一种光氢储综合充电站设备容量配置方法及装置

1.本发明涉及充电站设备配置优化，具体涉及一种光氢储综合充电站设备容量配置方法及装置。


背景技术：

2.随着新能源汽车的快速发展，提供服务的充电设施也得到重视。由于充电站的电网购电也间接造成很高的碳排放，考虑分布式可再生能源结合的充电站具有前景。尽管可再生能源为我们提供了便利但是它们也存在一些缺点，由于出力的随机性，它们难以被充分利用。如何让其与充电站结合以实现就地消纳，减少对的电网的冲击，缓解电网升级压力是需要解决的问题。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目是提供一种光氢储综合充电站设备容量配置方法及装置，能同时为电动汽车和氢燃料电动汽车服务，提高综合充电站的自主运行能力。
4.技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提出的一种光氢储综合充电站设备容量配置方法，包括以下步骤：
5.建立能够同时为电动汽车和氢燃料电动汽车提供服务的包括光伏、储能电池和氢储能系统的综合充电站系统模型；
6.根据综合充电站系统模型，基于综合充电站各个设备间能量流动配合关系确定综合充电站的能量流动策略；
7.根据能量流动策略，基于能量平衡约束、元件约束、电网供电功率约束，建立以综合充电站的年运行成本和自主运行能力为目标的设备容量配置优化模型；
8.采用nsga-ii算法和模糊综合评价对设备容量配置优化模型进行求解，确定综合充电站设备的容量配置方案。
9.进一步地，综合充电站系统模型包括：
10.光伏出力模型：
[0011][0012]
其中g
t
是太阳光照强度，t表示t时刻，tc是环境温度，g
stc
和t
stc
标准条件下的光照强度和温度，p
pv-stc
是光伏的额定功率；
[0013]
储能电池荷电状态模型：
[0014][0015]
其中eb是储能的额定容量，pb是储能的充放电功率，η是储能的运行电效率，δt是时间步长；
[0016]
氢储能系统由电解槽、储氢罐、燃料电池组成，其中电解槽模型如下：
[0017]hwe
＝p
we
η
we
/hhv
[0018]
其中p
we
光伏发电用于制氢的输出功率，η
we
是电解槽的工作效率，hhv是电氢能量转化系数；
[0019]
储氢罐的每个时间段存放氢气容量模型如下：
[0020]
h(t)＝h(t-1) h
we
(t-1)-h
l
(t-1)-h
fc
(t-1)
[0021]
其中h为储氢罐含氢量，h
we
、h
fc
分别是提供给氢燃料电动汽车和燃料电池的氢量；
[0022]
燃料电池模型如下：
[0023]
p
fc
＝h
fc
η
fc
hhv
[0024]
其中p
fc
为燃烧氢气产生电量的输出功率，η
fc
是燃料电池的工作效率。
[0025]
进一步地，综合充电站的能量流动策略包括：获取光伏输出功率p
pv
，判断光伏输出功率p
pv
是否大于每时段电动汽车用户的电负荷需求p
l
，令dp＝p
pv-p
l
，若dp》0，则进入到第一策略分支，若dp《0，则进入到第二策略分支；在第一策略分支和第二策略分支中，判断储氢罐含氢量h是否大于氢燃料电动汽车用户的需要的氢气量h
l
，当dp》0且h-h
l
＞0时，实施a策略，当dp》0且h-h
l
＜0时，实施b策略；当dp《0且h-h
l
＞0时，实施c策略，当dp《0且h-h
l
＜0时，实施d策略。
[0026]
a、满足电动汽车和氢燃料电动汽车需求，光伏发电的剩余功率依次对蓄电池充电，电解槽电解储氢，最后余电上网；
[0027]
b、满足电动汽车需求，氢燃料电动汽车需求存在缺额，光伏发电剩余的功率首先用于电解槽电解储氢，再用于蓄电池充电，氢燃料电动汽车依然缺额，用购置的备用氢补充；
[0028]
c、满足氢燃料电动汽车需求，电动汽车需求存在缺额，蓄电池、燃料电池一次放电为电动汽车提供需求，最后由电网补充；
[0029]
d、电动汽车和氢燃料电动汽车需求都存在缺额，电动汽车需求由蓄电池先放电，电网再补充功率缺额，氢燃料电动汽车需求用购置的备用氢补充。
[0030]
进一步地，确定综合充电站的能量流动策略包括：
[0031]
进一步地，设备容量配置优化模型为：
[0032]
综合充电站年运行成本最低：
[0033]
minf1＝(c1 c2)crf c
3-c4[0034]
c1＝p
pvepv
p
baeba
p
weewe
p
fcefc
heh[0035]
c2＝c1k
[0036][0037][0038][0039]
其中c1、c2、c3、c4分别是设备购买成本、设备维护成本、综合充电站运行成本以及上网收益；crf是各设备的年化系数；p
pv
、p
ba
、p
we
、p
fc
分别为光伏、蓄电池、电解槽、燃料电池
的装机容量；h为储氢罐的容量；e
pv
、e
ba
、e
we
、e
fc
、e
h1
分别为对应设备的单价；k是设备的维护成本；r为实际年利率，y为设备运行年限；eh、e
gi
、e
go
分别是备用购氢、电网购电和余电上网价格；hg、p
gi
、p
go
分别是各时段备用购氢气量、电网购电功率和余电上网功率；
[0040]
综合充电站的自主运行能力，及购电和备用购氢气量占比：
[0041][0042][0043]
综合充电站系统的电功率和氢气量交换应时刻保持平衡：
[0044]
p
l
＝p
pv
p
we
p
ba
p
fc
pg[0045]hl
＝h hg h
we-h
fc
[0046]
变压器存在容量限制，电网向综合充电站有供电功率约束：
[0047]
pg≤p
gmax
[0048]
蓄电池的荷电状态soc在合理的约束范围内：
[0049]
soc
min
≤soc(t)≤soc
max
[0050]
进一步地，对设备容量配置优化模型进行求解具体包括：
[0051]
(a)输入综合充电站基本数据，设置nsga-ii初始参数和决策变量上下限；
[0052]
(b)随机初始化规模大小为n种群；
[0053]
(c)计算目标函数适应度值，然后对结果进行快速非支配排序；
[0054]
(d)计算个体拥挤度距离，使用精英策略选择保留优良个体，形成新种群，返回步骤(c)；
[0055]
(e)判断迭代次数，满足要求即终止迭代，输出pareto前沿，反之，继续循环迭代；
[0056]
(f)使用模糊综合评价的模糊隶属度函数计算每个pareto解的隶属度，隶属度最高的优化方案即为最终方案。
[0057]
进一步地，模糊综合评价的隶属度函数为：
[0058][0059]
其中为第n个目标函数的第m个非劣解的函数值，第n个目标函数的第m个非劣解的隶属度，分别为pareto解的最大、最小解。
[0060]
本发明还提供了一种光氢储综合充电站设备容量配置装置，包括：
[0061]
综合充电站系统模型构建模块，建立能够同时为电动汽车和氢燃料电动汽车提供
服务的包括光伏、储能电池和氢储能系统的综合充电站系统模型；
[0062]
能量流动策略确定模块，根据综合充电站系统模型，基于综合充电站各个设备间能量流动配合关系确定综合充电站的能量流动策略；
[0063]
容量配置优化模型建立模块，根据能量流动策略，基于能量平衡约束、元件约束、电网供电功率约束，建立以综合充电站的年运行成本和自主运行能力为目标的设备容量配置优化模型；
[0064]
容量配置方案求解模块，采用nsga-ii算法和模糊综合评价对设备容量配置优化模型进行求解，确定综合充电站设备的容量配置方案。
[0065]
本发明还提供一种计算机设备，包括：
[0066]
一个或多个处理器；
[0067]
存储器；以及
[0068]
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的光氢储综合充电站设备容量配置方法的步骤。
[0069]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的光氢储综合充电站设备容量配置方法的步骤。
[0070]
有益效果：本发明提出了一种光氢储综合充电站设备容量配置方法，通过建立包含光伏、储能电池、氢储能系统的综合充电站模型，设计综合充电站的能量流动策略，以综合充电站年成本最小和充电站购能占需求比最小为目标，兼顾综合充电站的运营利益和和它的自主运行能力，建立目标函数，采用nsga-ii算法和模糊综合评价进行最优方案的求解。本发明能同时为电动汽车和氢燃料电动汽车服务。基于nsga-ii算法和模糊综合评价，给出的设备配置方案，提高了综合充电站的自主运行能力，可为充电站设备优化提供参考。
附图说明
[0071]
图1是本发明的容量配置方法流程图；
[0072]
图2是本发明的能量流动总流程图；
[0073]
图3是本发明的能量流动具体流程图；
[0074]
图4是本发明所建立的优化流程图；
[0075]
图5(a)-5(c)分别是本发明需要的光伏、ev、hv数据图；
[0076]
图6是本发明的优化的pareto集图；
[0077]
图7(a)-7(d)分别是本发明优化结果对应的功率、氢气量、soc、sohc能力平衡图。
具体实施方式
[0078]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0079]
本发明提出一种光氢储综合充电站设备容量配置方法，使得综合充电站具备一定的自主供能能力，且可以同时为电动汽车和氢燃料电动汽车服务。参照图1，方法包括以下步骤：
[0080]
步骤1：构建光氢储综合充电站系统，对综合充电站内需配置的各设备进行建模。
[0081]
(1-1)构建光氢储综合充电站系统。
[0082]
在本发明实施方式中，综合充电站系统主要由光伏阵列、蓄电池储能、电解槽、储氢罐、燃料电池、变换器等设备器件组成，其中电解槽、储氢罐、燃料电池组成氢储能系统。变换器包括dc-dc变换器(用于光伏发电供给符合和储能)以及dc-ac变换器(用于光伏发电上网)。充电站是并入电网的，站内有电、氢两种能量流动。此站能同时为电动汽车和氢燃料电动汽车提供服务。电动汽车由电网、光伏、燃料电池、蓄电池提供需求。氢燃料电动汽车需求由储氢罐和备用氢提供。
[0083]
(1-2)建立综合充电站各设备模型。
[0084]
光伏发电是一种利用光生伏打效应将太阳光辐射转化为电能的过程，具有清洁，无污染，可再生的优势。光伏出力功率跟多种因素有关，但主要考虑光照强度和环境温度。在本发明实施方式中，光伏出力模型如下：
[0085][0086]
其中是g
t
太阳光照强度，tc是环境温度。g
stc
和t
stc
标准条件下的光照强度和温度。p
pv-stc
是由供应商给出的光伏的额定功率。
[0087]
储能电池的荷电状态(state of charge，soc)与(t-1)时段的荷电量、(t-1，t)时段储能电池的充放电量以及每小时的电量衰减量都有关，其荷电状态模型如下式：
[0088][0089]
其中eb是储能的额定容量，pb是储能的充放电功率，η是储能的运行电效率，δt时间步长为1小时。
[0090]
氢储能系统由电解槽、储氢罐、燃料电池组成。光伏发电通过电解槽电解产生氢气，氢气存入储氢罐，储氢罐内的氢气可以提供氢燃料电动汽车用户氢气，也可以通过燃料电池再发电为电动汽车用户提供电能。氢储能系统有两种作用，一方面为氢燃料电动汽车提供氢需求，另一方面蓄电池的所建电解槽-储氢罐-燃料电池模型与蓄电池储能的作用相同。
[0091]
电解槽模型如下：
[0092]hwe
＝p
we
η
we
/hhv
ꢀꢀꢀ
(3)
[0093]
其中p
we
是光伏发电用于制氢的输出功率，η
we
是电解槽的工作效率，hhv是电氢能量转化系数。
[0094]
电解槽和燃料电池的工作相互独立，与蓄电池不同，可以进行同时充放氢，结合氢燃料电动汽车需求，综合建模。储氢罐的每个时间段存放氢气容量模型如下：
[0095]
h(t)＝h(t-1) h
we
(t-1)-h
l
(t-1)-h
fc
(t-1)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0096]
其中h为储氢罐含氢量，h
we
、h
fc
分别是提供给氢燃料电动汽车和燃料电池的氢量。初始时刻储氢罐的容量不为零。h
l
是氢燃料电动汽车用户的需要的氢气量。
[0097]
燃料电池模型如下：
[0098]
p
fc
＝h
fc
η
fc
hhv
ꢀꢀꢀ
(5)
[0099]
其中p
fc
是燃烧氢气产生电量的输出功率，η
fc
是燃料电池的工作效率。
[0100]
步骤2：基于综合充电站各个设备间能量流动配合关系，设计综合充电站的能量流动策略。
[0101]
综合充电站的能量流动策略影响各个设备间的出力。本发明实施方式中针对服务的电动汽车和氢燃料电动汽车需求的差额制定四种运行策略，在每个时段t内确定蓄电池和氢储能系统的工作情况。如图2所示为综合充电站的四种流动策略，具体如下：
[0102]
a、满足电动汽车和氢燃料电动汽车需求，光伏发电的剩余功率依次对蓄电池充电，电解槽电解储氢，最后余电上网。
[0103]
b、满足电动汽车需求，氢燃料电动汽车需求存在缺额，光伏发电剩余的功率首先用于电解槽电解储氢，在用于蓄电池充电，氢燃料电动汽车依然缺额，用购置的备用氢补充。
[0104]
c、满足氢燃料电动汽车需求，电动汽车需求存在缺额，蓄电池、燃料电池一次放电为电动汽车提供需求，最后由电网补充。
[0105]
d、电动汽车和氢燃料电动汽车需求都存在缺额，电动汽车需求由蓄电池先放电，电网再补充功率缺额。氢燃料电动汽车需求用购置的备用氢补充。
[0106]
图3示出了能量流动具体流程图，参照图2和图3，能量流动的策略大致如下：读取气象数据，获取光伏输出功率p
pv
，判断光伏输出功率p
pv
是否大于每时段电动汽车用户的电负荷需求p
l
，令dp＝p
pv-p
l
，若dp》0，则进入到a或b策略分支，若dp《0，则进入到c或d策略分支；再判断储氢罐含氢量h是否大于氢燃料电动汽车用户的需要的氢气量h
l
，当dp》0且h-h
l
＞0时，实施a策略，当dp》0且h-h
l
＜0时，实施b策略；当dp《0且h-h
l
＞0时，实施c策略，当dp《0且h-h
l
＜0时，实施d策略。
[0107]
进一步地，a策略具体方法如下：首先判断dp是否大于蓄电池容量p
ba
，若大于则为储能充电，否则判断dp是否小于蓄电池容量p
ba
和电解槽容量p
we
之和，若p
ba
＜dp＜p
ba
p
we
，则为储能充电，同时电解槽制氢；若dp＜p
ba
p
we
，则为储能充电，同时电解槽制氢，并且余电上网。
[0108]
b策略具体方法如下：首先判断dp是否小于电解槽容量p
we
，若小于则电解槽制氢，否则判断dp是否小于蓄电池容量p
ba
和电解槽容量p
we
之和，若p
we
＜dp＜p
ba
p
we
，则电解槽制氢，同时为储能充电；若dp＞p
ba
p
we
，则电解槽制氢，同时为储能充电，并且余电上网。若电解槽制氢量不满足氢需求的差额，则购氢。
[0109]
c策略具体方法如下：由于dp《0，因此以绝对值|dp|加以表示。首先判断|dp|是否小于蓄电池容量p
ba
，若小于则储能放电，否则判断|dp|是否小于蓄电池容量p
ba
和燃料电池容量p
fc
之和，若p
ba
＜|dp|＜p
ba
p
fc
，则储能放电，同时燃料电池放电；若|dp|＞p
ba
p
fc
，则储能放电，燃料电池放电，同时从电网购电。
[0110]
d策略具体方法如下：首先判断|dp|是否小于蓄电池容量p
ba
，若小于则储能放电并购氢，否则判断|dp|是否大于蓄电池容量p
ba
，若p
ba
＜|dp|，则储能放电并购氢，同时从电网购电。
[0111]
步骤3：在能量平衡、元件约束、电网约束等约束下，建立以综合充电站的年运行成本和自主运行能力为目标的优化设备配置模型。
[0112]
目标1：综合充电站年运行成本最小：
[0113]
minf1＝(c1 c2)crf c
3-c4ꢀꢀꢀ
(6)
[0114]
c1＝p
pvepv
p
baeba
p
weewe
p
fcefc
hehꢀꢀꢀ
(7)
[0115]
c2＝c1k
ꢀꢀꢀ
(8)
[0116][0117][0118][0119]
其中c1、c2、c3、c4分别是设备购买成本、设备维护成本、综合充电站运行成本以及上网收益。crf是各设备的年化系数。p
pv
、p
ba
、p
we
、p
fc
分别为光伏、蓄电池、电解槽、燃料电池的装机容量。h为储氢罐的容量。e
pv
、e
ba
、e
we
、e
fc
、e
h1
分别为对应设备的单价。k是设备的维护成本。r为实际年利率，y为设备运行年限。eh、e
gi
、e
go
分别是备用购氢、电网购电和余电上网价格。hg、p
gi
、p
go
分别是各时段备用购氢气量、电网购电功率和余电上网功率。
[0120]
目标2：综合充电站的自主运行能力，及购电和备用购氢气量占比。
[0121][0122][0123]
minf2和minf3均为比值，比值越小，从电网购电越少，从外面购买的备用氢气也越少，靠自生运行的能力越强。t是一年的总时段8760。p
l
(t)是t时段电动汽车用户的电负荷需求。
[0124]
约束1：综合充电站系统的电功率和氢气量交换应时刻保持平衡。
[0125]
p
l
＝p
pv
p
we
p
ba
p
fc
pgꢀꢀꢀ
(14)
[0126]hl
＝h hg h
we-h
fc
ꢀꢀꢀ
(15)
[0127]
约束2：变压器存在容量限制，电网向综合充电站有供电功率约束。
[0128]
pg≤p
gmax
ꢀꢀꢀ
(16)
[0129]
p
gmax
是电网供充电站的最大功率，即电网接到充电站的变压器功率限制。
[0130]
约束3：蓄电池的过充过放会影响它的使用寿命，所以它的荷电状态soc应该在合理的约束范围内。
[0131]
soc
min
≤soc(t)≤soc
max
ꢀꢀꢀ
(17)
[0132]
soc
max
和soc
min
分别表示蓄电池储能的功率上下限。
[0133]
步骤4：基于matlab编程，采用nsga-ii算法和模糊综合评价对最优设备容量优化。
[0134]
图4示出了本发明实施方式中采用的nsga-ii和内嵌四种运行策略的优化流程，具体步骤如下：
[0135]
步骤401：输入综合充电站基本数据，设置nsga-ii初始参数和决策变量上下限。
[0136]
步骤402：随机初始化规模大小为n种群。
[0137]
步骤403：计算目标函数适应度值，
[0138]
步骤404：对种群的个体进行非支配排序，按目标函数对个体优劣分层。
[0139]
步骤405：计算个体的虚拟适应度值，即拥挤度值。
[0140]
步骤406：按轮赛制选择每层的个体。并对选中个体进行交叉变异，采用sbx交叉和正态变异算子，进行交叉变异操作，形成新的同样大小的子代种群。
[0141]
步骤407：合并父代和新形成的子代种群，对合并的种群进行非支配排序，筛选前n个个体形成新的种群。
[0142]
步骤408：判断迭代次数，满足要求即终止迭代，输出pareto前沿，反之，重复步骤403，直到进化次数满足设计的数，输出结果。c表示迭代到多少次，cmax是最大迭代次数。
[0143]
步骤409：使用模糊隶属度函数计算每个pareto解的隶属度，隶属度最高的优化方案即为最终确定的方案。
[0144]
其中，模糊综合评价的隶属度函数选择，优化目标越小越好，选择偏小型的梯形型分布。
[0145][0146]
为第n个目标函数的第m个非劣解的函数值，第n个目标函数的第m个非劣解的隶属度。分别为pareto解的最大、最小解。
[0147]
下面通过一个示例验证本发明方法的有效性。本实施例的数据如下所示：
[0148]
对某地已建成运营的充电站进行容量配置，建立光氢储综合充电站。选取该地区光照强度数据和两类新能源汽车的日需求为数据。将综合充电站运营一年作为周期，计算综合充电站设备投资，运营成本和购能占比。具体光照强度和ev、hv需求参数分别如图5(a)-5(c)所示。
[0149]
分布式光伏上网价格参考有关部门发布的“关于2020年光伏发电上网电价政策有关事项的通知”，配网购电实时电价0.7962元/kwh，氢市场价格35元/kg。综合充电站各设备参数如下表。
[0150]
表1.设备参数表
[0151][0152]
在matlab环境下，根据本发明的方法对综合充电站设备优化配置模型进行仿真优化。本实施例验证结果表明，本发明的方法能够降低综合充电站运营成本，提高自主供给能力。仿真得到的pareto解集如图6所示。采用模糊综合评价获得最优配置的电量和氢量平衡，如图7(a)-7(d)所示。
[0153]
由图6可知综合充电站的优化配置最优解分布在pareto前沿面上，体现了解的多样性和分布均匀性。可以分优化配置提供多种优化方案。同时各个目标之间存在非支配关系。如果降低综合充电站站的运营成本将会增加综合充电站从电网购电以及备用购氢的占比，减小了综合充电站站的自主运行能力。因此在需要综合权衡每个优化目标所考虑的因素，做出客观决策。
[0154]
从各设备的运行结果图可以得出，优化配置的结果能够使综合充电站有效的运营。由图7(a)可知，在1至6时段，电动汽车主要由蓄电池储能、氢储能系统供电以及电网补充供电。7至17时段，光照充足。光伏出力在满足电动汽车需求前提下，为蓄电供电和电解水制氢。18至24时段，主要由蓄电池和电网为电动汽车供电。由图7(b)可知凌晨以及夜间时段，主要由储氢罐剩氢和购买的备用氢为氢燃料汽车提供需求。白天时段光伏出力电解制氢，在除去燃料电池的消耗的氢，净氢量能够满足需求，还能在储氢罐剩余氢为夜间时段提供需求。图7(c)和图7(d)体现蓄电池和储氢罐一天的工作状态。
[0155]
本发明还提供了一种光氢储综合充电站设备容量配置装置，包括：
[0156]
综合充电站系统模型构建模块，建立能够同时为电动汽车和氢燃料电动汽车提供服务的包括光伏、储能电池和氢储能系统的综合充电站系统模型；
[0157]
能量流动策略确定模块，根据综合充电站系统模型，基于综合充电站各个设备间能量流动配合关系确定综合充电站的能量流动策略；
[0158]
容量配置优化模型建立模块，根据能量流动策略，基于能量平衡约束、元件约束、电网供电功率约束，建立以综合充电站的年运行成本和自主运行能力为目标的设备容量配置优化模型；
[0159]
容量配置方案求解模块，采用nsga-ii算法和模糊综合评价对设备容量配置优化
模型进行求解，确定综合充电站设备的容量配置方案。
[0160]
应理解，本发明实施例中的光氢储综合充电站设备容量配置装置可以实现上述方法实施例中的全部技术方案，其各个功能模块的功能可以根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可参照上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。
[0161]
本发明还提供一种计算机设备，包括：
[0162]
一个或多个处理器；
[0163]
存储器；以及
[0164]
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的光氢储综合充电站设备容量配置方法的步骤。
[0165]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的光氢储综合充电站设备容量配置方法的步骤。
[0166]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。