一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统。该方法包括：根据电转气参数和电流密度确定电解室的输出电压，根据电解室的输出电压和电流密度确定功率消耗量，根据功率消耗量确定制氢流量；根据电解室的输出电压、功率消耗量、制氢流量和电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件；根据电转气运行约束条件建立日前调度模型，求解日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据电转气系统的耗电功率进行日前调度。采用本发明的方法及系统，考虑了电解水环节的运行特性，提高了电力系统运行灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统灵活性调度技术领域，特别是涉及一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统。

背景技术

随着可再生能源发电的比例大幅增加，系统运行所经受的波动性和不确定性随之增加，系统净负荷曲线较实际负荷曲线更加陡峭，出现了“鸭型曲线”。高比例可再生能源接入电力系统造成的两个后果是：1)对在线发电机组爬坡的要求提高；2)系统出现爬坡能力短缺局面。

为解决系统爬坡能力短缺问题，美国加州独立系统运营商提出了灵活调节服务以提高调度灵活性。目前已有对风电、储能和电动汽车等资源提供灵活调节服务能力的分析。

近年来，电转气技术由于虚拟存储的作用获得了广泛的普及。在负荷低谷时段可电转气技术通过电解水环节将多余的可再生能源转化为可存储的氢气，在高峰时段通过燃气轮机发电重新利用。电转气与燃气轮机的协调将为未来智能电网中系统运行灵活性做出重要贡献。然而，目前对电转气的经济技术分析仅仅粗略地认为电转气运行效率为常数，忽略了电解水环节的运行特性，电力系统运行灵活性有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统，考虑了电解水环节的运行特性，提高了电力系统运行灵活性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种日前调度方法，包括：

获取电转气参数和电流密度；

根据所述电转气参数和所述电流密度确定电解室的输出电压；

根据所述电解室的输出电压和所述电流密度确定功率消耗量；

根据所述功率消耗量确定制氢流量；

根据所述电解室的输出电压、所述功率消耗量、所述制氢流量和所述电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件；

根据所述电转气运行约束条件建立日前调度模型；

求解所述日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据所述电转气系统的耗电功率进行日前调度。

可选的，所述根据所述电转气参数和所述电流密度确定电解室的输出电压，具体包括：

根据如下公式确定电解室的输出电压：

V

其中，

η

式中，V

可选的，所述根据所述电解室的输出电压和所述电流密度确定功率消耗量，具体包括：

根据如下公式确定功率消耗量：

其中，

V

I

式中，

可选的，所述根据所述功率消耗量确定制氢流量，具体包括：

根据如下公式确定制氢流量：

式中，

可选的，所述根据所述电转气运行约束条件建立日前调度模型，具体包括：

根据如下公式确定目标函数：

式中，t表示时刻，N

确定约束条件；所述约束条件，具体包括：系统灵活爬坡需求约束、可用爬坡能力约束、爬坡能力约束、系统平衡约束、机组组合约束、潮流约束、风电出力约束、电转气运行约束、燃气轮机运行约束和天然气市场合约约束。

本发明还提供一种日前调度系统，包括：

参数获取模块，用于获取电转气参数和电流密度；

电解室的输出电压确定模块，用于根据所述电转气参数和所述电流密度确定电解室的输出电压；

功率消耗量确定模块，用于根据所述电解室的输出电压和所述电流密度确定功率消耗量；

制氢流量确定模块，用于根据所述功率消耗量确定制氢流量；

电转气运行约束条件确定模块，用于根据所述电解室的输出电压、所述功率消耗量、所述制氢流量和所述电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件；

日前调度模型建立模块，根据所述电转气运行约束条件建立日前调度模型；

日前调度模块，用于求解所述日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据所述电转气系统的耗电功率进行日前调度。

可选的，所述电解室的输出电压确定模块，具体包括：

电解室的输出电压确定单元，用于根据如下公式确定电解室的输出电压：

V

其中，

η

式中，V

可选的，所述功率消耗量确定模块，具体包括：

功率消耗量确定单元，用于根据如下公式确定功率消耗量：

其中，

V

I

式中，

可选的，所述制氢流量确定模块，具体包括：

制氢流量确定单元，用于根据如下公式确定制氢流量：

式中，

可选的，所述日前调度模型建立模块，具体包括：

目标函数确定单元，用于根据如下公式确定目标函数：

式中，t表示时刻，N

约束条件确定单元，用于确定约束条件；所述约束条件，具体包括：系统灵活爬坡需求约束、可用爬坡能力约束、爬坡能力约束、系统平衡约束、机组组合约束、潮流约束、风电出力约束、电转气运行约束、燃气轮机运行约束和天然气市场合约约束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统，根据电转气参数和电流密度确定电解室的输出电压，根据电解室的输出电压和电流密度确定功率消耗量，根据功率消耗量确定制氢流量；根据电解室的输出电压、功率消耗量、制氢流量和电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件；根据电转气运行约束条件建立日前调度模型，求解日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据电转气系统的耗电功率进行日前调度。本发明考虑了电解水环节的运行特性，提高了电力系统运行灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法流程图；

图2为本发明实施例中基于电转气提供灵活调节服务的日前调度系统结构图；

图3为本发明实施例中流程示意图；

图4为本发明实施例中算例3-5中风电出力情况对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法及系统，考虑了电解水环节的运行特性，提高了电力系统运行灵活性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法流程图，如图1所示，一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度方法，包括：

步骤101：获取电转气参数和电流密度。

步骤102：根据电转气参数和电流密度确定电解室的输出电压。

电解水环节由多个电解槽并联形成，其中每个电解槽又由一系列电解室串联而成。通过控制电解槽的启停可调节产氢量。

步骤102，具体包括：

根据如下公式确定电解室的输出电压：

V

其中，

η

式中，V

步骤103：根据电解室的输出电压和电流密度确定功率消耗量。

步骤103，具体包括：

根据如下公式确定功率消耗量：

其中，

V

I

式中，

步骤104：根据功率消耗量确定制氢流量。

电解水环节效率与功率消耗之间的关系为：

对电解水环节效率变化曲线进行分段线性化，变量P

步骤104，具体包括：

根据如下公式确定制氢流量：

式中，

步骤105：根据电解室的输出电压、功率消耗量、制氢流量和电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件。

灵活调节服务旨在为系统预留足够的爬坡能力，以同时满足净负荷的波动性和不确定性。灵活调节服务的重要指标即为灵活爬坡需求。灵活爬坡需求由两部分组成：一是系统下一个时段的净负荷相较当前时段的变化量，二是为了满足系统净负荷预测一定置信区间(如95％)内的偏差而额外产生的灵活爬坡需求量。其计算公式为：

式中，

根据电转气运行约束条件和前一个公式的系统灵活爬坡需求建立由目标函数和约束条件组成的考虑电转气提供灵活调节服务的日前调度模型。

步骤106：根据电转气运行约束条件建立日前调度模型。

步骤106，具体包括：

根据如下公式确定目标函数：

式中，t表示时刻，N

确定约束条件；约束条件，具体包括：系统灵活爬坡需求约束、可用爬坡能力约束、爬坡能力约束、系统平衡约束、机组组合约束、潮流约束、风电出力约束、电转气运行约束、燃气轮机运行约束和天然气市场合约约束。

其中，

1)系统灵活爬坡需求约束

式中，

2)可用爬坡能力约束

式中，u

3)爬坡能力约束

式中，UR

4)系统平衡约束

式中，

5)机组组合约束

式中，u

6)潮流约束

式中，

7)风电出力约束

式中，

8)电转气运行约束

i

式中，i

给定i

9)燃气轮机运行约束

式中，

10)天然气市场合约

燃气轮机的天然气消耗由天然气市场合约和电转气系统生产的氢气共同提供。在本发明中考虑了日前合约，并且应按以下方式限制总气体消耗：

式中，

步骤107：求解日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据电转气系统的耗电功率进行日前调度。

通过yalmip求解器求解后，可获得包含电转气

图2为本发明实施例中基于电转气提供灵活调节服务的日前调度系统结构图。如图2所示，一种基于电转气提供灵活调节服务的日前调度系统，包括：

参数获取模块201，用于获取电转气参数和电流密度。

电解室的输出电压确定模块202，用于根据电转气参数和电流密度确定电解室的输出电压。

电解室的输出电压确定模块202，具体包括：

电解室的输出电压确定单元，用于根据如下公式确定电解室的输出电压：

V

其中，

η

式中，V

功率消耗量确定模块203，用于根据电解室的输出电压和电流密度确定功率消耗量。

功率消耗量确定模块203，具体包括：

功率消耗量确定单元，用于根据如下公式确定功率消耗量：

其中，

V

I

式中，

制氢流量确定模块204，用于根据功率消耗量确定制氢流量。

制氢流量确定模块204，具体包括：

制氢流量确定单元，用于根据如下公式确定制氢流量：

式中，

电转气运行约束条件确定模块205，用于根据电解室的输出电压、功率消耗量、制氢流量和电流密度的调节范围确定电转气运行约束条件。

日前调度模型建立模块206，根据电转气运行约束条件建立日前调度模型。

日前调度模型建立模块206，具体包括：

目标函数确定单元，用于根据如下公式确定目标函数：

式中，t表示时刻，N

约束条件确定单元，用于确定约束条件；约束条件，具体包括：系统灵活爬坡需求约束、可用爬坡能力约束、爬坡能力约束、系统平衡约束、机组组合约束、潮流约束、风电出力约束、电转气运行约束、燃气轮机运行约束和天然气市场合约约束。

日前调度模块207，用于求解日前调度模型，得到电转气系统的耗电功率，并根据电转气系统的耗电功率进行日前调度。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明首次提出将电转气作为灵活调节服务的提供者。在随机机组组合模型中量化了电转气对系统运行灵活性的提升。本发明根据质子交换膜的特性，模拟了耗电量与产氢量的非线性关系，进而提出一种非线性方法，将非线性效率转换为分段线性形式。在高比例新能源接入电力系统的形势下，为应对系统的波动性和不确定性，本发明能够为电转气参与灵活调节服务提供理论指导。

下面结合一个实例，对具体实施方式作详细说明。

图3为本发明的流程示意图。在一个13机系统下进行验证，该系统包含10台火电机组、1台风电机组、1台燃气轮机和1个P2G系统。未能满足系统灵活爬坡需求而导致的机会成本为247美元/兆瓦时。风电出力和日负荷预测的误差为10％。调度周期为24小时，间隔为1小时。

1)基础算例结果

考虑电转气和燃气轮机参与提供灵活调节服务的日前发电计划时风电消纳率为96.3％。当电力系统中只有火电机组时，由于爬坡速率限制，难以满足系统的灵活调节服务需求。而电转气与燃气轮机的快速启停，可以满足大部分的灵活爬坡需求，增强系统的灵活性。

2)电转气精细化建模前后对比

为对比电转气非线性效率变化对电转气产氢量的影响，设置了两种算例：

算例1：忽略电转气效率变化的电转气模型

算例2：考虑电转气效率变化的电转气模型

在算例1中，电转气效率视为常数，并假定为电解槽额定效率下对应的转换效率，单个电解槽的产氢偏差最大达到94Nm

3)电转气/燃气轮机和灵活调节服务对系统灵活性的影响

为对比电转气、燃气轮机和灵活调节服务对系统运行的影响，设置了三个算例：

算例3：不考虑电转气和燃气轮机参与日前机组组合，且模型中不考虑灵活调节服务。

算例4：仅考虑灵活调节服务，不考虑电转气和燃气轮机参与提供灵活调节服务。

算例5：既考虑电转气和燃气轮机的参与，又考虑灵活调节服务。

通过仿真验证结果，算例3中风电消纳率仅为66.5％。算例4引入灵活调节服务后风电消纳率提高到80.7％。算例5中燃气轮机可在负荷高峰时段为系统预留充足的向上灵活爬坡能力，电转气设备可在夜间风电高发时期为系统预留充足的向下爬坡能力，风电消纳应用中率达到96.3％，系统的灵活性大大增强。所得结果情况如图4所示，图4的wind表示风电出力。

根据理论推导的公式和仿真结果可以得到结论如下：1)电转气精细化模型表明：电转气运行的效率随输入功率的增加而降低，忽略其效率变化会在实际应用中引起较大的偏差。2)电转气和燃气轮机参与提供灵活调节服务可以为系统提供充足的灵活爬坡能力，提供系统灵活性并促进可再生能源消纳。

本发明所提的实施步骤中的目标函数可根据实际调度成本进行灵活选择和定制，约束条件可以根据实际需求进行添加和删减，可扩展性强；因此，以上实施步骤仅用以说明而非限制本发明的技术方法，不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖本发明的权利要求范围当中。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。