CN113364049B - 一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑交通流量捕获的风‑氢‑电网耦合规划方法。首先，依据氢燃料汽车在交通网络中的加氢逻辑规则，引入网络扩展技术增加初始交通网络的节点和弧，进而形成扩展交通网络；其次，同时考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建以系统成本最小化为目标函数的考虑交通流量捕获的风‑氢‑电网耦合规划模型；最后，通过Cplex求解所提的混合整数二阶锥模型，得到制氢加氢站和风电场的规划优化方案，包括规模确定、运行策略和位置布局。

Description

一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别是一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法。
背景技术
近年来，氢燃料汽车成为各大汽车厂商关注的焦点，使得其数量蓬勃增长。可是，氢燃料汽车的快速扩张仍然面临着诸多的挑战。氢基础设施数量的严重不足被认为是一个关键的因素，因为这会影响车主加氢的便利性，降低氢燃料汽车对潜在消费者的吸引力。为解决这一问题，除了政府政策的持续大力支持外，优化制氢加氢站的运行和规划也是一项重要的举措。
假使制氢加氢站电解水的能量来自于电网，那么其生产会对电力系统的运行状态产生影响，当规划不合理时，可能引发诸如节点电压越限和线路电流越限等诸多问题，从而给电力系统的安全运行带来新的压力与挑战。此外，随着氢燃料汽车逐渐成为交通系统的重要组成部分，制氢加氢站的位置和容量也会影响氢燃料汽车车主的燃料补充行为和车辆的交通状况。可见，通过制氢加氢站这一媒介，电力系统与交通系统实现融合交互。考虑到氢燃料汽车与新能源结合可以降低碳排放、提高配网可靠性和延缓电网升级，因而有必要考虑制氢加氢站与可再生能源的结合。
现有的风-氢-电网耦合规划方法中鲜有考虑交通网络与电力网络的约束，同时涉及制氢加氢站与可再生能源的结合，从而实现整个系统规划与运行的有机融合。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法，通过制氢加氢站这一纽带有效地联结电力网络与交通网络，同时引入可再生能源风电，构建制氢加氢站、风电场与电力网络的联合规划模型，以更加符合实际地给出制氢加氢站的最优配置和运行策略以及风电场的最佳部署方案。
本发明采用以下方案实现：一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：确定风电场参数和制氢加氢站各个设备参数，获取交通网络数据和电力网络数据；
步骤S2：引入交通网络扩展技术，增加初始交通网络的节点和弧，形成扩展交通网络，用以保证氢燃料汽车在交通网的加氢逻辑规则得以满足；
步骤S3：以最小化系统成本为目标，考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型；
步骤S4：根据构建的风-氢-电网耦合规划模型，通过CPLEX求解式(1)-式(41)得到制氢加氢站的最优配置和运行策略以及风电场的最佳部署方案。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：针对任一段旅程/路径q，新增两个节点，包括其起点a之前的u节点和终点b之后的v节点，连接(u，a)和(b，v)且使得dq(u,a)＝dq(b,v)＝R，则扩展交通网络中路径q上的节点集合
其中，dq(u,a)为路径q上u节点与a节点之间的最短距离；R是氢燃料汽车在驶进和驶离交通网络前后需要继续行驶的距离；Nq是初始交通网络中路径q上的节点集合；
步骤S22：针对任一段旅程/路径q，如果路径q上e节点和f节点满足oq(e)＜oq(f)且dq(e,f)≤dHFV，连接e节点和f节点，则扩展交通网络中路径q上的弧集合
其中，oq(e)为路径q上e节点的排序索引；dHFV为氢燃料汽车的额定行驶里程；为初始交通网络中路径q上的弧集合；
步骤S23：当初始交通网络含有多条路径，重复执行步骤S21-步骤S22，得到一个扩展交通网络/>
其中，N和分别为初始交通网络和扩展交通网络的节点集合；/>和/>分别为初始交通网络和扩展交通网络的弧集合。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：计算制氢加氢站的等年值投资成本，包括固定的制氢加氢站新建成本和各个设备可变的投资成本；
式中，X1为制氢加氢站的等年值投资成本；i为候选制氢加氢站的索引；N为候选制氢加氢站的站点集合；c1为新建一座制氢加氢站的固定成本，包括土地租赁成本和设备维护费用；xi为二进制变量，当其值为1时表示在i节点建立制氢加氢站，否则为0；ξ1为制氢加氢站的资本回收系数，其中τ和T1分别为折现率和制氢加氢站运行规划期；ce、cc和ct分别为电解槽、压缩机和储氢罐的单位额定功率/容量投资成本；和/>分别为i节点制氢加氢站的电解槽和压缩机额定功率，max(·)为最大值函数；/>为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量；cd为单位加氢机的购买费用；ni，disp为i号制氢加氢站安装的加氢机数量；
步骤S32：计算风电场的等年值投资成本，包含固定的风电场新建成本和对应设备可变的投资成本；
式中，X2为风电场的等年值投资成本；ξ2为风电场的资本回收系数，其中T2为风电场的运行规划期；l为配网的节点索引；Μ为配网的节点集合；c2为新建一座风电场的固定成本；xl为二进制变量，当其值为1时表示在l节点接入风电场，否则为0；cw为风电场单位功率的投资成本；/>为节点l风电场的额定功率；
步骤S33：计算与制氢加氢站有关的输电线路和变电站的配网升级费用；
式中，X3为配网的升级费用；ξ3为输电线路和变电站的资本回收系数，其中T3为输电线路和变电站的运行规划期；c3为输电线路单位距离和单位传输功率的投资成本；di,line为i号交通节点到邻近配网节点的距离；Pi,line为i号交通节点到邻近配网节点线路的最大传输功率；Δt为时间间隔，取为1小时；csub为变电站单位容量的扩容成本；Pi,sub为i号变电站的扩容容量；
步骤S34：计算整个配网的新增电力购买费用；
式中，X4为配网的新增电力购买费用；t为一天内小时数的索引；d为一年内天数的索引；T为一天之内的小时集合；D为一年之内的天数集合；为d天t时的电价；/>为制氢加氢站和风电场新建后配网与上级电网在d天t时的交换功率，P0为未规划风电场和制氢加氢站前配网和上级电网的交换功率；
步骤S35：构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型，包括系统成本最小化的目标函数和预设约束。
进一步地，所述系统成本最小化的目标函数表示为：
obj＝X1+X2+X3+X4 (5)
式中，obj为最小化系统成本的目标函数值。
进一步地，所述预设约束包括交通网络约束、电力网络约束、电-交网络的耦合约束、风电场约束、制氢加氢站约束和输电线路和变电站约束。
进一步地，所述交通网络约束为：
式中，为初始交通网络两点间的最短路径集合；/>为d天t时路径q上通过弧(i,j)的交通流量比例；uq和vq分别为路径q虚拟的出发点和目的地；/>为氢燃料汽车每次加氢时的燃料补给需求；fq,t,d为d天t时路径q上的交通流量；/>为通过i节点的路径集合；f(i,j)为节点i与节点j之间的虚拟交通流量值；Wi和Wj分别为节点i与节点j的权值；d(i,j)为节点i与节点j之间的距离；/>为d天t时节点i与节点j之间的实际交通流量，其值与fq,t,d相等，此时路径q为节点i与节点j之间的最短路径；/>表示该区域总的交通流量在一天内各个时段的分布；/>为该区域d天交通网络总的交通流量；/>为i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；N+为正整数集合；
式(6)给出交通流量平衡约束，当i节点为起始节点时，该节点只有流出交通流量其和为1；同理，当i节点为终端节点时，该节点只有流入交通流量/>其和亦为1；而当i节点位于路径/旅程q的中间节点时，该节点的流出交通流量等于流入交通流量；式(7)说明交通流量为非负数；式(8)表示仅当xi为1时，某一/>才有可能大于0，也就是说仅当制氢加氢站位于某一节点时，氢燃料汽车才允许在该节点加氢；式(9)说明i节点制氢加氢站s的供氢服务能力，其通过捕获路径/旅程q的氢燃料汽车在i节点制氢加氢站加氢的数量/>进而确定该站实际的加氢量；式(10)基于节点的权值和节点间的距离，给出节点间的虚拟交通流量值；式(11)则考虑节点间的虚拟交通流量值在总虚拟交通流量值的占比，确定节点间的实际交通流量值；式(12)限制了i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；式(13)定义i节点制氢加氢站安装的加氢机数量ni,disp为正整数和制氢加氢站的位置选择变量xi为二进制变量。
进一步地，所述电力网络约束为：
式中，k,q为配网的节点索引；φ(l)为配网中末端节点为l的支路对应的首端节点集合；/>为配网中首端节点为l的支路对应的末端节点集合；/>和/>分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的有功功率；/>和/>分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的无功功率；Rkl和Xkl分别为kl支路的电阻和电抗；/>和/>分别为l节点d天t时负荷的等效有功和无功功率；/>为kl支路d天t时流过的电流；和/>分别为k节点和l节点d天t时的电压；||·||2为向量的二范数；/>和/>分别为k节点允许的最小电压和最大电压；/>和/>分别为kl支路允许的最小电流和最大电流；
式(14)表明流入kl支路首端的有功功率减去kl支路的有功功率损耗等于流入lq支路首端的有功功率加上l节点负荷的等效有功功率；同理，配网的无功功率平衡见式(15)；式(16)为配网中相邻节点的电压平衡约束；式(17)为有关支路电压、电流和功率的二阶锥松弛约束；式(18)和式(19)防止配网节点电压和支路电流超出限值。
进一步地，所述电-交网络的耦合约束为：
式中，为交通网中i节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；/>为电力网中l节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；Ml为与电力网l节点相连的HPRSs的站点集合；/>为l节点风电场d天t时的风电实际出力；/>和/>分别为电力网中l节点初始负荷有功和无功功率；
式(20)说明单个HPRSs消耗的有功功率为生产和压缩氢气所需的有功功率；式(21)计算了配网中每个节点所连HPRSs消耗的有功功率之和；式(22)给出配网各个节点负荷等效有功功率的计算式子；式(23)表明HPRSs和风电场的功率因素为1，忽略了无功功率的消耗或产生；
进一步地，所述风电场约束为：
式中，为l节点风电场d天t时的风电预测出力；/>为该区域d天t时风电场预测出力的标幺值；/>和/>分别为l节点风电场装机容量的下限和上限；Nwind和/>分别为整个配网中建立的风电场数量和风电场装机容量总和；
式(24)给出位于配网各个节点的风电场的风电预测出力；式(25)和式(26)分别限制了各个风电场实际出力与装机容量的范围；式(27)和式(28)确定了配网系统的风电场数量和总装机容量。
进一步地，所述制氢加氢站约束为：
式中，为i号制氢加氢站d天t时电解槽制取氢气所消耗的电功率；HH为氢气的高热值；/>为i号制氢加氢站d天t时电解槽的氢气生产率；ηelec为电解槽的能源效率；为i号制氢加氢站d天t时压缩机压缩氢气所消耗的电功率；/>为i号制氢加氢站d天t时流入压缩机的氢气量；/>为压缩机在参考工作压力下的有功功率消耗率；βcomp为压缩机的正常工作压力；β0为标准大气压力；/>为压缩机的参考工作压力；γcomp为从电解槽到压缩机的氢气耗散率；/>和/>分别为i号制氢加氢站d天t时和t+1时储氢罐的氢气储存量；/>为i号制氢加氢站d天t时的氢气需求量；/>为i号制氢加氢站d天t时流入储氢罐的氢气量；γtank为从压缩机到储氢罐的氢气耗散率；/>为单台加氢机一天的平均加氢量；Γi,elec为i节点制氢加氢站单位小时的最大制氢能力；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1和t＝24时段的储氢量；α为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1或t＝24时段的储氢量与其额定储氢容量的比值；Γi,elec 和/>分别为i节点制氢加氢站单位小时最大制氢能力的下限和上限；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量的下限和上限；
式(29)和式(30)分别为电解槽和压缩机消耗电功率的计算式；式(32)表明储氢罐每小时的氢气量等于储氢罐在当前时段的可用氢气量减去氢气需求的消耗量，同时加上流入储氢罐的氢气量；式(31)和式(33)考虑了氢气在设备间流动的耗散情况；式(34)给出i节点制氢加氢站安装的加氢机数量；式(35)和式(36)指出每个制氢加氢站的制氢能力和储氢水平需要位于其设备额定值之内；式(37)保证储氢罐每天初始时段和结束时段的储氢量保持不变，并严格等于额定储氢容量的一定比例；式(38)和式(39)分别规定了每个制氢加氢站单位小时的最大制氢能力和储氢罐的额定储氢容量的界限；
进一步地，所述输电线路和变电站约束为：
式中，为i号变电站剩余的可用容量；
式(40)指出输电线路的最大传输功率应超过HPRSs最大的电力需求；式(41)计算了i号变电站的扩容容量，特别地，当所需扩容容量低于剩余的可用容量时，变电站不需要扩容。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明考虑交通网络与电力网络的约束，同时涉及制氢加氢站与可再生能源的消纳，构建考虑交通流量捕获的电解水制氢加氢站、风电场与电网的联合规划模型。模型首次将制氢加氢站、风电场与电网相结合，实现三者规划与运行的有机融合，通过协调优化系统各元件的容量、数量、位置及运行策略得到制氢加氢站的最优配置和调度方案以及风电场的最佳部署，多个网络和多种元件耦合优化，所得的优化结果更加贴合实际，更加体现决策者的决策意愿。该方法为氢经济快速发展背景下电力-交通网的协同优化与规划分析提供了有效计算工具，具有一定的参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例的现场电解水制氢加氢站的氢气生产和消耗流程图。
图2为本发明实施例的含单条路径的初始交通网络示意图。
图3为本发明实施例的只含一条路径的扩展交通网络示意图。
图4为本发明实施例的25节点交通网络示意图。
图5为本发明实施例的IEEE33节点辐射状配网系统示意图。
图6为本发明实施例的风电场一天内典型预测出力标幺值。
图7为本发明实施例的全网氢燃料汽车氢需求量在一天内各个时段典型分布。
图8为本发明实施例的制氢加氢站在交通网络中的部署情况图。
图9为本发明实施例的制氢加氢站氢气总需求量、电解槽总制氢量、储氢罐总储氢量和该区域的峰谷分时电价。
图10为本发明实施例的制氢加氢站和风电场在配网中的接入位置及各个风电场的装机容量。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法，包括以下步骤：
步骤S1：确定风电场参数和制氢加氢站各个设备参数，获取交通网络数据和电力网络数据；为风-氢-电网耦合规划模型提供坚实数据支撑；
步骤S2：引入交通网络扩展技术，增加初始交通网络的节点和弧，形成扩展交通网络，用以保证氢燃料汽车在交通网的加氢逻辑规则得以满足；
步骤S3：以最小化系统成本为目标，考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型；
步骤S4：根据构建的风-氢-电网耦合规划模型，通过CPLEX求解式(1)-式(41)得到制氢加氢站的最优配置和运行策略以及风电场的最佳部署方案。
在本实施例中，制氢加氢站的部署和调度分别见图8和图9，风电场的部署见图10。需要指出的是规划者只需要调用cplex求解器求解所建模型即可得到响应方案。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：针对任一段旅程/路径q，新增两个节点，包括其起点a之前的u节点和终点b之后的v节点，连接(u，a)和(b，v)且使得dq(u,a)＝dq(b,v)＝R，则扩展交通网络中路径q上的节点集合
其中，dq(u,a)为路径q上u节点与a节点之间的最短距离；R是氢燃料汽车在驶进和驶离交通网络前后需要继续行驶的距离；Nq是初始交通网络中路径q上的节点集合；
步骤S21展示了加氢逻辑规则之在任一段旅程的起点和终点处，氢燃料汽车的储氢瓶应储存一定量的氢气；
步骤S22：针对任一段旅程/路径q，如果路径q上e节点和f节点满足oq(e)＜oq(f)且dq(e,f)≤dHFV，连接e节点和f节点，则扩展交通网络中路径q上的弧集合
其中，oq(e)为路径q上e节点的排序索引；dHFV为氢燃料汽车的额定行驶里程；为初始交通网络中路径q上的弧集合；
步骤S22满足了加氢逻辑规则之两个最近制氢加氢站之间的最短距离应小于氢燃料汽车的额定行驶里程；
步骤S23：当初始交通网络含有多条路径，重复执行步骤S21-步骤S22，得到一个扩展交通网络/>
其中，N和分别为初始交通网络和扩展交通网络的节点集合；/>和/>分别为初始交通网络和扩展交通网络的弧集合。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：计算制氢加氢站的等年值投资成本，包括固定的制氢加氢站新建成本和各个设备可变的投资成本；
式中，X1为制氢加氢站的等年值投资成本；i为候选制氢加氢站的索引；N为候选制氢加氢站的站点集合；c1为新建一座制氢加氢站的固定成本，包括土地租赁成本和设备维护费用；xi为二进制变量，当其值为1时表示在i节点建立制氢加氢站，否则为0；ξ1为制氢加氢站的资本回收系数，其中τ和T1分别为折现率和制氢加氢站运行规划期；ce、cc和ct分别为电解槽、压缩机和储氢罐的单位额定功率/容量投资成本；和/>分别为i节点制氢加氢站的电解槽和压缩机额定功率，max(·)为最大值函数；/>为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量；cd为单位加氢机的购买费用；ni，disp为i号制氢加氢站安装的加氢机数量；
步骤S32：计算风电场的等年值投资成本，包含固定的风电场新建成本和对应设备可变的投资成本；
式中，X2为风电场的等年值投资成本；ξ2为风电场的资本回收系数，其中T2为风电场的运行规划期；l为配网的节点索引；Μ为配网的节点集合；c2为新建一座风电场的固定成本；xl为二进制变量，当其值为1时表示在l节点接入风电场，否则为0；cw为风电场单位功率的投资成本；/>为节点l风电场的额定功率；
步骤S33：计算与制氢加氢站有关的输电线路和变电站的配网升级费用；
式中，X3为配网的升级费用；ξ3为输电线路和变电站的资本回收系数，其中T3为输电线路和变电站的运行规划期；c3为输电线路单位距离和单位传输功率的投资成本；di,line为i号交通节点到邻近配网节点的距离；Pi,line为i号交通节点到邻近配网节点线路的最大传输功率；Δt为时间间隔，取为1小时；csub为变电站单位容量的扩容成本；Pi,sub为i号变电站的扩容容量；
步骤S34：计算整个配网的新增电力购买费用；
式中，X4为配网的新增电力购买费用；t为一天内小时数的索引；d为一年内天数的索引；T为一天之内的小时集合；D为一年之内的天数集合；为d天t时的电价；/>为制氢加氢站和风电场新建后配网与上级电网在d天t时的交换功率，P0为未规划风电场和制氢加氢站前配网和上级电网的交换功率；
步骤S35：构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型，包括系统成本最小化的目标函数和预设约束。
在本实施例中，所述系统成本最小化的目标函数表示为：
obj＝X1+X2+X3+X4 (5)
式中，obj为最小化系统成本的目标函数值。
在本实施例中，所述预设约束包括交通网络约束、电力网络约束、电-交网络的耦合约束、风电场约束、制氢加氢站约束和输电线路和变电站约束。
在本实施例中，所述交通网络约束为：
式中，为初始交通网络两点间的最短路径集合；/>为d天t时路径q上通过弧(i,j)的交通流量比例；uq和vq分别为路径q虚拟的出发点和目的地；/>为氢燃料汽车每次加氢时的燃料补给需求；fq,t,d为d天t时路径q上的交通流量；/>为通过i节点的路径集合；f(i,j)为节点i与节点j之间的虚拟交通流量值；Wi和Wj分别为节点i与节点j的权值；d(i,j)为节点i与节点j之间的距离；/>为d天t时节点i与节点j之间的实际交通流量，其值与fq,t,d相等，此时路径q为节点i与节点j之间的最短路径；/>表示该区域总的交通流量在一天内各个时段的分布；/>为该区域d天交通网络总的交通流量；/>为i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；N+为正整数集合；
式(6)给出交通流量平衡约束，当i节点为起始节点时，该节点只有流出交通流量其和为1；同理，当i节点为终端节点时，该节点只有流入交通流量/>其和亦为1；而当i节点位于路径/旅程q的中间节点时，该节点的流出交通流量等于流入交通流量；式(7)说明交通流量为非负数；式(8)表示仅当xi为1时，某一/>才有可能大于0，也就是说仅当制氢加氢站位于某一节点时，氢燃料汽车才允许在该节点加氢；式(9)说明i节点制氢加氢站s的供氢服务能力，其通过捕获路径/旅程q的氢燃料汽车在i节点制氢加氢站加氢的数量/>进而确定该站实际的加氢量；式(10)基于节点的权值和节点间的距离，给出节点间的虚拟交通流量值；式(11)则考虑节点间的虚拟交通流量值在总虚拟交通流量值的占比，确定节点间的实际交通流量值；式(12)限制了i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；式(13)定义i节点制氢加氢站安装的加氢机数量ni,disp为正整数和制氢加氢站的位置选择变量xi为二进制变量。/>
在本实施例中，所述电力网络约束为：
式中，k,q为配网的节点索引；φ(l)为配网中末端节点为l的支路对应的首端节点集合；/>为配网中首端节点为l的支路对应的末端节点集合；/>和/>分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的有功功率；/>和/>分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的无功功率；Rkl和Xkl分别为kl支路的电阻和电抗；/>和/>分别为l节点d天t时负荷的等效有功和无功功率；/>为kl支路d天t时流过的电流；和/>分别为k节点和l节点d天t时的电压；||·||2为向量的二范数；/>和/>分别为k节点允许的最小电压和最大电压；/>和/>分别为kl支路允许的最小电流和最大电流；
式(14)表明流入kl支路首端的有功功率减去kl支路的有功功率损耗等于流入lq支路首端的有功功率加上l节点负荷的等效有功功率；同理，配网的无功功率平衡见式(15)；式(16)为配网中相邻节点的电压平衡约束；式(17)为有关支路电压、电流和功率的二阶锥松弛约束；式(18)和式(19)防止配网节点电压和支路电流超出限值。
在本实施例中，所述电-交网络的耦合约束为：
式中，为交通网中i节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；/>为电力网中l节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；Ml为与电力网l节点相连的HPRSs的站点集合；/>为l节点风电场d天t时的风电实际出力；/>和/>分别为电力网中l节点初始负荷有功和无功功率；
式(20)说明单个HPRSs消耗的有功功率为生产和压缩氢气所需的有功功率；式(21)计算了配网中每个节点所连HPRSs消耗的有功功率之和；式(22)给出配网各个节点负荷等效有功功率的计算式子；式(23)表明HPRSs和风电场的功率因素为1，忽略了无功功率的消耗或产生；
在本实施例中，所述风电场约束为：
式中，为l节点风电场d天t时的风电预测出力；/>为该区域d天t时风电场预测出力的标幺值；/>和/>分别为l节点风电场装机容量的下限和上限；Nwind和/>分别为整个配网中建立的风电场数量和风电场装机容量总和；
式(24)给出位于配网各个节点的风电场的风电预测出力；式(25)和式(26)分别限制了各个风电场实际出力与装机容量的范围；式(27)和式(28)确定了配网系统的风电场数量和总装机容量。
在本实施例中，所述制氢加氢站约束为：
式中，为i号制氢加氢站d天t时电解槽制取氢气所消耗的电功率；HH为氢气的高热值；/>为i号制氢加氢站d天t时电解槽的氢气生产率；ηelec为电解槽的能源效率；为i号制氢加氢站d天t时压缩机压缩氢气所消耗的电功率；/>为i号制氢加氢站d天t时流入压缩机的氢气量；/>为压缩机在参考工作压力下的有功功率消耗率；βcomp为压缩机的正常工作压力；β0为标准大气压力；/>为压缩机的参考工作压力；γcomp为从电解槽到压缩机的氢气耗散率；/>和/>分别为i号制氢加氢站d天t时和t+1时储氢罐的氢气储存量；/>为i号制氢加氢站d天t时的氢气需求量；/>为i号制氢加氢站d天t时流入储氢罐的氢气量；γtank为从压缩机到储氢罐的氢气耗散率；/>为单台加氢机一天的平均加氢量；Γi,elec为i节点制氢加氢站单位小时的最大制氢能力；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1和t＝24时段的储氢量；α为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1或t＝24时段的储氢量与其额定储氢容量的比值；Γi,elec 和/>分别为i节点制氢加氢站单位小时最大制氢能力的下限和上限；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量的下限和上限；
式(29)和式(30)分别为电解槽和压缩机消耗电功率的计算式；式(32)表明储氢罐每小时的氢气量等于储氢罐在当前时段的可用氢气量减去氢气需求的消耗量，同时加上流入储氢罐的氢气量；式(31)和式(33)考虑了氢气在设备间流动的耗散情况；式(34)给出i节点制氢加氢站安装的加氢机数量；式(35)和式(36)指出每个制氢加氢站的制氢能力和储氢水平需要位于其设备额定值之内；式(37)保证储氢罐每天初始时段和结束时段的储氢量保持不变，并严格等于额定储氢容量的一定比例；式(38)和式(39)分别规定了每个制氢加氢站单位小时的最大制氢能力和储氢罐的额定储氢容量的界限；
在本实施例中，所述输电线路和变电站约束：
式中，为i号变电站剩余的可用容量；
式(40)指出输电线路的最大传输功率应超过HPRSs最大的电力需求；式(41)计算了i号变电站的扩容容量，特别地，当所需扩容容量低于剩余的可用容量时，变电站不需要扩容。
较佳的，本实施例的具体实施方式如下：
首先，依据氢燃料汽车在交通网络中的加氢逻辑规则，引入网络扩展技术增加初始交通网络的节点和弧，进而形成扩展交通网络；其次，同时考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建以系统成本最小化为目标函数的考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型；最后，通过Cplex求解所提的混合整数二阶锥模型，得到制氢加氢站和风电场的规划优化方案，包括规模确定、运行策略和位置布局。
具体包括以下步骤：
步骤S1：确定风电场参数和制氢加氢站各个设备参数，获取交通网络数据和电力网络数据，为风-氢-电网耦合规划模型提供坚实数据支撑；
步骤S2：引入交通网络扩展技术，增加初始交通网络的节点和弧，形成扩展交通网络，保证氢燃料汽车在交通网的加氢逻辑规则得以满足；
步骤S3：以最小化系统成本为目标，考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型；
步骤S4：根据构建的风-氢-电网耦合规划模型，通过CPLEX求解得到制氢加氢站的最优配置和运行策略以及风电场的最佳部署方案。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：针对任一段旅程/路径q，新增两个节点，包括其起点a之前的u节点和终点b之后的v节点，连接(u，a)和(b，v)且使得dq(u,a)＝dq(b,v)＝R，则扩展交通网络中路径q上的节点集合
其中，dq(u,a)为路径q上u节点与a节点之间的最短距离；R是氢燃料汽车在驶进和驶离交通网络前后需要继续行驶的距离；Nq是初始交通网络中路径q上的节点集合；图2中，Nq＝{1,2,3,4}；图3中，
步骤S21展示了加氢逻辑规则之在任一段旅程的起点和终点处，氢燃料汽车的储氢瓶应储存一定量的氢气；
步骤S22：针对任一段旅程/路径q，如果路径q上e节点和f节点满足oq(e)＜oq(f)且dq(e,f)≤dHFV，连接e节点和f节点，则扩展交通网络中路径q上的弧集合
其中，oq(e)为路径q上e节点的排序索引；dHFV为氢燃料汽车的额定行驶里程；为初始交通网络中路径q上的弧集合；图2中，/>当dHFV＝200km时，图3中，
步骤S22满足了加氢逻辑规则之两个最近制氢加氢站之间的最短距离应小于氢燃料汽车的额定行驶里程；
步骤S23：当初始交通网络含有多条路径，重复执行步骤S21-S22，得到一个扩展交通网络/>
其中，N和分别为初始交通网络和扩展交通网络的节点集合；/>和/>分别为初始交通网络和扩展交通网络的弧集合。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：计算制氢加氢站的等年值投资成本，包括固定的制氢加氢站新建成本和各个设备可变的投资成本；
式中，X1为制氢加氢站的等年值投资成本；i为候选制氢加氢站的索引；N为候选制氢加氢站的站点集合；c1为新建一座制氢加氢站的固定成本，包括土地租赁成本和设备维护费用；xi为二进制变量，当其值为1时表示在i节点建立制氢加氢站，否则为0；ξ1为制氢加氢站的资本回收系数，其中τ和T1分别为折现率和制氢加氢站运行规划期；ce、cc和ct分别为电解槽、压缩机和储氢罐的单位额定功率/容量投资成本；和/>分别为i节点制氢加氢站的电解槽和压缩机额定功率，max(·)为最大值函数；/>为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量；cd为单位加氢机的购买费用；ni，disp为i号制氢加氢站安装的加氢机数量；
步骤S32：计算风电场的等年值投资成本，包含固定的风电场新建成本和对应设备可变的投资成本；
式中，X2为风电场的等年值投资成本；ξ2为风电场的资本回收系数，其值计算方法同ξ1；l为配网的节点索引；Μ为配网的节点集合；c2为新建一座风电场的固定成本；xl为二进制变量，当其值为1时表示在l节点接入风电场，否则为0；cw为风电场单位功率的投资成本；为节点l风电场的额定功率；
步骤S33：计算与制氢加氢站有关的输电线路和变电站的配网升级费用；
式中，X3为配网的升级费用；ξ3为输电线路和变电站的资本回收系数，其值计算方法同ξ1；c3为输电线路单位距离和单位传输功率的投资成本；di,line为i号交通节点到邻近配网节点的距离；Pi,line为i号交通节点到邻近配网节点线路的最大传输功率；Δt为时间间隔，本实施例取为1小时；csub为变电站单位容量的扩容成本；Pi,sub为i号变电站的扩容容量；
步骤S34：计算整个配网的新增电力购买费用；
式中，X4为配网的新增电力购买费用；t为一天内小时数的索引；d为一年内天数的索引；T为一天之内的小时集合；D为一年之内的天数集合；为d天t时的电价；/>为制氢加氢站和风电场新建后配网与上级电网在d天t时的交换功率，P0为未规划风电场和制氢加氢站前配网和上级电网的交换功率；
步骤S35：构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型，包括系统成本最小化的目标函数和预设约束。
本发明实施例的25节点交通网络示意图见图4，图中圆圈内的数字代表节点编号，相邻两点间的数字为对应节点间的距离，每单位距离表示10km，节点边的小数是各个节点的权值。假设该区域交通网络总的交通流量为20000辆氢燃料汽车/天。IEEE33节点辐射状配电网络示意图如图5所示，图中候选制氢加氢站所连节点为电-交网络的耦合位置，详细的节点耦合关系见表1。另外，配网的节点电压约束为/>和/>支路电流的上下限值分别为支路额定电流的1.2倍和0。该区域各个时段的电价见表2。此外，输电线路的长度为新建制氢加氢站的位置到最近电-交耦合节点距离的10％。本实施例假设各个配网节点都是风电场的候选位置，而且无需布置新的输电线路，风电场可直接接入对应配网节点。图6为风电场一天内典型预测出力标幺值/>全网氢燃料汽车氢需求量在一天内各个时段的典型分布/>见图7。本实施例的其余参数如表3所示。
本实施例优化的结果见表4。从表4可知，25节点的交通网络需要新建8座制氢加氢站。图8展示了制氢加氢站在交通网络中的部署情况，括号内的三个数字依次序地分别代表相关制氢加氢站的电解槽制氢能力、储氢罐储氢容量和加氢机数量。从图中可知，各个制氢加氢站的设备规格不一，且分散地分布在整个交通网络。
图9为本实施例一天内各个时段新建制氢加氢站的氢气总需求量、电解槽总制氢量、储氢罐总储氢量和各个时段的电价。由图中不难看出，制氢加氢站的氢气需求量集中在8点到20点。氢气需求的变化趋势则与图7的氢气需求时间序列一致。此外，制氢加氢站的氢气产量快速地响应峰谷分时电价的变化。氢气需求与供给的不匹配导致储氢罐的储氢量很快在8：00时刻到达高峰，接近额定值。然后，因氢气需求量增大，氢气产量下降，储氢罐的储氢量急剧下降，在22：00到达低谷。不过，在此后的三个小时内，储氢量很快就回到初始值。
本实施例各个风电场的选址位置和装机容量如图10所示，从图中可知，风电场大多位于配网线路末端。这是由于在配网线路末端接入风电场有利于提高配网线路末端的电压水平，防止末端节点电压低于规定的限值。此外，相比于前端节点，可以在末端节点安装更大装机容量的风电场，从而降低更多的新增电力购买费用。
表1电-交网络的节点耦合关系
表2电网的峰谷分时电价
表3本实施例的其余参数
/>
表4本实施例优化结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：确定风电场参数和制氢加氢站各个设备参数，获取交通网络数据和电力网络数据；
步骤S2：引入交通网络扩展技术，增加初始交通网络的节点和弧，形成扩展交通网络，用以保证氢燃料汽车在交通网的加氢逻辑规则得以满足；
步骤S3：以最小化系统成本为目标，考虑交通网络约束、电力网络约束和设备运行约束，构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型；
步骤S4：根据构建的风-氢-电网耦合规划模型，通过CPLEX求解式(1)-式(41)得到制氢加氢站的最优配置和运行策略以及风电场的最佳部署方案；
其中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：针对任一段路径q，新增两个节点，包括其起点a之前的u节点和终点b之后的v节点，连接(u，a)和(b，v)且使得dq(u,a)＝dq(b,v)＝R，则扩展交通网络中路径q上的节点集合
其中，dq(u,a)为路径q上u节点与a节点之间的最短距离；R是氢燃料汽车在驶进和驶离交通网络前后需要继续行驶的距离；Nq是初始交通网络中路径q上的节点集合；
步骤S22：针对任一段路径q，如果路径q上e节点和f节点满足oq(e)＜oq(f)且dq(e,f)≤dHFV，连接e节点和f节点，则扩展交通网络中路径q上的弧集合
其中，oq(e)为路径q上e节点的排序索引；dHFV为氢燃料汽车的额定行驶里程；为初始交通网络中路径q上的弧集合；
步骤S23：当初始交通网络含有多条路径，重复执行步骤S21-步骤S22，得到一个扩展交通网络/>
其中，N和分别为初始交通网络和扩展交通网络的节点集合；/>和/>分别为初始交通网络和扩展交通网络的弧集合；
其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：计算制氢加氢站的等年值投资成本，包括固定的制氢加氢站新建成本和各个设备可变的投资成本；
式(1)中，X1为制氢加氢站的等年值投资成本；i为候选制氢加氢站的索引；c1为新建一座制氢加氢站的固定成本，包括土地租赁成本和设备维护费用；xi为二进制变量，当其值为1时表示在i节点建立制氢加氢站，否则为0；ξ1为制氢加氢站的资本回收系数，其中τ和T1分别为折现率和制氢加氢站运行规划期；ce、cc和ct分别为电解槽、压缩机和储氢罐的单位额定功率/容量投资成本；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的电解槽和压缩机额定功率，max(·)为最大值函数；/>为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量；cd为单位加氢机的购买费用；ni，disp为i号制氢加氢站安装的加氢机数量；
步骤S32：计算风电场的等年值投资成本，包含固定的风电场新建成本和对应设备可变的投资成本；
式(2)中，X2为风电场的等年值投资成本；ξ2为风电场的资本回收系数，其中T2为风电场的运行规划期；l为配网的节点索引；Μ为配网的节点集合；c2为新建一座风电场的固定成本；xl为二进制变量，当其值为l时表示在l节点接入风电场，否则为0；cw为风电场单位功率的投资成本；/>为节点l风电场的额定功率；
步骤S33：计算与制氢加氢站有关的输电线路和变电站的配网升级费用；
式(3)中，X3为配网的升级费用；ξ3为输电线路和变电站的资本回收系数，其中T3为输电线路和变电站的运行规划期；c3为输电线路单位距离和单位传输功率的投资成本；di,line为i号交通节点到邻近配网节点的距离；Pi,line为i号交通节点到邻近配网节点线路的最大传输功率；Δt为时间间隔，取为1小时；csub为变电站单位容量的扩容成本；Pi,sub为i号变电站的扩容容量；
步骤S34：计算整个配网的新增电力购买费用；
式(4)中，X4为配网的新增电力购买费用；t为一天内小时数的索引；d为一年内天数的索引；T为一天之内的小时集合；D为一年之内的天数集合；为d天t时的电价；/>为制氢加氢站和风电场新建后配网与上级电网在d天t时的交换功率，P0为未规划风电场和制氢加氢站前配网和上级电网的交换功率；
步骤S35：构建考虑交通流量捕获的风-氢-电网耦合规划模型，包括系统成本最小化的目标函数和预设约束；
其中，所述系统成本最小化的目标函数表示为：
obj＝X1+X2+X3+X4 (5)；
式(5)中，obj为最小化系统成本的目标函数值；
所述预设约束包括交通网络约束、电力网络约束、电-交网络的耦合约束、风电场约束、制氢加氢站约束和输电线路和变电站约束；
所述交通网络约束为：
式中，为初始交通网络两点间的最短路径集合；/>为d天t时路径q上通过弧(i,j)的交通流量比例；uq和vq分别为路径q虚拟的出发点和目的地；ζ为氢燃料汽车每次加氢时的燃料补给需求；fq,t,d为d天t时路径q上的交通流量；/>为通过i节点的路径集合；f(i,j)为节点i与节点j之间的虚拟交通流量值；Wi和Wj分别为节点i与节点j的权值；d(i,j)为节点i与节点j之间的距离；/>为d天t时节点i与节点j之间的实际交通流量，其值与fq,t,d相等，此时路径q为节点i与节点j之间的最短路径；/>表示区域总的交通流量在一天内各个时段的分布；/>为该区域d天交通网络总的交通流量；/>为i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；N+为正整数集合；
式(6)给出交通流量平衡约束，当i节点为起始节点时，该节点只有流出交通流量其和为1；同理，当i节点为终端节点时，该节点只有流入交通流量/>其和亦为1；而当i节点位于路径q的中间节点时，该节点的流出交通流量等于流入交通流量；式(7)说明交通流量为非负数；式(8)表示仅当xi为1时，某一/>才有可能大于0，也就是说仅当制氢加氢站位于某一节点时，氢燃料汽车才允许在该节点加氢；式(9)说明i节点制氢加氢站的供氢服务能力，其通过捕获路径q的氢燃料汽车在i节点制氢加氢站加氢的数量进而确定该制氢加氢站实际的加氢量；式(10)基于节点的权值和节点间的距离，给出节点间的虚拟交通流量值；式(11)则考虑节点间的虚拟交通流量值在总虚拟交通流量值的占比，确定节点间的实际交通流量值；式(12)限制了i节点制氢加氢站所能安装的最大加氢机数量；式(13)定义i节点制氢加氢站安装的加氢机数量ni,disp为正整数和制氢加氢站的位置选择变量xi为二进制变量；
所述电力网络约束为：
式中，k,q为配网的节点索引； 为配网中末端节点为l的支路对应的首端节点集合；/>为配网中首端节点为l的支路对应的末端节点集合；/>和/>分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的有功功率；/>和分别为kl支路和lq支路d天t时首端流入的无功功率；Rkl和Xkl分别为kl支路的电阻和电抗；/>和/>分别为l节点d天t时负荷的等效有功和无功功率；/>为kl支路d天t时流过的电流；/>和/>分别为k节点和l节点d天t时的电压；||·||2为向量的二范数；/>和分别为k节点允许的最小电压和最大电压；/>和/>分别为kl支路允许的最小电流和最大电流；
式(14)表明流入kl支路首端的有功功率减去kl支路的有功功率损耗等于流入lq支路首端的有功功率加上l节点负荷的等效有功功率；同理，配网的无功功率平衡见式(15)；式(16)为配网中相邻节点的电压平衡约束；式(17)为有关支路电压、电流和功率的二阶锥松弛约束；式(18)和式(19)防止配网节点电压和支路电流超出限值；
所述电-交网络的耦合约束为：
式中，为交通网中i节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；/>为电力网中l节点HPRSs d天t时消耗的有功功率；Ml为与电力网l节点相连的HPRSs的站点集合；/>为l节点风电场d天t时的风电实际出力；/>和/>分别为电力网中l节点初始负荷有功和无功功率；
式(20)说明单个HPRSs消耗的有功功率为生产和压缩氢气所需的有功功率；式(21)计算了配网中每个节点所连HPRSs消耗的有功功率之和；式(22)给出配网各个节点负荷等效有功功率的计算式子；式(23)表明HPRSs和风电场的功率因素为1，忽略了无功功率的消耗或产生；
所述风电场约束为：
式中，为l节点风电场d天t时的风电预测出力；/>为区域d天t时风电场预测出力的标幺值；/>和/>分别为l节点风电场装机容量的下限和上限；Nwind和/>分别为整个配网中建立的风电场数量和风电场装机容量总和；
式(24)给出位于配网各个节点的风电场的风电预测出力；式(25)和式(26)分别限制了各个风电场实际出力与装机容量的范围；式(27)和式(28)确定了配网系统的风电场数量和总装机容量；
所述制氢加氢站约束为：
式中，为i号制氢加氢站d天t时电解槽制取氢气所消耗的电功率；HH为氢气的高热值；/>为i号制氢加氢站d天t时电解槽的氢气生产率；ηelec为电解槽的能源效率；/>为i号制氢加氢站d天t时压缩机压缩氢气所消耗的电功率；/>为i号制氢加氢站d天t时流入压缩机的氢气量；/>为压缩机在参考工作压力下的有功功率消耗率；βcomp为压缩机的正常工作压力；β0为标准大气压力；/>为压缩机的参考工作压力；γcomp为从电解槽到压缩机的氢气耗散率；/>和/>分别为i号制氢加氢站d天t时和t+1时储氢罐的氢气储存量；为i号制氢加氢站d天t时的氢气需求量；/>为i号制氢加氢站d天t时流入储氢罐的氢气量；γtank为从压缩机到储氢罐的氢气耗散率；/>为单台加氢机一天的平均加氢量；Γi,elec为i节点制氢加氢站单位小时的最大制氢能力；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1和t＝24时段的储氢量；α为i节点制氢加氢站的储氢罐在t＝1或t＝24时段的储氢量与其额定储氢容量的比值；/>和/>分别为i节点制氢加氢站单位小时最大制氢能力的下限和上限；/>和/>分别为i节点制氢加氢站的储氢罐额定储氢容量的下限和上限；
式(29)和式(30)分别为电解槽和压缩机消耗电功率的计算式；式(32)表明储氢罐每小时的氢气量等于储氢罐在当前时段的可用氢气量减去氢气需求的消耗量，同时加上流入储氢罐的氢气量；式(31)和式(33)考虑了氢气在设备间流动的耗散情况；式(34)给出i节点制氢加氢站安装的加氢机数量；式(35)和式(36)指出每个制氢加氢站的制氢能力和储氢水平需要位于其设备额定值之内；式(37)保证储氢罐每天初始时段和结束时段的储氢量保持不变，并严格等于额定储氢容量的一定比例；式(38)和式(39)分别规定了每个制氢加氢站单位小时的最大制氢能力和储氢罐的额定储氢容量的界限；
所述输电线路和变电站约束为：
式中，为i号变电站剩余的可用容量；
式(40)指出输电线路的最大传输功率应超过HPRSs最大的电力需求；式(41)计算了i号变电站的扩容容量，当所需扩容容量低于剩余的可用容量时，变电站不需要扩容。
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