CN117856214A - 一种含氢储能***的微网日前调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含氢储能***的微网日前调度方法，将电转氢与燃料电池相结合，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型，以日运行成本最低为目标函数，综合考虑各设备的出力约束条件，分别分析离网运行和并网运行两种模式下的调度情况，采用求解器进行求解。本发明能够为城市内综合能源微网或综合能源站的运行控制提供指导，有利于提升城市综合能源的利用效率，降低城市综合能源的供能成本，促进城市能源互联网结构建设与运行技术的合理发展。
Description
技术领域
本发明属于综合能源***规划技术领域，尤其是一种含氢储能***的微网日前调度方法。
背景技术
化石能源短缺与全球气候变化问题引发能源领域的专家学者更加注重可再生能源的持续性发展。目前，集中式或分布式风电、光伏发电及并网技术已日臻成熟。据能源局数据统计，然而，由于我国西部地区的负荷需求与集中式新能源建设增速不匹配，造成了严重的新能源消纳问题。此外，新能源发电的波动性、不确定性将对含高比例新能源微能源网的运行调度产生巨大的影响。因此，储电、储热、储气、储氢、抽水蓄能等多元化的储能技术是构成多能互补微能源网的主要组成部分，同时也将是未来发展更大规模可再生能源的关键。在诸多储能方式中，储氢具有可长期存储、存储规模大、环保无污染、不受地理环境制约等优点，将在特定的应用场景中发挥重要的作用。
CN116667427A公开了一种含电转氢的综合能源微网优化调度方法及***，：结合电转氢气***的模型确定综合能源微网；所述综合能源微网包括：电能、热能及氢能源；考虑综合能源微网中各个设备的投入消耗资源、运行消耗资源及维护消耗资源，并考虑综合能源微网的购电消耗资源，以综合能源微网的日前运行调度总耗费资源为目标，构建日前优化调度模型；以日前运行调度总耗费资源最小为目标，求解所述日前优化调度模型，得到基于日前可再生能源和负荷功率预测信息的综合能源微网日前预测调度方案；所述调度方案包括：各个设备的用电曲线、发电曲线及购电曲线；结合日内综合能源微网的实时调度情况，考虑日前预测调度方案产生的误差，且控制设备控制调节增量小于预设值，进行日内滚动更新调度优化，得到综合能源微网的日内调度方案。
CN111738503A公开了一种以氢能为核心的综合能源微网日前运行调度方法及***，包括基于以氢能为核心的综合能源微网规划与供能信息，获取负荷需求数据、可再生能源出力预测数据、设备类型以及设备型号数据；基于获取的数据，通过预先构建的综合能源微网运行调度模型对以氢能为核心的综合能源微网内的源荷进行匹配，并进行运行调度，得到经济性最优的运行策略。
尚未发现有将电转氢与燃料电池相结合构建电热微网日前调度模型的方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供含氢储能***的微网日前调度方法，将电转氢与燃料电池相结合，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种含氢储能***的微网日前调度方法，将电转氢与燃料电池相结合，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型，以日运行成本最低为目标函数，综合考虑各设备的出力约束条件，分别分析离网运行和并网运行两种模式下的调度情况，采用求解器进行求解。
进一步地，所述设备包括光伏、风机、能量转换设备、燃气轮机及储能设备。
进一步地，所述光伏、风机的功率约束为：
0≤Pt PV≤Pt PV,r (1)
0≤Pt WT≤Pt WT,r (2)
式中，Pt PV,r、Pt WT,r分别表示光伏、风机的预测出力；
所述能量转换设备的功率约束为：
Pt j,out＝Pt j,inηj (3)
0≤Pt j,in≤Pt j,max (4)
式中，j表示设备类型，取值为电锅炉(EB)、电解槽(ED)、燃料电池(FC)；Pt j,out表示设备j的输出功率；Pj,min、Pj,max分别表示相应设备的最小、最大输入功率；
所述燃气轮机的功率上下限约束和功率爬坡约束为：
Pt GT,E＝Pt GT,inηGT (5)
Pt GT,T＝Pt GT,inηGTrGT (6)
PGT,min≤Pt GT,in≤PGT,max (7)
式中，分别表示燃气轮机输出的电功率、热功率；
所述储能设备运行约束包括充放功率上下限约束、典型日内部相邻调度时刻间能量关系约束、能量状态水平上下限约束、能量充放周期为24h约束以及同一调度时刻只可充或放功率约束；
0≤Pt j,char≤Pj,max (8)
0≤Pt j,dis≤Pj,max (9)
式中，Pj,max表示储能设备最大充放能功率，其中j取值为氢储能(ES)、热储能(TS)、氢储能(HS)；表示储能设备时刻t的能量状态水平；ηj,char、ηj,dis分别表示充、放能效率；ηj,loss表示储能自损耗率。
进一步地，所述离网模式运行方式为：在离网模式下，微网与主网无功率联络，其能量来源为风机、光伏和天然气，风机、光伏与燃气轮机产生的电能为电解槽、电锅炉和电负荷供能；燃气轮机、电锅炉产生的热能供应热负荷；储能设备根据源荷情况进行充放能调度。
进一步地，所述离网模式的目标函数为：
式中，表示设备j的单位功率维护成本，j取值为PV、WT、ED、FC、EB；/>表示时刻t向上级气网购气的单位气价；Pt j,in表示相应设备时刻t的输入/并网功率；Pt m,char、Pt m,dis分别表示储能设备时刻t的充能、放能功率，其中m取值为ES、TS、HS；/>表示时刻t向上级气网购气的功率，COP为综合能源***的日总运行成本；COM为各机组的维护成本、/>为向天然气网购气成本。
进一步地，所述离网模式目标函数的约束条件包括功率平衡条件及设备运行约束，其中功率平衡条件为：
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt HS,dis-Pt HS,char (18)
式中，分别表示t时刻电、热负荷功率；ηED、ηFC、、ηEB分别表示相应设备的能量转换效率；ηGT、rGT分别表示燃气轮机的电能转换效率、输出热功率与电功率的比值；
其中设备运行约束如式(1)-(12)。
进一步地，所述并网模式下，微网按照分时电价和氢气交易价格参与市场交易，目标函数如式(19)所示，
式中，ft e,ex、ft h,ex表示电能和氢气的交易价格，Pt e,ex、Pt h,ex表示购电和氢气交易的功率。
进一步地，并网模式目标函数的约束条件：除式(1)-(12)和式(17)外还需满足：
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt h,ex+Pt HS,dis-Pt HS,char (23)
Pe,exmin≤Pt e,ex≤Pe,exmax (24)
Ph,exmin≤Pt h,ex≤Ph,exmax (25)
式中，Pe,exmax、Pe,exmin表示与主网交易电能量的上下限。
进一步地，所述求解器为cplex求解器。
本发明的优点和积极效果是：
本发明考虑将电转氢与燃料电池相结合，作为电热微网的灵活性资源，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型，以日运行成本最低为目标函数，综合考虑各设备的出力约束条件，分别分析离网运行和并网运行两种模式下的调度情况。本发明能够为城市内综合能源微网或综合能源站的运行控制提供指导，有利于提升城市综合能源的利用效率，降低城市综合能源的供能成本，促进城市能源互联网结构建设与运行技术的合理发展。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提供一种含氢储能***的微网日前调度方法。***架构包含光伏、风机、电锅炉和燃气轮机，储能设备有电、热、氢储能。考虑***的运营成本，构建双层优化模型得到最优的设备出力策略。
考虑将电转氢与燃料电池相结合，作为电热微网的灵活性资源，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型，以日运行成本最低为目标函数，综合考虑各设备的出力约束条件，分别分析离网运行和并网运行两种模式下的调度情况，采用求解器进行求解。
1.设备模型
(1)光伏、风机
风电和光伏的运行，需满足其实际功率小于等于预测发电功率的约束。
0≤Pt PV≤Pt PV,r (1)
0≤Pt WT≤Pt WT,r (2)
式中，Pt PV,r、Pt WT,r分别表示光伏、风机的预测出力。
(2)能量转换设备
设备在运行时均应满足其分别对应的功率上下限约束。
Pt j,out＝Pt j,inηj (3)
0≤Pt j,in≤Pt j,max (4)
式中，j表示设备类型，取值为电锅炉(EB)、电解槽(ED)、燃料电池(FC)；Pt j,out表示设备j的输出功率；Pj,min、Pj,max分别表示相应设备的最小、最大输入功率。
(3)燃气轮机
燃气轮机在运行时均应满足功率上下限约束和功率爬坡约束。
Pt GT,E＝Pt GT,inηGT (5)
Pt GT,T＝Pt GT,inηGTrGT (6)
PGT,min≤Pt GT,in≤PGT,max (7)
式中，分别表示燃气轮机输出的电功率、热功率。
(4)储能设备
储能的运行约束包括充放功率上下限约束、典型日内部相邻调度时刻间能量关系约束、能量状态水平上下限约束、能量充放周期为24h约束以及同一调度时刻只可充或放功率约束。
0≤Pt j,char≤Pj,max (8)
0≤Pt j,dis≤Pj,max (9)
式中，Pj,max表示储能设备最大充放能功率，其中j取值为氢储能(ES)、热储能(TS)、氢储能(HS)；表示储能设备时刻t的能量状态水平；ηj,char、ηj,dis分别表示充、放能效率；ηj,loss表示储能自损耗率。
2.日前调度模型
(1)离网模式
1)运行方式
在离网模式下，微网与主网无功率联络，其能量来源为风机、光伏和天然气。风机、光伏与燃气轮机产生的电能为电解槽、电锅炉和电负荷供能；燃气轮机、电锅炉产生的热能供应热负荷；储能设备根据源荷情况进行充放能调度。
2)目标函数
综合能源***的日总运行成本COP包括：各机组的维护成本COM、向天然气网购气成本如下所示：
式中，表示设备j的单位功率维护成本，j取值为PV、WT、ED、FC、EB；/>表示时刻t向上级气网购气的单位气价；Pt j,in表示相应设备时刻t的输入/并网功率；Pt m,char、Pt m,dis分别表示储能设备时刻t的充能、放能功率，其中m取值为ES、TS、HS；/>表示时刻t向上级气网购气的功率。
3)约束条件
1)功率平衡条件
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt HS,dis-Pt HS,char (18)
式中，分别表示t时刻电、热负荷功率；ηED、ηFC、、ηEB分别表示相应设备的能量转换效率；ηGT、rGT分别表示燃气轮机的电能转换效率、输出热功率与电功率的比值。
2)设备运行约束
设备运行约束如式(1)-(12)
(2)并网模式
1)目标函数
在并网模式下，微网按照分时电价和氢气交易价格参与市场交易，目标函数如式(19)所示，其在离网运行模式的目标函数中增加了氢气和电能的交易成本。
式中，ft e,ex、ft h,ex表示电能和氢气的交易价格，Pt e,ex、Pt h,ex表示购电和氢气交易的功率。
2)约束条件
除式(1)-(12)和式(17)外还需满足：
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt h,ex+Pt HS,dis-Pt HS,char (23)
Pe,exmin≤Pt e,ex≤Pe,exmax (24)
Ph,exmin≤Pt h,ex≤Ph,exmax (25)
式中，Pe,exmax、Pe,exmin表示与主网交易电能量的上下限。
3.模型求解
具体求解步骤如下:
步骤1：初始化，输入所有源荷数据和设备参数。
步骤2：设置优化变量，包括各设备24h运行功率、与上级网络交互功率等。
步骤3：设置约束。
步骤4：设置目标函数，调用cplex求解器求解。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，将电转氢与燃料电池相结合，参与微网的能量调度，构建了电热微网日前调度模型，以日运行成本最低为目标函数，综合考虑各设备的出力约束条件，分别分析离网运行和并网运行两种模式下的调度情况，采用求解器进行求解。
2.根据权利要求1所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述设备包括光伏、风机、能量转换设备、燃气轮机及储能设备。
3.根据权利要求2所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，
所述光伏、风机的功率约束为：
0≤Pt PV≤Pt PV,r (1)
0≤Pt WT≤Pt WT,r (2)
式中，Pt PV,r、Pt WT,r分别表示光伏、风机的预测出力；
所述能量转换设备的功率约束为：
Pt j,out＝Pt j,inηj (3)
0≤Pt j,in≤Pt j,max (4)
式中，j表示设备类型，取值为电锅炉(EB)、电解槽(ED)、燃料电池(FC)；Pt j,out表示设备j的输出功率；Pj,min、Pj,max分别表示相应设备的最小、最大输入功率；
所述燃气轮机的功率上下限约束和功率爬坡约束为：
Pt GT,E＝Pt GT,inηGT (5)
Pt GT,T＝Pt GT,inηGTrGT (6)
PGT,min≤Pt GT,in≤PGT,max (7)
式中，分别表示燃气轮机输出的电功率、热功率；
所述储能设备运行约束包括充放功率上下限约束、典型日内部相邻调度时刻间能量关系约束、能量状态水平上下限约束、能量充放周期为24h约束以及同一调度时刻只可充或放功率约束；
0≤Pt j,char≤Pj,max (8)
0≤Pt j,dis≤Pj,max (9)
式中，Pj,max表示储能设备最大充放能功率，其中j取值为氢储能(ES)、热储能(TS)、氢储能(HS)；表示储能设备时刻t的能量状态水平；ηj,char、ηj,dis分别表示充、放能效率；ηj,loss表示储能自损耗率。
4.根据权利要求3所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述离网模式运行方式为：在离网模式下，微网与主网无功率联络，其能量来源为风机、光伏和天然气，风机、光伏与燃气轮机产生的电能为电解槽、电锅炉和电负荷供能；燃气轮机、电锅炉产生的热能供应热负荷；储能设备根据源荷情况进行充放能调度。
5.根据权利要求4所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述离网模式的目标函数为：
式中，表示设备j的单位功率维护成本，j取值为PV、WT、ED、FC、EB；/>表示时刻t向上级气网购气的单位气价；Pt j,in表示相应设备时刻t的输入/并网功率；Pt m,char、Pt m,dis分别表示储能设备时刻t的充能、放能功率，其中m取值为ES、TS、HS；/>表示时刻t向上级气网购气的功率，COP为综合能源***的日总运行成本；COM为各机组的维护成本、/>为向天然气网购气成本。
6.根据权利要求5所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述离网模式目标函数的约束条件包括功率平衡条件及设备运行约束，
其中功率平衡条件为：
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt HS,dis-Pt HS,char (18)
式中，分别表示t时刻电、热负荷功率；ηED、ηFC、、ηEB分别表示相应设备的能量转换效率；ηGT、rGT分别表示燃气轮机的电能转换效率、输出热功率与电功率的比值；
其中设备运行约束如式(1)-(12)。
7.根据权利要求6所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述并网模式下，微网按照分时电价和氢气交易价格参与市场交易，目标函数如式(19)所示，
式中，ft e,ex、ft h,ex表示电能和氢气的交易价格，Pt e,ex、Pt h,ex表示购电和氢气交易的功率。
8.根据权利要求7所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，并网模式目标函数的约束条件：除式(1)-(12)和式(17)外还需满足：
Pt FC,in＝Pt ED,inηED+Pt h,ex+Pt HS,dis-Pt HS,char (23)
Pe,exmin≤Pt e,ex≤Pe,exmax (24)
Ph,exmin≤Pt h,ex≤Ph,exmax (25)
式中，Pe,exmax、Pe,exmin表示与主网交易电能量的上下限。
9.根据权利要求8所述的含氢储能***的微网日前调度方法，其特征在于，所述求解器为cplex求解器。
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