CN108206547A - 风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，以风氢耦合发电系统的社会效益最大和风电外送功率平抑合格率最大为目标，建立风氢耦合发电系统各单元容量优化模型，求解风氢耦合发电系统外送输电容量、电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量及燃料电池功率。本发明能有效平抑风电场出力的波动，促进风电友好并网，同时联合优化，有利于整个工程社会效益的提升，能全局优化各单元的容量配置。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法。
背景技术
风电的间歇性导致风电场输出功率大幅度波动，将影响电网的电能质量(如电压波动、闪变、频率不稳定等)、调峰和备用容量，降低调度计划的可执行性，使得电网无法接纳风电场的输出功率，导致大量弃风。为了平稳风电波动，降低弃风概率，一些风电场采用“风火打捆”、“风储联合外送”、“风氢耦合发电”等方法。目前，对“风氢耦合发电”运行研究主要集中在经济可行性及技术方面，如氢系统和燃料电池的成本、效率，风资源不确定性等对耦合发电系统经济性的影响；技术方面主要是整个系统的构成、各类设备工作原理以及合适的设备类型。另外，一些研究成果也从经济性角度涉及对氢系统和燃料电池容量的配置。众所周知，风电场一般远离负荷中心，需要建设配套的远距离输电工程，将电能输送到负荷中心消纳，如果单考虑氢系统和燃料系统的容量配置，则有效的外送输电容量规划难以实现，或者太大而降低耦合系统经济性，或者太小造成严重的弃风。因为无论从经济性角度还是风电平稳化角度来看，风氢耦合发电系统外送输电容量、制氢系统以及燃料电池容量规划是一个有机的整体，单独规划不利于风氢系统各单元的协调，难以充分发挥系统中各“成员”的优势，不利于资源的优化配置。
现有的风氢耦合系统没有对其外送输电容量、氢系统及燃料电池功率配置联合优化，致使一个有机整体的可再生能源利用工程难以达到社会效益的最优化，也不利于风电的友好并网。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种综合考虑社会效益和平抑性的风氢耦合发电系统外送输电容量、氢系统容量(电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量)及燃料电池功率配置联合优化的方法，兼顾风氢耦合系统社会效益的同时，也对风电功率进行平抑，减少风电并网对电网运行的负面影响，为风电的有效利用提供一种新思路，有利于能源互联网的实施。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，包括：
步骤S1：获取风电场出力时间序列；
步骤S2：以风氢耦合发电系统的社会效益最大和风电外送功率平抑合格率为目标，建立风氢耦合发电系统各单元容量优化模型，所述最大效益目标包括输电工程输电收益、售氢收益、风电场建设成本及运行维护成本、外送输电工程建设成本及运行维护成本、电解槽功率配置成本及运行维护成本、燃料电池功率配置成本及运行维护成本、压缩机配置成本及运行维护成本和氢气存储设备成本及运行维护成本，所述风氢耦合发电系统各单元容量包括风电并网输电容量、氢系统配置容量和燃料电池容量；
步骤S3：求解风氢耦合发电系统各单元容量，得到最优风氢耦合发电系统外送输电容量、电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量及燃料电池功率。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：用费用等年值法计算风电场建设成本cWF，数学函数表述如下：
其中，nw表示风电场的风机数量；cw,one表示风电场单台风机成本；r表示贴现率；yw表示风机寿命；
用费用等年值法计算外送输电工程建设成本、电解槽功率配置成本、燃料电池功率配置成本、压缩机配置成本和氢气存储设备配置成本，数学函数表述如下：
其中，cL1、cL2、cPEM、cFC、cCOM和cSTO分别表示单位长度单位容量输电工程成本、风电场升压变电站单位容量成本、电解槽单位功率成本、燃料电池单位功率成本、压缩机单位功率成本和氢气存储设备单位容量成本；FT表示风电场升压变电站固定成本；PL、PPEM和PFC分别表示外送输电工程容量、电解槽功率和燃料电池功率；PCOM表示压缩机功率；VSTO表示氢气存储设备的存储容量，y1，y2，...，y6分别表示输电工程、风电场升压变电站、电解槽、燃料电池、压缩机和氢气存储设备的寿命。
风氢耦合发电系统一年销售电能ES和弃风电能EC表述如下：
其中，Δt为采样周期,表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合发电系统外送功率,T表示一年的样本数量；
第k个采样点的弃风功率用数学函数表述如下：
其中，表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合系统外送功率；Pw(k)表示第k个采样点风电场的实际出力，
风氢耦合发电系统社会效益的目标为：
maxf＝ρwES+ρhmh-[CWF+CL(PL)+CP(PPEM)+CF(PFC)+CC(PCOM)+CS(VSTO)+δ1CWF+δ2CL(PL)+δ3CP(PPEM)+δ4CF(PFC)+δ5CC(VCOM)+δ6CS(VSTO)]其中，ρw为电能的价格，ρh为氢气的价格，mh为制氢的质量，δ1～δ6是相关设备的运行维护成本；
步骤S22：利用制氢系统和燃料电池系统对风电场外送功率进行平抑，以减小风电波动对电力系统的冲击，以每10min外送功率变化量是否超过风电场总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，数学函数表述如下：
其中，p表示风氢耦合发电系统外送功率的波动合格率；Sk表示风氢耦合发电系统外送功率在第k个采样点的值相对前一个采样点的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；表示燃料电池出力在第k个采样点的值；ζ表示风氢耦合发电系统外送功率前后采样点值允许波动率；
步骤S23：约束条件包括功率平衡约束、风电转化为氢气的能耗平衡约束、氢气转化为电能的能耗平衡约束和氢气储量平衡约束。
进一步地，所述步骤S23具体包括：
每个时段功率平衡约束，数学函数表述如下：
其中，Ph(k)表示第k个采样点用于制氢消耗的风电功率；
风电转化为氢气的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，ηetg表示电转气的效率；HHHV表示氢气高位热值；ηCOM表示压缩机的效率；ηPEM表示电解槽的制氢效率；Vh(k)表示储存氢气的体积；
氢气转化为电能的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示燃料电池消耗的氢气体积，ηgte表示气转电的效率；
氢气储量平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示出售氢气的体积；
风氢耦合发电系统外送风电功率不高于外送输电工程容量，数学函数表述如下：
与现有技术相比，本发明具有有益效果：
(1)本发明综合考虑风电场耦合氢储能发电的经济性以及制氢系统和燃料电池对风电场外送出力的平抑作用，合理配置外送输电容量、电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量及燃料电池功率配置，能有效平抑风电场出力的波动，促进风电友好并网；
(2)送出工程、制氢系统和燃料电池容量的联合优化，有利于整个工程社会效益的提升，能全局优化各单元的容量配置；
(3)通过电解水制氢储能，可减少弃风，所制氢用于化学工业及氢能汽车，进一步推动绿色环保汽车行业的发展。
附图说明
图1是本发明风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，包括：
步骤S1：获取风电场的历史风速数据，采样频率为每10分钟采样一次。由于风资源具有年际稳定性，可以作为规划风电场未来年的风速资源。根据风电场规划装机容量以及风速和风电机组出力的关系，获得风电场出力时序数据，形成风电场出力时间序列；
步骤S2：以风氢耦合发电系统的社会效益最大和风电外送功率平抑合格率为目标，建立风氢耦合发电系统各单元容量优化模型，所述最大效益目标包括输电工程输电收益、售氢收益、风电场建设成本及运行维护成本、外送输电工程建设成本及运行维护成本、电解槽功率配置成本及运行维护成本、燃料电池功率配置成本及运行维护成本、压缩机配置成本及运行维护成本和氢气存储设备成本及运行维护成本，所述风氢耦合发电系统各单元容量包括风电并网输电容量、氢系统配置容量和燃料电池容量；
步骤S3：求解风氢耦合发电系统各单元容量，得到最优风氢耦合发电系统外送输电容量、电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量及燃料电池功率。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：用费用等年值法计算风电场建设成本cWF，数学函数表述如下：
其中，nw表示风电场的风机数量；cw,one表示风电场单台风机成本；r表示贴现率；yw表示风机寿命；
用费用等年值法计算外送输电工程建设成本、电解槽功率配置成本、燃料电池功率配置成本、压缩机配置成本和氢气存储设备配置成本，数学函数表述如下：
其中，cL1(元/km/MW)、cL2(元/MW)、cPEM(元/MW)、cFC(元/MW)、cCOM(元/MW)和cSTO(元/m3)分别表示单位长度单位容量输电工程成本、风电场升压变电站单位容量成本、电解槽单位功率成本、燃料电池单位功率成本、压缩机单位功率成本和氢气存储设备单位容量成本；FT表示风电场升压变电站固定成本；PL、PPEM和PFC(MW)分别表示外送输电工程容量、电解槽功率和燃料电池功率；
PCOM(MW)表示压缩机功率；VSTO(m3)表示氢气存储设备的存储容量，PCOM和VSTO都依赖PPEM，y1，y2，...，y6分别表示输电工程、风电场升压变电站、电解槽、燃料电池、压缩机和氢气存储设备的寿命。
风氢耦合发电系统一年销售电能ES和弃风电能EC表述如下：
其中，Δt为采样周期,表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合发电系统外送功率,T表示一年的样本数量；
第k个采样点的弃风功率用数学函数表述如下：
其中，表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合系统外送功率；Pw(k)表示第k个采样点风电场的实际出力，
风氢耦合发电系统社会效益的目标为：
maxf＝ρwES+ρhmh-[CWF+CL(PL)+CP(PPEM)+CF(PFC)+CC(PCOM)+CS(VSTO)+δ1CWF+δ2CL(PL)+δ3CP(PPEM)+δ4CF(PFC)+δ5CC(VCOM)+δ6CS(VSTO)]其中，ρw(元/MW)为电能的价格，ρh(元/kg)为氢气的价格，mh(kg)为制氢的质量，δ1～δ6是相关设备的运行维护成本；
步骤S22：利用制氢系统和燃料电池系统对风电场外送功率进行平抑，以减小风电波动对电力系统的冲击，以每10min外送功率变化量是否超过风电场总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，数学函数表述如下：
其中，p表示风氢耦合发电系统外送功率的波动合格率；Sk表示风氢耦合发电系统外送功率在第k个采样点的值相对前一个采样点的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；表示燃料电池出力在第k个采样点的值；ζ表示风氢耦合发电系统外送功率前后采样点值允许波动率；
步骤S23：约束条件包括功率平衡约束、风电转化为氢气的能耗平衡约束、氢气转化为电能的能耗平衡约束和氢气储量平衡约束。
在本实施例中，所述步骤S23具体包括：
每个时段功率平衡约束，数学函数表述如下：
其中，Ph(k)表示第k个采样点用于制氢消耗的风电功率；
风电转化为氢气的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，ηetg表示电转气的效率；HHHV表示氢气高位热值(3044kcal/Nm3)；ηCOM表示压缩机的效率；ηPEM表示电解槽的制氢效率；Vh(k)表示储存氢气的体积(Nm3)；
氢气转化为电能的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示燃料电池消耗的氢气体积(Nm3)，ηgte表示气转电的效率；
氢气储量平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示出售氢气的体积；
风氢耦合发电系统外送风电功率不高于外送输电工程容量，数学函数表述如下：
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取风电场出力时间序列；
步骤S2：以风氢耦合发电系统的社会效益最大和风电外送功率平抑合格率为目标，建立风氢耦合发电系统各单元容量优化模型，所述最大效益目标包括输电工程输电收益、售氢收益、风电场建设成本及运行维护成本、外送输电工程建设成本及运行维护成本、电解槽功率配置成本及运行维护成本、燃料电池功率配置成本及运行维护成本、压缩机配置成本及运行维护成本和氢气存储设备成本及运行维护成本，所述风氢耦合发电系统各单元容量包括风电并网输电容量、氢系统配置容量和燃料电池容量；
步骤S3：求解风氢耦合发电系统各单元容量，得到最优风氢耦合发电系统外送输电容量、电解槽功率、压缩机功率、氢气存储设备容量及燃料电池功率。
2.根据权利要求1所述的风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤S21：用费用等年值法计算风电场建设成本cWF，数学函数表述如下：
其中，nw表示风电场的风机数量；cw,one表示风电场单台风机成本；r表示贴现率；yw表示风机寿命；
用费用等年值法计算外送输电工程建设成本、电解槽功率配置成本、燃料电池功率配置成本、压缩机配置成本和氢气存储设备配置成本，数学函数表述如下：
其中，cL1、cL2、cPEM、cFC、cCOM和cSTO分别表示单位长度单位容量输电工程成本、风电场升压变电站单位容量成本、电解槽单位功率成本、燃料电池单位功率成本、压缩机单位功率成本和氢气存储设备单位容量成本；FT表示风电场升压变电站固定成本；PL、PPEM和PFC分别表示外送输电工程容量、电解槽功率和燃料电池功率；PCOM表示压缩机功率；VSTO表示氢气存储设备的存储容量，y1，y2，...，y6分别表示输电工程、风电场升压变电站、电解槽、燃料电池、压缩机和氢气存储设备的寿命；
风氢耦合发电系统一年销售电能ES和弃风电能EC表述如下：
其中，Δt为采样周期,表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合发电系统外送功率,T表示一年的样本数量；
第k个采样点的弃风功率用数学函数表述如下：
其中，表示第k个采样点电网能接纳的风氢耦合系统外送功率；Pw(k)表示第k个采样点风电场的实际出力，
风氢耦合发电系统社会效益的目标为：
maxf＝ρwES+ρhmh-[CWF+CL(PL)+CP(PPEM)+CF(PFC)+CC(PCOM)+CS(VSTO)+δ1CWF+δ2CL(PL)+δ3CP(PPEM)+δ4CF(PFC)+δ5CC(VCOM)+δ6CS(VSTO)]
其中，ρw为电能的价格，ρh为氢气的价格，mh为制氢的质量，δ1～δ6是相关设备的运行维护成本；
步骤S22：利用制氢系统和燃料电池系统对风电场外送功率进行平抑，以减小风电波动对电力系统的冲击，以每10min外送功率变化量是否超过风电场总装机容量的ζ倍作为波动合格的指标，并以此波动合格率最大为目标函数，数学函数表述如下：
其中，p表示风氢耦合发电系统外送功率的波动合格率；Sk表示风氢耦合发电系统外送功率在第k个采样点的值相对前一个采样点的波动量是否合格，1表示合格，0表示不合格；表示燃料电池出力在第k个采样点的值；ζ表示风氢耦合发电系统外送功率前后采样点值允许波动率；
步骤S23：约束条件包括功率平衡约束、风电转化为氢气的能耗平衡约束、氢气转化为电能的能耗平衡约束和氢气储量平衡约束。
3.根据权利要求2所述的风氢耦合发电系统各单元容量优化的方法，其特征在于，所述步骤S23具体包括：
每个时段功率平衡约束，数学函数表述如下：
其中，Ph(k)表示第k个采样点用于制氢消耗的风电功率；
风电转化为氢气的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，ηetg表示电转气的效率；HHHV表示氢气高位热值；ηCOM表示压缩机的效率；ηPEM表示电解槽的制氢效率；Vh(k)表示储存氢气的体积；
氢气转化为电能的能耗平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示燃料电池消耗的氢气体积，ηgte表示气转电的效率；
氢气储量平衡约束，数学函数表述如下：
其中，表示出售氢气的体积；
风氢耦合发电系统外送风电功率不高于外送输电工程容量，数学函数表述如下：
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