面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法，属于电力系统优化规划技术领域。该方法首先构建每种X对应的P2X电能制取约束、季节性X储能全年时序耦合运行约束和X的区域间转运约束，构成该X对应的P2X模型；然后建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，将每种X对应的P2X模型作为约束条件嵌入到该模型中；对该模型求解得到电力系统最优规划方案。本发明专利技术在传统电力系统规划优化模型中考虑多类型P2X引入对电力系统调度运行的影响，有助于电力设计与运行调度人员科学配置机组线路容量，有效分析电力系统内P2X调度运行情况，合理安排各类型发电机组协调出力，从而保证电力系统中的可再生能源消纳水平。

【技术实现步骤摘要】
面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法
本专利技术涉及一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法，属于电力系统优化规划

技术介绍
以可再生能源为主体的绿色、低碳、清洁能源体系建设是中国乃至全世界的能源战略选择，高比例可再生能源并网(本专利技术中指可再生能源占比超过30％)将成为未来电力系统的基本特点。可再生能源发电与电力系统用电负荷均具备季节性变化特征，这为大规模可再生能源电力的有效消纳带来挑战。另一方面，传统的冶金、化工等行业依赖于煤、石油、天然气等化石能源。化石能源的广泛使用给工业生产带来了巨大的碳排放压力，为全球能源安全和气候变化带来严峻挑战。P2X(PowertoX，以清洁能源为主体的电力多元转化技术)通过化工行业的电气化来取代传统的依赖于化石能源的工业生产，用清洁能源产生的电能制备各种无机、有机原材料和燃料(X)并进行大规模、长时间存储，有望在降低碳排放的同时给风、光等可再生能源提供规模化消纳的途径，实现电能的等效大规模季节性存储和多能源互联。因此建立以清洁能源电力为主导的能源开发、配置与利用体系，是未来电力系统实现可再生能源大规模消纳的有效途径。当前，P2X技术是学术界研究热点。基于电制氢技术与季节性储氢设备构建的氢能供应链、基于清洁电力供热并结合季节性储热技术构建的清洁供热系统都有一定程度的研究。但这些研究较少分析P2X技术对于电力系统优化运行的影响，难以评估考虑P2X配合季节性X储能的电力系统全年时间序列耦合运行特性，也无法分析X储能资源空间动态分布对可再生能源有效消纳的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法。本专利技术可在传统电力系统规划优化模型中考虑多类型P2X引入对电力系统调度运行的影响；电力设计与运行调度人员可以根据该方法科学配置机组线路容量，有效分析电力系统内P2X调度运行情况，合理安排各类型发电机组协调出力，从而保证电力系统中的可再生能源消纳水平，降低系统弃风弃光，从全能源-物质系统视角提升能源利用的价值。本专利技术提出一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法，其特征在于，该方法首先针对每一种利用电能制备的X，分别构建该X对应的P2X电能制取约束、季节性X储能全年时序耦合运行约束和X的区域间转运约束，构成每种X对应的P2X模型；然后建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，该模型的目标函数为总成本最小化，约束条件包括节点功率平衡约束、输电网络约束、常规火电机组运行约束、可再生能源出力约束、电化学储能运行约束以及各X的供应链系统平衡方程约束；将每种X对应的P2X模型作为P2X模型与运行约束嵌入到该模型中；对该优化模型求解，得到电力系统最优规划方案。该方法包括以下步骤：1)对利用电能制备的每一种X，分别建立该X对应的P2X模型；具体步骤如下：1-1)P2X电能制取约束：其中，上标X表示利用P2X技术经过能量转换得到的不同类型能量和物质，Cha表示X储能的充能状态；下标x表示P2X设备编号，m表示月编号，d表示日编号，t表示时编号，N表示电网节点类型；集合表示与P2X设备x连接的电网节点集合；|TD|表示日内参与运行分析的时段总数；表示制取X的P2X设备x的能量转换效率，表示制取X的P2X设备x在m月d日t时的耗电功率，表示在m月d日利用P2X设备x制取得到X并进行存储的量；其中，其中，表示制取X的P2X设备x的功率容量上限；1-2)季节性X储能全年时序耦合运行约束；具体包括：季节性储能月内相邻日间能量平衡约束：其中，Dis表示X储能的放能状态，p表示X的运输路径；集合表示由制取X的P2X设备x运出的运输路径集合,表示由制取X的P2X设备x运入的运输路径集合；表示P2X设备x存储X的能量存储损耗率，表示P2X设备x在m月d日存储X的储量，分别表示在m月d日利用P2X设备x制取得到X并进行存储和释放的量，表示在m月d日通过运输路径p的X运输量；P2X设备相邻月间能量平衡约束：其中，δ表示区域间X的运输耗时，|M|表示月编号的取值上限，取值为12，|Dm|表示第m月的日编号取值上限；P2X设备在全年时间尺度的起始储量和终止储量平衡约束表达式如下：1-3)X的区域间转运约束：1-4)对每种X，联立式(1)-(6)构成该X对应的P2X模型；2)建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：2-1)确定优化模型的目标函数：min(CInv+COpe+CCur)(7)其中，CInv表示电力系统年化投资成本，COpe表示电力系统年运行成本，CCur表示切负荷惩罚成本；其中，CInv＝CInv,G+CInv,W+CInv,PV+CInv,L+CInv,B+CInv,X(8)其中，CInv,G为常规火电机组年化投资，CInv,W为风电机组年化投资，CInv,PV为光伏机组年化投资，CInv,L为输电线路年化投资，CInv,B为电化学储能年化投资，CInv,X为P2X及季节性储能设备年化投资；计算表达式分别如下：其中，g,w,pv,l,b,x分别表示常规火电机组、风电机组、光伏机组、输电线路、电化学储能设备以及P2X设备的编号，|G|,|W|,|PV|,|L|,|B|,|X|分别表示常规火电机组、风电机组、光伏机组、输电线路、电化学储能设备以及P2X设备的数量，上标G,W,PV,L,B,X分别表示常规火电机组、风电机组、光伏机组、输电线路、电化学储能设备以及P2X设备的电力设备类别；表示常规火电机组g装机容量的年化单位投资成本，表示风电机组w装机容量的年化单位投资成本，表示光伏机组pv装机容量的年化单位投资成本，表示输电线路l容量的年化单位投资成本，表示电化学储能设备b的功率容量的年化单位投资成本，表示电化学储能设备b的能量容量的年化单位投资成本，表示P2X设备x的功率容量的年化单位投资成本，表示P2X设备x的能量容量的年化单位投资成本；表示常规火电机组g的投资容量，表示风电机组w的投资容量，表示光伏机组pv的投资容量，表示输电线路l的投资容量，表示电化学储能设备b的功率投资容量，表示电化学储能设备b的能量投资容量，表示P2X设备x的功率投资容量，表示P2X设备x的能量投资容量；COpe＝COpe,E+COpe,X(15)其中，COpe,E表示电力系统年运行成本，COpe,X表示X供应链年运行成本；计算表达式分别如下：其中，表示常规火电机组g发电单位燃料成本，表示常规火电机组g在m月d日t时的发电功率；其中，表示X在运输路径p的单位运输成本；表示P2X设备x在运行过程中的充放能单位成本，表示传统化石能源供应X的单位成本；表示在m月d日通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法，其特征在于，该方法首先针对每一种利用电能制备的X，分别构建该X对应的P2X电能制取约束、季节性X储能全年时序耦合运行约束和X的区域间转运约束，构成每种X对应的P2X模型；然后建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，该模型的目标函数为总成本最小化，约束条件包括节点功率平衡约束、输电网络约束、常规火电机组运行约束、可再生能源出力约束、电化学储能运行约束以及各X的供应链系统平衡方程约束；将每种X对应的P2X模型作为P2X模型与运行约束嵌入到该模型中；对该优化模型求解，得到电力系统最优规划方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向高比例可再生能源电力系统的P2X建模与优化方法，其特征在于，该方法首先针对每一种利用电能制备的X，分别构建该X对应的P2X电能制取约束、季节性X储能全年时序耦合运行约束和X的区域间转运约束，构成每种X对应的P2X模型；然后建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，该模型的目标函数为总成本最小化，约束条件包括节点功率平衡约束、输电网络约束、常规火电机组运行约束、可再生能源出力约束、电化学储能运行约束以及各X的供应链系统平衡方程约束；将每种X对应的P2X模型作为P2X模型与运行约束嵌入到该模型中；对该优化模型求解，得到电力系统最优规划方案。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)对利用电能制备的每一种X，分别建立该X对应的P2X模型；具体步骤如下：
1-1)P2X电能制取约束：



其中，上标X表示利用P2X技术经过能量转换得到的不同类型能量和物质，Cha表示X储能的充能状态；下标x表示P2X设备编号，m表示月编号，d表示日编号，t表示时编号，N表示电网节点类型；集合表示与P2X设备x连接的电网节点集合；|TD|表示日内参与运行分析的时段总数；表示制取X的P2X设备x的能量转换效率，表示制取X的P2X设备x在m月d日t时的耗电功率，表示在m月d日利用P2X设备x制取得到X并进行存储的量；
其中，



其中，表示制取X的P2X设备x的功率容量上限；
1-2)季节性X储能全年时序耦合运行约束；具体包括：
季节性储能月内相邻日间能量平衡约束：



其中，Dis表示X储能的放能状态，p表示X的运输路径；集合表示由制取X的P2X设备x运出的运输路径集合,表示由制取X的P2X设备x运入的运输路径集合；表示P2X设备x存储X的能量存储损耗率，表示P2X设备x在m月d日存储X的储量，分别表示在m月d日利用P2X设备x制取得到X并进行存储和释放的量，表示在m月d日通过运输路径p的X运输量；
P2X设备相邻月间能量平衡约束：



其中，δ表示区域间X的运输耗时，|M|表示月编号的取值上限，取值为12，|Dm|表示第m月的日编号取值上限；
P2X设备在全年时间尺度的起始储量和终止储量平衡约束表达式如下：



1-3)X的区域间转运约束：



1-4)对每种X，联立式(32)-(37)构成该X对应的P2X模型；
2)建立考虑P2X运行的电力系统规划优化模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体步骤如下：
2-1)确定优化模型的目标函数：
min(CInv+COpe+CCur)(69)
其中，CInv表示电力系统年化投资成本，COpe表示电力系统年运行成本，CCur表示切负荷惩罚成本；其中，
CInv＝CInv,G+CInv,W+CInv,PV+CInv,L+CInv,B+CInv,X(70)
其中，CInv,G为常规火电机组年化投资，CInv,W为风电机组年化投资，CInv,PV为光伏机组年化投资，CInv,L为输电线路年化投资，CInv,B为电化学储能年化投资，CInv,X为P2X及季节性储能设备年化投资；计算表达式分别如下：


















其中，g,w,pv,l,b,x分别表示常规火电机组、风电机组、光伏机组、输电线路、电化学储能设备以及P2X设备的编号，|G|,|W|,|PV|,|L|,|B|,|X|分别表示常规火电机组、风电机组、光伏机组、输电线路、电化学储能设备以及P2X设备的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海洋，杜尔顺，张宁，康重庆，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11