一种风氢耦合发电系统的优化方法及装置制造方法及图纸

技术编号:15394199 阅读:269 留言:0更新日期:2017-05-19 06:13
本发明专利技术提供了一种风氢耦合发电系统的优化方法及装置,方法包括:根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型;根据建立的优化模型确定风氢耦合发电系统日运行收益模型;根据风氢耦合发电系统日运行收益模型优化风氢耦合发电系统中电能与氢能在电网和制氢系统中的转化量;调整风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况、风氢耦合发电系统的经济指标;根据分析获得的引入制氢系统后电网的新能源消纳情况、风氢耦合发电系统的经济指标优化系统参数。利用氢能作为缓冲氢气成为副产品,平衡各时段的新能源出力,增加系统收益,提高消纳水平。

Optimization method and device for wind hydrogen coupling power generation system

The present invention provides a method and device, optimization of wind power generation system hydrogen coupling method comprises the following steps: according to the timing of energy conversion wind power generation system and coupled hydrogen hydrogen storage system recursive constraints to build wind power generation system of hydrogen coupling optimization model; wind power generation system is determined according to the hydrogen coupling operation income model optimization model is established; according to the wind power generation system in power coupling of hydrogen and hydrogen in the hydrogen production system in the power grid and the transformation of the amount of wind power generation system on Optimization of hydrogen coupling operation income model; wind power generation system, adjusting the hydrogen coupling model of the operation benefit of wind power capacity, analysis of economic indicators into hydrogen production system after power grid accommodating new energy, wind and hydrogen coupled power system; according to the economic index optimization system of new energy consumptive, wind power generation system coupled hydrogen hydrogen production system was obtained after the introduction of the grid. The number of. The use of hydrogen as a buffer of hydrogen as a byproduct, new energy balance in each period of output, increase the system profit, improve the consumption level.

【技术实现步骤摘要】
一种风氢耦合发电系统的优化方法及装置
本专利技术涉及电力技术,具体的讲是一种风氢耦合发电系统的优化方法及装置。
技术介绍
风电作为可大规模集中和分散利用的清洁可再生能源,在国民经济和能源供给中占据重要地位。截至2015年,全国范围内的新能源并网装机容量合计达到16988万千瓦,其中风电累计装机容量达12830万千瓦,占总装机容量的8.5%,当年新增装机容量3144万千瓦,同比增加51.7%。在风电高速发展的过程中,风电消纳面临诸多挑战。风电的自身特性、风电场的地域分布以及电网的传输能力在不同程度上加剧了风电消纳问题。第一,风电输出具有间歇性、随机性及不确定性等特点,对系统的稳定性影响大,对系统的调峰能力需求大,为保证电网安全,该特性直接制约了风电入网量;第二,立足于我国国情,风电场大规模集群建设,且多位于电网末端,远离负荷中心,当地电力需求小于风电出力;第三,风电送出受限,相较于迅猛发展的风电场,当地的电网建设相对落后,导致实际送出能力小于额定送出功率。现有技术中,通过能量存储的方式,可以减小风电出力的波动性,降低其对电网的冲击,促进电网消纳风电。风氢耦合发电系统,结合电解水制氢和新能源出力,其中电解水制氢技术成熟,工业化体系完备,同时,其产物氢气,作为可再生能源,清洁高效,具有巨大的研究价值与市场潜力。本专利技术充分考虑新能源出力的随机特性,通过利用氢能作为缓冲氢气成为副产品的方式,有效平衡各时段的新能源出力,优化能量之间的转换量,量化分析增添氢气储能系统后的系统收益与新能源消纳水平。就调研结果显示,目前国内尚未有针对风氢耦合发电系统的日运行调度方法及其评估方案的提出与应用。
技术实现思路
为考虑新能源出力的随机特性,通过利用氢能作为缓冲氢气成为副产品的方式,有效平衡各时段的新能源出力,优化能量之间的转换量,量化分析增添氢气储能系统后的系统收益与新能源消纳水平。本专利技术实施例提供了一种风氢耦合发电系统的优化方法,风氢耦合发电系统包括风电场、电网以及氢气储能系统,所述的方法包括:根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型;根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型;根据所述风氢耦合发电系统日运行收益模型优化风氢耦合发电系统中电能与氢能在电网和制氢系统中的转化量;调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标;根据电网参数常量和分析获得的引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标优化风氢耦合发电系统的系统参数。本专利技术实施例中,所述根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型包括:定量分析所述风电场、电网、氢气储能系统之间的能量转化量;建立所述氢气储能系统内部的能量转换关系;建立氢气储能系统的氢气存储量的时序递推约束。本专利技术实施例中,所述定量分析所述风电场、电网、氢气储能系统之间的能量转化量包括:根据对各时段终端负荷的预测,确定风氢耦合发电系统的计划出力:式(1)中,t表示时间序列,t=0,1,2,…,T,表示风氢耦合发电t时段系统计划出力,单位kW,表示t时段电网终端负荷的估计值,单位kW,η表示系统出力承担电网负荷的比例,0≤η≤1;建立风电场、电网与氢气储能系统之间的平衡约束,包括:电网供需平衡约束、风氢耦合发电系统的功率平衡约束以及氢气供需平衡约束;其中,所述电网供需平衡约束:式(2)中,表示t时段除风电出力以外的其他机组出力,单位kW,表示t时段风电场输入电网出力,单位kW,表示t时段电网终端负荷,单位kW;风氢耦合发电系统的功率平衡约束:式(3)中,k表示情景序列,代表风电出力的随机性,k=0,1,2,…,K,表示情景k时段t下燃料电池出力,单位kW,表示情景k时段t下风电场出力,单位kW,表示情景k时段t下风电场输入电解槽出力,单位kW,表示情景k时段t下压缩机能耗,单位kW,表示情景k时段t下的弃风量,单位kW;所述氢气供需平衡约束:式(4)中,表示情景k时段t下其他来源氢气在标准状态下的体积,表示情景k时段t系统售出氢气在标准状态下的体积,表示情景k时段t下氢气需求在标准状态下的体积。本专利技术实施例中,所述建立所述氢气储能系统内部的能量转换关系包括:建立电解水制氢的能量转换方程:式(5)中,表示情景k时段t下电解槽制造标准状态下的氢气体积,ηe表示电解槽转换效率,HHV表示氢气高热值;其中,满足式(6):在式(6)中,为电解槽参数变量,取0-1,取0时表示电解槽当前时段不工作,而取1时则表示电解槽在当前时段工作,表示电解槽的额定功率,表示最低稳定运行功率;建立压缩机工作功率消耗方程:在式(7)中,a和b均为常数,为k时段t下压缩机能耗;建立燃料电池发电的能量转换方程:在式(8)中,表示情景k时段t下燃料电池耗费标准状态下的氢气体积,Δt表示时段t的时长,ηf表示燃料电池转换效率;其中,满足式(9):在式(9)中,为燃料电池变量,取0-1,取0时表示燃料电池当前时段不工作,取1时表示燃料电池当前时段工作,表示电解槽的额定功率,表示最低稳定运行功率。本专利技术实施例中,所述建立氢气储能系统的氢气存储量的时序递推约束包括:建立氢气存储量、氢气制备量、氢气消耗量以及氢气售出量的递推方程:在式(10)中,Vt,k表示情景k时段t下氢气存储量,Vt+1,k为情景k时段t+1下氢气存储量。本专利技术实施例中,所述方法还包括确定各变量的上下限约束关系:任意时段上网电量受到输电线路容量以及电网负荷的综合约束:在式(11)中,PTS表示输电线路容量;任意时段的氢气存储量受到其容量限制,满足:在式(12)中,Vmax为氢气储存容量约束;任意时段售出氢气受到氢气运力、氢气存储量以及氢气需求的综合约束:在式(13)中,VTS表示氢气运输容量上限;优化模型中的其他变量也均为非负变量,满足式(14)。本专利技术实施例中,所述根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型包括:以最大化风氢耦合发电系统日运行收益为目标函数,根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型:式(15)中,表示t时段的上网电价;表示净上网电量的售电收益;ξk表示情景k出现的概率;表示t时段氢气价格;表示售出氢气的收益;qS表示偏离计划输电的惩罚因子;表示偏离计划输电的惩罚成本。本专利技术实施例中,所述调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标包括:调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,比较风电场独立运行与风氢耦合发电下的系统收益和跟随特性;根据所述风氢耦合发电系统优化模型和风氢耦合发电系统日运行收益模型,利用确定性模型量化分析风电出力预测对风氢耦合发电系统的价值,其中,所述的确定性模型为:其中,为时段t售出氢气在标准状态下的体积。本专利技术实施本文档来自技高网
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一种风氢耦合发电系统的优化方法及装置

【技术保护点】
一种风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述风氢耦合发电系统包括风电场、电网以及氢气储能系统,所述的方法包括:根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型;根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型;根据所述风氢耦合发电系统日运行收益模型优化风氢耦合发电系统中电能与氢能在电网和制氢系统中的转化量;调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标;根据电网参数常量和分析获得的引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标优化风氢耦合发电系统的系统参数。

【技术特征摘要】
1.一种风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述风氢耦合发电系统包括风电场、电网以及氢气储能系统,所述的方法包括:根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型;根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型;根据所述风氢耦合发电系统日运行收益模型优化风氢耦合发电系统中电能与氢能在电网和制氢系统中的转化量;调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标;根据电网参数常量和分析获得的引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标优化风氢耦合发电系统的系统参数。2.如权利要求1所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述根据风氢耦合发电系统的能量转换及氢气储能系统的时序递推约束建立风氢耦合发电系统优化模型包括:定量分析所述风电场、电网、氢气储能系统之间的能量转化量;建立所述氢气储能系统内部的能量转换关系;建立氢气储能系统的氢气存储量的时序递推约束。3.如权利要求2所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述定量分析所述风电场、电网、氢气储能系统之间的能量转化量包括:根据对各时段终端负荷的预测,确定风氢耦合发电系统的计划出力:式(1)中,t表示时间序列,t=0,1,2,…,T,表示风氢耦合发电t时段系统计划出力,单位kW,表示t时段电网终端负荷的估计值,单位kW,η表示系统出力承担电网负荷的比例,0≤η≤1;建立风电场、电网与氢气储能系统之间的平衡约束,包括:电网供需平衡约束、风氢耦合发电系统的功率平衡约束以及氢气供需平衡约束;其中,所述电网供需平衡约束:式(2)中,表示t时段除风电出力以外的其他机组出力,单位kW,表示t时段风电场输入电网出力,单位kW,表示t时段电网终端负荷,单位kW;风氢耦合发电系统的功率平衡约束:式(3)中,k表示情景序列,代表风电出力的随机性,k=0,1,2,…,K,表示情景k时段t下燃料电池出力,单位kW,表示情景k时段t下风电场出力,单位kW,表示情景k时段t下风电场输入电解槽出力,单位kW,表示情景k时段t下压缩机能耗,单位kW,表示情景k时段t下的弃风量,单位kW;所述氢气供需平衡约束:式(4)中,表示情景k时段t下其他来源氢气在标准状态下的体积,表示情景k时段t系统售出氢气在标准状态下的体积,表示情景k时段t下氢气需求在标准状态下的体积。4.如权利要求2所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述建立所述氢气储能系统内部的能量转换关系包括:建立电解水制氢的能量转换方程:式(5)中,表示情景k时段t下电解槽制造标准状态下的氢气体积,ηe表示电解槽转换效率,HHV表示氢气高热值;其中,满足式(6):在式(6)中,为表示电解槽工作状态的变量,取0-1,取0时表示电解槽当前时段不工作,而取1时则表示电解槽在当前时段工作,表示电解槽的额定功率,表示最低稳定运行功率;建立压缩机工作功率消耗方程:在式(7)中,a和b均为系统常数,为情景k时段t下压缩机功率;建立燃料电池发电的能量转换方程:在式(8)中,表示情景k时段t下燃料电池耗费标准状态下的氢气体积,Δt表示时段t的时长,ηf表示燃料电池转换效率;其中,满足式(9):在式(9)中,为表示燃料电池工作状态的变量,取0-1,取0时表示燃料电池当前时段不工作,取1时表示燃料电池当前时段工作,表示电解槽的额定功率,表示最低稳定运行功率。5.如权利要求2所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述建立氢气储能系统的氢气存储量的时序递推约束包括:建立氢气存储量、氢气制备量、氢气消耗量以及氢气售出量的递推方程:在式(10)中,Vt,k表示情景k时段t下氢气存储量,Vt+1,k为情景k时段t+1下氢气存储量。6.如权利要求3、4或5中任一权利要求所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述方法还包括确定各变量的上下限约束关系:任意时段上网电量受到输电线路容量以及电网负荷的综合约束:在式(11)中,PTS表示输电线路容量;任意时段的氢气存储量受到其容量限制,满足:在式(12)中,Vmax为氢气储存容量约束;任意时段售出氢气受到氢气运力、氢气存储量以及氢气需求的综合约束:在式(13)中,VTS表示氢气运输容量上限;优化模型中的其他变量也均为非负变量,满足式(14)。7.如权利要求6所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型包括:以最大化风氢耦合发电系统日运行收益为目标函数,根据建立的风氢耦合发电系统优化模型与电网参数中的各时段电网的电价、氢气价格、偏离计划输电的惩罚成本确定风氢耦合发电系统日运行收益模型:式(15)中,表示t时段的上网电价;表示净上网电量的售电收益;ξk表示情景k出现的概率;表示t时段氢气价格;表示售出氢气的收益;qS表示偏离计划输电的惩罚因子;表示偏离计划输电的惩罚成本。8.如权利要求7所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,分析引入制氢系统后电网的新能源消纳情况及风氢耦合发电系统的经济指标包括:调整所述风氢耦合发电系统日运行收益模型中的风电出力,比较风电场独立运行与风氢耦合发电下的系统收益和跟随特性;根据所述风氢耦合发电系统优化模型和风氢耦合发电系统日运行收益模型,利用确定性模型量化分析风电出力预测对风氢耦合发电系统的价值,其中,所述的确定性模型为:其中,为时段t售出氢气在标准状态下的体积。9.如权利要求8所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,所述的决策变量包括:表示t时段风电场输入电网出力;表示情景k时段t下风电场输入电解槽出力;表示情景k时段t下燃料电池出力;表示情景k时段t下的弃风量;为0-1变量,取0时表示电解槽当前时段不工作,而取1时则表示电解槽在当前时段工作;为0-1变量,取0时表示燃料电池当前时段不工作,取1时表示燃料电池当前时段工作;表示情景k时段t系统售出氢气在标准状态下的体积;Vt,k,表示情景k时段t下氢气存储量;表示情景k时段t下压缩机能耗;表示t时段除风电出力以外的其他机组出力;表示情景k时段t下其他来源氢气在标准状态下的体积;表示情景k时段t下电解槽制造标准状态下的氢气体积;表示情景k时段t下燃料电池耗费标准状态下的氢气体积;所述的电网参数常量包括:表示t时段系统计划出力;表示t时段电网终端负荷的估计值;表示t时段电网终端负荷;表示情景k时段t下风电场出力;表示情景k时段t下氢气需求在标准状态下的体积;ηe表示电解槽转换效率;ηf表示燃料电池转换效率;HHV表示氢气高热值;表示电解槽的额定功率;表示最低稳定运行功率;表示燃料电池的额定功率;表示最低稳定运行功率;表示风电场外送电能的能力;Vmax为氢气储存容量约束;表示氢气外送能力。10.如权利要求9所述的风氢耦合发电系统的优化方法,其特征在于,根据电解槽的额定功率和燃料电池的额定功率分别调整电解槽容量和燃料电池容量,定量分析风氢耦合发电系统,分别确定电解槽容量和燃料电池容量对系统收益和跟随特性的影响,优化选择电解槽容量和燃料电池容量。11.一种风氢耦合发电系统的优化装置,其特征在于,所述风氢耦合发电系统包括风电场、电网以及氢气储能系统,所述的装置包括:优化模型建立模块,用于根据...

【专利技术属性】
技术研发人员:李顺昕杨金刚史智萍李笑蓉张海霞何成明王智敏单体华李莉胡泽春聂文海朱全友吴玮坪赵国梁李博刘维妙邓天虎王旭冉岳昊何慧赵微侯喆瑞瞿晓青刘溪
申请(专利权)人:国家电网公司国网冀北电力有限公司经济技术研究院清华大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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