一种海上风电场氢储系统选址定容方法、装置及存储介质

本发明涉及能源，尤其涉及一种海上风电场氢储系统选址定容方法、装置及存储介质。

背景技术：

1、目前海上风电通常按全容量并网设计，基础成本与电力送出工程费用(包括海上升压站、海底电缆、陆上接网)占总投资的一半。然而风电具有很强的随机性、间歇性、反调峰等特性，大规模并网会影响电力系统的正常运行，导致严重弃风现象的发生。弃风使输电通道使用率低，浪费巨额投资。

2、风电耦合制氢是解决弃风问题的有效手段，有较多研究对海上风电场制氢容量进行优化配置和方案比较，然而研究多针对海上风电场的总容量，未能考虑单台风机位置和出力差异。某海上风场全年监测数据显示，同一风场中下游风机平均发电量比上游风机减少10％～40％。第一现有技术方案考虑了风电场中尾流效应对每台风机出力的影响，然而制氢方案是针对离网海上风电群，并通过机组协同控制进行分布式制氢，每台风机配置一台制氢设备，该方案未能考虑当前海上风电项目主要为并网项目，也忽略了在实际运行中调控风机的偏航角和轴向诱导因子的难度。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种考虑尾流效应的海上风电场氢储系统选址定容方法、装置及存储介质。

2、本发明所采用的第一技术方案是：

3、一种海上风电场氢储系统选址定容方法，包括以下步骤：

4、根据陆地电网结构和用氢需求确定海上风电场发电量上网比例a；

5、根据所述海上风电场发电量上网比例a计算上网功率pe、储氢系统电解槽总容量pec,sum、燃料电池总容量pfc,sum；

6、考虑尾流效应，计算每台风机在当前风机排布方案下的发电量pi,t，并生成每台风机出力曲线，其中i表示海上风电场中第i台风机的编号；

7、基于计算获得的数据，在选址定容一体化决策框架下，构建氢储系统优化规划模型；

8、求解构建的氢储系统优化规划模型，得到氢储系统经济性最优的选址定容方案。

9、进一步地，所述氢储系统包括海上风电系统、电解槽、储氢罐、海水淡化设备、燃料电池、以及海底电缆；所述海上风电系统用于将风能转化为电能，产生的电能将用于直接接入电网、输出给海水淡化设备、输出给电解槽；

10、所述电解槽用于通过电能将纯水转换为氢气；

11、所述储氢罐用于储存氢气；

12、所述海水淡化设备用于将海水淡化为纯水；

13、所述燃料电池用于将氢能转换为电能，产生的电能将用于直接接入电网；

14、所述海底电缆用于海上风电场各台风机的电能连接。

15、进一步地，所述氢储系统分为若干个子系统，每个子系统包括单台电解槽、储氢罐、海水淡化设备、燃料电池；

16、所述子系统位于某台风机的底座上；所述子系统的数量少于或等于风机的数量；所述子系统与若干台风机通过海底电缆连接；所述子系统储存的氢气根据运氢周期通过船舶运回陆地；所述子系统的储氢罐的容量根据电解槽在运氢周期内满负荷制氢确定；所述海水淡化设备的容量根据电解槽的容量确定；所述燃料电池容量根据电解槽确定。

17、进一步地，所述上网功率pe、储氢系统电解槽总容量pec,sum和燃料电池总容量pfc,sum的计算公式如下：

18、pe＝apn，ave

19、pec,sum＝max(pn,max-pe)b

20、pfc,sum＝max(pe-pn,min)c

21、其中，pn,max为典型日海上风电场出力最大值，pn,min为典型日海上风电场出力最小值，b为电解槽总容量裕量系数，c为燃料电池总容量裕量系数。

22、进一步地，所述氢储系统优化规划模型的优化函数的表达式为：

23、minf＝c1+c2-b1-b2

24、式中，c1为建设运行成本，c2为输电成本，b1为售电收益，b2为售氢收益；

25、建设运行成本的表达式为：

26、

27、

28、式中，j表示所述子系统的候选位置，数量为风机数量，j为候选点集合，j∈j；k表示子系统的电解槽种类，k∈k为碱性电解槽、质子交换膜电解槽、高温固体氧化物电解槽；pec,k为常用的设备容量；ccap,k为建设成本，不仅包括基础建设费用、设备资金成本，还包括相应的燃料电池、储氢罐、海水淡化设备、附属压缩机成本；rk为贴现率，yk为设备运行年限；cope,k为设备k的运行维护成本；xj,k表示决策变量，如果在候选点j处建立储氢子系统，取值为1，否则取值为0；

29、输电成本的表达式为：

30、

31、

32、式中，dij为风机i与候选点j之间的距离；hi为海底电缆单位距离成本；yij为决策变量，如果风机i的电输往候选点j，取值为1，否则取值为0；

33、售电收益的表达式为：

34、

35、式中，be为单位售电价格，μ1为输电线路传输损耗；t为规划周期内优化时段，通常为1小时；

36、售氢收益的表达式为：

37、

38、式中，d为运氢周期，vload,d为运氢周期的运氢量，bh为售氢价格，μ2为输氢过程损耗。

39、进一步地，所述氢储系统优化规划模型的约束条件包括：海上风电有功平衡约束、电解槽功率约束、燃料电池功率约束、效率约束和储氢罐的体积约束；

40、海上风电有功平衡约束定义为对任一候选点j有：

41、

42、式中，pi,t为风机i在t时刻发电量，pfc,j,t为候选点j的燃料电池在t时刻功率，pec,j,t为候选点j的电解槽在t时刻功率，pde,j,t为候选点j的海水淡化设备在t时刻功率；yi,j表示决策变量，如果风机i的电输往候选点j，取值为1，否则取值为0；xj,k表示决策变量，如果在候选点j处建立k类储氢子系统，取值为1，否则取值为0；i为海上风电场的风机台数；

43、电解槽功率约束定义如下：

44、

45、mj,tpec,min≤pec,t≤mj,tpec,max

46、式中，mj,t为候选点j的电解槽在时刻t启停变量(pw,t≥pe时为1，反之为0)，pec,k为电解槽常用容量，pec,k,min为电解槽最小出力，pec,max为电解槽最大出力；

47、燃料电池功率约束定义如下：

48、

49、ij,tpfc,min≤pfc,t≤ij,tpfe,max

50、式中，ij,t为候选点j的燃料电池在时刻t启停变量(pw,t<pe时为1，反之为0)，pec,k为燃料电池常用容量，pfc,min为燃料电池最小出力，pfc,max为燃料电池最大出力；

51、制氢约束，一台风机的电能只能输送到同一个制氢候选点；

52、

53、制氢约束，只有在选定的制氢站才能提供制氢；

54、yij-xj,k≤0

55、电解槽、燃料电池和海水淡化设备的效率约束定义如下：

56、pec,t＝ηecvec,t

57、pfc,t＝ηfcvfc,t

58、pde,t＝ηdemw,t

59、pec,t＝ηwhmw,t

60、式中，vec,t为时刻t电解槽氢气生成量，vfc,t为燃料电池耗氢量，mw,t为海上淡化设备制水量，ηec为电解槽制氢量转换系数，ηfc为燃料电池耗氢量转换系数，ηde为海上淡化设备制水量转换系数，ηwh为电解槽耗水量转换系数；

61、储氢罐的体积约束定义如下：

62、

63、0≤vhs,t≤vhs,max

64、式中，vhs,t为储氢罐内氢气体积，ηhs,s为储氢损失效率，ηhs,dis为调用氢气损失效率，vhs,max为储氢罐最大容积。

65、进一步地，所述求解构建的氢储系统优化规划模型，包括：

66、在求解规模小于预设规模时，采用迭代法或数学规划算法进行求解；在求解规模大于预设规模时，采用群体智能算法进行求解。

67、进一步地，所述上网功率pe为定值，或者为区间值，如[0.95pe,1.05pe]。

68、进一步地，所述氢储系统的子系统的候选位置为每台风机位置；所述氢储系统的电解槽电解水产生氢气的同时产生氧气，作为副产品出售增加收入。

69、本发明所采用的第二技术方案是：

70、一种海上风电场氢储系统选址定容装置，包括：

71、至少一个处理器；

72、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

73、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

74、本发明所采用的第三技术方案是：

75、一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

76、本发明与现有技术相比，有益效果在于：

77、(1)本发明基于发展阶段考虑海上风电场的输电和制氢比例，所提方法适用于具体地区海上风电场的近期和远期规划。

78、(2)本发明考虑尾流效应对各台风机出力的影响，并考虑氢储子系统中各类型制氢装置、燃料电池、储氢罐、海上淡化设备在海上环境的成本，尤其考虑了海底电缆的成本，所提方法对电氢能量的产储运系统进行整体优化，降低了整体成本。