荷；为阶段中地区内储氢设备的充放速率上限；为阶段索引，为阶段集合，为地区索引，为地区集， t为时间索引，为时间集合；

14、，

15、，

16、，

17、式中，为阶段中地区内储氢设备在时刻的存储容量；为阶段中地区内储氢设备在第z个典型周的末时刻的存储容量；为阶段中地区内储氢设备的容量；为储氢设备的充放氢效率；为单位时间间隔；为典型周索引；为第z个典型周的末时刻。

18、输电线路多阶段扩展模型包括输电线路多阶段数量扩展模型和输电线路运行约束。

19、输氢管道多阶段扩展模型包括输氢管道多阶段数量扩展模型和输氢管道运行约束；

20、输氢管道运行约束包括：输氢管道数量约束、氢气量约束、输氢的耗电功率约束以及管道内氢气存量约束。

21、输氢的耗电功率约束如下：

22、，

23、式中，为阶段中从地区到地区的输氢管道在时刻充放氢的耗电功率；、分别为与输送距离相关的耗电系数、与输送距离无关的耗电系数；为地区到地区之间的输送距离；、分别为阶段中从地区到地区的输氢管道在时刻的注入量和流出量；

24、氢气量约束如下：

25、，

26、，

27、，

28、式中，为阶段中从地区到地区的输氢管道在时刻的氢净注入量；为单根输氢管道的最大流速；为阶段中从地区到地区的输氢管道的数量。

29、基于电负荷平衡、热负荷平衡以及氢负荷平衡对输氢管道多阶段扩展模型进行更新，包括：

30、以电负荷平衡下的充放氢的耗电功率，基于输氢的耗电功率约束确定输氢管道的注入量和流出量；基于氢气量约束，根据注入量和流出量确定氢净注入量；

31、根据冷热负荷平衡，分别确定燃料电池组热电联供的输出热功率和电空调的制热功率以外热负荷还需要的氢负荷、电空调的制冷功率以外的冷负荷还需要的氢负荷；

32、基于氢负荷平衡，根据氢净注入量以及冷热负荷还需要的氢负荷，确定氢负荷与放氢量的对应关系；

33、根据氢负荷与放氢量的对应关系，更新综合能源站多阶段扩展模型。

34、电负荷平衡满足如下关系式：

35、，

36、式中，

37、、分别为阶段中地区内可再生能源机组中、火电机组中的设备在时刻的输出电功率；为火电机组的设备集合；为可再生能源机组的设备集合；、分别为阶段中地区内核电机组、燃料电池在时刻的输出电功率；、分别为阶段中地区内储能设备在时刻的放电功率、充电功率；为储能设备集合；为阶段中从地区到地区在时刻的线路传输电功率；为阶段中外部地区向地区在时刻的输入电功率；为阶段中地区内的电解槽在时刻的输入电功率；、为阶段中地区内的电空调在时刻的制热耗电功率、制冷耗电功率；为阶段中从地区到地区的管道在时刻充放氢的耗电功率；为阶段中地区内在时刻的净电负荷； t为时间索引，为时间集合，为地区集。

38、根据如下关系式进行氢负荷平衡：

39、，

40、式中，为阶段中地区内的储氢罐在时刻的放氢量；为阶段中地区内的燃料电池组热电联供在时刻的耗氢量；为阶段中从地区到地区的管道在时刻的氢净注入量；为阶段中地区内在时刻的冷热负荷还需要的氢负荷；为地区索引； t为时间索引，为时间集合，为地区集。

41、根据氢负荷与放氢量的对应关系，更新综合能源站多阶段扩展模型，包括：

42、根据氢负荷与放氢量的对应关系，基于储氢设备运行约束，更新燃料电池下一阶段的输出电功率；

43、更新得到的燃料电池的输出电功率，在同时满足旋转备用约束和燃料电池运行约束的条件下，基于可再生能源渗透约束获得更新后的下一阶段设备装机容量；并且基于综合能源站多阶段扩展模型，在更新下一阶段设备装机容量时，其余各阶段的设备装机容量通过各阶段之间的折算同时进行更新。

44、综合能源站在所有阶段的总成本包括投资成本、维护成本和运行成本；

45、综合能源站在所有阶段的总成本最小为优化目标，满足如下关系式：

46、，

47、式中，为所有阶段的总成本；、、分别为第阶段系统的投资成本、维护成本和运行成本；为折现率。

48、本发明还提出了一种考虑电氢协同传输的综合能源站多阶段规划系统，包括：采集模块，规划模型构建模块，多阶段规划模块；

49、采集模块，用于采集综合能源站的运行参数；

50、规划模型构建模块，用于建立综合能源站多阶段扩展模型、输电线路多阶段扩展模型和输氢管道多阶段扩展模型，对综合能源站进行各阶段的电负荷平衡、冷热负荷平衡以及氢负荷平衡；基于电负荷平衡、热负荷平衡以及氢负荷平衡对输氢管道多阶段扩展模型和综合能源站多阶段扩展模型进行更新；

51、多阶段规划模块，用于基于输电线路多阶段扩展模型、更新后的综合能源站多阶段扩展模型和更新后的输氢管道多阶段扩展模型，以综合能源站在所有阶段的总成本最小为优化目标，确定各阶段下综合能源站内发电设备以及储能设备的新增容量、输电线路以及输氢管道的新增数量。

52、本发明的有益效果在于，与现有技术相比至少包括，考虑区域互联的综合能源站可实现区域间协同优化，充分利用区域的自然禀赋与经济优势，进一步考虑氢能参与综合能源站规划运行可实现新能源消纳的同时实现能源的跨季存储。

53、在电负荷平衡下确定能够响应充放氢耗电功率的电功率，更符合综合能源站运行调度实际情况，以电负荷平衡下的充放氢的耗电功率，基于输氢的耗电功率约束确定充放氢的耗电功率，当新能源富裕时，有利于调用新能源响应输氢耗电，从而提高新能源在综合能源站中的消纳率，存储的氢能可在高电需求季节将氢转化为电实现跨季存储。此外，基于氢气量约束，根据充放氢的耗电功率确定氢净注入量，为后续氢负荷平衡提供更为准确的参数。

54、通过对综合能源站多阶段扩展模型的更新，优化了设备装机，确保可再生能源的充分调用，解决了高比例新能源接入后的弃风弃光问题，同时通过这一多阶段优化过程，实现了氢储能与综合能源站内多种设备的之间的融合，充分发挥氢气的跨季存储优势，提升综合能源站运行可靠性。