基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法

1.本发明涉及电气能源技术领域，尤其涉及一种基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法。


背景技术：

2.在传统化石燃料的日益短缺和能源利用效率有限的严峻挑战下，全世界各国都在积极寻求面向未来的能源解决方案，以充分利用现有资源，提高能源利用率。其中，综合能源系统(integrated energy system，ies)具有明显的优势，它将各种能源综合起来考虑，实现了多能源间的转换和互补，大大提高了能源利用率。此外，随着汽车工业技术的发展，可再生能源汽车(renewable energy vehicle，rev)近年来有了迅猛发展，市面上涌现出大量的新能源汽车，包括纯电动汽车(electric vehicle，ev)、混合动力电动汽车(plug-in hybrid electric vehicle，phev)、氢燃料电池汽车(fuel cell vehicle，fcv)等。在这样的背景下，交通领域和能源领域的耦合也变得更加紧密，而高速服务区作为高速交通网中重要的能源补给站，需要承担其各种能源的有效供应，其合理规划具有重要意义。
3.现有技术中，针对高速服务区的能源规划，仅涉及到充电站的规划方法，主要是针对高速公路的车流情况和充电需求特点，构建了高速公路充电站的规划模型，考虑了电动汽车的电量分布和行驶里程的影响，以高速公路中到充电站充电的电动汽车的数量期望值最大化为目标来进行充电站的站址选择，以充电站的服务成本和顾客的等待费用之和最小为目标来优化配置充电站的充电机台数。建立由分布式发电、储能装置、电动汽车充电装置以及常规负荷组成的电动汽车微电网，并与常规电网并网的高速公路服务区电动汽车直流微电网建设方案。上述现有技术的缺陷在于，对现有高速服务区建设主要关注其基础配套设施，而很少关注自身能源规划方面的问题；主要关注以充电桩建设为主，而忽略氢燃料电池汽车用能需求的问题；对于高速服务区的规划方法，还停留在基础设施建设的功能性规划上，包括对停车场、商店规模、以及应急设备等层面的规划，忽略了其作为关键能源供应节点所应起到的作用，虽然有的规划方法也考虑了充电桩的建设，但是仍然脱离整体用能特性与自身风光资源特点，难以对能源进行充分的利用。
4.因此，亟需一种方法可以从实际情况出发，综合考虑不同典型场景下的源、荷侧基本特征，统一考虑充电桩和加氢机的建设的高速服务区综合能源系统规划方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法，以解决现有技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
7.一种基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法，其特征在于，包括：
8.s1根据高速服务区的风光资源以及用户用能特性，建立高速服务区综合能源系统；
9.s2根据建立的高速服务区综合能源系统，基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换；
10.s3建立高速服务区综合能源系统基本模型；
11.s4建立高速服务区综合能源系统的能源供需平衡模型；
12.s5根据所述高速服务区综合能源系统基本模型和所述的能源供需平衡模型，以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，以高速服务区综合能源系统总成本最低为目标函数，对所述的高速服务区综合能源系统进行规划。
13.优选地，高速服务区综合能源系统包括：电能母线、冷能母线、热能母线、气能母线、氢能母线和交通母线，在能源供给侧，光伏和风电为高速服务区综合能源系统提供清洁能源，除了高速服务区自身所制备的氢能外，额外的氢能源需求从外部购入；在能源需求侧，高速服务区综合能源系统的负荷需求除了服务区本身的电、热、冷用能外，还包括驶入服务区的车辆用能需求，其中电动汽车充电需求和燃料电池汽车加氢需求分别由充电桩和加氢机作为接口实现；高速服务区综合能源系统内部的能量交互通过能量转换与储存设备实现。
14.优选地，基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换包括：
15.基于能源集线器的方法将高速服务区综合能源系统中各设备的输出功率矩阵转换为各设备的输入功率矩阵，并将燃气轮机产生的热功率进一步划分为可回收的热功率和浪费的热功率。
16.优选地，高速服务区综合能源系统基本模型包括储能模型和交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型。
17.优选地，储能模型如下式(1)-(6)所示：
18.对于
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]
其中，pss为电储能装置，tss为热储能装置、hss为氢储能装置，est，e
s,ini
，分别表示储能设备s在t时刻，t-1时刻，t＝1时刻，t＝t时刻的能量储备状态；p
schart,
，p
sdis,t
，分别表示储能系统s在单位时间内的充、放电功率和充、放电效率；表示储能系统s的初始soc，cs表示储能系统s的配置容量；分别表示储能系统s的最小充能比例系数，最大充能比例系数，最小放能比例系数，最大放能比例系数；σs为二元变量，用来确保储能系统在同一时刻只能实现充能或者放能；用来表示
p
schar,t
与p
sdis,t
的差。
[0026]
优选地，交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型如下式(7)-(15)所示：
[0027]
对于
[0028][0029]
ρ'＝λ
ev
e(8)
[0030][0031][0032][0033]
对于
[0034][0035][0036][0037][0038]
其中，ev即为电动汽车，λ
ev
表示电动汽车的平均到达率，μ
ev
表示服务区单位充电桩单位时间服务率，n
cpev
表示所配置充电桩数量或加氢桩的数量，ρ
ev
表示电动汽车的平均服务强度；v表示一般分布g的方差，e表示一般分布g的期望，wg表示一般分布g下的平均等待时间；ψ
ev
表示某一预期的电动汽车服务强度；表示充电桩的额定功率，表示单位时间内的电动汽车数量，表示单位电动汽车的需求功率；fcv即为燃料电池汽车，λ
fcv
表示燃料电池汽车的平均到达率，μ
fcv
表示服务区单位加氢机的单位时间服务率，n
cpfcv
表示所配置加氢机的数量，ρ
fcv
表示燃料电池汽车的平均服务强度；n
cpfcv
表示加氢机的个数，wm表示负指数分布m下的平均等待时间，ψ
fcv
表示某一预期的燃料电池汽车服务强度；表示加氢机的额定功率，表示单位时间内的燃料电池汽车数量，表示燃料电池汽车的需求功率。
[0039]
优选地，交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型应用m/g/k和m/m/k的排队论模型对电动汽车、燃料电池汽车的到达率及服务时间进行模拟。
[0040]
优选地，能源供需平衡模型包括如下的电平衡模型(16)、冷平衡模型(17)、热平衡模型(18)、气平衡模型(19)和氢平衡模型(20)-(23):
[0041]
电平衡：
[0042][0043]
冷平衡：
[0044][0045]
热平衡：
[0046][0047]
气平衡：
[0048][0049]
氢平衡：
[0050][0051][0052][0053][0054]
其中，分别表示燃气轮机的输出电功率，燃气轮机的输出热功率，燃气锅炉的输出热功率，地源热泵的输出热功率，吸收式制冷机的输出冷功率，电制冷机的输出冷功率，电转氢装置的输出氢功率，氢转气装置的输出气功率，燃料电池的输出电功率；和表示光伏和风电的输出功率；分别表示高速服务区基本电负荷、冷负荷和热负荷；和分别表示充电桩和加氢桩的功率；分别表示相对应的未供应负荷功率；表示电转氢装置输出至氢转气装置中的氢功率，表示输出至氢储能系统中的氢功率，表示氢储能系统输出至氢转气装置中的氢功率，表示外界购电功率，表示向外界卖电功率，表示外界购氢功率。
[0055]
优选地，以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，包括：
[0056]
对于外界购买的电、氢功率，设置其上下限约束，如下式(24)-(25)所示:
[0057][0058][0059]
其中，和分别表示购电功率和购氢功率的最大值，表示外界购电功率，表示外界购氢功率；
[0060]
一天当中购氢次数为约束如下式(26)-(27)所示：
[0061]
[0062][0063]
其中，为二元变量；
[0064]
对未供负荷的约束如下式(28):
[0065][0066]
其中，δ为未供比例系数矩阵，表示负荷需求矩阵；
[0067]
所述的目标函数如下式(29)所示：
[0068]ctotal
＝c
inv
+c
op
+c
un
(29)
[0069]
其中，c
total
为高速服务区综合能源系统规划的目标函数总成本，c
inv
为投资成本，c
op
为运行成本，c
un
为未供负荷成本，其中各部分组成如下式(30)-(33)表示：
[0070][0071][0072][0073][0074]
其中，m表示投建设备的总数，ci表示设备i的配置容量，ξi表示设备i的单位投建成本，ai表示设备i的等年值系数，ri表示年利率，yi表示设备i的使用寿命；d表示典型日的个数，θd表示典型日d下对应的天数，和分别表示购电和购氢价格；ζd表示未供负荷惩罚系数矩阵。
[0075]
优选地，高速服务区综合能源系统中的能量转换与储存设备包括燃气轮机、燃气锅炉、地源热泵、吸收式制冷机、电制冷机、电转氢装置、氢转气装置、燃料电池，以及电储能装置、热储能装置和氢储能装置。其中，设备运行的最小调度时刻为1h，调度周期t＝24h。
[0076]
由上述本发明的基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法提供的技术方案可以看出，本发明通过根据高速服务区的风光资源以及用户用能特性，建立高速服务区综合能源系统；根据建立的高速服务区综合能源系统，基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换；建立高速服务区综合能源系统基本模型；建立高速服务区综合能源系统的能源供需平衡模型；根据高速服务区综合能源系统基本模型和能源供需平衡模型，以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，以高速服务区综合能源系统总成本最低为目标函数，对高速服务区综合能源系统进行规划，本方法充分考虑电动汽车和燃料电池汽车的不同用能特性，充分利用现有风光资源，将微电网拓展为一个多能互补，相互转化的综合能源系统，统一考虑充电桩和加氢机的建设，根据实际数据，运用排队论理论对高速服务区电动汽车、燃料电池汽车驶入特性和用能进行建模，充分利用现有资源，大大提高了能源的利用率。
[0077]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0078]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0079]
图1为本发明实施例提供的一种基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法流程图；
[0080]
图2为本发明实施例提供的高速服务区综合能源系统示意图。
具体实施方式
[0081]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0082]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0083]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0084]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0085]
实施例
[0086]
本发明实施例提供了一种基于电氢耦合的高速服务区综合能源系统规划方法，该方法的流程如图1所示，包括如下的处理步骤：
[0087]
s1根据高速服务区的风光资源以及用户用能特性，建立高速服务区综合能源系统。
[0088]
图2为本实施例的高速服务区综合能源系统示意图，参照图2，该系统由六部分主要内容构成，包括：电能母线、冷能母线、热能母线、气能母线、氢能母线和交通母线，在能源供给侧，光伏(photovoltaic，pv)和风电(wind power，wp)为高速服务区综合能源系统提供清洁能源，从而减少对外界电网的需求。与此同时，除了高速服务区自身所制备的氢能外，额外的氢能源需求从外部购入，具体从外界氢能市场购入，并通过高速公路运输至服务区；在能源需求侧，高速服务区综合能源系统的负荷需求除了服务区本身的电、热、冷用能外，还包括驶入服务区的车辆用能需求，其中电动汽车充电需求和燃料电池汽车加氢需求分别由充电桩和加氢机作为接口实现；高速服务区综合能源系统内部的能量交互通过能量转换
与储存设备实现。
[0089]
高速服务区综合能源系统中的能量转换与储存设备包括燃气轮机(gas turbine，gt)、燃气锅炉(gas boiler，gb)、地源热泵(heat pump，hp)、吸收式制冷机(absorbed chiller，ac)、电制冷机(electric chiller，ec)、电转氢装置(power-to-hydrogen，p2h)、氢转气装置(hydrogen-to-gas，h2g)、燃料电池(fuel cell，fc)，以及相应的储能装置电储能(power storage system，pss)、热储能(thermal storage system，tss)、氢储能(hydrogen storage system，hss)。其中，设备运行的最小调度时刻为1h，调度周期t＝24h，
[0090]
s2根据建立的高速服务区综合能源系统，基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换。
[0091]
基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换包括：
[0092]
基于能源集线器的方法将高速服务区综合能源系统中各设备的输出功率矩阵转换为各设备的输入功率矩阵如下式(1)所示：
[0093][0094]
其中，p
t
是各设备的输出功率矩阵，c是各设备的能效转换系数对角矩阵，是各设备的输入功率矩阵，设备的输入功率矩阵，分别表示燃气轮机的输出电功率，燃气轮机的输出热功率，燃气锅炉的输出热功率，地源热泵的输出热功率，吸收式制冷机的输出冷功率，电制冷机的输出冷功率，电转氢装置的输出氢功率，氢转气装置的输出气功率，燃料电池的输出电功率；η
gt
，η
αgt
，η
gb
，η
hp
，η
ac
，η
ec
，η
p2h
，η
h2g
，η
fc
分别表示燃气轮机的电转化效率，燃气轮机的热转化效率，燃气锅炉的热转化效率，地源热泵的热转化效率，吸收式制冷机的冷转化效率，电制冷机的冷转化效率，电转氢装置的氢转化效率，氢转气装置的气转化效率，燃料电池的电转化效率；分别表示燃气轮机的输入气功率，燃气锅炉的输入气功率，地源热泵的输入电功率，吸收式制冷机的输入热功率，电制冷机的输入电功率，电转氢装置的输入电功率，氢转气装置的输入氢功率，燃料电池的输入氢功率。
[0095]
对于燃气轮机所产生的热功率，根据下式(2)和(3)将燃气轮机产生的热功率进一步划分为可回收的热功率和浪费的热功率
[0096][0097][0098]
其中，η
βgt
为热功率最大浪费占比。
[0099]
s3建立高速服务区综合能源系统基本模型。
[0100]
高速服务区综合能源系统基本模型包括储能模型和交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型，具体如下：
[0101]
储能模型如下式(4)-(9)所示：
[0102]
对于
[0103][0104][0105][0106][0107][0108][0109]
其中，分别表示储能设备s在t时刻，t-1时刻，t＝1时刻，t＝t时刻的能量储备状态；p
schar,t
，p
sdis,t
，分别表示储能系统s在单位时间内的充、放电功率和充、放电效率；表示储能系统s的初始soc，cs表示储能系统s的配置容量；分别表示储能系统s的最小充能比例系数，最大充能比例系数，最小放能比例系数，最大放能比例系数；σs为二元变量，用来确保储能系统在同一时刻只能实现充能或者放能；用来表示p
schar,t
与p
sdis,t
的差。
[0110]
交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型如下式(10)-(18)所示：
[0111]
对于
[0112][0113]
ρ'＝λ
ev
e(11)
[0114][0115][0116][0117]
对于
[0118][0119]
[0120][0121][0122]
其中，ev即为电动汽车，λ
ev
表示电动汽车的平均到达率，μ
ev
表示服务区单位充电桩单位时间服务率，n
cpev
表示所配置充电桩数量或加氢桩的数量，ρ
ev
表示电动汽车的平均服务强度；v表示一般分布g的方差，e表示一般分布g的期望，wg表示一般分布g下的平均等待时间；ψ
ev
表示某一预期的电动汽车服务强度；表示充电桩的额定功率，表示单位时间内的电动汽车数量，表示单位电动汽车的需求功率；fcv即为燃料电池汽车，λ
fcv
表示燃料电池汽车的平均到达率，μ
fcv
表示服务区单位加氢机的单位时间服务率，n
cpfcv
表示所配置加氢机的数量，ρ
fcv
表示燃料电池汽车的平均服务强度；n
cpfcv
表示加氢机的个数，wm表示负指数分布m下的平均等待时间，ψ
fcv
表示某一预期的燃料电池汽车服务强度；表示加氢机的额定功率，表示单位时间内的燃料电池汽车数量，表示燃料电池汽车的需求功率。
[0123]
交通流接口中涉及到的电动汽车的充电桩和燃料电池汽车的加氢桩的模型应用m/g/k和m/m/k的排队论模型对电动汽车、燃料电池汽车的到达率及服务时间进行模拟。
[0124]
s4建立高速服务区综合能源系统的能源供需平衡模型。
[0125]
能源供需平衡模型包括如下的电平衡模型(19)、冷平衡模型(20)、热平衡模型(21)、气平衡模型(22)和氢平衡模型(23)-(26):
[0126]
电平衡：
[0127][0128]
冷平衡：
[0129][0130]
热平衡：
[0131][0132]
气平衡：
[0133][0134]
氢平衡：
[0135][0136][0137][0138][0139]
其中，和表示光伏和风电的输出功率；分别表示高速服务区基本电负荷、冷负荷和热负荷，和分别表示充电桩和加氢桩的功
率，分别表示相对应的未供应负荷功率；表示电转氢装置输出至氢转气装置中的氢功率，表示输出至氢储能系统中的氢功率，表示氢储能系统输出至氢转气装置中的氢功率，表示外界购电功率，表示向外界卖电功率，表示外界购氢功率。
[0140]
s5根据速服务区综合能源系统基本模型和能源供需平衡模型，以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，以高速服务区综合能源系统总成本最低为目标函数，对高速服务区综合能源系统进行规划。
[0141]
以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，包括：
[0142]
对于外界购买的电、氢功率，设置其上下限约束，如下式(27)-(28)所示：
[0143][0144][0145]
其中，和分别表示购电功率和购氢功率的最大值。
[0146]
不同于电力购买的实时性，购氢以从外界运输的方式实现，所以需要对其设置一天当中购氢次数为约束如下式(29)-(30)所示：
[0147][0148][0149]
其中,为二元变量。
[0150]
对未供负荷的约束如下式(31):
[0151][0152]
其中，δ为未供比例系数矩阵，表示负荷需求矩阵。
[0153]
目标函数如下式(32)所示：
[0154]ctotal
＝c
inv
+c
op
+c
un
(32)
[0155]
其中，c
total
为高速服务区综合能源系统规划的目标函数总成本，c
inv
为投资成本，c
op
为运行成本，c
un
为未供负荷成本，其中各部分组成如下式(30)-(33)表示：
[0156][0157][0158][0159]
[0160]
其中，m表示投建设备的总数，ci表示设备i的配置容量，ξi表示设备i的单位投建成本，ai表示设备i的等年值系数，ri表示年利率，yi表示设备i的使用寿命；d表示典型日的个数，θd表示典型日d下对应的天数，和分别表示购电和购氢价格；ζd表示未供负荷惩罚系数矩阵。
[0161]
本领域技术人员应能理解上述输入框的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的输入框应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
[0162]
本领域技术人员应能理解，图2仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
[0163]
本领域技术人员应能理解，上述所举的实施例仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。根据不同服务区的风光资源以及用户用能特性，可以设置不同的综合能源架构去完成规划，因此使用不同的元件，采用本方法均包含在本发明实施例的范围内。
[0164]
综上所述，本发明实施例通过根据高速服务区的风光资源以及用户用能特性，建立高速服务区综合能源系统；根据建立的高速服务区综合能源系统，基于能源集线器的方法，对系统中各设备进行能源转换；建立高速服务区综合能源系统基本模型；建立高速服务区综合能源系统的能源供需平衡模型；根据高速服务区综合能源系统基本模型和能源供需平衡模型，以高速服务区综合能源系统的电功率、氢功率以及未供负荷内容为约束，以高速服务区综合能源系统总成本最低为目标函数，对所述的高速服务区综合能源系统进行规划，本方法充分考虑电动汽车和燃料电池汽车的不同用能特性，充分利用现有风光资源，将微电网拓展为一个多能互补，相互转化的综合能源系统，统一考虑充电桩和加氢机的建设，根据实际数据，运用排队论理论对高速服务区电动汽车、燃料电池汽车驶入特性和用能进行建模，充分利用现有资源，能源自给率高达到88.1％，大大提高了能源的利用效率。
[0165]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0166]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。