一种电-氢多能互补新能源基地系统及其日前调度方法与流程

本发明涉及一种电-氢多能互补新能源基地系统及其日前调度方法，属于氢能利用、新能源消纳。

背景技术：

1、许多地区具有丰富的风、光资源，新能源发展潜力巨大，但受限于当地电能需求量小、远距离输电困难、新能源整体开发不足等问题，导致新能源的利用程度偏低，大规模可再生能源基地在发展过程面临许多挑战。

2、目前，新能源的开发利用与电网调节能力关系紧密，由于现有的电网调节能力有限，导致弃风弃光现象频发，造成了能源的浪费。虽然柔性直流输电（柔直）工程能有效提升电网接入和调控能力，但其建设和维护成本高昂，限制了其大规模应用。当前新能源市场迫切需要技术创新和电网升级，需要开发更高效的储能解决方案和智能调控技术，以适应可再生能源的波动性和不确定性，确保电网的稳定运行和能源的高效利用。

3、氢能源作为一种新兴的清洁能源，具有以下三大优势：首先，它在转化为电能和热能的过程中只产生水，实现了零排放，对环境友好；其次，氢具有高能量密度，单位质量下释放的能量远超传统化石燃料，为长距离运输和重载应用提供了强大动力；最后，氢能源可通过可再生能源如水力、风力和太阳能进行电解水制取，具有可持续性，有助于构建绿色、低碳的能源体系。因此，应考虑利用特高压直流通道送出电力的同时，发挥氢能的储能和能源双重特性，实现新能源外送系统内部源网荷储一体化。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电-氢多能互补新能源基地系统及其日前调度方法，在新能源电力外送的基础上，通过氢能制备、存储、发电，拓展地区氢能及新能源应用场景，提升新能源富集区域的消纳能力，同时，通过优化不同的场景下系统运行调度策略，提高系统运行效率。

2、为达到上述目的/为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供一种电-氢多能互补新能源基地系统，包括：

4、新能源发电单元，用于利用新能源发电；

5、电力系统单元，用于将新能源发电单元或氢能发电单元输出的电能输送到电网负荷端；

6、电制氢单元，用于利用所述新能源发电单元输出的电能制作氢气；

7、氢能发电单元，用于存储所述电制氢单元产生的氢气，还用于利用氢气发电；

8、氢负荷单元，用于将所述电制氢单元产生的氢气输送到氢气负荷端。

9、结合第一方面，进一步的，所述新能源发电单元包括光伏电站和风电场，所述电力系统单元包括特高压输电和电力用户，所述氢能发电单元包括储氢罐、燃氢电站和燃料电池，所述电制氢单元包括电解水制氢装置，所述氢负荷单元包括煤化工厂、加氢站、氢燃料电池汽车。

10、结合第一方面，进一步的，所述电-氢多能互补新能源基地系统的系统能量管理策略包括:

11、新能源发电单元输出的电能优先通过电力系统单元的特高压输电输送给电力用户，超出电力用户需求范围的电能采用电制氢单元进行消纳；

12、电制氢单元产生的氢气优先存储到氢能发电单元的储氢罐中，超出储氢罐存储量的氢气输送到氢负荷单元；

13、当新能源发电单元输出的电能不能满足电力用户需求时，通过氢能发电单元将储氢罐中的氢能转化为电能，补偿发电缺额。

14、第二方面，本发明提供一种基于第一方面所述的电-氢多能互补新能源基地系统的日前调度方法，包括如下步骤：

15、获取电-氢多能互补新能源基地系统的工作数据；

16、以电-氢多能互补新能源基地系统经济最大化为目标，构建电-氢多能互补新能源基地系统的日前优化调度目标函数；

17、根据电-氢多能互补新能源基地系统的工作数据，利用日前优化调度目标函数进行优化处理，获取优化后的电-氢多能互补新能源基地系统调度方案。

18、结合第二方面，进一步的，所述电-氢多能互补新能源基地系统的日前优化调度目标函数的表达式如下：

19、；

20、其中，表示日前优化调度目标，表示功率外送盈利，表示氢负荷盈利，表示不满足外送功率需求的惩罚成本，表示电制氢单元运行成本，表示氢能发电单元运行；

21、所述功率外送盈利的表达式如下：

22、；

23、其中，t为预设时段，t为日前优化调度周期，表示新能源外送合约电价， 表示t时段的新能源发电单元的外送功率；

24、所述氢负荷盈利的表达式如下：

25、 ；

26、其中，表示氢气价格，表示t时段氢负荷单元消耗的氢气质量；

27、所述不满足外送功率需求的惩罚成本的表达式如下：

28、；

29、；

30、其中，表示电网分时电价，表示t时段电力系统单元所需传输功率需求与新能源发电单元的发电量的功率差额，表示t时段光伏电站发电功率，表示t时段风电场发电功率，表示t时段氢能发电单元中第i类设备的发电功率，当i=fc时，代表燃料电池，当i=turbine时，代表氢燃气轮机；

31、所述电制氢单元运行成本的表达式如下：

32、；

33、其中，co&m,el为电制氢单元中电解槽运维成本，为t时段电解水制氢功率，表示t时段电解槽处于生产/热待机状态，cstart,el为电制氢单元中电解槽启动成本，表示t时段电解槽处于启动过程，cshut,el为电制氢单元中电解槽关机成本，表示t时段电解槽处于关机过程，表示t时段电解槽处于空闲状态， ccel为电解槽投资成本，hoursel为电解槽最大使用时长；

34、所述氢能发电单元运行成本的表达式如下：

35、；

36、其中，表示氢能发电单元中第i类设备的运维成本，表示氢能发电单元中第i类设备的启动成本，表示氢能发电单元中第i类设备的关机成本，cci表示氢能发电单元中第i类设备的投资成本，hoursi表示氢能发电单元中第i类设备的最大使用时长，表示t时段氢能发电单元中第i类设备处于生产状态，表示t时段氢能发电单元中第i类设备处于空闲状态，表示t时段氢能发电单元中第i类设备处于启动过程，表示t时段氢能发电单元中第i类设备处于停机过程。

37、结合第二方面，进一步的，根据所述电-氢多能互补新能源基地系统的工作数据构建日前优化调度目标函数的约束条件，包括功率平衡约束、氢能平衡约束、功率幅值约束、设备启停约束、储氢约束。

38、结合第二方面，进一步的，所述功率平衡约束的表达式如下：

39、；

40、其中，表示新能源发电单元的向电网购电功率；

41、所述氢能平衡约束的表达式如下：

42、；

43、其中，表示t时段电制氢单元的产氢量，表示t时段氢能发电单元消耗的氢气质量；

44、所述功率幅值约束的表达式如下：

45、；

46、其中，pel,max为电解槽功率上限，pel,min为电解槽功率下限，为氢能发电单元中第i类设备的功率上限，为氢能发电单元中第i类设备的功率下限。

47、结合第二方面，进一步的，所述设备启停约束包括电制氢单元设备启停约束和氢能发电单元设备启停约束；

48、所述氢能发电单元设备启停约束的表达式如下：

49、；

50、；

51、其中，表示t时段氢能发电单元中第i类设备处于生产状态；

52、所述电制氢单元设备启停约束包括：

53、（1）总体约束，表达式如下：

54、；

55、；

56、其中，表示t时段电解槽处于冷待机状态；

57、（2）状态转化约束，表达式如下：

58、；

59、；

60、；

61、；

62、其中，表示t时段电解槽运行状态，代表生产/热待机状态，代表冷待机状态，表示t时段电解槽处于加热过程，表示t时段电解槽处于冷却过程；

63、（3）空闲状态和冷备用状态约束，表达式如下：

64、；

65、。

66、结合第二方面，进一步的，储氢罐的储氢状态的数学表达式为：

67、；

68、；

69、其中，loht为t时段储氢罐中氢气水平，psto,t、psto,t-1分别为t时段、t-1时段储氢罐压强，为储氢罐内所能存储的氢气质量上限，vsto为储氢罐体积，为不同单位之间的转换系数，r为理想气体常数，th2为储氢罐罐内气体温度，表示t时段氢能发电单元消耗的氢气质量，表示t时段氢能发电单元中第i类设备的用氢效率；

70、所述储氢约束的表达式如下：

71、；

72、其中，lohmin为储氢罐中氢气水平最小值，lohmax为储氢罐中氢气水平最大值。

73、结合第二方面，进一步的，所述优化后的电-氢多能互补新能源基地系统调度方案包括电制氢单元、氢能发电单元、氢负荷单元的最优启停序列，以及电-氢多能互补新能源基地系统内部设备的最优功率调度情况。

74、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

75、本发明提出了一种电-氢多能互补新能源基地系统及其日前调度方法，本发明系统通过电制氢单元和氢能发电单元进行电能与氢能之间的转换，通过氢负荷单元能够提高氢能利用效率，配合系统能量管理策略能够实现大规模新能源外送基地送端电氢输电协同利用，能够提高新能源特高压外送通道的系统灵活性和运行稳定性，实现长时间尺度上的资源灵活调节。

76、本发明对电制氢单元、氢能发电单元进行精细化建模，考虑电制氢单元设备多维物理特性和启停特性，考虑氢能发电单元多类型设备启停特性，以经济性最优为目标构建日前优化调度目标函数，在功率平衡约束、氢能平衡约束、功率幅值约束、设备启停约束、储氢约束下进行目标优化，获取电-氢多能互补新能源基地系统的调度方案，在保证新能源外送功率的前提下，指导电制氢单元、氢能发电单元高效运行，提升新能源富集区域的消纳能力，提高系统运行效率。