本發(fā)明涉及電力技術(shù)，具體的講是一種風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化方法及裝置。

背景技術(shù)：

風(fēng)電作為可大規(guī)模集中和分散利用的清潔可再生能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源供給中占據(jù)重要地位。截至2015年，全國(guó)范圍內(nèi)的新能源并網(wǎng)裝機(jī)容量合計(jì)達(dá)到16988萬(wàn)千瓦，其中風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)12830萬(wàn)千瓦，占總裝機(jī)容量的8.5％，當(dāng)年新增裝機(jī)容量3144萬(wàn)千瓦，同比增加51.7％。

在風(fēng)電高速發(fā)展的過(guò)程中，風(fēng)電消納面臨諸多挑戰(zhàn)。風(fēng)電的自身特性、風(fēng)電場(chǎng)的地域分布以及電網(wǎng)的傳輸能力在不同程度上加劇了風(fēng)電消納問(wèn)題。第一，風(fēng)電輸出具有間歇性、隨機(jī)性及不確定性等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響大，對(duì)系統(tǒng)的調(diào)峰能力需求大，為保證電網(wǎng)安全，該特性直接制約了風(fēng)電入網(wǎng)量；第二，立足于我國(guó)國(guó)情，風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模集群建設(shè)，且多位于電網(wǎng)末端，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，當(dāng)?shù)仉娏π枨笮∮陲L(fēng)電出力；第三，風(fēng)電送出受限，相較于迅猛發(fā)展的風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)建設(shè)相對(duì)落后，導(dǎo)致實(shí)際送出能力小于額定送出功率。

現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)能量存儲(chǔ)的方式，可以減小風(fēng)電出力的波動(dòng)性，降低其對(duì)電網(wǎng)的沖擊，促進(jìn)電網(wǎng)消納風(fēng)電。風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合電解水制氫和新能源出力，其中電解水制氫技術(shù)成熟，工業(yè)化體系完備，同時(shí)，其產(chǎn)物氫氣，作為可再生能源，清潔高效，具有巨大的研究?jī)r(jià)值與市場(chǎng)潛力。本發(fā)明充分考慮新能源出力的隨機(jī)特性，通過(guò)利用氫能作為緩沖氫氣成為副產(chǎn)品的方式，有效平衡各時(shí)段的新能源出力，優(yōu)化能量之間的轉(zhuǎn)換量，量化分析增添氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)后的系統(tǒng)收益與新能源消納水平。就調(diào)研結(jié)果顯示，目前國(guó)內(nèi)尚未有針對(duì)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的日運(yùn)行調(diào)度方法及其評(píng)估方案的提出與應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為考慮新能源出力的隨機(jī)特性，通過(guò)利用氫能作為緩沖氫氣成為副產(chǎn)品的方式，有效平衡各時(shí)段的新能源出力，優(yōu)化能量之間的轉(zhuǎn)換量，量化分析增添氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)后的系統(tǒng)收益與新能源消納水平。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化方法，風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)以及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，所述的方法包括：

根據(jù)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)序遞推約束建立風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型；

根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型；根據(jù)所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)中電能與氫能在電網(wǎng)和制氫系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化量；

調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，分析引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)常量和分析獲得的引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述根據(jù)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)序遞推約束建立風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型包括：

定量分析所述風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量；

建立所述氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系；

建立氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)量的時(shí)序遞推約束。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述定量分析所述風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量包括：

根據(jù)對(duì)各時(shí)段終端負(fù)荷的預(yù)測(cè)，確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)劃出力：

式(1)中，t表示時(shí)間序列，t＝0,1,2,…,T，表示風(fēng)氫耦合發(fā)電t時(shí)段系統(tǒng)計(jì)劃出力，單位kW，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷的估計(jì)值，單位kW，η表示系統(tǒng)出力承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的比例，0≤η≤1；

建立風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)與氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的平衡約束，包括：電網(wǎng)供需平衡約束、風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡約束以及氫氣供需平衡約束；其中，

所述電網(wǎng)供需平衡約束：

式(2)中，表示t時(shí)段除風(fēng)電出力以外的其他機(jī)組出力，單位kW，表示t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)輸入電網(wǎng)出力，單位kW，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷，單位kW；

風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡約束：

式(3)中，k表示情景序列，代表風(fēng)電出力的隨機(jī)性，k＝0,1,2,…,K，表示情景k時(shí)段t下燃料電池出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)輸入電解槽出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下壓縮機(jī)能耗，單位kW，表示情景k時(shí)段t下的棄風(fēng)量，單位kW；

所述氫氣供需平衡約束：

式(4)中，表示情景k時(shí)段t下其他來(lái)源氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，表示情景k時(shí)段t系統(tǒng)售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，表示情景k時(shí)段t下氫氣需求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述建立所述氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

建立電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換方程：

式(5)中，表示情景k時(shí)段t下電解槽制造標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積，η_e表示電解槽轉(zhuǎn)換效率，HHV表示氫氣高熱值；其中，滿(mǎn)足式(6)：

在式(6)中，為電解槽參數(shù)變量，取0-1，取0時(shí)表示電解槽當(dāng)前時(shí)段不工作，而取1時(shí)則表示電解槽在當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率；

建立壓縮機(jī)工作功率消耗方程：

在式(7)中，a和b均為常數(shù)，為k時(shí)段t下壓縮機(jī)能耗；

建立燃料電池發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換方程：

在式(8)中，表示情景k時(shí)段t下燃料電池耗費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積，Δt表示時(shí)段t的時(shí)長(zhǎng)，η_f表示燃料電池轉(zhuǎn)換效率；其中，滿(mǎn)足式(9)：

在式(9)中，為燃料電池變量，取0-1，取0時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段不工作，取1時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述建立氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)量的時(shí)序遞推約束包括：

建立氫氣存儲(chǔ)量、氫氣制備量、氫氣消耗量以及氫氣售出量的遞推方程：

在式(10)中，V_t,k表示情景k時(shí)段t下氫氣存儲(chǔ)量，V_t+1,k為情景k時(shí)段t+1下氫氣存儲(chǔ)量。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述方法還包括確定各變量的上下限約束關(guān)系：

任意時(shí)段上網(wǎng)電量受到輸電線(xiàn)路容量以及電網(wǎng)負(fù)荷的綜合約束：

在式(11)中，P^TS表示輸電線(xiàn)路容量；

任意時(shí)段的氫氣存儲(chǔ)量受到其容量限制，滿(mǎn)足：

在式(12)中，V_max為氫氣儲(chǔ)存容量約束；

任意時(shí)段售出氫氣受到氫氣運(yùn)力、氫氣存儲(chǔ)量以及氫氣需求的綜合約束：

在式(13)中，V^TS表示氫氣運(yùn)輸容量上限；

優(yōu)化模型中的其他變量也均為非負(fù)變量，滿(mǎn)足式(14)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型包括：

以最大化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型：

式(15)中，表示t時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)；

表示凈上網(wǎng)電量的售電收益；

ξ_k表示情景k出現(xiàn)的概率；

表示t時(shí)段氫氣價(jià)格；

表示售出氫氣的收益；

q^S表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰因子；

表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，分析引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括：

調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，比較風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行與風(fēng)氫耦合發(fā)電下的系統(tǒng)收益和跟隨特性；

根據(jù)所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型和風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型，利用確定性模型量化分析風(fēng)電出力預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)值，其中，所述的確定性模型為：

其中，為時(shí)段t售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述的決策變量包括：

表示t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)輸入電網(wǎng)出力；

表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)輸入電解槽出力；

表示情景k時(shí)段t下燃料電池出力；

表示情景k時(shí)段t下的棄風(fēng)量；

為0-1變量，取0時(shí)表示電解槽當(dāng)前時(shí)段不工作，而取1時(shí)則表示電解槽在當(dāng)前時(shí)段工作；

為0-1變量，取0時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段不工作，取1時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段工作；

表示情景k時(shí)段t系統(tǒng)售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積；

V_t,k，表示情景k時(shí)段t下氫氣存儲(chǔ)量；

表示情景k時(shí)段t下壓縮機(jī)能耗；

表示t時(shí)段除風(fēng)電出力以外的其他機(jī)組出力；

表示情景k時(shí)段t下其他來(lái)源氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積；

表示情景k時(shí)段t下電解槽制造標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積；

表示情景k時(shí)段t下燃料電池耗費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積；

所述的電網(wǎng)參數(shù)常量包括：

表示t時(shí)段系統(tǒng)計(jì)劃出力；

表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷的估計(jì)值；

表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷；

表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)出力；

表示情景k時(shí)段t下氫氣需求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積；

η_e表示電解槽轉(zhuǎn)換效率；

η_f表示燃料電池轉(zhuǎn)換效率；

HHV表示氫氣高熱值；

表示電解槽的額定功率；

表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率；

表示燃料電池的額定功率；

表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率；

表示風(fēng)電場(chǎng)外送電能的能力；

V_max為氫氣儲(chǔ)存容量約束；

表示氫氣外送能力。

本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)電解槽的額定功率和燃料電池的額定功率分別調(diào)整電解槽容量和燃料電池容量，定量分析風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)，分別確定電解槽容量和燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)收益和跟隨特性的影響，優(yōu)化選擇電解槽容量和燃料電池容量。

同時(shí)，本發(fā)明還公開(kāi)一種風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化裝置，裝置包括：

優(yōu)化模型建立模塊，用于根據(jù)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)序遞推約束建立風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型；

收益模型建立模塊，用于根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型；轉(zhuǎn)換量?jī)?yōu)化模塊，用于根據(jù)所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)中電能與氫能在電網(wǎng)和制氫系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化量；

調(diào)整分析模塊，用于調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，分析引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

變量?jī)?yōu)化模塊，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)常量和分析獲得的引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的決策變量。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述優(yōu)化模型建立模塊包括：

定量分析單元，定量分析所述風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量；

轉(zhuǎn)換關(guān)系建立單元，用于建立所述氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系；

約束關(guān)系建立單元，用于建立氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)量的時(shí)序遞推約束。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述定量分析單元定量分析所述風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量包括：

根據(jù)對(duì)各時(shí)段終端負(fù)荷的預(yù)測(cè)，確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)劃出力：

式(1)中，t表示時(shí)間序列，t＝0,1,2,…,T，表示風(fēng)氫耦合發(fā)電t時(shí)段系統(tǒng)計(jì)劃出力，單位kW，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷的估計(jì)值，單位kW，η表示系統(tǒng)出力承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的比例，0≤η≤1；

建立風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)與氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的平衡約束，包括：電網(wǎng)供需平衡約束、風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡約束以及氫氣供需平衡約束；其中，

所述電網(wǎng)供需平衡約束：

式(2)中，表示t時(shí)段除風(fēng)電出力以外的其他機(jī)組出力，單位kW，表示t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)輸入電網(wǎng)出力，單位kW，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷，單位kW；

風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡約束：

式(3)中，k表示情景序列，代表風(fēng)電出力的隨機(jī)性，k＝0,1,2,…,K，表示情景k時(shí)段t下燃料電池出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)輸入電解槽出力，單位kW，表示情景k時(shí)段t下壓縮機(jī)能耗，單位kW，表示情景k時(shí)段t下的棄風(fēng)量，單位kW；

所述氫氣供需平衡約束：

式(4)中，表示情景k時(shí)段t下其他來(lái)源氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，表示情景k時(shí)段t系統(tǒng)售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，表示情景k時(shí)段t下氫氣需求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)換關(guān)系建立單元建立所述氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

建立電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換方程：

式(5)中，表示情景k時(shí)段t下電解槽制造標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積，η_e表示電解槽轉(zhuǎn)換效率，HHV表示氫氣高熱值；其中，滿(mǎn)足式(6)：

在式(6)中，為表示電解槽工作狀態(tài)的參數(shù)變量，取0-1，取0時(shí)表示電解槽當(dāng)前時(shí)段不工作，而取1時(shí)則表示電解槽在當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率；

建立壓縮機(jī)工作功率消耗方程：

在式(7)中，a和b均為常數(shù)，為情景k時(shí)段t下壓縮機(jī)功率；

建立燃料電池發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換方程：

在式(8)中，表示情景k時(shí)段t下燃料電池耗費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積，Δt表示時(shí)段t的時(shí)長(zhǎng)，η_f表示燃料電池轉(zhuǎn)換效率；其中，滿(mǎn)足式(9)：

在式(9)中，為表示燃料電池工作狀態(tài)的變量，取0-1，取0時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段不工作，取1時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述約束關(guān)系建立單元建立氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)量的時(shí)序遞推約束包括：

建立氫氣存儲(chǔ)量、氫氣制備量、氫氣消耗量以及氫氣售出量的遞推方程：

在式(10)中，V_t,k表示情景k時(shí)段t下氫氣存儲(chǔ)量，V_t+1,k為情景k時(shí)段t+1下氫氣存儲(chǔ)量。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述優(yōu)化模型建立模塊還包括

上下限模塊確定單元，用于確定各變量的上下限約束關(guān)系，所述的上下限的約束關(guān)系包括：

任意時(shí)段上網(wǎng)電量受到輸電線(xiàn)路容量以及電網(wǎng)負(fù)荷的綜合約束：

在式(11)中，P^TS表示輸電線(xiàn)路容量；

任意時(shí)段的氫氣存儲(chǔ)量受到其容量限制，滿(mǎn)足：

在式(12)中，V_max為氫氣儲(chǔ)存容量約束；

任意時(shí)段售出氫氣受到氫氣運(yùn)力、氫氣存儲(chǔ)量以及氫氣需求的綜合約束：

在式(13)中，V^TS表示氫氣運(yùn)輸容量上限；

優(yōu)化模型中的其他變量也均為非負(fù)變量，滿(mǎn)足式(14)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述收益模型建立模塊根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型包括：

以最大化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型：

式(15)中，表示t時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)；

表示凈上網(wǎng)電量的售電收益；

ξ_k表示情景k出現(xiàn)的概率；

表示t時(shí)段氫氣價(jià)格；

表示售出氫氣的收益；

q^S表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰因子；

表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述調(diào)整分析模塊調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，分析引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括：

調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，比較風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行與風(fēng)氫耦合發(fā)電下的系統(tǒng)收益和跟隨特性；

根據(jù)所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型和風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型，利用確定性模型量化分析風(fēng)電出力預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)值，其中，所述的確定性模型為：

其中，為時(shí)段t售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述裝置還包括：

容量選擇模塊，用于根據(jù)電解槽的額定功率和燃料電池的額定功率分別調(diào)整電解槽容量和燃料電池容量，定量分析風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)，分別確定電解槽容量和燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)收益和跟隨特性的影響，優(yōu)化選擇電解槽容量和燃料電池容量。

本發(fā)明的有益效果在于在充分考慮新能源出力隨機(jī)性的前提下，優(yōu)化電網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量，量化分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益與出力情況，并將風(fēng)氫耦合系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行、確定性風(fēng)氫耦合發(fā)電模型相對(duì)比，最后，測(cè)評(píng)系統(tǒng)中的重要指標(biāo)，給出最終的日運(yùn)行優(yōu)化方案。達(dá)到增加系統(tǒng)收益，提高新能源消納水平的效果。

為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明公開(kāi)的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化方法的流程圖；

圖2本發(fā)明實(shí)施例中國(guó)風(fēng)電耦合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明實(shí)施例中風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行出力曲線(xiàn)；

圖4本發(fā)明實(shí)施例中風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)出力曲線(xiàn)；

圖5本發(fā)明實(shí)施例中確定性風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)收益曲線(xiàn)；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中不同電解槽容量下風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)收益曲線(xiàn)；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中不同燃料電池容量下風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)收益曲線(xiàn)；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中20MW燃料電池下風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)出力曲線(xiàn)；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中30MW燃料電池下風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)出力曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示為本發(fā)明公開(kāi)的一種風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化方法的流程圖，該方法包括：

步驟S101，根據(jù)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)序遞推約束建立風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型；

步驟S102，根據(jù)建立的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型與電網(wǎng)參數(shù)中的各時(shí)段電網(wǎng)的電價(jià)、氫氣價(jià)格、偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型；

步驟S103，根據(jù)所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)中電能與氫能在電網(wǎng)和制氫系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化量；

步驟S104，調(diào)整所述風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益模型中的風(fēng)電出力，分析引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

步驟S105，根據(jù)電網(wǎng)參數(shù)常量和分析獲得的引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況及風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的決策變量。

本發(fā)明實(shí)施例中風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)以及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例中風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

基于風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)就地消納新能源日運(yùn)行優(yōu)化方法屬于考慮新能源發(fā)電消納的電網(wǎng)規(guī)劃領(lǐng)域。首先，采用隨機(jī)規(guī)劃的方法建立多時(shí)段風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其次，利用歷史數(shù)據(jù)歸納出風(fēng)電出力的幾種典型情景并預(yù)測(cè)當(dāng)日的電網(wǎng)負(fù)荷，優(yōu)化各時(shí)段電能與氫能在電網(wǎng)和氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)化量。然后，通過(guò)調(diào)整各時(shí)段風(fēng)電出力的分配情況，考察引入氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)錢(qián)后電網(wǎng)的新能源消納情況以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。最后，通過(guò)量化分析給出風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃方案，并評(píng)估所提規(guī)劃方案中的各項(xiàng)指標(biāo)。該方法充分考慮新能源出力的隨機(jī)特性，通過(guò)利用氫能作為緩沖氫氣成為副產(chǎn)品的方式，平衡各時(shí)段的新能源出力，從而增加系統(tǒng)收益，提高新能源消納水平。

本發(fā)明提出一種基于風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)就地消納新能源日運(yùn)行優(yōu)化方法，充分考慮新能源出力的隨機(jī)特性，通過(guò)利用氫能作為緩沖氫氣成為副產(chǎn)品的方式，有效平衡各時(shí)段的新能源出力，優(yōu)化能量之間的轉(zhuǎn)換量，從而增加系統(tǒng)收益，提高新能源消納水平。本發(fā)明實(shí)施例的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)：建立風(fēng)電耦合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化模型。在該模型中，風(fēng)電場(chǎng)分別為電網(wǎng)輸電和氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。在風(fēng)電出力峰值時(shí)，將部分風(fēng)電通入電解槽制成氫氣，并壓縮儲(chǔ)存，在風(fēng)電出力谷值時(shí)，將儲(chǔ)存的氫氣通入燃料電池發(fā)電和當(dāng)期的風(fēng)電聯(lián)合出力。系統(tǒng)中儲(chǔ)存的氫氣，一方面可以被售出，應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)及氫燃料汽車(chē)，謀求更高的系統(tǒng)收益；另一方面可以作為能量?jī)?chǔ)存的中間媒介，在新能源出力不足時(shí)轉(zhuǎn)化為電力，平滑系統(tǒng)出力。

步驟(1-1)：定量分析風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量。

a)確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)劃出力。

根據(jù)對(duì)各時(shí)段終端負(fù)荷的預(yù)測(cè)，確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)劃出力：

在式(1)中，t表示時(shí)間序列，t＝0,1,2,…,T，表示t時(shí)段系統(tǒng)計(jì)劃出力(kW)，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷的估計(jì)值(kW)，η表示系統(tǒng)出力承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的比例，且有0≤η≤1。

b)建立風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)與氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的平衡約束。

為保證任意時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷均被滿(mǎn)足，且假設(shè)無(wú)論風(fēng)電出力處于何種水平，火電機(jī)組均能滿(mǎn)足需求，需有電網(wǎng)供需平衡約束：

在式(2)中，表示t時(shí)段除風(fēng)電出力以外的其他機(jī)組出力(kW)，表示t時(shí)段風(fēng)電場(chǎng)輸入電網(wǎng)出力(kW)，表示t時(shí)段電網(wǎng)終端負(fù)荷(kW)。

為考慮任意時(shí)段系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換，綜合考慮燃料電池和風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)合發(fā)電，電解槽與壓縮機(jī)的能耗，以及系統(tǒng)棄風(fēng)量，系統(tǒng)需要功率平衡：

在式(3)中，k表示情景序列，代表風(fēng)電出力的隨機(jī)性，k＝0,1,2,…,K，表示情景k時(shí)段t下燃料電池出力(kW)，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)出力(kW)，表示情景k時(shí)段t下風(fēng)電場(chǎng)輸入電解槽出力(kW)，表示情景k時(shí)段t下壓縮機(jī)能耗(kW)，表示情景k時(shí)段t下的棄風(fēng)量(kW)。

任意時(shí)段氫氣需求量是系統(tǒng)售出的氫氣量與其他來(lái)源的氫氣量總和，即氫氣供需平衡約束需被滿(mǎn)足：

在式(4)中，表示情景k時(shí)段t下其他來(lái)源氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積(Nm³)，表示情景k時(shí)段t系統(tǒng)售出氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積(Nm³)，表示情景k時(shí)段t下氫氣需求在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積(Nm³)。

步驟(1-2)：建立氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部包括將電能轉(zhuǎn)化為氫能的電解槽、壓縮氫氣的壓縮機(jī)、將氫能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池。

a)建立電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換方程。

考慮能量轉(zhuǎn)換中的損耗，電解水制氫的過(guò)程中，消耗電能與制得氫氣需滿(mǎn)足如下關(guān)系：

在式(5)中，表示情景k時(shí)段t下電解槽制造標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積(Nm³)，η_e表示電解槽轉(zhuǎn)換效率，HHV表示氫氣高熱值。

為適應(yīng)風(fēng)電的間歇性和不確定性，任意時(shí)段電解槽的工作功率可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，而過(guò)大或過(guò)小的功率將導(dǎo)致電解槽工作不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致棄風(fēng)或電解槽關(guān)閉：

在式(6)中，為0-1變量，取0時(shí)表示電解槽當(dāng)前時(shí)段不工作，而取1時(shí)則表示電解槽在當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率，通常為額定功率的10-50％。

b)建立壓縮機(jī)工作功率消耗方程。

考慮壓縮機(jī)消耗電能及系統(tǒng)售出氫氣的運(yùn)輸因素，分別計(jì)算制備存儲(chǔ)氫氣與售出氫氣的壓縮耗能：

在式(7)中，a和b均為函數(shù)常數(shù)(kW·h/Nm³)。

c)建立燃料電池發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換方程。

與電解水制氫的情況類(lèi)似，考慮能量損耗，燃料電池產(chǎn)生電能與消耗氫氣須滿(mǎn)足如下關(guān)系：

在式(8)中，表示情景k時(shí)段t下燃料電池耗費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣體積(Nm³)，η_f表示燃料電池轉(zhuǎn)換效率。

在風(fēng)電出力低于計(jì)劃出力的時(shí)段，選擇用氫氣燃料電池出力補(bǔ)足剩余計(jì)劃出力，然而燃料電池發(fā)電功率受到其自身與氫氣存儲(chǔ)量的限制：

在式(9)中，為0-1變量，取0時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段不工作，取1時(shí)表示燃料電池當(dāng)前時(shí)段工作，表示電解槽的額定功率，表示最低穩(wěn)定運(yùn)行功率。

步驟(1-3)：建立氫氣存儲(chǔ)量的時(shí)序遞推約束。

任意時(shí)段的氫氣存儲(chǔ)量取決于上一時(shí)段的氫氣存儲(chǔ)量、氫氣制備量、氫氣消耗量以及氫氣售出量，遞推方程如下：

在式(10)中，V_t,k表示情景k時(shí)段t下氫氣存儲(chǔ)量(Nm³)。

步驟(1-4)：根據(jù)客觀條件，確定各變量的上下限。

任意時(shí)段上網(wǎng)電量受到輸電線(xiàn)路容量以及電網(wǎng)負(fù)荷的綜合約束：

在式(11)中，P^TS表示輸電線(xiàn)路容量，即風(fēng)電場(chǎng)外送電能的能力。

任意時(shí)段的氫氣存儲(chǔ)量受到其容量限制：

在式(12)中，V_max為氫氣儲(chǔ)存容量約束。

任意時(shí)段售出氫氣受到氫氣運(yùn)力、氫氣存儲(chǔ)量以及氫氣需求的綜合約束：

在式(13)中，V^TS表示氫氣運(yùn)輸容量上限。

優(yōu)化模型中的其他變量也均為非負(fù)變量：

步驟(2)：確定風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益的表達(dá)式，優(yōu)化各時(shí)段電能與氫能在電網(wǎng)和制氫系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化量。

模型以最大化風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)日運(yùn)行收益為目標(biāo)函數(shù)，其中包括系統(tǒng)的售電收益、售氫收益以及偏離計(jì)劃入網(wǎng)電量的懲罰成本：

在式(15)中，表示t時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)；表示凈上網(wǎng)電量的售電收益；ξ_k表示情景k出現(xiàn)的概率；表示t時(shí)段氫氣價(jià)格；表示售出氫氣的收益；q^S表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰因子；則表示偏離計(jì)劃輸電的懲罰成本。

為消去目標(biāo)函數(shù)(15)中的絕對(duì)值，需增加非負(fù)變量u_t、w_t≥0(t＝0,1,2,…,T)，修正目標(biāo)函數(shù)為：

同時(shí)，為確保目標(biāo)函數(shù)的轉(zhuǎn)換為等價(jià)轉(zhuǎn)換，增加等式約束：

步驟(3)：通過(guò)調(diào)整各時(shí)段風(fēng)電出力的分配情況，考察引入制氫系統(tǒng)后電網(wǎng)的新能源消納情況以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

步驟(3-1)：比較風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行與風(fēng)氫耦合發(fā)電下的系統(tǒng)收益和跟隨特性。

在沒(méi)有任何蓄能手段的情況下，風(fēng)電場(chǎng)的收益僅由售電收益和懲罰成本組成：

比較式(15)與式(18)，從而得到相較風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行的情況，風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，分別比較步驟(2)與步驟(3)中的以及的數(shù)值，從而得到風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)平滑風(fēng)電出力、促進(jìn)新能源消納的量化結(jié)果。

步驟(3-2)：利用確定性模型，量化分析風(fēng)電出力預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)值。

借鑒步驟(1)和(2)中的隨機(jī)模型，確定性模型如下：

比較式(15)與式(19)，量化分析兩種模型的系統(tǒng)收益等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。比較以及評(píng)估兩者的調(diào)峰能力和消納水平。從而，判定風(fēng)電出力預(yù)測(cè)的價(jià)值。

步驟(4)：通過(guò)定量分析給出風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃方案，并評(píng)估所提規(guī)劃方案中的各項(xiàng)指標(biāo)。針對(duì)連接電網(wǎng)與氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要部件——電解槽和燃料電池，分別測(cè)試其容量對(duì)系統(tǒng)收益與跟隨特性的影響。

步驟(4-1)：測(cè)試電解槽容量對(duì)系統(tǒng)收益與跟隨特性的影響。電解槽輸入電能輸出氫氣，是削峰填谷過(guò)程中實(shí)現(xiàn)削峰的關(guān)鍵設(shè)備。其每小時(shí)最大產(chǎn)氣量與其額定功率值，限制著氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的消納能力。電解槽容量具體變化如下：

式(35)中α為僅與電解槽本身有關(guān)的常數(shù)，ΔP^E為實(shí)驗(yàn)組電解槽容量與原始電解槽容量的差值。測(cè)試多組與評(píng)估電解槽容量對(duì)系統(tǒng)收益與出力的影響。

步驟(4-2)：測(cè)試燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)收益與跟隨特性的影響。燃料電池輸入氫氣輸出電能，是削峰填谷過(guò)程中實(shí)現(xiàn)填谷的關(guān)鍵設(shè)備。其每小時(shí)最大輸出電量與耗氣量，制約著氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)聯(lián)合出力的調(diào)節(jié)能力。

式(37)中β為僅與燃料電池本身有關(guān)的常數(shù)，ΔP^F為實(shí)驗(yàn)組燃料電池容量與原始燃料電池容量的差值。測(cè)試多組與評(píng)估燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)收益與出力的影響。

步驟(4-3)：反復(fù)調(diào)整電解槽容量與燃料電池容量，并確定最終的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的日運(yùn)行方案。

本發(fā)明的有益效果在于在充分考慮新能源出力隨機(jī)性的前提下，優(yōu)化電網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)、氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)化量，量化分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益與出力情況，并將風(fēng)氫耦合系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行、確定性風(fēng)氫耦合發(fā)電模型相對(duì)比，最后，測(cè)評(píng)系統(tǒng)中的重要指標(biāo)，給出最終的日運(yùn)行優(yōu)化方案。達(dá)到增加系統(tǒng)收益，提高新能源消納水平的效果。下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施例結(jié)合中國(guó)某地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷與該地區(qū)四種典型的風(fēng)電出力情境，構(gòu)造實(shí)施例進(jìn)行分析?？紤]到電解槽、燃料電池等專(zhuān)業(yè)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)效率影響較大，本實(shí)施例參考多種國(guó)內(nèi)外設(shè)備參數(shù)以及美國(guó)Wind2H2等風(fēng)氫耦合發(fā)電工程，從中選取各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。在實(shí)施例分析的過(guò)程中，本實(shí)施例立足于風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行模型，進(jìn)而分析風(fēng)氫耦合發(fā)電的各項(xiàng)收益與跟隨特性，并與確定性模型下的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比，再探索電解槽和燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)的影響。

參數(shù)的選取主要分為兩類(lèi)：氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的物理類(lèi)和與國(guó)民經(jīng)濟(jì)緊密相連的經(jīng)濟(jì)類(lèi)。在風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)中，氫氣電解槽、燃料電池等設(shè)備產(chǎn)品種類(lèi)多，參數(shù)差異大。為保證模型的實(shí)際效果，本實(shí)施例結(jié)合現(xiàn)有的風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)以及相關(guān)參考文獻(xiàn)，綜合考量后確定。氫氣價(jià)格、運(yùn)輸費(fèi)用、電價(jià)等與社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的參數(shù)，則將優(yōu)先考慮中國(guó)國(guó)情。

為適應(yīng)風(fēng)電的間歇性和不確定性，應(yīng)選擇在不穩(wěn)定功率下依然能夠正常工作的電解槽裝置。堿式電解槽和質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽均可滿(mǎn)足風(fēng)電制氫的各項(xiàng)性能要求，并在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。堿式電解槽和質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相差較大，本實(shí)施例選取最大輸氣量為1000NM³的電解槽，選取12臺(tái)并行使用。根據(jù)文獻(xiàn)，堿式電解槽的效率在75-90％之間，本實(shí)施例取75％；理論上,堿式電解槽可在額定功率的0-100％范圍內(nèi)的任意條件下均可工作，而按照當(dāng)前技術(shù)，堿式電解槽其最小運(yùn)行功率可達(dá)額定功率的5-10％，現(xiàn)行的商業(yè)堿性電解槽最小運(yùn)行功率多在25-50％內(nèi)，本實(shí)施例取25％。即在本實(shí)施例中，有并行電解槽最大功率56MW。

本實(shí)施例中選取氫發(fā)動(dòng)機(jī)中心公司(Hydrogen Engine Center Inc)的燃料電池，其最大功率50kW。文獻(xiàn)中，選取PEM燃料電池，最大功率5kW，額定電壓24V。本實(shí)施例選取500組PEM低溫燃料電池并行，其中每組額定功率50kW，效率65％，最小運(yùn)行功率為額定功率的20％。即本實(shí)施例中，并行燃料電池最大輸出功率為25MW。表1為本實(shí)施例中的氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)。

表1氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)

氫氣的存儲(chǔ)方式主要有壓縮氣體、低溫液態(tài)、固態(tài)存儲(chǔ)等，出于對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)氫的考量，選擇壓縮氣體方式。本實(shí)施例選取CP Industries的無(wú)縫氫氣儲(chǔ)存器，將容器內(nèi)壓強(qiáng)增大至3500psi(約24.14MPa)，可存放115.5kg氫氣，即為1293.6Nm³。

電網(wǎng)信息主要包括負(fù)荷、風(fēng)電出力以及單位電價(jià)。首先，電網(wǎng)終端負(fù)荷選取中國(guó)某地區(qū)用電歷史數(shù)據(jù)，其每小時(shí)用電峰值為2042MW，谷值為1256MW，單日合計(jì)用電量為41952MW。值得一提的是，本實(shí)施例以當(dāng)日下午17:00到次日下午17:00為一個(gè)周期。其原因在于，17:00時(shí)及其以后的幾個(gè)小時(shí)中，風(fēng)力較大的概率高，方便系統(tǒng)儲(chǔ)存氫氣。其次，風(fēng)電出力按照一定概率選取4種典型情景，風(fēng)電場(chǎng)每小時(shí)最大出力為100MW，情景1-4日累計(jì)風(fēng)電出力分別為1822MW、2321MW、2664MW和3155MW。最后，我國(guó)各個(gè)省市自治區(qū)有電價(jià)的自主定價(jià)權(quán)，電價(jià)難以統(tǒng)一，本實(shí)施例參考研究地區(qū)電價(jià)，7:00-22:00時(shí)段取峰值電價(jià)0.8元/(kWh)，22:00-7:00時(shí)段取谷值電價(jià)0.5/(kWh)。

本實(shí)施例中的氫氣運(yùn)力與需求均不設(shè)上限。以華北一制氫廠為例，電解水所制氫氣為高純度氫氣，售價(jià)較高，不包含運(yùn)輸費(fèi)用的氫氣售價(jià)在3-3.5元/Nm³，本實(shí)施例取3元/Nm³。

本實(shí)施例觀測(cè)的計(jì)算結(jié)果主要有以下兩類(lèi)：一類(lèi)為售電收益、售氫收益、懲罰成本以及系統(tǒng)收益等經(jīng)濟(jì)類(lèi)指標(biāo)；另一類(lèi)為系統(tǒng)出力跟隨計(jì)劃出力的技術(shù)類(lèi)指標(biāo)。

首先，比較風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行與風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)η＝13‰時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行售電收益為297088元，懲罰成本為117314元，最大偏離值為13MW，其出力曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。而風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)收益為623974元，售電收入為376394元，售氫收入為251045元，懲罰成本為3465元，最大偏差為1.54WM，其出力曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。與前者相比，售電收入增加79306元，上升27％，最大偏差減少11.46MW，下降88％。

其次，分析信息即風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值在該隨機(jī)模型中的價(jià)值。在確定性模型中，風(fēng)電出力可以被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)為四種情景的某一種；在隨機(jī)性模型中，風(fēng)電出力依然按照上述4種典型情景隨機(jī)發(fā)生。計(jì)算結(jié)果如圖5。在較低η的水平下，確定性模型與隨機(jī)性模型收益差距較小而當(dāng)η逐步升高時(shí)，確定性模型的系統(tǒng)收益任然保持在高位，而隨機(jī)模型的系統(tǒng)收益有一個(gè)明顯的下滑，η＝13‰時(shí)的系統(tǒng)收益相比η＝12‰時(shí)下降9％。由此，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)，預(yù)測(cè)風(fēng)電出力仍可以帶來(lái)不菲的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即在該隨機(jī)規(guī)劃問(wèn)題中信息的價(jià)值不可忽視。

最后，電解槽容量對(duì)系統(tǒng)收益的影響較大(圖6)，且主要通過(guò)影響售氫收益的方式影響系統(tǒng)收益，對(duì)跟隨特性的影響較小。電解槽容量對(duì)系統(tǒng)的影響可分為三級(jí)。第一級(jí)，以38MW電解槽為例，其消納能力尚不能完全滿(mǎn)足計(jì)劃出力的需求；第二級(jí)，以56MW電解槽為例，其消納能力基本能夠滿(mǎn)足計(jì)劃出力，卻不能完全消除棄風(fēng)；第三級(jí)，以74MW電解槽為例，在滿(mǎn)足計(jì)劃出力之余，充分利用棄風(fēng)，生產(chǎn)大量氫氣，從而增加系統(tǒng)收益。

燃料電池容量對(duì)系統(tǒng)收益的影響較小(圖7)，其影響方式主要在于售電收益，對(duì)跟隨特性的影響較大(圖8、圖9)。當(dāng)燃料電池容量為20MW、25MW、30MW時(shí)，最大偏差分別為6.54MW、1.54MW、0MW，懲罰成本為27634元，3465元，0元。在燃料電池容量較小的情況下，雖有足量氫氣可供使用，但是由于燃料電池出力限制導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)劃出力的需求，氫氣只能選擇輸出，因此，小容量燃料電池的情況下獲得較高的售氫收益。

根據(jù)以上對(duì)風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果，本發(fā)明提出了一種基于風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)就地消納新能源日運(yùn)行優(yōu)化方法，能夠充分到考慮新能源出力的隨機(jī)特性，并通過(guò)利用氫能作為緩沖氫氣成為副產(chǎn)品的方式，有效平衡各時(shí)段的新能源出力，優(yōu)化能量之間的轉(zhuǎn)換量，從而增加系統(tǒng)收益，提高新能源消納水平。

同時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化裝置，本發(fā)明公開(kāi)的裝置解決問(wèn)題的原理與上述方法的實(shí)現(xiàn)相似，不再贅述。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤(pán)存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專(zhuān)用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。