一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法

本发明涉及电-氢-交通耦合系统优化运行领域，具体是一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法。

背景技术：

1、随着电解水制氢、氢燃料电池汽车等制氢用氢技术的不断成熟，氢能系统与电力系统、交通系统呈现分布式深度耦合发展趋势，形成电-氢-交通虚拟能量池。为了充分发挥氢能绿色低碳能源属性，促进电力系统和交通系统深度脱碳，有必要深入挖掘电-氢-交通耦合特征下的虚拟能量池灵活减排潜力。然而，现有相关研究多局限于氢储能系统(电解槽+储氢罐+燃料电池)对电力系统或综合能源系统的低碳运行能力提升作用，较少考虑氢能“制-储-运-用”全环节灵活调度资源协调配合对低碳运行能力的影响，无法充分发挥氢能系统在绿色低碳转型中的重要支撑作用。

2、另外，寻求最优低碳运行状态的电-氢-交通系统低碳运行“点”分析方法难以应对源荷波动下的最优运行点偏移，无法保障电-氢-交通虚拟能量池合理的低碳安全运行空间。目前，电-氢-交通系统的低碳可行域分析方法研究尚属空白，亟需解决以下几方面问题：在理论基础上，计及全时间断面耦合的碳排放约束和电氢耦合设备复杂运行约束的可行域是否具有可投影观测的理论基础有待探讨；在求解方法上，包含调度周期内全时间断面电氢耦合设备运行约束导致构建难度急剧增加，亟需提出考虑工程实用性的可行域构建方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，包括以下步骤：

2、1)构建考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池运行模型；

3、2)建立考虑灵活运行特性的电-氢-交通虚拟能量池优化运行模型；

4、3)构建电-氢-交通定碳排运行域；

5、4)对电-氢-交通虚拟能量池的低碳调控空间进行刻画；

6、5)对基于定碳排运行域的低碳调控空间进行几何评估。

7、进一步，所述虚拟能量池是以电能及氢能作为核心能源载体，通过电力网络、交通网络集成的区域氢能系统组成的虚拟运营架构；

8、所述区域氢能系统包括集中式制氢站、分布式加氢站、氢气长管拖车及氢燃料电池汽车。

9、进一步，构建考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池运行模型的步骤包括：

10、1)构建集中式制氢站制氢、储氢模型，即：

11、

12、式中：和分别表示t时段第m个集中式制氢站天然气制氢量和碳排放量；表示t时段第m个集中式制氢站耗气量；ηg2h表示天然气制氢效率，εce表示天然气制氢过程中的碳排放系数；qh、qg分别为氢气和天然气低热值；表示天然气制氢量上下限；

13、2)构建集中式制氢站电解水产氢量与耗电功率关联模型，即：

14、

15、

16、式中：uel,t和iel,t表示t时刻碱性电解槽运行电压和电流密度；urev为可逆电压，即电流密度为0时电解池的开路电压；r1、r2为电解槽电阻和热阻参数，tel为电解槽平均运行温度，rel为电解槽有效反应面积，s1、s2、s3、s4、s5、s6为电极过电压拟合系数；nel为电解池数量；表示t时刻第m个集中式制氢站电解槽电解功率；表示t时刻第m个集中式制氢站电解槽制氢量，λh为氢气标准密度，ηf为法拉第效率，f为法拉第常数；为电解槽电解功率上下限；

17、3)构建集中式制氢站压缩机消耗电功率与制氢量的关联模型，即：

18、

19、式中：表示t时刻第m个集中式制氢站压缩机消耗电功率，ch为氢气比热容常数，tcom为压缩机平均运行温度，ηcom为压缩机工作效率，b为进出口气体升压比，ε为氢气等熵系数。为压缩机最大工作功率；

20、4)构建集中式制氢站的储氢罐运行约束，即：

21、

22、式中：表示t时刻第m个集中式制氢站储氢罐气压和氢气变化量，rh为摩尔气体常数，th为储氢罐内平均温度，为第m个集中式制氢站储氢罐容量，mh为氢气摩尔质量。表示t时刻第m个集中式制氢站内第k辆ht加氢量。表示储氢罐气压上下限，表示调度周期内起始时刻与结束时刻储氢罐气压。ωhps表示集中式制氢站集合；表示t-1时刻第m个集中式制氢站储氢罐气压；

23、5)构建分布式站内制氢加氢站运行约束，包括电解槽运行约束(2)-(5)、运行约束(9)；构建分布式站外供氢加氢站运行约束，包括运行约束(9)；

24、

25、式中：表示t时刻第n个加氢站储氢罐气压和氢气变化量，为第n个加氢站储氢罐容量，和表示第n个加氢站内参与h2g模式的氢燃料电池汽车耗氢功率和发电功率，ηfc为氢燃料电池发电效率。αfc、βfc为氢燃料电池变发电效率经验拟合系数，下标r表示额定工况。表示t时刻站内加氢站n电解槽制氢量，表示t时刻加氢站n内第k辆ht放氢量。ωon和ωoff分别表示站内加氢站和站外加氢站集合；表示t时刻氢燃料汽车在第n个加氢站的加氢量。表示第n个加氢站内参与h2g模式的氢燃料电池汽车额定发电功率；ηfc,r为氢燃料电池额定发电效率；

26、6)考虑氢气长管拖车行驶路径，建立行驶路径与空间位置关系约束，即：

27、

28、式中：ri,j,k为0-1逻辑变量，为1表示第k辆ht行驶路径为(i,j)，否则表示行驶路径不为(i,j)。ai,t,k为0-1逻辑变量，为1表示t时刻第k辆ht位于制氢站/加氢站i；ai,ts,k、ai,te,k分别表示调度周期开始时刻与结束时刻的0-1逻辑变量；

29、7)构建氢气长管拖车运氢气量约束，即：

30、

31、式中：qi,t,k、δqi,t,k表示t时刻位于站i内第k辆氢气长管拖车内储氢量和氢气变化量；αi,t,k、βi,t,k为0-1逻辑变量，表示氢气长管拖车加氢和放氢状态，若为1，则表示t时刻第k辆氢气长管拖车在站i内进行加氢和放氢；qk,cap表示第k辆氢气长管拖车储氢上限；λcap,min表示氢气长管拖车最小储氢量系数；qi,ts,k和qi,te,k分别表示调度周期开始时刻与结束时刻第k辆氢气长管拖车的储氢量；qj,t+1,k、qj,t,k、qj,t-1,k分别表示t+1时刻、t时刻、t-1时刻位于站j内第k辆氢气长管拖车内储氢量；

32、8)以交通网中所有用户以最小出行时间成本为路径选择标准，采用静态混合用户均衡来描述交通网自发达到的状态，即：

33、

34、式中：hp为路径p的车流量，为hfcv、除hfcv以外车辆选择路径p所需的出行时间成本，vij为出行需求对(i→j)之间所有路径的最小出行时间成本，whv、wo为hfcv、除hfcv以外车辆出行需求对集合，为出行需求对(i→j)之间所有hfcv、除hfcv以外车辆路径集合；

35、9)基于bpr函数，建立道路阻抗模型以描述道路拥堵效应，如下所示：

36、

37、式中：τp1(hp)表示与道路p车流量hp相关的通行时间函数，表示道路p的自由通行时间，也即道路p无交通流量时车辆通行时间，cp表示道路p通行容量；pij为出行需求对(i→j)之间所有路径集合；

38、10)基于改进的davidson函数，构建加氢排队时间模型，即：

39、

40、式中：τp2(hp)表示与道路p车流量hp相关的通行时间函数，表示单辆hfcv加氢时间，表示加氢站同时加注车辆极限，r为函数形状参数；ph为拓扑变化后加氢道路集合。

41、进一步，公式(12)-(14)组成交通流模型；所述交通流模型采用“全有全无分配”方法对各路段交通流量进行分配，从而输出所有hp集合。

42、进一步，所述电-氢-交通虚拟能量池优化运行模型的目标函数c如下所示：

43、minc＝cp,buy+chp+ccurt+cce+cht (16)

44、购电成本cp,buy、制氢成本chp、弃风弃光惩罚成本ccurt、碳排放成本cce和氢气长管拖车运行成本cht分别如下所示：

45、

46、式中：cpbuy,t表示t时刻向上级电网购电价格；pgrid,t表示t时刻向上级电网购电有功功率；δt表示单位时间间隔。

47、

48、式中：cg为购气价格，cpsa为氢气提纯成本系数，δt为单位时间间隔，np为eht-vep中集中式制氢站数量。表示t时段第m个集中式制氢站耗气量；表示t时刻第m个集中式制氢站制氢量；

49、

50、式中：分别表示t时刻节点i风光机组弃风光功率；ccurt为弃风弃光量单位惩罚成本；nb表示配电网节点数。

51、

52、式中：δce表示碳排放单位成本系数；εg2h表示天然气制氢过程中的碳排放系数，ηg2h表示天然气制氢效率，qh为氢气低热值；εgrid表示上级电网购电碳排放系数。

53、

54、式中：cht表示长管拖车单位储运氢气成本，nk为eht-vep中长管拖车数量。表示t时刻第k辆ht加氢量。

55、进一步，所述电-氢-交通虚拟能量池优化运行模型的约束条件包括配电网潮流约束、节点电功率平衡约束、安全运行约束、分布式电源运行约束、交通流量平衡约束。

56、进一步，配电网潮流约束如下所示：

57、

58、式中：v(j)、w(j)分别表示j节点相连支路的首节点集合和末节点集合；pij,t、qij,t表示t时刻支路ij有功功率及无功功率；rij和xij表示支路ij电阻及电抗；pj,t、qj,t表示t时刻节点j注入有功及无功功率；iij,t表示t时刻支路ij电流；uj,t表示t时刻节点j电压。ui,t表示t时刻节点i电压。pjk,t、qjk,t表示t时刻支路jk有功功率及无功功率；

59、节点电功率平衡约束如下所示：

60、

61、式中：pwg,i,t、qwg,i,t表示t时刻节点i风机实际发出有功功率和无功功率；ppv,i,t、qpv,i,t表示t时刻节点i光伏机组实际发出有功功率和无功功率；pload,i,t和qload,i,t表示t时刻节点i常规有功负荷和无功负荷；s为联络线路接入节点。

62、安全运行约束如下所示：

63、

64、式中：分别表示节点i允许电压上下限；分别表示线路ij允许电流上下限；

65、分布式电源运行约束如下所示：

66、

67、

68、式中：和表示节点i接入风光机组预测发出有功功率；和表示风光机组设定功率因数。分别表示t时刻节点i风光机组弃风光功率；

69、交通流量平衡约束如下所示：

70、

71、式中：кh表示需要加氢车辆比例；hp,t表示t时刻道路p上交通流量；表示氢燃料汽车平均加氢量。

72、进一步，构建电-氢-交通定碳排运行域的步骤如下：

73、1)定义表征eht-vep运行状态的运行点z，即：

74、

75、式中，分别表示维度为nb×t、nl×t的实数空间；

76、2)构建电-氢-交通定碳排运行域表达式，即：

77、

78、式中：ωcr为定碳排运行域；u为节点电压矩阵；i为支路电流矩阵；p、q分别为节点注入有功及无功功率矩阵；h表示节点氢负荷需求矩阵；f(x,y)＝0表示电氢能量平衡约束；表示系统安全运行约束，包括电压约束及热稳定约束；表示节点注入功率约束，包括电氢耦合设备运行约束、分布式电源运行约束；e(y)≤bmax 3表示系统碳排放约束，具体如下式所示；b1、b2和b3分别表示安全运行临界值、注入功率临界值和碳排放限额；上标max、min表示上界值和下界值；nb和nl表示节点数和支路数；t为调度周期。

79、3)建立二阶锥松弛下的定碳排运行域转化模型，对定碳排运行域进行转换，得到：

80、

81、式中：a、b、c为等式约束中的系数矩阵；d、f为线性不等式中的系数矩阵；h、v为soc约束中的系数矩阵。w为节点电压平方矩阵；l为支路电流平方矩阵。pd、qd表示节点有功及无功负荷矩阵；pg、qg表示节点机组有功及无功出力矩阵。ωscr为转换后的定碳排运行域。

82、进一步，对电-氢-交通虚拟能量池的低碳调控空间进行刻画的步骤如下：

83、1)基于eht-vep典型运行状态，获取eht-vep潮流分布情况作为初始工作点z0，基于初始工作点z0，计算碳排放流并得到节点碳排放因子，作为降维观测变量的选择依据，即：

84、

85、式中：ρb、ρl分别表示节点和支路碳排放因子矩阵；y表示配电网节点关联矩阵；pl表示支路潮流分布矩阵；ρg为机组碳排放因子矩阵；

86、2)将高维定碳排运行域投影至节点负荷空间，并根据碳排放分布情况，优选n维节点电负荷作为观测变量，即：

87、

88、式中：kobs表示待选观测变量集合，其中k为观测变量选择状态的0-1变量，ki＝1表示将节点i负荷选为观测变量。和分别为nb维和t维单位行向量；

89、降维观测空间中的定碳排运行域如下所示：

90、

91、式中：f(p,q)＝0表示电氢能量平衡在内的等式约束；g(p,q)≤0表示安全运行约束、碳排放约束等在内的不等式约束；ωscrl表示降维观测空间中的定碳排运行域；

92、3)基于ωscrl进行cceor边界凸包拟合，并根据二阶锥松弛间隙迭代收缩凸包cceor；拟合目标如下所示：

93、

94、式中：z(p)表示求解边界点所设定的目标函数，下标u、d分别表示上边界和下边界。pc表示n-1维固定观测变量。

95、拟合约束如下所示：

96、

97、式中：ls+1为第s+1次迭代的支路电流平方矩阵；为第s次迭代中精确支路电流平方矩阵。rt为实数矩阵；gapmax为迭代过程中允许的最大松弛间隙。

98、进一步，对基于定碳排运行域的低碳调控空间进行几何评估的步骤如下：

99、1)构建低碳调控空间几何评估指标体系，包括eht-vep低碳调控空间几何评估指标、eht-vep观测变量耦合特性几何评估指标；

100、所述eht-vep低碳调控空间几何评估指标包括低碳安全运行裕度、低碳运行充裕空间、降维截断面积；

101、低碳安全运行裕度如下所示：

102、

103、式中，p为选定观测变量；d(p)为低碳安全运行裕度；p*为观测变量可行空间；

104、低碳运行充裕空间如下所示：

105、

106、式中，和分别为zu(p)和zd(p)取最优时对应取值。vcr为低碳运行充裕空间；

107、降维截断面积如下所示：

108、

109、式中，pi为第i维观测变量；π为固定平面；scr(pi)为降维截断面积；

110、所述eht-vep观测变量耦合特性几何评估指标包括观测变量耦合系数、截断面平均变化率、多维均衡度；

111、观测变量耦合系数如下所示：

112、

113、式中，观测变量耦合系数cf取值范围为(0,+∞)；srt、max scceor(pi)为等长宽矩形面积、最大sa面积；

114、截断面平均变化率acr如下所示：

115、

116、式中，scr(pi+δpi)、scr(pi)为观测变量pi+δpi、观测变量pi对应的降维截断面积；多维均衡度ed如下所示：

117、

118、式中：vn(maxd(p))表示半径为maxd(p)的n维超球体体积；vcr为低碳运行充裕空间；

119、2)进行低碳调控空间几何评估，步骤包括：

120、2.1)给定初始工作点令求解式(46)-(47)，获取初始可行范围反复固定2维观测变量，获取观测变量初始化可行空间

121、2.2)设定迭代步长δp及最大松弛间隙gapmax，固定一维观测变量令求解式(46)-(47)，获取上下边界点和并令p2逐步以迭代步长增长逼近获取多组边界点添加至pop；

122、2.3)令并逐步以迭代步长增长逼近重复步骤2.2)，获取多组边界点添加至pop；

123、2.4)重复步骤2.2)和2.3)，直至遍历全部维度观测变量，获取边界点集合pop，基于快速凸包算法获取当前pop最小凸包

124、2.5)基于当前pop，添加割平面约束迭代更新pop，直至所有边界点满足gap≤gapmax，并迭代收缩拟合收缩凸包cceor。

125、2.6)基于所提cceor几何评估指标体系，根据步骤⑤得到对应凸包顶点集合求解式(50)-(55)，输出cceor几何评估指标。

126、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明从低碳运行能力和观测变量耦合特性角度建立了电-氢-交通虚拟能量池定碳排运行域几何特征指标体系，并提出了定碳排运行域几何特征评估方法。

技术特征：

1.一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，所述虚拟能量池是以电能及氢能作为核心能源载体，通过电力网络、交通网络集成的区域氢能系统组成的虚拟运营架构；

3.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，构建考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池运行模型的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，公式(12)-(14)组成交通流模型；所述交通流模型采用“全有全无分配”方法对各路段交通流量进行分配，从而输出所有hp集合。

5.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，所述电-氢-交通虚拟能量池优化运行模型的目标函数c如下所示：

6.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，所述电-氢-交通虚拟能量池优化运行模型的约束条件包括配电网潮流约束、节点电功率平衡约束、安全运行约束、分布式电源运行约束、交通流量平衡约束。

7.根据权利要求6所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，配电网潮流约束如下所示：

8.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，构建电-氢-交通定碳排运行域的步骤如下：

9.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，对电-氢-交通虚拟能量池的低碳调控空间进行刻画的步骤如下：

10.根据权利要求1所述的一种考虑电-氢-交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，其特征在于，对基于定碳排运行域的低碳调控空间进行几何评估的步骤如下：

技术总结
本发明公开一种考虑电‑氢‑交通耦合特征的虚拟能量池调控空间刻画方法，包括以下步骤：1)构建考虑电‑氢‑交通耦合特征的虚拟能量池运行模型；2)建立考虑灵活运行特性的电‑氢‑交通虚拟能量池优化运行模型；3)构建电‑氢‑交通定碳排运行域；4)对电‑氢‑交通虚拟能量池的低碳调控空间进行刻画；5)对基于定碳排运行域的低碳调控空间进行几何评估。本发明从低碳运行能力和观测变量耦合特性角度建立了电‑氢‑交通虚拟能量池定碳排运行域几何特征指标体系，并提出了定碳排运行域几何特征评估方法。

技术研发人员：任洲洋,仝子涵,张基岳
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5