CN117574684A - 一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电‑氢‑碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统，涉及综合能源技术领域，该方法包括基于电‑氢转换模型、碳‑气‑电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电‑氢‑碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；电‑氢‑碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；风电电能约束由风力出力数据确定；光伏电能约束由光伏出力数据确定，对电‑氢‑碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案。本发明综合考虑了新能源出力的随机性和波动性、绿色氢能利用率等，建立电‑氢‑碳综合能源系统模型，提升综合能源系统的灵活性、效率和精度。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源技术领域，特别是涉及一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统。
背景技术
在能源转型与节能减排的推进背景下，电-氢-碳融合的新型综合能源系统模式正处于飞速发展阶段。氢能作为一种可长时间存储、大规模充放电的清洁能源，与电-碳的有效耦合，具有优化能源结构、提高能源利用效率、降低碳排放等优点，备受关注。然而，该系统的运行具有较高的复杂性和不确定性，需要进行更深入的研究。
电-氢-碳融合的综合能源系统时序生产模拟的研究目的是通过对系统的运行特性、动态行为和稳定性、运行成本等方面进行深入分析和模拟，揭示其内在耦合关系，为该系统的优化运行、稳定控制和规划设计提供理论支撑和实践指导。同时，通过该研究，还可以为新能源电力系统的经济调度、优化运行和风险管理等方面提供新的思路和方法，为推进能源转型做出贡献。但是现有方法存在以下缺点：1）尚未建立长周期氢储能模型，参与到电-氢-碳系统的时序生产模拟中，与现阶段电-氢-碳协同发展的趋势不符；2）电-氢-碳融合的综合能源系统时序生产模拟的模型较为复杂，涉及多个环节和多种物理过程，建立精确的数学模型需要大量的计算资源和时间。同时，对于大规模、多尺度、多目标优化问题的处理，现有技术还存在一定的局限性；3）传统的电力系统时序生产模拟方法往往建立的是离散时间时序生产模型，精度较低，对连续时间的时序生产模型鲜有研究，其相互转化的内在耦合关系有待研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统，综合考虑了新能源出力的随机性和波动性、绿色氢能利用率等，建立8760小时级的时序生产模拟模型（电-氢-碳综合能源系统模型），分析综合能源系统的可靠性水平和长期储能运行特征，可以有效地将电化学储能与氢储能优劣互补，提升综合能源系统的灵活性、效率和精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案。
本发明提供一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，包括以下步骤。
获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据。
根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据。
根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据。
基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型。
基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定。
对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
可选的，对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案，具体包括：采用BP插值方法对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案。
可选的，所述电-氢转换模型的计算公式如下。
。
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其中，为/>时段内电解槽电解产生的/>量；/>为电解制氢的效率；为/>时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能；/>和分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为上一时段氢储能系统的储氢量；/>为单位时间氢气损耗量；/>为/>时段内输出的氢气量；/>为时段持续时长。
可选的，所述碳-气-电耦合模型如下。
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其中，为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；为二氧化碳捕获率；/>为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时段锅炉输出的热功率；/>为/>时段的制甲烷量；/>为二氧化碳与氢气的反应效率；为碳捕集系统中参与甲烷生成反应的二氧化碳量；/>为氢储能系统中参与甲烷生成反应的氢气量；/>为/>时段由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为氢燃料电池的反应效率；/>为/>时段氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；/>为氢气传输和参与化学反应的过程中氢气耗散率；为/>时段氢储能系统输出的氢气量；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量。
可选的，所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数的计算公式如下。
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其中，f为电-氢-碳综合能源系统综合目标函数；min为第一目标函数；min/>为第二目标函数；/>为综合能源系统向电网运营商的购电成本，/>为综合能源系统向风电运营商的购电成本，/>为综合能源系统向光伏运营商的购电成本；/>、和/>分别为从电网运营商、风电运营商和光伏运营商购入的单位电能价格；为/>时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能；/>和分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为一年中电解水制氢系统的运行成本；/>为电解槽电解产生单位量氢气所均摊的电解槽购置价格；/>为产生单位氢气电解槽的维护价格；/>为/>时段内电解槽电解产生的/>量；/>为一年中碳捕集系统的运行成本；/>为捕集单位二氧化碳所均摊的碳捕集系统成本价格；/>为捕集单位二氧化碳的系统维护价格；/>为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；/>为氢燃料电池的年运行成本；/>为产生单位电能所均摊的氢燃料电池价格；/>为产生单位电能氢燃料电池的维护价格；为/>时段由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为甲烷生成系统的年运行成本；/>为产生单位甲烷所均摊的甲烷生成系统价格；/>为产生单位甲烷的甲烷生成系统的维护价格；/>为/>时段的制甲烷量；/>为一年中未被碳捕集系统捕集的二氧化碳排放成本；/>为单位量二氧化碳配额的购买价格；/>为二氧化碳捕获率；/>为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时段锅炉输出的热功率；为/>时段电-氢-碳综合能源系统的碳排放配额；/>为单位量二氧化碳配额的出售价格；/>为年售气收益；/>为年售电收益，/>年售氢收益；/>、/>、分别为单位量甲烷售价、单位量电能售价与单位量氢能售价；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；/>为非绿氢惩罚因子；T为一年时间。
可选的，所述风电电能约束为：。
所述光伏电能约束为：。
其中，和/>分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为/>时段风力发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的风电；/>为/>时段光伏发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的光伏电能。
可选的，所述储氢量平衡约束如下：。
其中，为氢储能系统中参与甲烷生成反应的氢气量；/>为/>时段氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；/>为/>时段氢储能系统的储氢量。
可选的，所述太阳光照季节氢储量约束包括一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束和春分日到秋分日的氢储能系统储量约束；所述一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束为： 。
所述春分日到秋分日的氢储能系统储量约束为： 。
其中，为一年年初到春分日及秋分日到一年年末夜间应有的氢储量；/>为春分日到秋分日夜间应有的氢储量；t表示时段；/>为一年年初到春分日及秋分日到一年年末中的夜间时段；/>为春分日到秋分日中的夜间时段；i为天数；/>表示一年年初到春分日及秋分日到一年年末；/>表示春分日到秋分日；Z为整数集。
可选的，所述风力季节氢储量约束如下： 。
其中，为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为风力弱势季节系统应有的氢储量，风力弱势季节为风电出力小于设定出力的季节；T为一年时间；Z为整数集。
本发明还提供了一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟系统，包括以下模块。
风电出力确定模块，用于获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据；根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据；根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据。
碳-气-电模型构建模块，用于基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型。
综合能源系统模型构建模块，用于基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定。
求解模块，用于对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统，首先根据历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据，根据历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据，然后基于电-氢转换模型、碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；风电电能约束由风力出力数据确定；光伏电能约束由光伏出力数据确定，最后对电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案，确定从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。本发明综合考虑了新能源出力的随机性和波动性、绿色氢能利用率等，建立8760小时级的时序生产模拟模型（电-氢-碳综合能源系统模型），分析综合能源系统的可靠性水平和长期储能运行特征，可以有效地将电化学储能与氢储能优劣互补，提升综合能源系统的灵活性、效率和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法流程示意图。
图2为本发明实施例1提供的电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟框架示意图。
图3为本发明实施例1提供的全年逐小时风速数据模拟流程示意图。
图4为本发明实施例1提供的全年逐小时太阳辐照度数据模拟流程示意图。
图5为本发明实施例2提供的电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
任洲洋等将在同一并网节点的火电与可再生能源建立耦合模型，提出一种考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟方法，该方法在建模过程中尚未考虑储能系统与电网的耦合关系，具有应用局限性。孔丽蓓，在传统时序生产模拟的基础上，提出了一种基于线性潮流的新能源电力系统时序生产模拟方法，用迭代关联法对模型进行求解，该方法的建模过程较为简单，将风光消纳最大化作为单一优化目标。王琨玥提出一种基于时序生产模拟的配电网端光伏接入研究方法，该方法从时序生产模拟的角度，通过建立负荷和光伏出力的时序模型，对配电网端光伏接入容量规划问题进行研究，基于同一天各时刻点的负荷在全年数据中分布较为均匀的特性，提出了一种日负荷时序模拟方法，接着分析了光伏出力影响因素，提出了与负荷存在时间关联的光伏时序生产模拟方法，基于以上，搭建了光伏并网容量规划模型，以解决光伏容量配置问题。
本发明的目的是提供一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法及系统，基于含氢储能系统的电-氢-碳综合能源系统，研究了系统长时间运行的成本组成，分析包含燃料费用、分布式电氢设备运行维护费用、缺电成本、碳排放环境成本和启动成本在内的综合能源系统成本，并综合考虑了新能源出力的随机性和波动性、绿色氢能利用率等，建立8760小时级的时序生产模拟模型，分析综合能源系统的可靠性水平和长期储能运行特征，可以有效地将电化学储能与氢储能优劣互补，提升综合能源系统的灵活性。为提升求解结果的有效性与准确性，利用连续时间优化理论重构离散生产模型，建立起连续时间时序生产模型，采用BP插值的解空间变换方法，基于多年期的时序生产模拟数据，得出长时间尺度下的电-氢-碳综合能源系统最优运行方案。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1。
如图1所示，本实施例提供了电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，包括以下步骤。
S1：获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据；根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据；根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据。
S2：基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型。
S3：基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定。
S4：对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
电-氢-碳综合能源系统是一种将电能、氢能、碳能源相互转化以实现高效能源利用的系统。主要包含了氢能生产及储存系统、氢气燃烧系统等。在电-氢-碳综合能源系统中，建立起运行成本指标。
建立电-氢-碳综合能源系统年运行主要经济成本模型（电-氢-碳综合能源系统综合目标函数）。
1）电-氢转换模型。
由分布式风机、光伏等发出的电能，在风力、日照资源充足的情况下，其产生的电能往往不能被电力系统全部消纳，容易造成资源浪费。将t时段内电力系统所不能消纳的可再生能源生产的电能及其它类型的电能，送入电解水槽，转化氢能而后进行存储，其转换模型为公式（1）-（2）。
（1）。
（2）。
其中，为/>时段内电解槽电解产生的/>量，这部分能量存储在氢储能设备中；/>为电解制氢的效率；/>为/>时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能，/>和/>分别为综合能源系统中，/>时段综合能源系统从可再生能源发电商购得的风电及光伏所产生的——未及时被电网消纳的发电量（综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能）。/>为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为上一时段(即t-1时段)的储氢量；由于储氢罐的自损，在时段中，会有一部分氢气损耗，/>为单位时间氢气损耗量；为/>时段内输出的氢气量；/>为时段持续时长。将一年划分为8760个时段，即。
2）碳-气-电耦合模型。
综合能源系统中的碳捕集系统，将锅炉设备等产生的二氧化碳捕集，可用于与氢气发生反应生成甲烷注入气网，售卖获得收益。
（3）。
其中，为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；为二氧化碳捕获率；/>为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时段锅炉输出的热功率。
捕获的二氧化碳可在需要时间内与氢气发生反应，生成甲烷注入气网。
（4）。
其中，为/>时段的制甲烷量；/>为二氧化碳与氢气的反应效率；为/>时段碳捕集系统中参与反应的二氧化碳量；/>为氢储能系统中去参与甲烷生成反应的氢气量。
氢燃料电池燃烧氢气，可以将存储的氢气转换回电能，送入电网。
（5）。
其中，为/>时段由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为氢燃料电池的反应效率；/>为氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；为氢气传输、反应的过程中氢气耗散率。
单位时段氢储能系统输出的氢气量，一部分用于与二氧化碳反应生成甲烷、一部分用于直接售卖、一部分用于生产电能，故有如公式（6）所示的关系。
（6）。
3）综合能源系统运行成本模型（第一目标函数）。
基于1）、2），构建综合能源系统运行成本模型（第一目标函数）。
（7）。
对于式（7）中各项，其具体数学模型表达如下。
（8）。
（9）。
（10）。
（11）。
（12）。
（13）。
（14）。/>
（15）。
其中， 。
（16）。
（17）。
（18）。
其中，min为第一目标函数；/>为综合能源系统向电网运营商的购电成本，/>为综合能源系统向风电运营商的购电成本，/>为综合能源系统向光伏运营商的购电成本，由于所购电能均为电网由于负荷预测偏差、风光过剩等原因未及时消纳的电能，故购入价格相对低廉。/>、/>和/>分别为从电网运营商、风电运营商和光伏运营商（分布式风电发电商和光伏发电商）购入的单位电能价格；/>为/>时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能；/>和/>分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为一年中电解水制氢系统的运行成本；/>为电解槽电解产生单位量氢气所均摊的电解槽购置价格；/>为产生单位氢气电解槽的维护价格；为/>时段内电解槽电解产生的/>量；/>为一年中碳捕集系统的运行成本；/>为捕集单位二氧化碳所均摊的碳捕集系统成本价格；/>为捕集单位二氧化碳的系统维护价格；/>为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；/>为氢燃料电池的年运行成本；/>为产生单位电能所均摊的氢燃料电池价格；/>为产生单位电能氢燃料电池的维护价格；/>为/>时刻由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为甲烷生成系统的年运行成本；/>为产生单位甲烷所均摊的甲烷生成系统价格；/>为产生单位甲烷的甲烷生成系统的维护价格；/>为/>时刻的制甲烷量；/>为一年中未被碳捕集系统捕集的二氧化碳排放成本；成本为正则说明需要在碳排放配额的基础上额外购买，成本为负则说明碳排放配额过剩可用于售出。/>为单位量二氧化碳配额的购买价格；/>为二氧化碳捕获率；为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时刻锅炉输出的热功率；需要说明的是：为/>时段内电-氢-碳综合能源系统的碳排放配额，碳排放配额不足需要额外购买，若过剩，则可将剩余的碳排放配额出售；/>为单位量二氧化碳配额的出售价格；为年售气收益；/>为年售电收益，/>年售氢收益；/>、/>、/>分别为单位量甲烷售价、单位量电能售价与单位量氢能售价；/>为/>时刻氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；T为一年时间。
风电电能约束为： （19）。
光伏电能约束为： （20）。
储氢量平衡约束为： （21）。
额定氢容量约束为： （22）。
氢储量年初年末平衡约束为： （23）。
太阳光照季节氢储量约束太阳光照季节氢储量约束包括一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束和春分日到秋分日的氢储能系统储量约束，分别为公式（24）和（25）。
（24）。
（25）。
风力季节氢储量约束为： （26）。
其中，为/>时段风力发电所发出的电能，/>为/>时段内电网所消耗的风电，/>为/>时段光伏发电所发出的电能，/>为/>时段内电网所消耗的光伏电能。式（21）表示，在某一时段内，参与甲烷生成的氢气量、氢燃烧量、售氢量之和不大于氢储能系统的储氢量；/>表示氢储能系统的额定氢容量；/>表示年初的氢储量，/>表示年末的氢储量，由于氢能可大规模长时间储存，在一年的生产模拟始末，氢储能系统的氢储量应保持相同。
电网中的可再生能源出力具有较强的波动性，其中，光伏出力与一天中的日照变化和季节变化密切相关——夜间太阳辐射度为0，需要有备用的氢储量为电力系统提供后备电能。故以春分和秋分为分割点，一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量应满足式（24）所列约束，这一段时间内的一日太阳光照时间较短，为该时间段内夜间应有的氢储量；春分日到秋分日的氢储能系统储量应满足式（25）所列约束，这一段时间内的一日太阳光照时间较长，/>为该时间段内夜间应有的氢储量。风力发电的出力与季节相关，以我国北方地区为例，春季风力强盛，故其余季节时候的氢储能系统应有一定的氢储量以保证电力供应，/>为风力弱势季节系统应有的氢储量。
综上，时序生产模拟的目标之一为一年中电-氢-碳综合能源系统的运行成本最小，将全年划分为8760个时段，。
建立非绿氢惩罚评估指标：所谓绿氢率，指的是——绿色氢能所占比例。绿色氢能是利用可再生能源所制得的氢气，由于电-氢-碳耦合的综合能源系统主要目的是实现绿色高效制取氢气，具有良好的环保效益。因此建立一个非绿氢惩罚指标来评估综合能源系统对绿色氢能的利用，以便时序生产模拟中，有效提升绿氢率。则以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数（绿氢率）为公式（27）。
（27）。
其中，min为第二目标函数；/>为非绿氢惩罚因子，当综合能源系统购入电能中含有非可再生能源发电量，则对其进行一定惩罚，以促进综合能源系统提升其运行的环保效益。
由于目标函数与/>的单位均为经济成本——元，故本发明所构建的电-氢-碳综合能源系统的最终目标函数（电-氢-碳综合能源系统综合目标函数）minf为公式（28）。
（28）。
在本实施例的一个具体示例中，S1具体包括：本实施例考虑风力发电及光伏发电不确定性因素，风光出力模拟方法为：采用场景生成方法进行全年365天逐小时风速、太阳辐射度数据模拟。
1）风速数据模拟。
根据统计学知识，风速近似符合Weibull分布，已知各个时段的风速的Weibull分布形状参数k和尺度参数c，表示风速，故Weibull的概率密度函数为公式（29）。
（29）。
其中，为第d天t时段的风速，风速数据来源于分布式风电所配置地区的历年数据，历年数据越充足，拟合效果越好。风电功率与风速密切相关，其转化公式（风力发电机输出功率模型）为公式（30）。
（30）。
式中，为风机设备的额定风速，/>和/>分别为风机的切入风速和切出风速，为风机的额定功率，/>为风机设备第d天t时段的最大输出功率，/>为第d天t时段的风速。
进行年时序模拟，需要构建365个风速场景集，每个场景集中含24个风速数据，具体方法如图3所示，最终得到风力出力数据。
2）太阳辐照度数据模拟。
光伏发电从输出功率主要取决于该时刻下的太阳辐照度，根据统计学知识，太阳辐照度数据服从Beta分布。已知各时段的Beta分布形状参数和/>，/>为第d天t时段的太阳辐照度，Beta分布的概率密度函数为公式（31）。
（31）。
光伏输出功率与太阳辐照度密切相关，其转化公式（光伏发电机输出功率模型）为公式（32）。
（32）。
式中，为第d天t时段光伏的最大输出功率，/>为辐射面积，/>为光电转换效率。
同理，需要构建365个太阳辐照度场景集，每个场景集包含24个太阳辐照度数据，具体生成方法如图4所示，最终得到光伏出力数据。
基于概率密度曲线的风光场景生成方法，充分考虑风力发电与光伏发电的不确定性，较大程度依赖于历年数据，历年数据越多，预测结果可靠性越高。
对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案，具体包括：采用BP插值方法对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案。
接着，通过BP插值的方法，将预测得到的全年逐小时风力、光伏出力拟合成曲线，将离散值做连续化处理。
基于连续时间优化理论的离散模型重构与解空间变换，具体包括以下步骤。
基于连续时间优化理论，将电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型中公式（1）到公式（5）各式分别重构为公式（33）-公式（37）。
（33）。
（34）。
（35）。
（36）。
（37）。
约束条件进行重构，即将公式（19）-公式（21）以及公式（14）-公式（26）分别修改为公式（38）-公式（43）。
风电电能约束为：（38）。
光伏电能约束为：（39）。
其中，和/>分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为/>时段风力发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的风电；/>为/>时段光伏发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的光伏电能。
储氢量平衡约束如下。
（40）。
其中，为氢储能系统中参与甲烷生成反应的氢气量；/>为/>时段氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；/>为/>时段氢储能系统的储氢量。
一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束如下公式（41）。
（41）。/>
所述春分日到秋分日的氢储能系统储量约束如下公式（42）。
（42）。
其中，为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为一年年初到春分日及秋分日到一年年末夜间应有的氢储量；/>为春分日到秋分日夜间应有的氢储量；t表示时段；/>为一年年初到春分日及秋分日到一年年末中的夜间时段；/>为春分日到秋分日中的夜间时段；i为天数；表示一年年初到春分日及秋分日到一年年末；/>表示春分日到秋分日；Z为整数集。
风力季节氢储量约束如下式（43）。
（43）。
其中，为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为风力弱势季节系统应有的氢储量，风力弱势季节为风电出力小于设定出力的季节；T为一年时间；Z为整数集。
基于上述过程，电-氢-碳综合能源系统模型已被修改为包含积分项和微分项的函数空间优化问题，根据BP插值方法，可以通过解空间变换转换到代数空间再进行求解。
基于BP插值方法的连续时间优化理论，以变量为例，解释该方法的具体实现方式。
离散值所建立的时序图像为阶梯形，例如，在0至1时段内插入两个点，0时刻的点定义为，1时刻点定义为/>，2时刻点定义为，以此类推，所插入的两个点按照时序定义为/>和，插值系数/>和/>的计算公式如下式（44）。
（44）。
将插值系数按照顺序均匀分布在0-1时段中，可以得到Bezier曲线的控制点，按照、/>和/>、/>顺序连接，可以画出Bezier曲线的控制曲线，后面时段的控制点计算方法与上述相同，以此类推。
基于上述方法，式（33）-（37）分别变换为式（45）-（49）。
（45）。
（46）。
（47）。
（48）。
（49）。
约束条件修改，即公式（19）-公式（21）以及公式（14）-公式（26）修改为式（50）-（55）。
（50）。
（51）。
（52）。
（53）。/>
（54）。
（55）。
本实施例所建立的基于绿氢的综合能源系统运行成本模型（电-氢-碳综合能源系统模型），现已经被转化为一个大规模非线性整数规划问题，对其进行求解，得到时序生产模拟方案，即需要决策——从电网运营商处购得的电能、购得的风电及光伏所产生的未及时消纳的发电量、参与甲烷生成反应的氢气量、送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量、售氢量，一年始末的氢气存储量要保持相等。根据问题特征，采用成熟的商业软件进行快速求解，得到一年之内的电-氢-碳综合能源系统决策值曲线。
本实施例建立了计及电-氢-碳综合能源系统年运行成本的时序生产模拟最优化指标，充分考虑了可再生能源出力的不确定性；建立起绿氢率指标，并将非绿氢以惩罚成本的形式计入电-氢-碳综合能源系统的经济成本，以促进综合能源系统运营商提升环保效益；建立长时储能模型。利用电-氢-碳综合能源系统的长时储能特性，在风光发电弱势时段及季节中，综合能源系统保有一定的储氢量，以应对电力系统的不时之需；利用连续优化理论，将逐小时离散决策量转化为积分形式，而后利用基于BP插值法的解空间变换方法，将问题再次转换为整数规划问题，求解考虑随机性的综合能源系统时序生产模型。
本实施例具有以下有益效果。
1.本实施例以绿氢为主要媒介的电-氢-电长时储能运行特性，分析了其对综合能源系统长周期优化运行的影响，具有较强的工程实际意义。
2构建了综合能源系统时序生产模型，并将其进行连续化建模处理。
3.基于离散时间的综合能源系统时序模拟方法，电力系统及综合能源系统的灵活性并不能得到充分的利用，本发明用BP插值法对连续化的时序生产模型进行了解空间变换，降低了求解复杂度，更加充分地利用了系统的灵活性和可调节性。
实施例2。
为了执行上述实施例1对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟系统，如图5所示，包括以下模块。
风电出力确定模块M1，用于获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据；根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据；根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据。
碳-气-电模型构建模块M2，用于基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型。
综合能源系统模型构建模块M3，用于基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定。
求解模块M4，用于对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，包括：
获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据；
根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据；
根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据；
基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型；
基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定；
对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
2.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案，具体包括：
采用BP插值方法对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案。
3.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述电-氢转换模型的计算公式如下：
；
；
其中，为/>时段内电解槽电解产生的/>量；/>为电解制氢的效率；为/>时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能；/>和分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为上一时段氢储能系统的储氢量；/>为单位时间氢气损耗量；/>为/>时段内输出的氢气量；/>为时段持续时长。
4.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述碳-气-电耦合模型如下：
；
；
；
；
其中，为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；/>为二氧化碳捕获率；/>为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时段锅炉输出的热功率；/>为/>时段的制甲烷量；/>为二氧化碳与氢气的反应效率；为碳捕集系统中参与甲烷生成反应的二氧化碳量；/>为氢储能系统中参与甲烷生成反应的氢气量；/>为/>时段由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为氢燃料电池的反应效率；/>为/>时段氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；/>为氢气传输和参与化学反应的过程中氢气耗散率；为/>时段氢储能系统输出的氢气量；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量。
5.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数的计算公式如下：
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
；
其中，f为电-氢-碳综合能源系统综合目标函数；min为第一目标函数；min/>为第二目标函数；/>为综合能源系统向电网运营商的购电成本，/>为综合能源系统向风电运营商的购电成本，/>为综合能源系统向光伏运营商的购电成本；/>、/>和/>分别为从电网运营商、风电运营商和光伏运营商购入的单位电能价格；/>为时段综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能；/>和分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为一年中电解水制氢系统的运行成本；/>为电解槽电解产生单位量氢气所均摊的电解槽购置价格；/>为产生单位氢气电解槽的维护价格；/>为/>时段内电解槽电解产生的/>量；/>为一年中碳捕集系统的运行成本；/>为捕集单位二氧化碳所均摊的碳捕集系统成本价格；/>为捕集单位二氧化碳的系统维护价格；/>为/>时段碳捕集系统从锅炉设备捕获的二氧化碳量；/>为氢燃料电池的年运行成本；/>为产生单位电能所均摊的氢燃料电池价格；/>为产生单位电能氢燃料电池的维护价格；为/>时段由氢燃料电池产生的送入电网的电能；/>为甲烷生成系统的年运行成本；/>为产生单位甲烷所均摊的甲烷生成系统价格；/>为产生单位甲烷的甲烷生成系统的维护价格；/>为/>时段的制甲烷量；/>为一年中未被碳捕集系统捕集的二氧化碳排放成本；/>为单位量二氧化碳配额的购买价格；/>为二氧化碳捕获率；/>为热功率-二氧化碳转化率；/>为/>时段锅炉输出的热功率；为/>时段电-氢-碳综合能源系统的碳排放配额；/>为单位量二氧化碳配额的出售价格；/>为年售气收益；/>为年售电收益，/>年售氢收益；/>、/>、分别为单位量甲烷售价、单位量电能售价与单位量氢能售价；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；/>为非绿氢惩罚因子；T为一年时间。
6.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，
所述风电电能约束如下：
；
所述光伏电能约束如下：
；
其中，和/>分别为/>时段综合能源系统从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能和从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；/>为/>时段风力发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的风电；/>为/>时段光伏发电所发出的电能；/>为/>时段内电网所消耗的光伏电能。
7.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述储氢量平衡约束如下：
；
其中，为氢储能系统中参与甲烷生成反应的氢气量；/>为/>时段氢储系统中送入氢燃料电池中参与化学反应的氢气量；/>为/>时段氢储能系统输出的氢气量中用于售卖的氢气量；/>为/>时段氢储能系统的储氢量。
8.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述太阳光照季节氢储量约束包括一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束和春分日到秋分日的氢储能系统储量约束；
所述一年年初到春分日及秋分日到一年年末的氢储能系统储量约束如下：
；
所述春分日到秋分日的氢储能系统储量约束如下：
；
其中，为一年年初到春分日及秋分日到一年年末夜间应有的氢储量；/>为春分日到秋分日夜间应有的氢储量；t表示时段；/>为一年年初到春分日及秋分日到一年年末中的夜间时段；/>为春分日到秋分日中的夜间时段；i为天数；/>表示一年年初到春分日及秋分日到一年年末；表示春分日到秋分日；Z为整数集。
9.根据权利要求1所述的一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟方法，其特征在于，所述风力季节氢储量约束如下：
；
其中，为/>时段氢储能系统的储氢量；/>为风力弱势季节系统应有的氢储量，风力弱势季节为风电出力小于设定出力的季节；T为一年时间；Z为整数集。
10.一种电-氢-碳综合能源系统时序生产模拟系统，其特征在于，包括：
风电出力确定模块，用于获取历史年度运行数据；所述历史年度运行数据包括历史风速数据和历史太阳辐照度数据；根据所述历史风速数据和风力发电机输出功率模型确定风力出力数据；根据所述历史太阳辐照度数据和光伏发电机输出功率模型确定光伏出力数据；
碳-气-电模型构建模块，用于基于连续时间优化理论构建电-氢转换模型和碳-气-电耦合模型；
综合能源系统模型构建模块，用于基于所述电-氢转换模型、所述碳-气-电耦合模型和非绿氢惩罚成本构建电-氢-碳综合能源系统模型对应的电-氢-碳综合能源系统综合目标函数和约束条件；所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数包括以综合能源系统运行成本最小为目标的第一目标函数和以非绿氢惩罚成本最小为目标的第二目标函数；所述非绿氢惩罚成本表征综合能源系统作为负荷从电网运营商处购得的电能与综合能源系统作为负荷购得的总电能的比例；所述总电能包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能以及从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能；所述约束条件包括风电电能约束、光伏电能约束、储氢量约束、额定氢容量约束、氢储量年初年末平衡约束、太阳光照季节氢储量约束和风力季节氢储量约束；所述风电电能约束由风力出力数据确定；所述光伏电能约束由光伏出力数据确定；
求解模块，用于对所述电-氢-碳综合能源系统综合目标函数进行求解，得到时序生产模拟方案；所述时序生产模拟方案包括从电网运营商处购得的电能、从风电运营商处购得的电网未及时消纳电能、从光伏运营商处购得的电网未及时消纳电能和参与甲烷生成反应的氢气量。
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