一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法及系统

本发明涉及一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法及系统，属于综合能源系统。

背景技术：

1、园区综合能源系统作为终端能源自治系统，能够实现分布式能源的有效消纳和高效利用。其中，氢储能具有多能耦合、环境友好、联储联供等特点，是氢供应链中的关键环节，并适宜于参与园区级综合能源系统以进一步提升系统运行灵活性和能源运营商收益。然而，目前多能系统中的氢储能配置研究未考虑长时间尺度的电碳特性，忽略了中长期电碳价格机制对于典型场景的选择以及对氢储能配置结果的影响。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：园区综合能源系统中，在考虑中长时间尺度电碳价格的情况下，如何建立园区氢储能优化配置模型，以获得最优配置结果的同时优化电功率的最大净负荷值与总排放量。

2、本发明提供一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，获取园区系统内长时间尺度新能源出力及电/热负荷功率，设置场景聚类效果指标；

4、步骤s2，根据场景聚类效果指标对聚类场景天数进行优化，确定每个场景及每个场景所代表的天数；

5、步骤s3，针对聚类后的所有场景，基于中长期电碳价格对功率优化的影响，建立计及低碳经济的园区综合能源氢储能配置目标函数；

6、步骤s4，建立氢储能配置相应约束条件，包括功率平衡、电热储能运行约束、长时间尺度氢储能的多能耦合约束以及设备约束；

7、步骤s5，将阶梯碳价函数线性化，求解最优配置结果。

8、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在步骤s1中，场景聚类效果指标如下：

9、

10、式中，k为聚类效果指标，ns为每个场景所代表的天数，一个月有ns个场景，nds,d为场景s的天数序列，t为一天内的时间间隔序列，共有nt个时间间隔；分别为统一归算后的电负荷功率、热负荷功率和新能源出力功率，分别为典型场景电负荷功率、热负荷功率和新能源出力功率。

11、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在步骤s2中，根据计算所需精度设定典型场景总数，优化变量为每个场景所代表的天数，以及典型场景的电负荷功率、热负荷功率和新能源出力功率，聚类场景天数优化采用的目标函数为式(1)，其中，典型场景的电负荷功率、热负荷功率和新能源出力功率为相应天数功率曲线的聚类中心。

12、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，聚类场景天数进行优化过程中，采用蒙特卡洛寻优的方法对目标函数进行求解。

13、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在步骤s3中，以最小化考虑碳排放成本的年化投资运行成本为目标函数：

14、min ctotal＝cinv+cop-cres-fbenefit                   (2)

15、

16、式中，ctotal为园区的年化投资运行成本；cinv为系统用于各类储能设备的投资成本等年值；cop和cres分别为相应设备的运维成本；r分别为通货膨胀率,m为设备的使用年限；ξq、ξf、ξh、ξe和ξhs分别为电解槽、燃料电池、氢储能、蓄电池和储热罐的单位容量投资成本；qq、qf、qh为优化变量，分别表示电解槽、燃料电池和氢储能的容量，qes和qhes分别为园区所配置的蓄电池和储热罐的容量；

17、fbenfit＝fbenfitm                      (4)

18、fbenfit＝fsell-cbuy-ccarbon                   (5)

19、

20、

21、

22、

23、式中，fbenfit和fbenfit分别为年度、月度运营收益；m为月份总数12；fsell、cbuy和ccarbon分别为园区月度的售能收益、外部购能成本和碳排放交易成本；pel,e,s,t为电解槽耗电功率，fj为电解槽售氢比例；pload,s,t和hload,s,t分别为场景s在t时刻的电负荷和热负荷；εn、εe和εh分别为单位售氢价格、售电价格和热能价格；pin,s,t和gin,s,t分别为购入的电功率和天然气功率；pe,t和pg,t分别为单位电能和天然气的购买价格；a1为单位功率购电成本，maxpin,s,t表示所有场景中的最大净电负荷；为阶梯式单位碳价，aies为园区月度总碳排放量；χe和χg分别为单位电力消耗和天然气消耗的碳排放配额；ηel,e为电制氢效率。

24、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在步骤s4中，约束条件包括；

25、1)功率平衡约束：

26、

27、

28、gin,s,t＝ggt,s,t+ggb,s,t                        (12)

29、

30、式(10)-(13)分别为电、热、气、氢四种功率平衡约束，下标es、reg、gt、hfc、gb、hes、el、hs分别代表电储能、可再生能源发电、燃气轮机、氢燃料电池、燃气锅炉、热储能、电制氢、氢储能；上标ch、dis分别表示功率从外部流入设备内和从设备流向外部；p(·),s,t、h(·),s,t、g(·),s,t和为场景s在t时刻的电功率、热功率、天然气功率和氢气功率；

31、2)电热储能运行约束：

32、

33、式中，为电储能额定功率；和分别表示电储能充放电状态；ees,s,t表示储能在s场景t时刻剩余容量，和为充放电，socmin和socmax电储能荷电状态的上下限值；热储能约束与电储能类似，变量与参量对应关系为ees,s,t→ehes,s,t、qes→qhes，分别表示热储能的输出热功率、输入热功率、额定功率、输出状态位、输入状态位、剩余热容量、输入效率、输出效率、剩余热容量占比下限、剩余热容量占比上限、热储能容量；

34、3)长时间尺度氢储能的多能耦合约束：

35、

36、

37、式中，ηhfc,e和ηhfc,h分别为发电效率和余热利用效率；

38、

39、

40、

41、和ehs,s-1,0分别为场景s-1的最后一个时刻和初始时刻氢储能的剩余容量；

42、式中，ehs,0为每月开始时初始储氢容量，为初始储氢比例，ehs为氢储能容量，ehs,s,t为场景s下t时刻的储氢量，和分别为储氢和放氢的效率；δt为时间间隔；

43、

44、式中，和分别为输出输出状态变量，和分别为剩余容量比例的的上下限；

45、4)燃气轮机运行约束：

46、

47、式中，ηgt,e和ηgt,h分别为燃气轮机的产电和产热效率；和为燃气轮机输出电功率的上下限；和为燃气轮机的爬坡上下限；

48、5)燃气锅炉运行约束：

49、

50、式中，ηgb为燃气锅炉的产热效率；和分别为燃气锅炉的热功率上下限；和为燃气锅炉的爬坡上下限；

51、6)电解槽运行约束：

52、

53、式中，和为电解槽输入电功率的上下限，和为电解槽爬坡上下限；

54、7)燃料电池运行约束：

55、

56、式中，和分别为燃料电池输入氢气的上下限，和分别为燃料电池爬坡的上下限。

57、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在步骤s5中，阶梯碳价的表达式如下：

58、

59、式中，λ为碳交易基价，l为碳排放区间长度，α为单位区间碳排对应的价格增长率，n为区间数。

60、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，将阶梯碳价等价为：

61、

62、

63、式中，ay为引入变量；

64、将公式(2)改写为：

65、

66、下标表示决策变量，其中，配置决策变量包括qq、qf、qh，pel,e,s,t、pin,s,t、gin,s,t…为调度决策变量，包括pel,e,s,t、pin,s,t、gin,s,t、ehes,s,t、ees,s,t、pel,e,s,t、phfc,e,s,t、hhfc,h,s,t、ehs,0、ehs,s,t、ehs,s,t、ggt,s,t、pgt,s,t、hgt,s,t、ggb,s,t、hgb,s,t、aies、ay。

67、前述的一种园区综合能源系统氢储能优化配置方法，在在步骤s5中，式(27)的模型下层调用商业求解器cplex或gurobi进行求解；上层采用蒙特卡洛寻优算法进行求解，生成所配置电制氢、氢储能和燃料电池容量。

68、一种园区综合能源系统氢储能优化配置系统，包括以下模块：

69、场景聚类效果指标设置模块：获取园区系统内长时间尺度新能源出力及电/热负荷功率，设置场景聚类效果指标；

70、场景优化模块：根据场景聚类效果指标对聚类场景天数进行优化，确定每个场景及每个场景所代表的天数；

71、目标函数建立模块：针对聚类后的所有场景，基于中长期电碳价格对功率优化的影响，建立计及低碳经济的园区综合能源氢储能配置目标函数；

72、约束条件配置模块：建立氢储能配置相应约束条件，包括功率平衡、电热储能运行约束、长时间尺度氢储能的多能耦合约束以及设备约束；

73、求解模块：将阶梯碳价函数线性化，求解最优配置结果。

74、本发明达到的有益效果：本发明的方法，利用氢储能具有长时间能量转移的特性，以及电碳市场中均存在长时间尺度的价格机制，提出了一种月度的典型场景选取方法，相较于常用的典型场景生成方案，本发明考虑了聚类的时序性，解决了如何选择适应于氢储能配置的典型场景的问题；本发明通过建立的园区氢储能优化配置模型，在获得最优配置结果的同时优化电功率的最大净负荷值与总排放量，在保证系统经济性的同时实现了低碳运行，同时优化了园区系统的负荷曲线，延缓了配电装置的更换周期。