CN113946981A - 一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统，涉及水电制氢技术领域，其技术方案要点是：确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点；建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案；对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。本发明可用于指导水电制氢设备的选址和定容，帮助制定合理的制氢发展规划，使得制氢负荷的接入效益高，且在满足电网安全稳定约束。

Description

一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统

技术领域

本发明涉及水电制氢技术领域，更具体地说，它涉及一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统。

背景技术

氢能作为洁净的二次能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，在工业领域与交通领域具有非常好的应用前景，是人类能源发展的战略方向。为推动氢能发展，国家已经出台一系列政策鼓励推进氢能源发展，可以预期，未来电网将有大量的制氢负荷接入。特别是在西南部分省份，利用富余水电制氢，将电能转化为氢能将是消纳弃水能源的一种新颖的可行解决方案。

然而，由于氢能的生产、运输成本较高，不合理的容量配置和选址将影响制氢效益，另一方面，大规模的制氢负荷接入电网将会给电网安全稳定带来一定影响。如何在经济性、安全性等约束条件下，选择适应电源和电网特性的制氢设备容量和选址成为未来水电制氢行业发展急需解决的问题，目前尚无相关公开报导。

因此，研究设计一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法及系统，用于指导水电制氢设备的选址和定容，帮助制定合理的制氢发展规划，在满足电网安全稳定约束的条件下，提升制氢行产业经济效益。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，包括以下步骤：

确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点；

建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案；

对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。

进一步的，所述水电制氢负荷优化选址定容模型具体为：

(1)目标函数：

其中，J表示c_dev为每千瓦电解制氢设备的固定投资，元/kW；P_opt为拟规划的电解制氢的总容量，kW，一般为电网中总弃水电量P_loss的一定比例；(P/A,ε,n)为年金现值系数，P表示现值、A表示年金、n表示规划年、ε表示年利率；T为制氢设备每年可利用时长，小时，按照每年丰水期5月-11月考虑，T＝5136h；h_g、h_l分别表示采用气氢、液氢运输方式运输的氢气质量，kg/h；h_g,ij、h_l,ij分别表示采用气氢、液氢运输方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间的运输的氢气质量，kg/h；c_g,ij、c_l,ij分别表示采用气氢、液氢运行方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间运输单位氢气质量的成本，元/kg；c_s、c_l分别为在电源侧制氢和负荷侧制氢的电价成本，元/kWh；P_S,i表示第i个电源侧站点的制氢功率；P_L,i表示第j个负荷侧站点的制氢功率；c_H2为销售高纯氢销售收益，元/kg；η_g、η_l分别表示采用气氢、液氢损耗后的运氢效率；η为制氢效率，LHV_H2为氢气的低位热值，

表示功率P_L,i得到的制氢量，kg；N_s表示电源侧备选点的数量；N_L表示负荷侧备选点的数量；

(2)考虑的约束条件为以下的一种或多种组合：

各选址点所装电解池总容量约束；

某一源侧选址点所装电解池制得氢气总量等于该选址点通过气氢/液氢储运方式送出各线路上氢气之和；

某一城市所需氢气总量等于考虑运输损耗下源址/荷址所制氢气总量乘以预设比例，预设比例根据该城市人口占全省总人口的比例确定；

第i个电源侧站点电解池装机容量约束，以及第i负荷侧站点电解池装机容量约束；

各弃水点最大增发指令约束；

交流线路有功功率增量约束。

进一步的，所述各选址点所装电解池总容量约束的计算公式具体为：

∑(P_S+P_L)＝P_opt

其中，PS表示电源侧站点的制氢功率；PL表示负荷侧站点的制氢功率。

进一步的，所述某一源侧选址点所装电解池制得氢气总量等于该选址点通过气氢/液氢储运方式送出各线路上氢气之和的计算公式具体为：

进一步的，所述某一城市所需氢气总量等于考虑运输损耗下源址/荷址所制氢气总量乘以预设比例的计算公式具体为：

其中，K_k表示城市k对应的预设比例。

进一步的，所述第i个电源侧站点电解池装机容量约束的计算公式具体为：

其中，

为i个电源侧站点最大容量，P_T,i为该站点变电站容量，P_cap,i为该站点水电装机容量；

以及，第i负荷侧站点电解池装机容量约束的计算公式具体为：

其中，

为i个负荷侧站点最大容量，P_T,i为该站点变电站容量，P_load,i为该站点本地负荷容量。

进一步的，所述各弃水点最大增发指令约束的计算公式具体为：

0≤ΔP≤ΔP_max

ΔP_max＝min(1.2P_T-P₀,P_cap-P₀)

其中，ΔP_max为各弃水点最大运行增发指令，即各弃水点电解设备最大允许功率；P₀为各弃水点出力初值，由丰大潮流数据确定；P_T为变电站容量，P_cap为水电装机容量。

进一步的，所述交流线路有功功率增量约束的计算公式具体为：

-P_ij,max-|P_ij,0|≤ΔP_ij≤P_ij,max-|P_ij,0|

其中，ΔP_ij表示站点i站点j之间交流线路的有功功率增量；P_ij,max根据线路热稳极限确定；P_ij,0为潮流初值，由丰大潮流数据决定。

在考虑其他潮流约束后，设定消纳弃水电量的不同比例，即不同的电解制氢的总容量P_opt，对上述模型进行求解可以得到电解制氢设备的选址定容方法。

进一步的，所述水电制氢负荷选址定容方案的校核为稳态校核、暂态校核、生产模拟校核中的一种或多种组合。

第二方面，提供了一种水电制氢负荷接入电网的选址定容系统，包括：

选点模块，用于确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点；

模型模块，用于建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案；

校核模块，用于对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，可用于指导水电制氢设备的选址和定容，帮助制定合理的制氢发展规划，使得制氢负荷的接入效益高，且在满足电网安全稳定约束。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中的流程图；

图2是本发明实施例中的系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，如图1所示，下面以四川电网为例进行说明。

1、调研四川电网某年弃水数据，该年累计弃水电量达141.43亿度，去除国调等上级调度机构电厂弃水，剩余弃水电量总计108.28亿度，占总弃水电量76.55％，为水电制氢优化规划消纳弃水电量的最高百分比。以500kV变电站为单位汇总所属水电站的装机容量、年弃水电量数据，据此计算年弃水小时数，考虑到未来装电解池的设备利用率问题，将各变电站按照年弃水小时数从高到低进行排序。

2、结合四川电网安全稳定特性，重点进行静态安全分析、无功电压分析、水电通道送出安全性分析，可得到无功调节能力强、负荷较轻的500kV站点。

3、综合考虑电网安全运行约束、弃水情况，对水电制氢负荷进行选址，并结合水电通道分布和站点所在城市分布进行初步选址，可得到13个电源侧选址和17个负荷侧选址，如下所示：

电源侧(13个)：色尔古、茂县、南天、沐溪、丹巴、康定、新都桥、石棉、九龙、乡城、水洛、木里、百灵；

负荷侧(17个)：成都(广都)、绵阳(江油、富乐)、德阳(什邡、谭家湾)、达州(达州、宣汉)、乐山(嘉州)、眉山(彭祖)、广安(黄岩)、攀枝花(橄榄、会东、石板菁、甘泉)、遂宁(遂宁)、广元(昭化)、巴中(巴中)。

4、建立水电制氢负荷选址定容目标函数：

其中，c_dev为每千瓦电解制氢设备的固定投资，c_dev＝5000元/kW；P_opt为拟规划的电解制氢的总容量(kW)，一般为电网中总弃水电量P_loss的一定比例；(P/A,ε,n)为年金现值系数，规划期n＝10年，年利率ε＝5％，(P/A,ε,n)＝7.7217)；T为制氢设备每年可利用时长(小时)，按照每年丰水期5月-11月考虑，T＝5136h；h_g、h_l为待求解变量，分别表示采用气氢、液氢运输方式运输的氢气质量(kg/h)；h_g,ij、h_l,ij分别表示采用气氢、液氢运输方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间的运输的氢气质量(kg/h)；c_g,ij、c_l,ij分别表示采用气氢、液氢运行方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间运输单位氢气质量的成本(元/kg),c_g,ij＝0.046d_ij(元/kg),d_ij表示第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点之间的运输距离；c_l,ij＝0.008d_ij+4.5(元/kg)，4.5表示将氢气液化的成本(元/kg)；c_s、c_l分别为在电源侧制氢和负荷侧制氢的电价成本(元/kWh)，电源侧利用水电站富余电量制氢，目前没有正式文件说明电价核算规则。如果未来可实现这部分富余电量不上网直接制氢，则源侧电价c_s＝0，或者根据当地水电标杆上网电价定价，则电源侧电价在0.3元/kWh左右；根据四川省发改委文件，荷侧电价与四川省大工业用电平均电价保持一致，为c_e＝0.5元/kWh；P_S,i表示第i个电源侧站点的制氢功率，为待求解变量；P_L,i表示第j个负荷侧站点的制氢功率，为待求解变量；c_H2为销售高纯氢销售收益(元/kg)，c_H2＝60元MB/kg；η_g、η_l分别表示采用气氢、液氢损耗后的运氢效率，η_g＝0.98572-0.00057d_ij，η_l＝0.9935-0.00009d_ij；η为制氢效率，η＝60％，LHV_H2为氢气的低位热值，LHV_H2＝33.33kWh/kg，

代表功率P_L,i得到的制氢量(kg)。

5、考虑约束条件后，对上述目标函数进行优化求解可以得到以下结果。需要说明的是，本实施例采用了上述所有的约束条件，根据需要可以灵活选择其中一个或多个作为约束条件。此外，各个约束条件的计算公式仅仅为一种具体示例，还可以依据需要通过比例参数相乘、影响因子叠加等方式进行调整。

以规划消纳70％弃水电量为例，可得到不同电源侧电价对选址结果的影响，如表1所示。

表1四种源侧电价下目标函数各部分成本对比

从表1可以看出，随着源侧电价增加，电解池设备最优选址由源侧向荷侧移动，导致交通运输费用逐渐降低，尤其是在源侧电价为0.312元/kWh时，电解池最优选址全部集中在荷侧，交通运输费用为零；同时电价成本逐渐增加，氢气销售收入逐渐增加，这是由于随着电解池在源侧布点的减少，氢气运输过程中的损耗伴随减少。从净收入指标来看，随着源侧电价增加，净收入逐渐降低，说明电源侧制氢较荷侧制氢更具有经济效益。

假设电源侧制氢电价为0，对比不同规划消纳弃水电量百分比下的优化结果，如表2所示：

表2单位容量净收益随规划消纳弃水电量百分比变化规律

由表中数据可得，在上述电解池最优装机总容量优化方法及水电制氢负荷选址定容优化方法下，得到单位容量净收益基本保持恒定。因此考虑总收益的情况下，在规划消纳弃水电量百分比为70％时，规划的经济效益最好。此时选址定容结果如表3所示。

表3水电制氢负荷选址定容结果

接下来将针对这一规划消纳弃水电量百分比的选址定容结果进行进一步的校核。

6、将得到的选址定容结果配置在电网分析计算模型中，进行静态稳定校核、暂态稳定校核以及小干扰稳定校核，对部分加重线路潮流的站点负荷进行使得调整后满足安全稳定校核要求。

7.对得到的方案进行随机生产模拟校核，用以对未来规划方案的适应性进行校核。采用等效电量函数法进行求解，计算电力系统电能成本分析，计算电量不足期望(EENS)和电力不足概率(LOLP)，如表4所示。

表4水电制氢负荷投入前后LOLP与EENS计算结果

	LOLP	EENS(kWh)
			水电制氢负荷接入前	1.93％	529718
水电制氢负荷接入后	1.87％	522324

由表4所示，在水电制氢负荷接入后，由于新增开机3064MW带来新增发电量，电力不足概率与电量不足期望均有所减小。该方案校核通过，得到优化方案。

需要说明的是，弃水情况调研和安全分析可以采用大数据采集与分析方式进行处理。也可以建议数据库直接进行数据调用。

总之，本发明给出了水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，可用于指导水电制氢设备的选址和定容，帮助制定合理的制氢发展规划，使得制氢负荷的接入效益高，且在满足电网安全稳定约束。

实施例2：一种水电制氢负荷接入电网的选址定容系统，如图2所示，包括选点模块、模型模块和校核模块。

其中，选点模块，用于确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点。模型模块，用于建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案。校核模块，用于对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。

需要说明的是，电源侧备选点为经过调研后弃水较多的站点，共有N_s个；负荷侧备选点为负荷较轻、电压支撑能力较强的站点，共有N_L个。具体是选择可以通过设置阈值进行筛选。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (10)

1.一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，包括以下步骤：

确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点；

建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案；

对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。

2.根据权利要求1所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述水电制氢负荷优化选址定容模型具体为：

(1)目标函数：

其中，J表示c_dev为每千瓦电解制氢设备的固定投资，元/kW；P_opt为拟规划的电解制氢的总容量，kW，一般为电网中总弃水电量P_loss的一定比例；(P/A,ε,n)为年金现值系数，P表示现值、A表示年金、n表示规划年、ε表示年利率；T为制氢设备每年可利用时长，小时，按照每年丰水期5月-11月考虑，T＝5136h；h_g、h_l分别表示采用气氢、液氢运输方式运输的氢气质量，kg/h；h_g,ij、h_l,ij分别表示采用气氢、液氢运输方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间的运输的氢气质量，kg/h；c_g,ij、c_l,ij分别表示采用气氢、液氢运行方式时，第i个电源侧站点到第j个负荷侧站点间运输单位氢气质量的成本，元/kg；c_s、c_l分别为在电源侧制氢和负荷侧制氢的电价成本，元/kWh；P_S,i表示第i个电源侧站点的制氢功率；P_L,i表示第j个负荷侧站点的制氢功率；c_H2为销售高纯氢销售收益，元/kg；η_g、η_l分别表示采用气氢、液氢损耗后的运氢效率；η为制氢效率，LHV_H2为氢气的低位热值，

表示功率P_L,i得到的制氢量，kg；N_s表示电源侧备选点的数量；N_L表示负荷侧备选点的数量；

(2)考虑的约束条件为以下的一种或多种组合：

各选址点所装电解池总容量约束；

某一源侧选址点所装电解池制得氢气总量等于该选址点通过气氢/液氢储运方式送出各线路上氢气之和；

某一城市所需氢气总量等于考虑运输损耗下源址/荷址所制氢气总量乘以预设比例，预设比例根据该城市人口占全省总人口的比例确定；

第i个电源侧站点电解池装机容量约束，以及第i负荷侧站点电解池装机容量约束；

各弃水点最大增发指令约束；

交流线路有功功率增量约束。

3.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述各选址点所装电解池总容量约束的计算公式具体为：

Σ(P_S+P_L)＝P_opt

其中，P_S表示电源侧站点的制氢功率；P_L表示负荷侧站点的制氢功率。

4.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述某一源侧选址点所装电解池制得氢气总量等于该选址点通过气氢/液氢储运方式送出各线路上氢气之和的计算公式具体为：

5.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述某一城市所需氢气总量等于考虑运输损耗下源址/荷址所制氢气总量乘以预设比例的计算公式具体为：

其中，K_k表示城市k对应的预设比例。

6.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述第i个电源侧站点电解池装机容量约束的计算公式具体为：

其中，

为i个电源侧站点最大容量，P_T,i为该站点变电站容量，P_cap,i为该站点水电装机容量；

以及，第i负荷侧站点电解池装机容量约束的计算公式具体为：

其中，

为i个负荷侧站点最大容量，P_T,i为该站点变电站容量，P_load,i为该站点本地负荷容量。

7.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述各弃水点最大增发指令约束的计算公式具体为：

0≤ΔP≤ΔP_max

ΔP_max＝min(1.2P_T-P₀,P_cap-P₀)

其中，ΔP_max为各弃水点最大运行增发指令，即各弃水点电解设备最大允许功率；P₀为各弃水点出力初值，由丰大潮流数据确定；P_T为变电站容量，P_cap为水电装机容量。

8.根据权利要求2所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述交流线路有功功率增量约束的计算公式具体为：

-P_ij,max-|P_ij,0|≤ΔP_ij≤P_ij,max-|P_ij,0|

其中，ΔP_ij表示站点i站点j之间交流线路的有功功率增量；P_ij,max根据线路热稳极限确定；P_ij,0为潮流初值，由丰大潮流数据决定。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种水电制氢负荷接入电网的选址定容方法，其特征是，所述水电制氢负荷选址定容方案的校核为稳态校核、暂态校核、生产模拟校核中的一种或多种组合。

10.一种水电制氢负荷接入电网的选址定容系统，其特征是，包括：

选点模块，用于确定水电制氢负荷备选点，水电制氢负荷备选点包括电源侧备选点和负荷侧备选点；

模型模块，用于建立水电制氢负荷优化选址定容模型，并计算得到可行的水电制氢负荷选址定容方案；

校核模块，用于对水电制氢负荷选址定容方案进行校核，得到最终优化方案。

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