CN114156868B - 一种考虑电氢协调的微网调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法。所述方法包括以下步骤：获取微网系统中的数据；形成电氢协调调度计划；计算分析依据调度计划调度后微网系统的功率平衡情况；依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，修正可再生能源机组出力或削减负荷以实现微网系统的功率平衡，完成微网电氢协调调度。本发明通过可再生能源发电和向上级配电网购低价电降低电解制氢的用电成本，提高了微网经济性的同时实现了可再生能源机组并网的缓冲，且作为简单逻辑准则可简单快速地布置到微网中，同时方便后续维护，利于工程实现。

Description

一种考虑电氢协调的微网调度方法
技术领域
本发明涉及多能协调调度领域，尤其涉及一种考虑电氢协调的微网调度方法。
背景技术
随着我国为实现“碳达峰，碳中和”目标而不断优化能源结构，提高可再生能源的比例，可再生能源机组数量正在不断提高，但由于可再生能源机组出力的不连续性和不确定性，若直接接入现有电网结构将会对电网稳定性造成强烈的冲击，故将可再生能源作为微网的能量来源，经过微网内部协调进行就地消纳再接入电网，实现缓冲式的能量交互将是未来能源行业探索的重点方向之一。
近年来有不少国内外学者提出将不确定性较强的可再生能源通过电解水的形式以氢和氨形式储存起来，一方面实现能源的固化和可控，另一方面取代只能进行短期能量存储的电储能形式采用可长期存储的化学储能形式，在更大的时间尺度上实现能量的平衡。综上，配置有可再生能源机组、电储能装置、制氢装置在内的微网系统将是未来微网的发展形式之一，故在此系统基础上如何实现多种能量的协调调度转化将是这一领域的技术关键点。
现有国内外研究对于考虑低碳制氢的微网系统的多能协调调度策略研究较少，且调度方法如发明《一种电-氢多能互补直流微电网协调调度方法》(CN201910686893.2)均是考虑通过运筹学以调度成本最低为目标确定各设备的出力情况，但一方面已有调度方法未考虑在电力现货市场的情况下，微网能够购买电网低价电制氢以提高经济性，另一方面调度结果需要更新计算，会出现算力不足导致复杂调度情况下无法及时求得调度结果的情况，因此现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑电氢协调的微网调度方法，通过设置简单的逻辑准则实现各设备实现多种能源形式的转换，并且在电力现货市场环境下，微网能够购买电网低价电制氢以缓解低价时段大电网供需不平衡，同时通过低价电制高价氢提高微网经济性，另外通过逻辑准则能够减少部署难度和复杂度，实现调度方法的快速部署和调用。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，适用于配置有可再生能源机组、电储能装置和制氢装置的微网系统，可再生能源机组包括光伏机组和风电机组；所述微网系统考虑将富余的风光出力转换成氢能储存后进行售卖；
所述微网电氢协调调度方法包括以下步骤：
S1、获取微网系统中已配置的光伏机组、风电机组的日前预测出力数据，同时获取微网系统内负荷日前预测数据，并且获取预测电价数据；
S2、计算微网系统的不平衡功率，依据不平衡功率和预测电价数据通过逻辑准则判断分析得到制氢装置、电储能装置的出力计划，同时确定微网系统与上级配电网的联络线交互功率，形成电氢协调调度计划；
S3、依据电氢协调调度计划计算分析依据调度计划调度后微网系统的功率平衡情况，若经电氢协调调度后微网系统内仍存在不平衡，则计算所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，并执行步骤S4，否则完成微网电氢协调调度；
S4、依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，修正可再生能源机组出力或削减负荷以实现微网系统的功率平衡，完成微网电氢协调调度。
进一步地，步骤S1中，所述日前预测出力数据以15分钟为最小时间间隔获取，24h共日前预测出力数据获取96个数据点。
进一步地，步骤S2中，所述逻辑准则共有两个主要的判断依据：不平衡功率和相对电价情况；
微网系统的不平衡功率为可再生能源出力与微网系统内负荷的差值，具体如下：
其中，为第t时段微网系统的不平衡功率，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段的微网系统内平均负荷。
微网系统的不平衡功率为正时表征可再生能源机组在满足微网系统内负荷需求仍有多余的出力，为负时表征可再生能源机组距满足微网系统内负荷需求的缺额；
相对电价情况是指考虑将预测电价数据与预设的参照电价进行对比，当预测电价高于参照电价时表征此时处于高电价时段，低于参照电价表征处于低电价时段；参照电价pele，sign由微网系统内可再生能源度电成本确定，具体如下：
其中，CINV，i为第i个可再生能源机组的投资建设成本，COPE，i为第i个可再生能源机组的运维成本，NNE为微网系统内可再生能源机组总数，TNE为可再生能源机组的安全运行年限，Pave，i，t为第i个可再生能源机组在第t小时内的平均出力。
进一步地，根据逻辑准则的两个判断依据，将微网系统的出力分为五种情况，不同情况相对应设备具体的调节方式，形成的电氢协调调度计划如下所示：
(1)不平衡功率为零：此时微网系统电能供需平衡，制氢装置不工作，电储能装置处于浮充状态，平抑微网系统的不平衡功率；
(2)不平衡功率为正，处于高电价时段：首先考虑将富余的出力在满足联络线约束的条件下尽可能售向电网，若富裕出力小于联络线的最大交换功率，考虑调节电储能装置放电，挖掘联络线最大输电潜力进行售电，此时制氢装置不工作；若出力除了向外输送仍有富余，则优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；
(3)不平衡功率为正，处于低电价时段：首先考虑将富余出力优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；经过设备调节后仍有富余再将剩余出力售向电网；
(4)不平衡功率为负，处于高电价时段：制氢装置不工作，首先调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率，若调节后需求仍无法满足，剩余需求则通过向上级配电网购电尽可能满足；
(5)不平衡功率为负，处于低电价时段：制氢装置不工作，若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电都无法满足微网系统的用电需求，则考虑在以最大交换功率向上级电网购电的基础上调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率；若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电可以满足用电需求，且所购功率仍有富余，则考虑以最大交换功率向上级电网购电，在满足用电需求的同时，将剩余的购电功率优先分配给制氢装置用于制氢，若仍有剩余则分配给电储能装置用于存储。
进一步地，步骤S3中，微网系统功率平衡分析计算公式如下：
式中，为第t时段微网系统的平衡功率差值，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段微网系统向电网系统输出的平均功率，/>为第t时段的微网系统内平均负荷功率，/>为第t时段的微网系统制氢装置平均运行功率；为第t时段的微网系统电储能装置平均功率，电储能装置处于充电状态时功率/>为正，电储能装置处于放电状态时功率/>为负；
当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力超过了自身容纳和对外输送能力，此时平衡功率差值大小即为微网系统计划的弃风弃光功率；
当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力未能满足微网内负荷运行需求，此时平衡功率差值大小即为微网系统的负荷缺额功率。
进一步地，步骤S4中，依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，考虑根据实际不平衡功率修正可再生能源机组出力或削减负荷，具体如下：
经电氢协调调度后，当不平衡功率为正时，各个可再生能源机组的修正功率具体如下：
其中，为第t时刻第i个可再生能源机组的修正功率，/>为第t时刻第i个可再生能源机组的预测出力，/>为t时刻所有可再生能源机组的预测总出力，为修正后t时刻第i个可再生能源机组的功率；
经电氢协调调度后，当不平衡功率为负时，依据不平衡功率大小，按可调节负荷、第三级负荷、第二级负荷、第一级负荷的顺序进行负荷削减，直至微网系统的功率实现平衡，其中可调节负荷需与微网系统内用电用户签订合同确定。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明通过明确了联络线功率、储能装置和制氢装置出力逻辑，通过可再生能源发电和向上级配电网购低价电降低传统工业电解制氢的用电成本，同时通过协调制氢装置和电储能装置在大的时间尺度上实现了可再生能源机组并网的缓冲，在提高了微网经济效益的同时减少了可再生能源出力对大电网的冲击。此外，本发明所提调度策略为简单的逻辑准则，相较于优化算法能够更简单快速地布置到微网中，且方便后续维护。
附图说明
图1是本发明实施例中一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法的概述流程图。
图2是实施例中使用本发明的一种微网系统结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
实施例：
一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，适用于配置有可再生能源机组、电储能装置和制氢装置的微网系统，可再生能源机组包括光伏机组和风电机组；所述微网系统考虑将富余的风光出力转换成氢能储存后进行售卖；
本实施例中，如图2所示，所述微网系统主要由光伏机组、风电机组、电储能装置、电解水制氢装置、负荷及电力电子变换器等单元组成，各单元通过微网交流母线连接，交流母线通过朱凤娥开关和变压器与上级配电网相连。其中制氢装置由电解槽、压缩机、储氢罐三部分组成，制取的氢气考虑通过长管拖车将储氢罐中所存储的氢气产品运输至含有氢气负荷的用户地点实现消纳。
如图1和图2所示，所述微网电氢协调调度方法包括以下步骤：
S1、获取微网系统中已配置的光伏机组、风电机组的日前预测出力数据，同时获取微网系统内负荷日前预测数据，并且获取预测电价数据；
本实施例中，所述日前预测出力数据以15分钟为最小时间间隔获取，24h共日前预测出力数据获取96个数据点。
S2、计算微网系统的不平衡功率，依据不平衡功率和预测电价数据通过逻辑准则判断分析得到制氢装置、电储能装置的出力计划，同时确定微网系统与上级配电网的联络线交互功率；
所述逻辑准则共有两个主要的判断依据：不平衡功率和相对电价情况；
微网系统的不平衡功率为可再生能源出力与微网系统内负荷的差值，具体如下：
其中，为第t时段微网系统的不平衡功率，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段的微网系统内平均负荷。
微网系统的不平衡功率为正时表征可再生能源机组在满足微网系统内负荷需求仍有多余的出力，为负时表征可再生能源机组距满足微网系统内负荷需求的缺额；
相对电价情况是指考虑将预测电价数据与预设的参照电价进行对比，当预测电价高于参照电价时表征此时处于高电价时段，低于参照电价表征处于低电价时段；参照电价pele，sign由微网系统内可再生能源度电成本确定，具体如下：
其中，CINV，i为第i个可再生能源机组的投资建设成本，COPE，i为第i个可再生能源机组的运维成本，NNE为微网系统内可再生能源机组总数，TNE为可再生能源机组的安全运行年限，Pave，i，t为第i个可再生能源机组在第t小时内的平均出力。
根据逻辑准则的两个判断依据，将微网系统的出力分为五种情况，不同情况相对应设备具体的调节方式，形成的电氢协调调度计划如下所示：
(1)不平衡功率为零：此时微网系统电能供需平衡，制氢装置不工作，电储能装置处于浮充状态，平抑微网系统的不平衡功率；
(2)不平衡功率为正，处于高电价时段：首先考虑将富余的出力在满足联络线约束的条件下尽可能售向电网，若富裕出力小于联络线的最大交换功率，考虑调节电储能装置放电，挖掘联络线最大输电潜力进行售电，此时制氢装置不工作；若出力除了向外输送仍有富余，则优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；
(3)不平衡功率为正，处于低电价时段：首先考虑将富余出力优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；经过设备调节后仍有富余再将剩余出力售向电网；
(4)不平衡功率为负，处于高电价时段：制氢装置不工作，首先调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率，若调节后需求仍无法满足，剩余需求则通过向上级配电网购电尽可能满足；
(5)不平衡功率为负，处于低电价时段：制氢装置不工作，若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电都无法满足微网系统的用电需求，则考虑在以最大交换功率向上级电网购电的基础上调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率；若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电可以满足用电需求，且所购功率仍有富余，则考虑以最大交换功率向上级电网购电，在满足用电需求的同时，将剩余的购电功率优先分配给制氢装置用于制氢，若仍有剩余则分配给电储能装置用于存储。
S3、依据电氢协调调度计划计算分析依据调度计划调度后微网系统的功率平衡情况，其计算公式如下：
式中，为第t时段微网系统的平衡功率差值，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段微网系统向电网系统输出的平均功率，/>为第t时段的微网系统内平均负荷功率，/>为第t时段的微网系统制氢装置平均运行功率，为第t时段的微网系统电储能装置平均功率，电储能装置处于充电状态时功率/>为正，电储能装置处于放电状态时功率/>为负。
当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力超过了自身容纳和对外输送能力，此时平衡功率差值大小即为微网系统计划的弃风弃光功率；
当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力未能满足微网内负荷运行需求，此时平衡功率差值大小即为微网系统的负荷缺额功率。
若经电氢协调调度后微网系统内出现上述平衡功率差值不为0的情况，则计算所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，并执行步骤S4，否则完成微网电氢协调调度；
S4、依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，修正可再生能源机组出力或削减负荷以实现微网系统的功率平衡，完成微网电氢协调调度，具体如下：
经电氢协调调度后，当不平衡功率为正时，各个可再生能源机组的修正功率具体如下：
其中，为第t时刻第i个可再生能源机组的修正功率，/>为第t时刻第i个可再生能源机组的预测出力，/>为t时刻所有可再生能源机组的预测总出力，/>为修正后t时刻第i个可再生能源机组的功率；
经电氢协调调度后，当不平衡功率为负时，依据不平衡功率大小，按可调节负荷、第三级负荷、第二级负荷、第一级负荷的顺序进行负荷削减，直至微网系统的功率实现平衡，其中可调节负荷需与微网系统内用电用户签订合同确定。
本发明通过明确了联络线功率、储能装置和制氢装置出力逻辑，通过可再生能源发电和向上级配电网购低价电降低电解制氢的用电成本，同时通过协调制氢装置和电储能装置在大的时间尺度上实现了可再生能源机组并网的缓冲，在提高了微网经济效益的同时减少了可再生能源出力对大电网的冲击。此外，本发明所提调度策略为简单的逻辑准则，相较于优化算法能够更简单快速地布置到微网中，且方便后续维护。
以上是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，不付出创造性劳动对本发明技术方案的修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，适用于配置有可再生能源机组、电储能装置和制氢装置的微网系统，可再生能源机组包括光伏机组和风电机组；所述微网系统考虑将富余的风光出力转换成氢能储存后进行售卖；
所述微网电氢协调调度方法包括以下步骤：
S1、获取微网系统中已配置的光伏机组、风电机组的日前预测出力数据，同时获取微网系统内负荷日前预测数据，并且获取预测电价数据；
S2、计算微网系统的不平衡功率，依据不平衡功率和预测电价数据通过逻辑准则判断分析得到制氢装置、电储能装置的出力计划，同时确定微网系统与上级配电网的联络线交互功率，形成电氢协调调度计划；
所述逻辑准则共有两个主要的判断依据：不平衡功率和相对电价情况；
根据逻辑准则的两个判断依据，将微网系统的出力分为五种情况，不同情况相对应设备具体的调节方式，形成的电氢协调调度计划如下所示：
(1)不平衡功率为零：此时微网系统电能供需平衡，制氢装置不工作，电储能装置处于浮充状态，平抑微网系统的不平衡功率；
(2)不平衡功率为正，处于高电价时段：首先考虑将富余的出力在满足联络线约束的条件下尽可能售向电网，若富裕出力小于联络线的最大交换功率，考虑调节电储能装置放电，挖掘联络线最大输电潜力进行售电，此时制氢装置不工作；若出力除了向外输送仍有富余，则优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；
(3)不平衡功率为正，处于低电价时段：首先考虑将富余出力优先分配给制氢装置用于制氢，剩余出力分配给电储能装置用于存储；经过设备调节后仍有富余再将剩余出力售向电网；
(4)不平衡功率为负，处于高电价时段：制氢装置不工作，首先调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率，若调节后需求仍无法满足，剩余需求则通过向上级配电网购电尽可能满足；
(5)不平衡功率为负，处于低电价时段：制氢装置不工作，若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电都无法满足微网系统的用电需求，则考虑在以最大交换功率向上级电网购电的基础上调节电储能装置放电尽可能平抑微网系统的不平衡功率；若微网系统经联络线以最大交换功率向上级电网购电可以满足用电需求，且所购功率仍有富余，则考虑以最大交换功率向上级电网购电，在满足用电需求的同时，将剩余的购电功率优先分配给制氢装置用于制氢，若仍有剩余则分配给电储能装置用于存储；
S3、依据电氢协调调度计划计算分析依据调度计划调度后微网系统的功率平衡情况，若经电氢协调调度后微网系统内仍存在不平衡，则计算所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，并执行步骤S4，否则完成微网电氢协调调度；
S4、依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，修正可再生能源机组出力或削减负荷以实现微网系统的功率平衡，完成微网电氢协调调度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，步骤S1中，所述日前预测出力数据以15分钟为最小时间间隔获取，24h共日前预测出力数据获取96个数据点。
3.根据权利要求1所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，步骤S2中，微网系统的不平衡功率为可再生能源出力与微网系统内负荷的差值，具体如下：
其中，为第t时段微网系统的不平衡功率，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段的微网系统内平均负荷，
微网系统的不平衡功率为正时表征可再生能源机组在满足微网系统内负荷需求仍有多余的出力，为负时表征可再生能源机组距满足微网系统内负荷需求的缺额。
4.根据权利要求3所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，相对电价情况是指考虑将预测电价数据与预设的参照电价进行对比，当预测电价高于参照电价时表征此时处于高电价时段，低于参照电价表征处于低电价时段；参照电价pele，sign由微网系统内可再生能源度电成本确定，具体如下：
其中，CINV，i为第i个可再生能源机组的投资建设成本，COPE，i为第i个可再生能源机组的运维成本，NNE为微网系统内可再生能源机组总数，TNE为可再生能源机组的安全运行年限，Pave，i，t为第i个可再生能源机组在第t小时内的平均出力。
5.根据权利要求1所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，步骤S3中，微网系统功率平衡分析计算公式如下：
式中，为第t时段微网系统的平衡功率差值，/>为第t时段微网系统内可再生能源机组的平均出力，/>为第t时段微网系统向电网系统输出的平均功率，/>为第t时段的微网系统内平均负荷功率，/>为第t时段的微网系统制氢装置平均运行功率；/>为第t时段的微网系统电储能装置平均功率，电储能装置处于充电状态时功率/>为正，电储能装置处于放电状态时功率/>为负。
6.根据权利要求5所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力超过了自身容纳和对外输送能力，此时平衡功率差值大小即为微网系统计划的弃风弃光功率。
7.根据权利要求6所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，当平衡功率差值时，微网系统可再生能源出力未能满足微网内负荷运行需求，此时平衡功率差值大小即为微网系统的负荷缺额功率。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，步骤S4中，依据所得弃风弃光功率和负荷缺额功率，考虑根据实际不平衡功率修正可再生能源机组出力或削减负荷，具体如下：
经电氢协调调度后，当不平衡功率为正时，各个可再生能源机组的修正功率具体如下：
其中，为第t时刻第i个可再生能源机组的修正功率，/>为第t时刻第i个可再生能源机组的预测出力，/>为t时刻所有可再生能源机组的预测总出力，/>为修正后t时刻第i个可再生能源机组的功率。
9.根据权利要求8所述的一种考虑低碳制氢的微网电氢协调调度方法，其特征在于，经电氢协调调度后，当不平衡功率为负时，依据不平衡功率大小，按可调节负荷、第三级负荷、第二级负荷、第一级负荷的顺序进行负荷削减，直至微网系统的功率实现平衡，其中可调节负荷需与微网系统内用电用户签订合同确定。
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