一种海上风电与储能联合运行的优化调度方法与流程

本发明涉及可再生能源优化调度，尤其涉及一种海上风电与储能联合运行的优化调度方法。

背景技术：

1、随着海上风电装机容量快速增长，海上风电基地逐渐向远海、大容量、集中化方向发展。海上风电具有资源丰富、利用小时数较高和靠近港口及海上燃料需求侧等优势，但其出力仍然具有显著随机性和波动性。同时，远海风电并网通道建设成本高、输电容量受限，容易出现并网受阻和弃风现象。

2、将海上风电用于电解水制氢，并进一步合成甲醇，是提升海上风电本地消纳能力、生产绿色液体燃料和构建海上能源岛的重要技术路径。在该类系统中，海上风电出力供给电解水制氢单元，电解槽产生的氢气进入储氢罐，储氢罐向甲醇合成单元供氢。甲醇合成单元利用氢气和碳源合成甲醇。

3、然而，甲醇合成单元并非普通可中断电负荷。甲醇合成通常具有最小生产负荷、最小连续生产时间和不宜频繁启停等运行特征。因此，储氢罐不仅需要满足简单容量约束，还承担着连接“快速波动的海上风电制氢过程”和“相对连续的甲醇合成过程”的缓冲功能。

4、现有技术中，储氢罐通常采用固定上下限进行约束，即要求储氢罐库存位于最低库存与最高库存之间。这种方法虽然简单，但在海上风电制甲醇系统中存在以下不足。

5、第一，固定低库存阈值不能反映未来补氢能力。当储氢罐库存略高于固定下限时，若甲醇合成单元启动或持续运行，而电解槽尚未完成启动或升负荷，可能导致储氢罐库存跌破安全底线。另一方面，若未来短时内具备较强补氢能力，固定阈值又可能过于保守，限制甲醇生产和海上风电消纳。

6、第二，固定甲醇启动阈值不能反映甲醇启动后的跨时段供氢可行性。甲醇合成单元一旦进入生产状态，通常需要满足最小连续生产时间。仅依据当前储氢罐库存判断是否允许甲醇启动，可能导致甲醇合成单元启动后因未来氢气供给不足而非计划停产。

7、第三，固定高库存阈值不能反映电解槽停机迟滞。当储氢罐库存较高且电解槽仍处于产氢状态时，即使立即发出降低功率或停机指令，由于电解槽存在最小运行时间、功率变化限制或停机迟滞，未来一段时间内仍可能继续向储氢罐入氢，从而导致储氢罐高库存越限风险。

8、第四，海上风电波动较强，若储氢阈值不随风电预测、电解槽状态和甲醇合成单元状态动态调整，容易出现甲醇合成单元频繁启停、氢气供给不足、弃风增加或储氢罐高库存风险等问题。

9、因此，有必要提出一种海上风电与储能联合运行的优化调度方法，使储氢罐安全边界能够根据未来补氢能力、电解槽启停迟滞和甲醇连续生产需求进行动态调整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种海上风电与储能联合运行的优化调度方法，适用于含有海上风电、电解水制氢、储氢和甲醇合成单元的离岸或近海绿色甲醇生产场景，通过构建低库存动态触发阈值、甲醇动态准入阈值和高库存动态停氢阈值，将未来可落实补氢能力、储氢罐充放氢能力、电解槽状态转移时间和甲醇合成单元最小连续生产需求纳入控制决策，从而提高海上风电制甲醇系统的安全性、连续性和新能源消纳能力。

2、本发明的发明思想为：本发明的方法面向由海上风电场、电解水制氢单元、储氢罐以及甲醇合成单元构成的海上风电制甲醇系统，获取当前调度时刻及未来预测窗口内的海上风电出力、电解槽运行状态、储氢罐氢气库存、储氢罐充放氢能力以及甲醇合成单元运行状态；根据电解槽启动迟滞时间、停机迟滞时间、储氢罐实际入罐能力、甲醇合成单元最小连续生产时间和该时段最低耗氢需求，构建低库存动态触发阈值、甲醇动态准入阈值和高库存动态停氢阈值。其中，低库存动态触发阈值和甲醇动态准入阈值均考虑未来窗口内可落实补氢量，高库存动态停氢阈值考虑电解槽停机迟滞期间不可避免入罐氢量和甲醇单元可保证耗氢量。该方法能够根据海上风电波动、电解槽运行状态和甲醇连续生产需求动态调整储氢罐安全边界，降低储氢罐低库存断供和高库存越限风险，提高海上风电制甲醇系统的运行安全性、甲醇生产连续性和新能源消纳能力。

3、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种海上风电与储能联合运行的优化调度方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、获取当前调度时刻及未来预测窗口内的海上风电出力、海上风电系统的用电负荷、电解槽运行状态、储氢罐氢气库存、储氢罐充氢流量上限、储氢罐放氢流量上限以及甲醇合成单元运行状态；

5、步骤s2、根据甲醇合成单元的最小连续生产时间和最小生产负荷，确定甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求；

6、步骤s3、根据电解槽从非产氢状态恢复至产氢状态的启动迟滞时间确定低库存保护窗口，并根据储氢罐物理安全底线、低库存保护窗口内甲醇合成单元最低耗氢需求以及低库存保护窗口内可落实补氢量，生成低库存动态触发阈值；

7、步骤s4、在步骤s1所述未来预测窗口内确定甲醇准入预测窗口，所述甲醇准入预测窗口为所述未来预测窗口的全部或部分，并且其长度不小于甲醇合成单元的最小连续生产时间；根据甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求、甲醇准入预测窗口内补氢量以及储氢罐物理安全底线，生成甲醇动态准入阈值；

8、步骤s5、根据电解槽由产氢状态退出至非产氢状态的停机迟滞时间、储氢罐实际最大入罐能力和甲醇合成单元在停机迟滞窗口内的保守耗氢量，生成高库存动态停氢阈值；

9、步骤s6、根据所述低库存动态触发阈值、甲醇动态准入阈值和高库存动态停氢阈值，确定电解槽启停指令、储氢罐充放氢指令和甲醇合成单元启停指令。

10、所述步骤s1中，储氢罐氢气库存按照如下方式更新：

11、（1）；

12、其中， 为t时刻储氢罐库存；为t时刻储氢罐充氢流量；为t时刻储氢罐放氢流量；为充氢效率；为放氢效率；为调度时间间隔；

13、储氢罐物理库存满足：

14、（2）；

15、其中，为储氢罐物理安全底线；为储氢罐最大容量。

16、进一步地，所述步骤s3中，所述低库存保护窗口为未来预测窗口中的子窗口，用于描述从当前调度时刻起至电解槽恢复至有效产氢能力之前的时间范围；

17、所述未来预测窗口定义为：

18、（3）；

19、其中t为当前调度时段；为未来预测窗口内包含的调度时段数；

20、所述低库存保护窗口定义为：

21、（4）；

22、其中，τ表示未来预测窗口或其子窗口中的任一离散调度时段索引；

23、（5）；

24、其中，为电解槽从当前状态恢复至有效产氢状态所需的调度时段数；表示向上取整；为电解槽从当前状态恢复至有效产氢状态所需的时间；为调度时间间隔；

25、所述低库存保护窗口实际时段数为：

26、（6）；

27、所述低库存动态触发阈值用于判断储氢罐是否处于低库存风险状态；当当前储氢罐氢气库存低于所述低库存动态触发阈值时，执行以下至少一种控制动作：

28、（1）禁止甲醇合成单元由非生产状态进入生产状态；

29、（2）限制甲醇合成单元升负荷；

30、（3）控制至少一部分电解槽进入待机状态；

31、（4）控制至少一部分电解槽进入产氢状态；

32、（5）提高分配至电解水制氢单元的海上风电功率；

33、所述低库存动态触发阈值按照如下方式确定：

34、（7）；

35、其中，为t时刻的低库存动态触发阈值；为储氢罐物理安全底线；为甲醇合成单元最小生产负荷下折算至储氢罐侧的最低耗氢流量；为储氢罐充氢效率；为从时刻t起的低库存保护窗口；为低库存保护窗口内第个时段可落实的补氢流量。

36、进一步地，所述步骤s4中，所述甲醇动态准入阈值按照如下方式计算：

37、（8）；

38、其中，为t时刻的甲醇动态准入阈值；为甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求；为从t时刻起的甲醇准入预测窗口；为甲醇准入预测窗口内第个时段可落实的补氢流量；

39、所述甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求按照如下方式确定：

40、（9）；

41、其中，为甲醇准入预测窗口内的时段数。

42、当当前储氢罐氢气库存高于所述甲醇动态准入阈值时，允许甲醇合成单元由非生产状态进入生产状态；否则，禁止甲醇合成单元进入生产状态。

43、该甲醇动态准入阈值能够根据未来可落实补氢能力动态调整甲醇启动所需的当前储氢库存要求。当未来补氢能力较强时，准入阈值降低；当未来补氢能力较弱时，准入阈值升高；但所述准入阈值不低于储氢罐物理安全底线。

44、进一步地，所述步骤s5中，所述高库存动态停氢阈值按照如下方式确定：

45、（10）；

46、其中，为t时刻的高库存动态停氢阈值；为储氢罐最大容量；为电解槽停机迟滞窗口内的时段数；为储氢罐实际最大入罐能力；为甲醇合成单元在t时刻是否处于生产状态的标记变量；

47、所述储氢罐实际最大入罐能力按照如下方式确定：

48、（11）；

49、其中，为电解槽理论最大产氢能力；为储氢罐最大充氢流量；

50、当当前储氢罐库存高于所述高库存动态停氢阈值时，执行以下至少一种控制动作：

51、a）、禁止新增电解槽进入产氢状态；

52、b）、控制处于产氢状态的至少一部分电解槽降低产氢功率；

53、c）、控制处于产氢状态的至少一部分电解槽转入待机状态；

54、d）、控制处于待机状态的至少一部分电解槽转入停机状态；

55、e）、提高甲醇合成单元负荷；

56、f）、降低分配至电解水制氢单元的海上风电功率。

57、进一步地，所述步骤s1中，电解槽包括碱性电解槽、质子交换膜电解槽或碱性电解槽与质子交换膜电解槽的组合；所述电解槽运行状态包括停机状态、待机状态和产氢状态，所述电解槽的运行状态转换有顺序约束，其状态切换路径应满足“停机—待机—产氢—待机—停机”的逻辑关系。

58、同时，本发明提出一种海上风电与储能联合运行的优化调度系统，应用本发明所述方法的步骤，所述系统包括：

59、运行状态模块，被配置以执行以下流程：获取当前调度时刻及未来预测窗口内的海上风电出力、系统用电负荷、电解槽运行状态、储氢罐氢气库存、储氢罐充氢流量上限、储氢罐放氢流量上限以及甲醇合成单元运行状态；

60、甲醇合成单元，被配置以执行以下流程：根据甲醇合成单元的最小连续生产时间和最小生产负荷，确定甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求；

61、低库存保护窗口构建模块，被配置以执行以下流程：根据电解槽从非产氢状态恢复至产氢状态的启动迟滞时间确定低库存保护窗口，并根据储氢罐物理安全底线、低库存保护窗口内甲醇合成单元最低耗氢需求以及低库存保护窗口内可落实补氢量，生成低库存动态触发阈值；

62、甲醇动态准入阈值模块，被配置以执行以下流程：在所述未来预测窗口内确定甲醇准入预测窗口，所述甲醇准入预测窗口为所述未来预测窗口的全部或部分，并且其长度不小于甲醇合成单元的最小连续生产时间；根据甲醇合成单元在最小连续生产周期内的最低耗氢需求、甲醇准入预测窗口内补氢量以及储氢罐物理安全底线，生成甲醇动态准入阈值；

63、高库存动态停氢阈值模块，被配置以执行以下流程：根据电解槽由产氢状态退出至非产氢状态的停机迟滞时间、储氢罐实际最大入罐能力和甲醇合成单元在停机迟滞窗口内的保守耗氢量，生成高库存动态停氢阈值；

64、指令模块，被配置以执行以下流程：根据所述低库存动态触发阈值、甲醇动态准入阈值和高库存动态停氢阈值，确定电解槽启停指令、储氢罐充放氢指令和甲醇合成单元启停指令。

65、同时，本发明提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现本发明所述方法的步骤。

66、此外，本发明提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现本发明所述方法的步骤。

67、最后，本发明提出一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。

68、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

69、1、本发明将储氢罐固定上下限扩展为动态阈值边界，使储氢罐控制不再仅依赖当前库存，而是同时考虑未来补氢能力、电解槽启停迟滞和甲醇连续生产需求。

70、2、本发明提出低库存动态触发阈值，该阈值不仅考虑储氢罐物理安全底线和甲醇最低耗氢需求，还扣除了低库存保护窗口内可落实补氢量，因此，能够随未来补氢能力变化而动态调整。

71、3、本发明提出甲醇动态准入阈值。该阈值将当前储氢罐库存、甲醇最小连续生产耗氢需求以及甲醇准入预测窗口内可落实补氢量统一考虑，能够避免甲醇合成单元在未来供氢不足时贸然启动。

72、4、本发明提出高库存动态停氢阈值，该阈值考虑电解槽停机迟滞期间不可避免入罐氢量和甲醇生产可保证耗氢量，能够提前识别储氢罐高库存越限风险。

73、5、本发明适用于海上风电波动较强的运行环境，能够根据风电预测滚动更新储氢阈值，提高海上风电消纳能力和甲醇合成连续性。