一种电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法与流程

1.本发明属于可再生能源系统与储能系统耦合领域，具体涉及一种电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国分布式可再生能源迅速增长，大规模分布式可再生能源接入电网，然而由于可再生能源不确定性强和间歇性波动大等特征，给系统的灵活调控及安全稳定运行带来了新的挑战。而氢能与可再生能源、储能系统深度耦合，能够减小制氢成本，同时实现电-氢储能优势互补。此外考虑到热能储存方便、传输困难的特点，加入电-氢储能系统实现电热联合调度，可以更好匹配可再生能源出力和热负荷的峰谷特点，增强系统的灵活调控力，充分消纳可再生能源。由于制氢电解槽、储能单元和电锅炉均采用直流输入或者输出形式，与接入交流电网相比，系统采用直流微电网架构能够更好的提升整体效率，减小投资成本，一种含电-热-氢孤岛直流微网的典型结构如图1所示。其中风机通过ac/dc变流器接入直流母线，储能电池、制氢电解槽和电锅炉通过dc/dc变换器接入直流母线。制氢电解槽产生的氢气全部存入储氢系统内。系统内电锅炉实现了电热转换需求，和热储能系统共同作用，实现对热负荷的峰谷协调。
3.然而由于可再生能源的波动，以及热负荷需求的不确定性，为孤岛系统稳定安全运行带来了巨大挑战。不合理的运行模式设计不仅降低系统整体经济性及能源利用效率，甚至影响系统的安全稳定运行。因此面对强不确定性场景，如何快速准确进行电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计，在确保系统的安全稳定运行同时提高系统的经济性和能源利用效率，是急需解决的难题。


技术实现要素：

4.本发明提出一种电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法，可高效提供可再生能源接入的电热联合孤岛微电网在强不确定性场景下的运行模式优化设计，保障系统安全稳定的运行同时提高系统整体经济性和能源利用效率；。
5.本发明提出的技术方案如下：
6.一种电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
7.第一步：获取当前时刻电-热-氢孤岛直流微网信息，所述信息为由系统上层协调控制系统获取的当前时刻即t时刻的功率信息，包括制氢电解槽功率p
he,t
、罐储单元储氢状态soh
t
、风机单元功率p
wt,t
、电储能单元功率p
eess,t
、热储能单元状态soc
t
、热储能单元功率p
tess,t
、热储能单元的余热状态sot
t
和系统热负荷功率p
hload,t
，上述信息为将第一步输出参数，并作为后续步骤的输入；
8.第二步：将所述第一步输出参数作为输入，同时结合下一时刻即t 1时刻的风机发电功率预测值、系统热负荷功率预测信息和制氢需求功率，分别表示为p
wt,t 1
、p
hload,t 1
和p
he,t 1
，判断各储能单元冗余状态，所述冗余状态用变量α表示，且包括电储能单元冗余状态
α
eess,t
、热储能单元冗余状态α
hess,t
以及储氢单元冗余状态α
hss,t
；其中，冗余状态变量α等于1，表示其对应的储能单元工作在安全模式，α等于0表示其对应的储能单元达到上限或下限值；上述参数p
wt,t 1
、p
hload,t 1
和p
he,t 1
及冗余状态变量α
eess,t
和α
hss,t
输出作为第三步和第四步的输入；
9.第三步：根据第一步和第二步输出作为输入，计算风机模式切换边界的最大值、最小值并判断t 1时刻的风机单元控制模式；
10.第四步：设置系统各单元运行模式及最佳出力。
11.进一步的，所述第三步包括：
12.首先，定义风机模式切换边界最大值和最小值：δp
wt,max
和δp
wt,min
，其中，
[0013][0014][0015]
其中，sot
max
、sot
min
和soc
max
、soc
min
分别对应热储能单元的sot的上限、下限和电储能单元的soc的上限、下限和储氢单元的soh的上限、下限；σ
tess
和σ
eess
分别对应热储能单元散热损失率和电储能自放电率；η
tess,ch
、η
tess,dis
、e
tess
、和分别对应热储能单元的吸热效率、放热效率、总容量、最大吸热功率和最大放热功率；η
eess,ch
、η
eess,dis
、e
eess
、和对应电储能单元的充电效率、放电效率、总容量、最大充电功率和最大放电功率；
[0016]
其次，判断风机工作模式，其中设风机工作模式的变量为β：
[0017]
1)如果p
wt,t 1
∈[δp
wt,min
,δp
wt,max
]，则风机工作在mppt模式，此时，β＝0；上述参数p
wt,t 1
和β作为第四步输入。
[0018]
2)如果p
wt,t 1
≥δp
wt,max
,则风机工作在恒功率控制模式，此时，β＝1；上述参数p
wt,t 1
、和β作为第四步输入；
[0019]
3)如果p
wt,t 1
≤δp
wt,min
，则以保证热负荷正常供暖为前提，选择降低制氢功率或使制氢电解槽待机，具体判别式为：
[0020]
|p
wt,t 1-δp
wt,min
|∈[0.2p
he,rated
,p
he,t 1
]
ꢀꢀ
(3)
[0021]
如果式(3)成立，则选择降低制氢功率，更新制氢功率为p
he,t 1
＝|p
wt,t 1-δp
wt,min
|，此时风机工作在mppt模式，β＝0，上述参数p
wt,t 1
、p
he,t 1
和β作为第四步输入；
[0022]
如果式(3)不成立，则制氢电解槽待机运行，系统停止制氢；并且，由于下一刻风机预测发电量不足以支撑系统内热负荷和制氢负荷需求，风机单元、电储能单元、热储能单元、电锅炉单元和制氢单元均转为待机模式，系统停止供暖，并等待重新启动。
[0023]
进一步的，所述第四步中，设置系统各单元运行模式及最佳出力包括：
[0024]
1)电储能单元为维持系统电压稳定，始终工作在恒压模式，其充放电状态经上层协调控制器调控；
[0025]
根据储氢单元冗余状态α
hss,t
，判断制氢电解槽工作状态：若α
hss,t
＝1，则制氢电解
槽正常运行，工作在恒功率模式，接受上层协调控制系统调控；若α
hss,t
＝0，则制氢电解槽切换为待机模式，系统停止制氢；
[0026]
系统内其余设备，包括电锅炉单元、热储能单元工作在恒功率、恒温模式，具体出力情况由上层协调控制统一协调；
[0027]
2)上层协调控制器选取前三步的输出参数作为输入，以系统最小运行成本为目标进行优化，在线调整各个单元出力情况；
[0028]
其中，目标函数为：
[0029][0030][0031]
其中，nm为系统内所有单元的总数量，c
oc,t 1
为系统下一时刻运行总成本，c
oc,i
是第i个单元运行成本系数，p
i,t 1
是该单元下一时刻出力；n
cm
是系统内可控单元总数量，所述可控单元包括制氢电解槽和电锅炉；c
st,t 1
为系统下一时刻启停总成本；u
i,t
和u
i,t 1
是第i个可控单元在t和t 1时刻的启停状态变量：当该可控单元处于停机状态，该变量为0；当该可控单元处于运行状态，该变量为1；c
sti,c
为第i个可控单元的一次启停成本；c
sell,t 1
是下一时刻系统售氢总利润，c
h2
为单位体积售氢价格，q
h2,t 1
为系统下一时刻产氢量；
[0032]
对所述目标函数的优化满足以下约束条件：
[0033]
p
wt,t 1
＝p
hb,t 1
p
eess,t 1
p
he,t 1
p
hess,t 1
p
hload,t 1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034][0035]
其中soh
max
和soh
min
分别代表储氢系统的最大加氢功率、soh的上限和下限；和为第i个可控单元单位时间内功率爬坡率的下限值和上限值；
[0036]
根据式(4)-(7)的计算，得到各个单元最优出力值和启停状况，所述上层协调控制
器将功率、启停指令下发至各设备的本地控制器，完成一次运行模式优化设计。
[0037]
所述mppt模式为最大功率跟踪模式。
[0038]
本发明具有以下有益效果：
[0039]
本发明在电-热-氢孤岛直流微网系统中，针对风机单元控制模式，增加了风机模式切换边界的最大值、最小值和各个储能单元冗余变量，能够在可在生能源和负荷波动场景下，快速准确判断系统内各单元的控制模式及相应的切换条件，通过优化目标函数实现求解系统内各单元最佳出力，完成系统的运行模式优化设计，在保障系统强不确定性场景下的平稳高效的运行，同时提高系统经济性和能源利用效率。
附图说明
[0040]
图1为含电-热-氢孤岛直流微网示意图；
[0041]
图2电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法流程示意图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明具体时间实施方式作进一步说明。
[0043]
如图2所示为一种电-热-氢综合能源系统运行模式优化设计方法流程示意图，该方法包括以下步骤：
[0044]
第一步：获取当前时刻电-热-氢孤岛直流微网信息，具体包括：由系统上层协调控制系统获取当前时刻的功率信息，包括t时刻，制氢电解槽功率p
he,t
、罐储单元储氢状态soh
t
、风机单元功率p
wt,t
、电储能单元功率p
eess,t
、电储能单元soc
t
、热储能单元功率p
tess,t
、热储能单元的余热状态sot
t
和热负荷功率p
hload,t
，以上信息并作为第二步和第三步的输入。
[0045]
第二步：将第一步输出参数作为输入，同时结合下一时刻，即t 1时刻的风机单元、系统热负荷功率预测信息和制氢需求功率，分别表示为p
wt,t 1
、p
hload,t 1
和p
he,t 1
，并判断各储能单元冗余状态，用α表示，包括电储能单元冗余状态α
eess,t
、热储能单元冗余状态α
hess,t
以及储氢单元冗余状态α
hss,t
。冗余状态变量α等于1，即表示当前储能单元工作在安全模式，α等于0即其对应的储能单元达到上限或下限值。以上参数作为第三步的输入。
[0046]
第三步：根据第一步和第二步输出作为输入，判断t 1时刻，风机单元控制模式，首先定义风机模式切换边界最值，δp
wt,max
和δp
wt,min
。
[0047][0048][0049]
其中，sot
max
、sot
min
和soc
max
、soc
min
分别对应热储能系统sot的上限、下限和电储能系统soc的上限、下限。σ
tess
和σ
eess
分别对应热储能系统散热损失率和电储能自放电率。η
tess,ch
、η
tess,dis
、e
tess
、和分别对应热储能系统的吸热效率、放热效率、总容量、最大吸热功率和最大放热功率。相应的，η
eess,ch
、η
eess,dis
、e
eess
、和对应电储能
系统的充电效率、放电效率、总容量、最大充电功率和最大放电功率。
[0050]
1)如果p
wt,t 1
∈[δp
wt,min
,δp
wt,max
],则风机工作在mppt模式。定义代表其工作模式的变量β＝0。以上参数p
wt,t 1
和β为第四步输入。
[0051]
2)如果p
wt,t 1
≥δp
wt,max
,则风机工作在恒功率控制模式，此时，β＝1。以上参数p
wt,t 1
和β作为第四步输入。
[0052]
3)如果p
wt,t 1
≤δp
wt,min
，则以保证热负荷正常供暖为前提，选择降低制氢功率或使制氢电解槽待机。具体判别式为：
[0053]
|p
wt,t 1-δp
wt,min
|∈[0.2p
he,rated
,p
he,t 1
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
如果(3)成立，则选择降低制氢功率，更新制氢功率为p
he,t 1
＝|p
wt,t 1-δp
wt,min
|，此时风机工作在mppt模式，β＝0。以上参数作为第四步输入。
[0055]
如果(3)不成立，则制氢系统待机运行，系统停止制氢；同时，由于下一刻风机预测发电量不足以支撑系统内热负荷和制氢负荷需求，风机单元、电、热储能单元、电锅炉单元和制氢单元均转为待机模式，系统停止供暖，并等待重新启动。
[0056]
第四步：判断系统各单元运行模式及最佳出力：
[0057]
电储能系统为维持系统电压稳定，始终工作在恒压模式，其充放电状态经上层协调控制器调控。同时根据储氢单元冗余状态α
hss,t
，判断制氢电解槽工作状态。若α
hss,t
＝1，则制氢电解槽正常运行，工作在恒功率模式，接受上层协调控制系统调控。若α
hss,t
＝0，则制氢电解槽切换为待机模式，系统停止制氢。系统内其余设备，包括电锅炉、热储能单元工作在恒功率、恒温模式，具体出力情况由上层协调控制统一协调。
[0058]
上层协调控制器选取前三步的输出参数作为输入，执行相应的优化运行算法，以系统最小运行成本为目标，在线调整包括风机在内的各个可控单元出力情况。
[0059]
目标函数为：
[0060][0061][0062]
其中nm为系统内所有单元总数量，c
oc,t 1
为系统下一时刻运行总成本，c
oc,i
是第i个单元运行成本系数，p
i,t 1
是该单元下一时刻出力。n
cm
是系统内可控单元总数量，包括电锅炉、制氢电解槽。c
st,t 1
为系统下一时刻启停总成本。u
i,t
和u
i,t 1
是第i个可控单元在t和t 1时刻的启停状态：当该单元处于停机状态，该变量为0；当该单元处于运行状态，该变量为1。c
sti,c
为第i个可控单元的一次启停成本。c
sell,t 1
是下一时刻系统售氢总利润，c
h2
为单位体积售氢价格，q
h2,t 1
为系统下一时刻产氢量。
[0063]
上述优化目标函数满足下面约束条件：
[0064]
p
wt,t 1
＝p
hb,t 1
p
eess,t 1
p
he,t 1
p
hess,t 1
p
hload,t 1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0065][0066]
其中soh
max
和soh
min
分别代表储氢系统的最大加氢功率、soh的上限和下；和为第i个可控单元单位时间内功率爬坡率的下限值和上限值。
[0067]
根据式(4)-(7)的优化算法求解结果，得到各个单元最优出力值和启停状况，下一步上层协调将功率、启停指令下发至各设备本地控制器，完成一次运行模式优化设计。
[0068]
本发明并不局限于上述具体实施方式，本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。