CN114595619A - 基于氢储能的综合能源系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于氢储能的综合能源系统优化方法，它包括以下步骤：S1：构建城镇综合能源系统组成单元模型；S2：构建基于氢储能的城镇综合能源模型；S3：收集不同典型日下风速、光照、环境温度等天气数据以及用户电、热、氢负荷数据，电网电费以及天然气价格，能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数；S4：确定目标函数和运行约束条件；S5：通过Matlab平台建立含氢储能的城镇综合能源系统粒子群算法函数寻优的模型；S6：提出三种不同场景，在三种不同场景下考察综合能源系统的可靠性以及可再生能源消纳能力；本发明具有提高了可再生能源利用率与供能可靠性、减少了系统运行期间产生的环境污染的优点。

Description

基于氢储能的综合能源系统优化方法

技术领域

本发明涉及城镇综合能源技术领域，具体涉及一种基于氢储能的综合能源系统优化方法。

背景技术

综合能源系统中同时耦合了冷、热、电、天然气等多种能源以及不同类型的设备，能够同时满足用户的多种负荷需求。目前，针对综合能源系统的系统架构和传统供能、储能设备单一模型的建模研究已经相对成熟，但对于基于氢储能的系统中，制氢储氢方式选择、模型搭建以及电、气网络耦合特性的研究上仍有较大的提升空间。

目前针对综合能源系统的优化容量配置已经相对成熟，但大部分研究只考虑了系统建设运行成本，没有将环境污染、弃风弃光、供能可靠性等其他关键因素列为优化容量配置的目标函数，而优化目标函数单一也造成了规划结果过于理想化，难以兼顾不同场景及不同需求，针对综合能源系统的多目标函数优化容量配置还需进一步的探究。

城镇综合能源系统中耦合了不同类型的供能、储能以及能量转换设备，通过可再生能源出力、天然气网络购气以及与外电网互动，再经过内部设备转换协调，最终来维持系统可靠运行，满足用户不同负荷需求。针对城镇综合能源系统中各类型的供能、储能以及能量转换设备进行了模型搭建，在此基础上，参考各设备相关性能参数、城镇用户负荷数据、电网电价以及天然气购入费用等客观因素，以综合能源日化系统经济成本最小，系统供能可靠性最大为目标函数，进行优化。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种提高了可再生能源利用率与供能可靠性，减少了系统运行期间产生的环境污染的基于氢储能的综合能源系统优化方法。

本发明的目的是这样实现的：基于氢储能的综合能源系统优化方法，它包括以下步骤：

S1：构建城镇综合能源系统组成单元模型；

S2：构建基于氢储能的城镇综合能源模型；

S3：收集不同典型日下风速、光照、环境温度等天气数据以及用户电、热、氢负荷数据，电网电费以及天然气价格，能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数；

S4：确定目标函数和运行约束条件；

S5：通过Matlab平台建立含氢储能的城镇综合能源系统粒子群算法函数寻优的模型；

S6：提出三种不同场景，在三种不同场景下考察综合能源系统的可靠性以及可再生能源消纳能力。

步骤S1中还包括以下步骤：

S11：光伏发电输出部分：光伏发电出力受多种因素的影响，如光照强度、环境温度、风速以及自身物理参数均会影响其输出功率，光伏发电理论出力具体计算公式如下：

式中：P_pv,t表示光伏系统t时刻实际输出功率，本文功率单位均为kW；P_pv,N表示光伏系统额定功率；f_pv表示光伏系统功降系数，表示光伏系统参考条件下实际输出功率与额定输出功率的比值(用于描述光伏板因老化、污渍、雨雪遮盖等引发的功率下降)，一般取0.90；G_t表示t时刻光照强度(W/㎡)；G_STC表示参考光照强度，取值为1000W/㎡；k表示光伏系统功率温度系数，取值为- 0.47％/℃；T_cell,t表示t时刻光伏电池板实际温度(℃)；T_ref表示参考测试温度，取值为25℃；

S12：在不考虑风力发电时滞效应与尾流效应的情况下，风力发电机组理论出力可表示为风速的函数，其具体计算公式如下：

式中：P_w,t表示小型风电场t时刻实际输出功率；N_w表示小型风机数量； P_w,N表示风电机组额定功率，V_w,t表示t时刻实际风速(m/s)；V_sv表示风电机组启动风速，取值为2m/s；V_N表示风电机组额定风速；V_co表示风电机组切出风速，取值为25m/s；

S13：提出基于可再生能源出力的CHP运行模式，具体运行方式如下：

在风光出力较小，即风光出力小于电负荷输入功率时，热电联产机组以电定热方式运行，具体计算公式如下式所示：

在风光出力较大，即风光出力大于电负荷输入功率时，热电联产机组以热定电方式运行，具体计算公式如下式所示：

式中：P_CHPe,t、P_CHPh,t分别表示t时刻CHP系统实际电出力及热出力；

分别表示CHP系统最大电出力及最大热出力；η_ee、η_te分别表示CHP系统电效率及热效率，分别取0.35与0.50；P_Eload,t、P_Tload,t分别表示t时刻用户电负荷及热负荷；P_fp,t表示综合能源系统t时刻风光出力；

S14：电解池装置运行特性如下式所示

日转化氢气总量如下式所示：

式中：P_EC,t表示电解池装置t时刻输入功率；

为电转气装置最大输入功率；A_EC表示电转气装置日氢气转化量(kg)；

为电转气装置t时段内氢气转化量(kg)；

S15：储氢罐储氢容量根据日初储氢容量

以及电解池日转化氢气总量 A_EC进行状态更新，计算公式如下式所示：

式中：A_HST表示储氢罐储氢容量(kg)；

表示储氢罐充气效率；

天然气储罐储存天然气能够供热电联产机组与燃气锅炉满负荷工作一天，具体容量计算公式如下式所示：

式中：A_NGST表示天然气储罐容量(kWh)；

代表CHP系统最大热出力；

S16：电解池装置持续工作且储氢罐容量达到最大时，甲烷化装置开始工作，将电解池产生氢气转化为甲烷输入综合能源系统天然气网络中，其具体运行方式如下式所示：

式中：A_HM,t表示甲烷化装置t时刻天然气输出量(kg)；η_HM表示甲烷化效率，取值为80％；b′表示氢气甲烷化系数，取值为2；

甲烷化装置氢气日消耗量与甲烷日转化量分别如下式所示：

式中：

表示甲烷化装置氢气日消耗量(kg)；

表示甲烷化装置日转化量(kg)；Ω_H表示满足甲烷化启动的时间集合；

S17：燃气锅炉的数学模型如下：

P_gbh＝P_gb·η_gb

其中，P_gbh为燃气锅炉输出热功率；P_gb为燃气锅炉输入天然气功率；η_gb为燃气锅炉效率。

步骤S4的具体步骤包括：

S41：日系统经济成本

典型日系统经济成本C_E最小，与系统建设成本C_SC，辅助设备成本C_ae，运维成本C_om，燃料成本C_f以及外部供能成本C_ees相关，具体计算公式如下式所示：

minC_E＝C_SC+C_ae+C_om+C_f+C_ees

其中，系统建设成本计算公式如下式所示：

式中：C_SC表示综合能源系统日化建设成本($)；i表示综合能源系统内部不同设备；N表示设备综述；b_ie,i表示不同设备的单位建设成本($/kW)，P_r,i表示不同设备运行时的额定功率(储气设备为额定容量)；η表示通货膨胀率，取值为5％；S_fe,i表示不同设备的使用年限(年)

辅助设备成本计算公式如下式所示：

C_ae＝b_seC_sc

式中：C_ae表示综合能源系统日化辅助设备成本($)；b_se表示辅助设备成本系数；综合能源系统辅助设备主要包括交直流逆变器、线缆、管道、智能控制器、储氢罐泄露检测仪以及增压装置等组件，这一部分的投入成本主要由系统结构与容量配置决定的，其等额年值成本与运行状态并无直接关系，计算方式与C_sc相同，为简化计算，本文中C_ae按照C_sc的30％，即b_se＝0.3进行计算；

运维成本计算公式如下式所示：

式中：C_om表示综合能源系统日化运维成本($)；

表示不同设备固定运维成本系数($/kW·年)；

表示不同设备可变运维成本系数($/kWh)；P_i,t表示不同设备在t时刻的实际运行功率；

燃料成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_f表示综合能源系统燃料成本($)；b_f表示燃料成本系数，取值为0.25$/kWh；σ_CH4为甲烷低热值，取值为14Wh/kg；

外部供能成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_ees表示综合能源系统外部供能成本($)；b_eE、b_eT分别表示外部供电、外部供气成本系数；P_Eins,t、P_Tins,t分别表示t时刻供电不足与供热不足；

当光伏出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp,t+P_CHPe,t+ P_EV,t<P_Eload,t时，出现电能供应不足，部分电负荷需要使用系统外部供应，计算公式如下式所示：

P_Eins,t＝P_Eload,t-P_fp,t-P_CHPe,t-P_EV,t

当CHP系统热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh,t+P_AB,t< P_Tload时，出现热能供应不足，部分热能需使用系统外部热能供应，计算公式如下式所示：

P_Tins,t＝P_Tload-P_CHPh,t-P_AB,t-P_CH4,t

S42：供能可靠性

供能可靠性η_ses计算公式如下式所示：

maxη_ses＝α₁η_ses,E+β₁η_ses,T+γ₁η_ses,H

式中：η_ses,E、η_srs,T、η_ses,H分别表示系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数；α₁、β₁、γ₁表示基于氢储能的系统可靠性系数权重因子，取值分别为0.35、0.35、0.3,下面分别给出系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数的计算公式：

其中，供电可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses,E＝η_ies,E·η_t,E

式中：η_ies,E表示供电充足率；η_t,E表示供电可靠时间比；

在基于氢储能的家庭综合能源系统中，当风光出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp,t+P_CHPe,t<P_Eload,t时，系统出现供电不足，其计算公式如下式所示：

Ω_E＝{t|P_fp,t+P_CHPe,t<P_Eload,t}

供热可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses,T＝η_ies,T·η_t,T

式中：η_ies,T表示供热充足率；η_t,T表示供热可靠时间比；当CHP热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh,t+P_AB,t<P_Tload,t时，系统出现供热不足，其计算公式如下式所示：

Ω_T＝{t|P_CHPh,t+P_AB,t<P_Tload,t}

基于氢储能的城镇综合能源系统中，氢能源由多余的风光出力转化而得，供氢稳定系数计算中只包含供氢充足率，具体计算公式如下式所示：

η_ses,H＝η_ies,H

式中，η_ies,H表示供氢充足率；当储氢罐日初储氢容量与电解池日转化氢气量之和小于日氢气消耗量，即

时，系统出现供氢不足，其计算公式如下式所示：

步骤S5的具体步骤如下：

约束函数的某种组合组成的一个“惩罚”项，加在原来的目标函数上来迫使迭代点逼近可行域，罚函数擅长处理带有约束条件的优化问题；

在一个优化问题<A,f>中，A为满足约束条件的可行解集，f：A→Rⁿ为目标函数，则目标函数最小值minf(x)的求解如下式所示：

上式中，g_i(x)≥0为约束条件；由于g_i(x)≥0不等式约束，等价于等式约束 min(0,g_i(x))＝0；因此可将不等式约束问题转化为如下式所示的等式约束问题：

如果令

则可将原问题的求解转化为下式所示的求解无约束函数的无约束极小值问题：

式中，F(x,M)为罚函数，M为罚因子，为一个正常数，Mp(x)为罚项；当M充当大分时，F(x,M)的最优解能逼近约束问题的最优解；因此，F(x,M)对可行点不实行惩罚，而对非可行点给予很大惩罚，从而将求解约束极值的问题转化为求解无约束极值问题。

步骤S6的具体步骤如下：

S61：一类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度均值，对应春、秋季典型日城镇负荷，以考察综合能源系统正常条件下的运行特性；

S62：二类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度最小值，对应夏季典型日城镇负荷，即可再生能源出力较小而电负荷相对较大的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的供能可靠性；

S63：三类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照最大值，对应冬季典型日城镇负荷，即在可再生能源出力较大而电负荷相对较小的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的可再生能源消纳能力。

本发明的有益效果：基于氢储能的综合能源系统中，完全利用氢储能代替了蓄电池储能来对可再生能源出力进行消纳，并将存储能量再次供给至系统：通过甲烷化装置向热电联产机组以及补燃锅炉供应天然气。与传统系统相比较，这种储能与再利用的方式使得可再生能源多余出力能够转化为多种不同能源，为系统中不同类别负荷进行供能，提高了可再生能源利用率与供能可靠性，减少了系统运行期间产生的环境污染，同时氢储能以及甲烷化技术，将电网络与天然气网络联结起来，使得两者实现了能量双向流动与协同规划运行；本发明具有提高了可再生能源利用率与供能可靠性、减少了系统运行期间产生的环境污染的优点。

附图说明

图1是本发明基于氢储能的城镇综合能源系统示意图。

图2是本发明基于罚函数的PSO算法函数寻优流程图。

图3是本发明一类场景下规划方案电功率优化结果图。

图4是本发明一类场景下规划方案热功率优化结果图。

图5是本发明二类场景下规划方案电功率优化结果图。

图6是本发明二类场景下规划方案热功率优化结果图。

图7是本发明三类场景下规划方案电功率优化结果图。

图8是本发明三类场景下规划方案热功率优化结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

构建基于氢储能的城镇综合能源系统模型，主要包括可再生能源发电装置， CHP系统、补燃锅炉、甲烷化装置、天然气储罐和储氢罐，可再生能源发电装置主要满足用户的电负荷需求，电能供应不足时需向外部电网进行购电，CHP系统与补燃锅炉则主要满足用户的热负荷需求，CHP系统同时产生电能供给给用户端，电解池装置会产生氢气以满足用户氢负荷需求。

模型的输入包括不同典型日下风速、光照、环境温度等天气数据以及用户电、热、氢负荷数据、电网电费及天然气价格、能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数，通过粒子群算法对模型进行寻优，最终完成系统的优化容量配置，进而实现系统的经济可靠运行，城镇综合能源系统优化模型包含如下4个模块：

(1)系统参数模块：包含外部购能价格、能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数；

(2)数据处理模块：通过典型日场景选择对应的负荷数据与天气数据，并计算出该场景下可再生能源出力；

(3)算法寻优模块：通过目标函数、运行约束条件对城镇综合能源系统模型进行优化容量配置；

(4)优化输出模块：包含综合能源系统各设备优化容量配置、优化运行策略及对应的目标函数值。

如图1所示，它包括以下步骤：

S1：构建城镇综合能源系统组成单元模型；

步骤S1中还包括以下步骤：

S11：光伏发电输出部分：光伏发电出力受多种因素的影响，如光照强度、环境温度、风速以及自身物理参数均会影响其输出功率，光伏发电理论出力具体计算公式如下：

式中：P_pv,t表示光伏系统t时刻实际输出功率，本文功率单位均为kW；P_pv,N表示光伏系统额定功率；f_pv表示光伏系统功降系数，表示光伏系统参考条件下实际输出功率与额定输出功率的比值(用于描述光伏板因老化、污渍、雨雪遮盖等引发的功率下降)，一般取0.90；G_t表示t时刻光照强度(W/㎡)；G_STC表示参考光照强度，取值为1000W/㎡；k表示光伏系统功率温度系数，取值为- 0.47％/℃；T_cell,t表示t时刻光伏电池板实际温度(℃)；T_ref表示参考测试温度，取值为25℃；

S12：在不考虑风力发电时滞效应与尾流效应的情况下，风力发电机组理论出力可表示为风速的函数，其具体计算公式如下：

式中：P_w,t表示小型风电场t时刻实际输出功率；N_w表示小型风机数量； P_w,N表示风电机组额定功率，V_w,t表示t时刻实际风速(m/s)；V_sv表示风电机组启动风速，取值为2m/s；V_N表示风电机组额定风速；V_co表示风电机组切出风速，取值为25m/s；

S13：提出基于可再生能源出力的CHP运行模式，具体运行方式如下：

在风光出力较小，即风光出力小于电负荷输入功率时，热电联产机组以电定热方式运行，具体计算公式如下式所示：

在风光出力较大，即风光出力大于电负荷输入功率时，热电联产机组以热定电方式运行，具体计算公式如下式所示：

式中：P_CHPe,t、P_CHPh,t分别表示t时刻CHP系统实际电出力及热出力；

分别表示CHP系统最大电出力及最大热出力；η_ee、η_te分别表示CHP系统电效率及热效率，分别取0.35与0.50；P_Eload,t、P_Tload,t分别表示t时刻用户电负荷及热负荷；P_fp,t表示综合能源系统t时刻风光出力；

S14：电解池装置运行特性如下式所示

日转化氢气总量如下式所示：

式中：P_EC,t表示电解池装置t时刻输入功率；

为电转气装置最大输入功率；A_EC表示电转气装置日氢气转化量(kg)；

为电转气装置t时段内氢气转化量(kg)；

S15：储氢罐储氢容量根据日初储氢容量

以及电解池日转化氢气总量 A_EC进行状态更新，计算公式如下式所示：

式中：A_HST表示储氢罐储氢容量(kg)；

表示储氢罐充气效率；

天然气储罐储存天然气能够供热电联产机组与燃气锅炉满负荷工作一天，具体容量计算公式如下式所示：

式中：A_NGST表示天然气储罐容量(kWh)；

代表CHP系统最大热出力；

S16：电解池装置持续工作且储氢罐容量达到最大时，甲烷化装置开始工作，将电解池产生氢气转化为甲烷输入综合能源系统天然气网络中，其具体运行方式如下式所示：

式中：A_HM,t表示甲烷化装置t时刻天然气输出量(kg)；η_HM表示甲烷化效率，取值为80％；b′表示氢气甲烷化系数，取值为2；

甲烷化装置氢气日消耗量与甲烷日转化量分别如下式所示：

式中：

表示甲烷化装置氢气日消耗量(kg)；

表示甲烷化装置日转化量(kg)；Ω_H表示满足甲烷化启动的时间集合；

S17：燃气锅炉的数学模型如下：

P_gbh＝P_gb·η_gb

其中，P_gbh为燃气锅炉输出热功率；P_gb为燃气锅炉输入天然气功率；η_gb为燃气锅炉效率。

S2：构建基于氢储能的城镇综合能源模型；

S3：收集不同典型日下风速、光照、环境温度等天气数据以及用户电、热、氢负荷数据，电网电费以及天然气价格，能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数；

S4：确定目标函数和运行约束条件；

步骤S4的具体步骤包括：

S41：日系统经济成本

典型日系统经济成本C_E最小，与系统建设成本C_SC，辅助设备成本C_ae，运维成本C_om，燃料成本C_f以及外部供能成本C_ees相关，具体计算公式如下式所示：

minC_E＝C_SC+C_ae+C_om+C_f+C_ees

其中，系统建设成本计算公式如下式所示：

式中：C_sC表示综合能源系统日化建设成本($)；i表示综合能源系统内部不同设备；N表示设备综述；b_ie,i表示不同设备的单位建设成本($/kW)，P_r,i表示不同设备运行时的额定功率(储气设备为额定容量)；η表示通货膨胀率，取值为5％；S_fe,i表示不同设备的使用年限(年)

辅助设备成本计算公式如下式所示：

C_ae＝b_seC_sc

式中：C_ae表示综合能源系统日化辅助设备成本($)；b_se表示辅助设备成本系数；综合能源系统辅助设备主要包括交直流逆变器、线缆、管道、智能控制器、储氢罐泄露检测仪以及增压装置等组件，这一部分的投入成本主要由系统结构与容量配置决定的，其等额年值成本与运行状态并无直接关系，计算方式与C_sc相同，为简化计算，本文中C_ae按照C_sc的30％，即b_se＝0.3进行计算；

运维成本计算公式如下式所示：

式中：C_om表示综合能源系统日化运维成本($)；

表示不同设备固定运维成本系数($/kW·年)；

表示不同设备可变运维成本系数($/kWh)；P_i,t表示不同设备在t时刻的实际运行功率；

燃料成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_f表示综合能源系统燃料成本($)；b_f表示燃料成本系数，取值为 0.25$/kWh；σ_CH4为甲烷低热值，取值为14Wh/kg；

外部供能成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_ees表示综合能源系统外部供能成本($)；b_eE、b_eT分别表示外部供电、外部供气成本系数；P_Eins,t、P_Tins,t分别表示t时刻供电不足与供热不足；

当光伏出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp,t+P_CHPe,t+ P_EV,t<P_Eload,t时，出现电能供应不足，部分电负荷需要使用系统外部供应，计算公式如下式所示：

P_Eins,t＝P_Eload,t-P_fp,t-P_CHPe,t-P_EV,t

当CHP系统热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh,t+P_AB,t< P_Tload时，出现热能供应不足，部分热能需使用系统外部热能供应，计算公式如下式所示：

P_Tins,t＝P_Tload-P_CHPh,t-P_AB,t-P_CH4,t

S42：供能可靠性

供能可靠性η_ses计算公式如下式所示：

maxη_ses＝α₁η_ses,E+β₁η_ses,T+γ₁η_ses,H

式中：η_ses,E、η_ses,T、η_ses,H分别表示系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数；α₁、β₁、γ₁表示基于氢储能的系统可靠性系数权重因子，取值分别为0.35、0.35、0.3,下面分别给出系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数的计算公式：

其中，供电可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses,E＝η_ies,E·η_t,E

式中：η_ies,E表示供电充足率；η_t,E表示供电可靠时间比；

在基于氢储能的家庭综合能源系统中，当风光出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp,t+P_CHPe,t<P_Eload,t时，系统出现供电不足，其计算公式如下式所示：

Ω_E＝{t|P_fp,t+P_CHPe,t<P_Eload,t}

供热可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses,T＝η_ies,T·η_t,T

式中：η_ies,T表示供热充足率；η_t,T表示供热可靠时间比；当CHP热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh,t+P_AB,t<P_Tload,t时，系统出现供热不足，其计算公式如下式所示：

Ω_T＝{t|P_CHPh,t+P_AB,t<P_Tload,t}

基于氢储能的城镇综合能源系统中，氢能源由多余的风光出力转化而得，供氢稳定系数计算中只包含供氢充足率，具体计算公式如下式所示：

η_ses,H＝η_ies,H

式中，η_ies,H表示供氢充足率；当储氢罐日初储氢容量与电解池日转化氢气量之和小于日氢气消耗量，即

时，系统出现供氢不足，其计算公式如下式所示：

S5：通过Matlab平台建立含氢储能的城镇综合能源系统粒子群算法函数寻优的模型；

步骤S5的具体步骤如下：

约束函数的某种组合组成的一个“惩罚”项，加在原来的目标函数上来迫使迭代点逼近可行域，罚函数擅长处理带有约束条件的优化问题；

在一个优化问题<A,f>中，A为满足约束条件的可行解集，f：A→Rⁿ为目标函数，则目标函数最小值minf(x)的求解如下式所示：

上式中，g_i(x)≥0为约束条件；由于g_i(x)≥0不等式约束，等价于等式约束min(0,g_i(x))＝0；因此可将不等式约束问题转化为如下式所示的等式约束问题：

如果令

则可将原问题的求解转化为下式所示的求解无约束函数的无约束极小值问题：

式中，F(x,M)为罚函数，M为罚因子，为一个正常数，Mp(x)为罚项；当M充当大分时，F(x,M)的最优解能逼近约束问题的最优解；因此，F(x,M)对可行点不实行惩罚，而对非可行点给予很大惩罚，从而将求解约束极值的问题转化为求解无约束极值问题。

S6：提出三种不同场景，在三种不同场景下考察综合能源系统的可靠性以及可再生能源消纳能力。

步骤S6的具体步骤如下：

S61：一类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度均值，对应春、秋季典型日城镇负荷，以考察综合能源系统正常条件下的运行特性，如图 3,4所示；

S62：二类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度最小值，对应夏季典型日城镇负荷，即可再生能源出力较小而电负荷相对较大的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的供能可靠性，如图5,6所示；

S63：三类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照最大值，对应冬季典型日城镇负荷，即在可再生能源出力较大而电负荷相对较小的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的可再生能源消纳能力，如图 7,8所示。

Claims (5)

1.基于氢储能的综合能源系统优化方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：构建城镇综合能源系统组成单元模型；

S2：构建基于氢储能的城镇综合能源模型；

S3：收集不同典型日下风速、光照、环境温度等天气数据以及用户电、热、氢负荷数据，电网电费以及天然气价格，能量浪费的惩罚系数以及设备的相关性能参数；

S4：确定目标函数和运行约束条件；

S5：通过Matlab平台建立含氢储能的城镇综合能源系统粒子群算法函数寻优的模型；

S6：提出三种不同场景，在三种不同场景下考察综合能源系统的可靠性以及可再生能源消纳能力。

2.如权利要求1所述的基于氢储能的综合能源系统优化方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括以下步骤：

S11：光伏发电输出部分：光伏发电出力受多种因素的影响，如光照强度、环境温度、风速以及自身物理参数均会影响其输出功率，光伏发电理论出力具体计算公式如下：

式中：P_pv,t表示光伏系统t时刻实际输出功率，本文功率单位均为kW；P_pv,N表示光伏系统额定功率；f_pv表示光伏系统功降系数，表示光伏系统参考条件下实际输出功率与额定输出功率的比值(用于描述光伏板因老化、污渍、雨雪遮盖等引发的功率下降)，一般取0.90；G_t表示t时刻光照强度(W/㎡)；G_STC表示参考光照强度，取值为1000W/㎡；k表示光伏系统功率温度系数，取值为- 0.47％/℃；T_cell,t表示t时刻光伏电池板实际温度(℃)；T_ref表示参考测试温度，取值为25℃；

S12：在不考虑风力发电时滞效应与尾流效应的情况下，风力发电机组理论出力可表示为风速的函数，其具体计算公式如下：

式中：P_w,t表示小型风电场t时刻实际输出功率；N_w表示小型风机数量；P_w,N表示风电机组额定功率，V_w,t表示t时刻实际风速(m/s)；V_sv表示风电机组启动风速，取值为2m/s；V_N表示风电机组额定风速；V_co表示风电机组切出风速，取值为25m/s；

S13：提出基于可再生能源出力的CHP运行模式，具体运行方式如下：

在风光出力较小，即风光出力小于电负荷输入功率时，热电联产机组以电定热方式运行，具体计算公式如下式所示：

在风光出力较大，即风光出力大于电负荷输入功率时，热电联产机组以热定电方式运行，具体计算公式如下式所示：

式中：P_CHPe,t、P_CHPh,t分别表示t时刻CHP系统实际电出力及热出力；

分别表示CHP系统最大电出力及最大热出力；η_ee、η_te分别表示CHP系统电效率及热效率，分别取0.35与0.50；P_Eload,t、P_Tload,t分别表示t时刻用户电负荷及热负荷；P_fp,t表示综合能源系统t时刻风光出力；

S14：电解池装置运行特性如下式所示

日转化氢气总量如下式所示：

式中：P_EC,t表示电解池装置t时刻输入功率；

为电转气装置最大输入功率；A_EC表示电转气装置日氢气转化量(kg)；

为电转气装置t时段内氢气转化量(kg)；

S15：储氢罐储氢容量根据日初储氢容量

以及电解池日转化氢气总量A_EC进行状态更新，计算公式如下式所示：

式中：A_HST表示储氢罐储氢容量(kg)；

表示储氢罐充气效率；

天然气储罐储存天然气能够供热电联产机组与燃气锅炉满负荷工作一天，具体容量计算公式如下式所示：

式中：A_NGST表示天然气储罐容量(kWh)；

代表CHP系统最大热出力；

S16：电解池装置持续工作且储氢罐容量达到最大时，甲烷化装置开始工作，将电解池产生氢气转化为甲烷输入综合能源系统天然气网络中，其具体运行方式如下式所示：

式中：A_HM,t表示甲烷化装置t时刻天然气输出量(kg)；η_HM表示甲烷化效率，取值为80％；b′表示氢气甲烷化系数，取值为2；

甲烷化装置氢气日消耗量与甲烷日转化量分别如下式所示：

式中：

表示甲烷化装置氢气日消耗量(kg)；

表示甲烷化装置日转化量(kg)；Ω_H表示满足甲烷化启动的时间集合；

S17：燃气锅炉的数学模型如下：

P_gbh＝P_gb·η_gb

其中，P_gbh为燃气锅炉输出热功率；P_gb为燃气锅炉输入天然气功率；η_gb为燃气锅炉效率。

3.如权利要求1所述的基于氢储能的综合能源系统优化方法，其特征在于：所述步骤S4的具体步骤包括：

S41：日系统经济成本

典型日系统经济成本C_E最小，与系统建设成本C_SC，辅助设备成本C_ae，运维成本C_om，燃料成本C_f以及外部供能成本C_ees相关，具体计算公式如下式所示：

minC_E＝C_SC+C_ae+C_om+C_f+C_ees

其中，系统建设成本计算公式如下式所示：

式中：C_SC表示综合能源系统日化建设成本($)；i表示综合能源系统内部不同设备；N表示设备综述；b_ie,i表示不同设备的单位建设成本($/kW)，P_r,i表示不同设备运行时的额定功率(储气设备为额定容量)；η表示通货膨胀率，取值为5％；S_fe,i表示不同设备的使用年限(年)

辅助设备成本计算公式如下式所示：

C_ae＝b_seC_sc

式中：C_ae表示综合能源系统日化辅助设备成本($)；b_se表示辅助设备成本系数；综合能源系统辅助设备主要包括交直流逆变器、线缆、管道、智能控制器、储氢罐泄露检测仪以及增压装置等组件，这一部分的投入成本主要由系统结构与容量配置决定的，其等额年值成本与运行状态并无直接关系，计算方式与C_sc相同，为简化计算，本文中C_ae按照C_sc的30％，即b_se＝0.3进行计算；

运维成本计算公式如下式所示：

式中：C_om表示综合能源系统日化运维成本($)；

表示不同设备固定运维成本系数($/kW·年)；

表示不同设备可变运维成本系数($/kWh)；P_i,t表示不同设备在t时刻的实际运行功率；

燃料成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_f表示综合能源系统燃料成本($)；b_f表示燃料成本系数，取值为0.25$/kWh；σ_CH4为甲烷低热值，取值为14Wh/kg；

外部供能成本在城镇综合能源系统中计算公式如下式所示：

式中：C_ees表示综合能源系统外部供能成本($)；b_eE、b_eT分别表示外部供电、外部供气成本系数；P_Eins，t、P_Tins，t分别表示t时刻供电不足与供热不足；

当光伏出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp，t+P_CHPe，t+P_EV，t＜P_Eload，t时，出现电能供应不足，部分电负荷需要使用系统外部供应，计算公式如下式所示：

P_Eins，t＝P_Eload，t-P_fp，t-P_CHPe，t-P_EV，t

当CHP系统热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh，t+P_AB，t＜P_Tload时，出现热能供应不足，部分热能需使用系统外部热能供应，计算公式如下式所示：

P_Tins，t＝P_Tload-P_CHPh，t-P_AB，t-P_CH4，t

S42：供能可靠性

供能可靠性η_ses计算公式如下式所示：

maxη_ses＝α₁η_ses，E+β₁η_ses，T+γ₁η_ses，H

式中：η_ses，E、η_ses，T、η_ses，H分别表示系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数；α₁、β₁、γ₁表示基于氢储能的系统可靠性系数权重因子，取值分别为0.35、0.35、0.3，下面分别给出系统供电可靠性系数、供热可靠性系数以及供氢可靠性系数的计算公式：

其中，供电可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses，E＝η_ies，E·η_t，E

式中：η_ies，E表示供电充足率；η_t，E表示供电可靠时间比；

在基于氢储能的家庭综合能源系统中，当风光出力与CHP系统电出力之和小于系统电负荷，即P_fp，t+P_CHPe，t＜P_Eload，t时，系统出现供电不足，其计算公式如下式所示：

Ω_E＝{t|P_fp，t+P_CHPe，t＜P_Eload，t}

供热可靠性系数具体计算公式如下式所示：

η_ses，T＝η_ies，T·η_t，T

式中：η_ies，T表示供热充足率；η_t，T表示供热可靠时间比；当CHP热出力与燃气锅炉出力之和小于系统热负荷，即P_CHPh，t+P_AB，t＜P_Tload，t时，系统出现供热不足，其计算公式如下式所示：

Ω_T＝{t|P_CHPh，t+P_AB，t＜P_Tload，t}

基于氢储能的城镇综合能源系统中，氢能源由多余的风光出力转化而得，供氢稳定系数计算中只包含供氢充足率，具体计算公式如下式所示：

η_ses，H＝η_ies，H

式中，η_ies，H表示供氢充足率；当储氢罐日初储氢容量与电解池日转化氢气量之和小于日氢气消耗量，即

时，系统出现供氢不足，其计算公式如下式所示：

4.如权利要求1所述的基于氢储能的综合能源系统优化方法，其特征在于：所述步骤S5的具体步骤如下：

约束函数的某种组合组成的一个“惩罚”项，加在原来的目标函数上来迫使迭代点逼近可行域，罚函数擅长处理带有约束条件的优化问题；

在一个优化问题<A,f>中，A为满足约束条件的可行解集，f：A→Rⁿ为目标函数，则目标函数最小值minf(x)的求解如下式所示：

上式中，g_i(x)≥0为约束条件；由于g_i(x)≥0不等式约束，等价于等式约束min(0,g_i(x))＝0；因此可将不等式约束问题转化为如下式所示的等式约束问题：

如果令

则可将原问题的求解转化为下式所示的求解无约束函数的无约束极小值问题：

式中，F(x,M)为罚函数，M为罚因子，为一个正常数，Mp(x)为罚项；当M充当大分时，F(x,M)的最优解能逼近约束问题的最优解；因此，F(x,M)对可行点不实行惩罚，而对非可行点给予很大惩罚，从而将求解约束极值的问题转化为求解无约束极值问题。

5.如权利要求1所述的基于氢储能的综合能源系统优化方法，其特征在于：所述步骤S6的具体步骤如下：

S61：一类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度均值，对应春、秋季典型日城镇负荷，以考察综合能源系统正常条件下的运行特性；

S62：二类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照强度最小值，对应夏季典型日城镇负荷，即可再生能源出力较小而电负荷相对较大的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的供能可靠性；

S63：三类场景：在全年风光数据中，分别选取风速和光照最大值，对应冬季典型日城镇负荷，即在可再生能源出力较大而电负荷相对较小的情况下对系统进行优化容量配置，以考察综合能源系统的可再生能源消纳能力。

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