一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法

摘要

本发明提供了一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，包括：针对考虑氢能的综合能源系统，包括电力系统、天然气系统和氢储能系统，以设备运行约束、电力网络约束、子系统间的耦合约束为运行约束条件，以最小化运行成本为目标函数，建立所述综合能源系统的运行优化模型；向所述运行优化模型输入综合能源系统的运行参数，求解所述运行优化模型得到综合能源系统的优化运行方案；其中，所述综合能源系统的运行参数包括系统结构参数、负荷参数、设备运行参数、能量传输损耗参数、环境成本参数和出售氢气的收益参数。本发明充分考虑了电力系统、天然气系统和氢储能系统间的能量耦合约束，优化模型更加全面合理，得到的优化运行方案更加符合实际。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统技术领域，尤其是涉及一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法。

背景技术

传统能源系统存在能源形势比较单一，能源利用率不高的缺点。综合能源系统能够综合利用电、热冷、气等多种能源，综合能源系统以其较高的能源利用效率成为了近些年能源领域发展的重点。但是综合能源系统的环保程度仍有提升空间，考虑氢能参与的综合能源系统成为了进一步提升其环保效能的关键技术之一。

氢能是近几年乃至未来新能源发展的重要方向之一。氢能以其能源利用率高、低碳环保的优势，得到能源领域的高度关注，也是实现碳中和目标的技术手段之一。但是氢能存在难以大规模储存和长距离运输的缺点。然而天然气系统能够大规模运输和存储，但是其能量转换效率只有45％～65％。因此，利用综合能源系统有效协调各类能源及多能互补的特点，可以有效提高各类能源的利用效率，实现系统的经济高效运行。

现有综合能源系统运行优化方法大多数只考虑电力系统、天然气系统等参与运行场景，未考虑氢能系统参与运行场景，未充分考虑综合能源系统运行成本，未考虑氢能与二氧化碳催化反映制备甲烷以减少温室气体带来的环境效益，未考虑将氢气以较高价格供应给氢氧燃料电池以及氢能汽车带来的经济效益，未充分考虑多种能源子系统间的能量转换关系，可能导致得到的综合能源系统运行方案在实际应用过程中达不到预期效果、甚至不具有可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，以解决相关技术中未考虑氢能系统参与运行、综合能源系统的运行方案与实际应用不符的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，包括：

针对考虑氢能的综合能源系统，所述综合能源系统包括电力系统、天然气系统和氢储能系统，以设备运行约束、电力网络约束、子系统间的耦合约束为运行约束条件，以最小化运行成本为目标函数，建立所述综合能源系统的运行优化模型；

向所述运行优化模型输入综合能源系统的运行参数，求解所述运行优化模型得到综合能源系统的优化运行方案；其中，所述综合能源系统的运行参数包括系统结构参数、负荷参数、设备运行参数、能量传输损耗参数、环境成本参数和出售氢气的收益参数。

进一步地，所述目标函数为：

z＝min(f

其中，z为综合能源系统的运行成本；f

进一步地，

其中，T为总时间段数，N

c

c

进一步地，

其中，c

c

c

进一步地，

其中，c

进一步地，

其中，

进一步地，

其中，

进一步地，

其中，f

进一步地，所述设备运行约束包括：火电机组、燃气轮机、燃料电池、电解槽、储电设备、储氢设备及储气设备的运行约束。

进一步地，所述子系统间的耦合约束包括天然气系统与氢储能系统间的耦合约束、天然气系统与电力系统间的耦合约束、氢储能系统与电力系统间的耦合约束；

其中，天然气系统与氢储能系统间的耦合约束为：

式中，

本发明提供的一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，包括：针对考虑氢能的综合能源系统，所述综合能源系统包括电力系统、天然气系统和氢储能系统，以设备运行约束、电力网络约束、子系统间的耦合约束为运行约束条件，以最小化运行成本为目标函数，建立所述综合能源系统的运行优化模型；

向所述运行优化模型输入综合能源系统的运行参数，求解所述运行优化模型得到综合能源系统的优化运行方案；其中，所述综合能源系统的运行参数包括系统结构参数、负荷参数、设备运行参数、能量传输损耗参数、环境成本参数和出售氢气的收益参数。

本发明的技术方案可以达到如下有益效果：

(1)本发明提出的考虑氢能的综合能源系统结构中，包含了氢能系统与电力系统、天然气系统之间的多种能量转换过程，考虑了氢能汽车、电动汽车等新能源负荷在综合能源系统中的环境效益与经济效益；

(2)本发明提出的考虑氢能的综合能源系统运行优化模型中，充分考虑了氢能系统与电力系统、氢能系统与天然气系统、电力系统与天然气系统之间的能量耦合约束，优化模型更加全面合理；

(3)本发明提出的考虑氢能的综合能源系统运行优化模型中，详细描述了系统中各类设备的运行成本、子系统间的能量转换(电制氢过程、甲烷合成过程)成本、环境成本、能量传输损耗成本以及出售氢能带来收益的关系表达式，得到的综合能源优化运行方案更加符合实际。

附图说明

图1为本发明一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法的方法流程图；

图2为本发明一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法的综合能源系统构成图；

图3为本发明实施例一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，以解决相关技术中未考虑氢能系统参与运行、综合能源系统的运行方案与实际应用不符的技术问题。

便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，以下为本发明一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法的实施例，包括：

针对考虑氢能的综合能源系统，所述综合能源系统包括电力系统、天然气系统和氢储能系统，以设备运行约束、电力网络约束、子系统间的耦合约束为运行约束条件，以最小化运行成本为目标函数，建立所述综合能源系统的运行优化模型；

向所述运行优化模型输入综合能源系统的运行参数，求解所述运行优化模型得到综合能源系统的优化运行方案；其中，所述综合能源系统的运行参数包括系统结构参数、负荷参数、设备运行参数、能量传输损耗参数、环境成本参数和出售氢气的收益参数。

请参阅图2，本发明实施例中考虑氢能的综合能源系统，包括电力系统、天然气系统、氢储能系统(即氢气系统)这三个子系统。其中，电力系统中发电设备主要为传统火力发电机组、燃气轮机等，用于满足综合能源系统内的电负荷需求；电力系统主要负荷包括用电负荷、储能设备、电动汽车等。天然气系统主要由天然气网络构成，可直接为燃气负荷提供燃气，也可作为燃气轮机的燃气输入；电力系统中的传统火电机组、燃气机组等运行产生的部分二氧化碳可与氢气通过催化反应合成甲烷气体，输入天然气系统。氢气系统主要为储氢设备，可直接为氢能汽车等氢能负荷提供氢气，也可直接作为氢氧燃料电池的输入；电力系统中电解槽通过电解水生成氢气，输入氢气系统。

本实施例提供的一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，建立了考虑氢能的的综合能源系统的运行优化模型，该模型的目标函数为最小化综合能源系统运行成本，主要包括设备运行成本(传统火电机组、燃气轮机、燃料电池、电储能、储氢设备、储气设备)、能量转换成本(电制氢过程、甲烷合成过程)、环境成本、传输损耗成本(储电设备的电传输损耗、储氢设备及储气设备的气传输损耗)以及向氢氧燃料电池与氢能汽车出售氢气带来的收益。

具体的，运行优化模型的目标函数如公式(1)至(4)所示：

z＝min(f

其中，z为综合能源系统的运行成本；f

式中，

(1)综合能源系统的设备运行成本

对于传统火力发电机组，考虑其运行成本，对应的表达式如公式(5)所示：

式中，T为总时间段数；N

值得说明的是，严格来说，本实施例中的t应该是时段，本实施例中的t时刻指对应时段的开始时刻，考虑到一般时段间隔比较短，认为在此时段内发电机出力不变，用t时刻代指对应时段，符合一般描述习惯：XX火电机组在XX时刻出力。

对于燃气轮机，其运行成本与其有功功率、发电效率有关，对应的表达式如公式(6)所示：

式中，c

对于燃料电池，其运行成本与其有功功率、发电效率有关，对应的表达式如公式(7)所示：

式中，c

对于储电设备，其运行成本可根据其荷电状态、充放电状态、充放电功率、端电压、容量得出，对应的表达式如公式(8)所示：

式中，c

对于储气设备，考虑上一时刻储气量，当前时刻天然气(甲烷)合成量以及燃气轮机的天然气消耗量，得出其运行成本表达式如公式(9)所示：

式中，c

对于储氢设备，考虑上一时刻储氢量，当前时刻电解槽中电制氢量以及燃料电池的氢气消耗量，得出其运行成本表达式如公式(10)所示：

式中，c

(2)综合能源系统的能量转换成本

考虑到未来氢能在综合能源系统中占逐渐增大，电制氢过程中的成本不能忽视。电制氢过程的成本主要由电解槽产生，电制氢成本的表达式如公式(11)所示：

式中，c

为减少综合能源系统自身碳排放，利用氢气及二氧化碳催化反应合成甲烷。甲烷合成成本主要与甲烷合成设备运行有关，甲烷合成成本如公式(12)所示：

式中，λ

(3)综合能源系统的环境成本

综合能源系统的主要目标之一是减少碳排放，提高绿色能源的利用率，因此，综合能源系统的环境成本是有必要进行考虑的。本实施例提供的运行优化模型中，综合能源系统的主要碳排放来源于传统火力发电机组、燃气轮机，甲烷合成、发展氢能汽车及电动汽车是减少综合能源碳排放的主要途径。环境成本表达式如公式(13)所示：

式中，

(4)综合能源系统的传输损耗成本

储电设备的电传输损耗表达式如公式(14)所示：

式中，

储气设备的气传输损耗表达式如公式(15)所示：

式中，

储氢设备的气传输损耗表达式如公式(16)所示：

式中，

(5)综合能源系统出售氢气带来的收益

将氢气出售给氢氧燃料电池以及氢能汽车的收益表达式如公式(17)所示：

式中，f

本实施例提供的考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，其运行约束包括设备运行约束、电力网络约束和子系统间的耦合约束。

其中，(1)设备运行约束包括传统火电机组、燃气轮机、燃料电池、电解槽的运行约束及储能设备(含储电设备、储气设备、储氢设备)的运行约束；

对于传统火电机组、燃气轮机、燃料电池、电解槽的运行约束，包括有功功率上下限约束、爬坡率上下限约束。

火电机组运行约束如公式(18)、(19)所示：

式中，

燃气轮机运行约束如公式(20)、(21)所示：

式中，

燃料电池运行约束如公式(22)、(23)所示：

式中，

电解槽运行约束如公式(24)所示：

式中，

综合能源系统的储能设备分为储电设备、储气设备、储氢设备，储能设备运行约束包括能量平衡约束、能量上下限约束、功率上下限约束、传输损耗约束。

储电设备的能量平衡约束如公式(25)所示：

式中，

储电量上下限约束如公式(26)所示：

式中，E

储电设备的充放电功率上下限约束如公式(27)、(28)所示：

式中，P

储气设备的氢气量平衡约束如公式(29)所示：

式中，V

储气量上下限约束如公式(30)所示：

式中，V

储氢设备的氢气量平衡约束如公式(31)所示：

式中，V

储氢量上下限约束如公式(32)所示：

式中，V

(2)综合能源系统的电力网络约束

电力网潮流约束采用线性模型，忽略线路损耗。线性潮流约束表达式如公式(33)至(37)所示：

v

式中，ε为线路集合；S

(3)综合能源系统的子系统间耦合约束

天然气网络与氢气网络通过甲烷合成装置进行耦合，耦合约束即为氢能系统输出功率与天然气注入功率的关系，如公式(38)所示：

式中，

天然气网络与电力网络之间通过燃气轮机进行耦合，耦合约束即为微型燃气轮机输出功率与天然气消耗量的关系，如公式(39)所示：

式中，

氢气网络与电力网络通过氢氧燃料电池以及电解槽进行耦合，其中氢氧燃料电池输出功率与氢气注入量之间的关系，如公式(40)所示：

式中，

电解槽消耗功率与产生氢气量之间的关系，如公式(41)所示：

式中，

对本实施例的运行优化模型求解过程为：向所述运行优化模型输入综合能源系统的运行参数，求解所述运行优化模型得到综合能源系统的优化运行方案；具体包括数据输入、优化软件求解、运行方案输出三个部分：

(1)数据输入：输入综合能源系统的运行参数，包括系统结构参数、负荷(电负荷、气负荷、氢负荷)参数、设备运行参数、能量传输损耗参数、环境成本参数、出售氢气收益参数等。

(2)优化软件求解：本发明实施例提供的综合能源系统的运行优化模型为线性优化模型，可利用成熟商业优化软件编程实现优化模型的求解。

(3)运行方案输出：根据运行优化模型的求解结果得到各电源(火电机组、燃气轮机、燃料电池)各个时刻的有功出力策略，电储能各时刻的充电、放电功率，气/氢储能设备各时刻的进气、放气速率，得出综合能源系统的经济运行方案。

本实施例提供的一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，充分考虑氢能参与的综合能源系统的能量转化关系及运行场景，充分考虑氢能系统、天然气系统、电力系统各个子系统之间的运行耦合关系，给出电力系统、天然气系统、氢能系统之间的能量转换关系，以综合能源系统各类设备运行成本、电-天然气-氢气能量转化成本、氢能参与带来的环境效益以及经济效益为优化目标，建立氢能参与的综合能源经济运行优化模型，通过求解运行优化模型得出氢能参与的综合能源系统的优化运行方式。

请参阅图3，以下为本发明一种考虑氢能的综合能源系统运行优化方法的另一个实施例，是一个包括电力系统、天然气系统、储氢设备等组成的综合能源系统，含氢储能的综合能源系统结构示意图如图3所示。

电力系统中节点1、2处的两台火力发电机、节点4、7处的两台燃气轮机、节点3处的燃料电池为主要发电设备。电力负荷包括各节点处的普通电力负荷、电解槽、电动汽车。储电设备既可作为发电设备也可作为负荷。天然气系统中节点N1接入天然气气源，节点N3处为储气罐，其余节点均有天然气负荷。氢气系统主要由储氢设备构成，主要负荷为氢氧燃料电池及氢能汽车。

电力系统与氢气系统通过节点3处的氢氧燃料电池、电解槽进行耦合。由氢气系统注入氢气至燃料电池燃烧反应产生电能注入电力系统。电解槽通过电解水产生氢气注入氢气系统。

电力系统与天然气系统通过节点7处的燃气轮机进行耦合。由天然气系统注入天然气至燃气轮机燃烧反映产生电能注入电力系统。

天然气系统与氢气系统通过节点N3处的甲烷合成装置进行耦合。由氢气系统输入的氢气与捕获的二氧化碳进行催化反映得到甲烷气体。

综合能源系统中电力系统、天然气系统、氢储能系统通过上述耦合元件，实现综合能源系统各个子系统之间的能量转化及运行。

本发明实施例提供的考虑氢能的综合能源系统运行优化方法，提出的考虑氢能的综合能源系统结构中，

包含了氢能系统与电力系统、天然气系统之间的多种能量转换过程，考虑了氢能汽车、电动汽车等新能源负荷在综合能源系统中的环境效益与经济效益；

充分考虑了氢能系统与电力系统、氢能系统与天然气系统、电力系统与天然气系统之间的能量耦合约束，优化模型更加全面合理；

详细描述了系统中各类设备的运行成本、子系统间的能量转换(电制氢过程、甲烷合成过程)成本、环境成本、能量传输损耗成本以及出售氢能带来收益的关系表达式，得到的综合能源优化运行方案更加符合实际。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。