一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法

本发明涉及配电网规划和运行，特别是一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法。

背景技术：

1、能源危机和环境污染日趋严重，以风电和光伏为代表的可再生能源正逐步取代传统化石能源。可再生能源大规模渗透下，配电网灵活性面临严峻挑战，提升灵活性成为当前配电网高质量发展的重要方向。与此同时，近年来能源低碳转型促进了氢能产业的规模化发展，能源领域的氢能需求骤增，电力行业与氢能产业链耦合程度加深。在此背景下，研究高比例光伏接入下的氢-电耦合配电网协同规划，对于实现电力-氢能跨能源系统的低碳转型具有重要意义。

2、基于此，考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划研究需充分考虑以下两个方面：一是，针对当前配电网的灵活性供给的研究侧重电网层面，有必要计及电解水制氢和制氢需求，研究配电网协调规划；二是，现有配电网规划方法侧重于典型日，未考虑规划年精细的时序模拟，不能充分描述净负荷长期波动下的能量平衡与灵活性需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法，旨在通过氢-电耦合提升配电网的经济性和灵活性价值，并削减下游用氢负荷的用氢成本。

2、技术方案：为解决上述问题，本发明提出一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤1、获取氢-电耦合配电网运行参数，所述运行参数，包括光伏机组、电储能、电制氢机组、储氢罐、燃料电池投资和运行参数；

4、步骤2、获取电负荷、氢负荷、光伏出力信息；

5、步骤3、基于光伏机组、电储能、电制氢机组、储氢罐、燃料电池投资和运行参数，获取氢-电耦合配电网协同运行的相关约束；

6、步骤4、基于氢负荷信息，获取不同类型的下游氢负荷需求约束，给出各类设备投资规划约束，并计及氢-电耦合配电网协同运行的相关约束，以系统总体运行成本最低为目标函数，建立考虑下游氢负荷的配电网规划模型，求解模型得到配电网规划方案。

7、进一步的，步骤3中，获取氢-电耦合配电网协同运行的相关约束如下：

8、1)考虑储能的配电网运行模型

9、

10、式中，下标t表示运行时刻，下标i，j，k均表示电力节点，下标s表示电储能，下标r表示光伏机组，下标c表示燃料电池，下标e表示电制氢机组，lf(i)、lt(i)、ns(i)、nr(i)、nc(i)、ne(i)分别表示与节点i相连的首端节点、末端节点、电储能、光伏机组、燃料电池、电制氢机组集合；pij,t和pki,t分别为线路ij和ki在时刻t传输的有功功率；qij,t和qki,t表示线路ij和ki在时刻t传输的无功功率；rki和xki分别表示线路ki的电阻和电抗；rij和xij分别表示线路ij的电阻和电抗；和分别表示上级电网在时刻t注入节点i的有功和无功功率；vi,t表示节点i在时刻t的电压幅值的平方；lij,t和lki,t分别表示线路ij和ki在时刻t的电流幅值的平方；和分别表示电储能s在时刻t的放电和充电功率；表示光伏机组r在时刻t的并网功率；表示燃料电池c在时刻t的有功出力；表示电制氢机组e在时刻t的消耗功率；和分别表示节点i在时刻t的有功负荷和无功负荷；和分别表示上级电网注入有功和无功功率的上限；vimax和vimin分别表示节点i电压幅值平方的上限和下限；表示线路ij的电流幅值平方上限；表示电储能s在时刻t的储能容量；表示电储能的自损耗系数；和分别表示电储能的充电和放电效率；表示电储能s在初始时刻的储能容量；和为整数变量，分别表示电储能s在时刻t的充电和放电状态；和表示电储能的最小和最大充放功率；pses,min和pses,max分别表示电储能s储能容量的下限和上限；

11、2)氢能设备运行约束

12、a)电制氢运行约束

13、

14、式中，表示电制氢机组e在时刻t输出氢气流量；表示氢气热值；ηpth表示电制氢机组的制氢效率；表示电制氢机组e的最大爬坡功率；表示电制氢机组e输入电功率的上限；

15、b)燃料电池运行约束

16、

17、式中，表示燃料电池c在时刻t消耗的氢气流量；ηfc表示燃料电池的发电效率；pcfc,ramp表示燃料电池c的最大爬坡功率；pcfc,max表示燃料电池c输出电功率的上限；

18、c)储氢罐运行约束

19、

20、

21、式中，下标h表示储氢罐；表示储氢罐h在时刻t的储氢容量；表示储氢罐的自损耗系数；和分别表示储氢罐h在时刻t的充氢流量和放氢流量；和分别表示储氢罐的充氢和放氢效率；和分别表示储氢罐h在初始时刻和最终时刻的储氢容量；和为整数变量，分别表示储氢罐h在时刻t的充氢和放氢状态；和表示储氢罐的最小和最大充放功率；和分别表示储氢罐h容量下限和上限；

22、d)氢负荷平衡约束

23、

24、式中，ftbuy和ftload分别表示t时刻的氢气购入量和需求量；

25、3)配电网灵活调节需求

26、通过计算配电网应对功率波动所能提供的爬坡能力，将配电网灵活性量化为灵活调控需求，将电制氢机组和燃料电池纳入灵活调控资源，灵活调控需求如下：

27、

28、式中，和分别表示配电网在t时刻总的上调和下调灵活调控需求；表示t时刻的净负荷；ptl,up和ptl,dn分别表示t时刻净负荷不确定性产生的波动上限和下限；和分别表示上级电网在t时刻提供的向上和向下的可调节功率；和分别表示电储能s在时刻t的放电功率提供的向上和向下的可调节功率；和分别表示电储能s在t时刻的充电功率提供的向上和向下的可调节功率；和分别表示燃料电池c在t时刻提供的向上和向下的可调节功率；和分别表示电制氢机组e在t时刻提供的向上和向下的可调节功率；

29、机组和上级电网提供灵活调控能力受到爬坡功率和功率上限的制约，具体如下：a)上级电网

30、

31、b)电储能

32、

33、c)电制氢

34、

35、d)燃料电池

36、

37、进一步的，考虑下游氢负荷的配电网规划模型为：

38、1)下游氢负荷需求

39、工业用氢负荷波动规律近似呈现正态分布：

40、

41、式中，δftin表示t时刻的工业用氢负荷的波动值；σ为标准差；表示年总工业用氢负荷；ftin表示t时刻的工业用氢负荷；

42、每日交通用氢负荷相等，基于日负荷差异生成每小时的交通负荷需求比例，此时交通用氢负荷如下：

43、

44、式中，fttr表示t时刻的交通用氢负荷；表示每小时交通用氢需求比例；表示年总交通用氢负荷；

45、供热氢气需求量与天然气需求量成一定比例，根据天然气需求量生成每小时的供热负荷需求比例，供热用氢需求如下：

46、

47、式中，fthe表示t时刻的供热用氢负荷；表示每小时供热用氢需求比例；表示年总供热用氢负荷；

48、2)设备投资规划约束

49、考虑参与投资的设备包括：光伏机组、电储能、电制氢机组、燃料电池和储氢罐，假设所有设备投资选址均已确定，仅考虑容量投资，设备单机投资容量约束如下：

50、

51、式中，分别表示电储能s、光伏机组r、燃料电池c、电制氢机组e和储氢罐h的投资容量，分别表示电储能、光伏机组、燃料电池、电制氢机组和储氢罐的单机最大投资容量；

52、3)目标函数

53、以设备年化投资成本、配电网年运行成本以及年购氢成本最低为目标函数：

54、

55、式中，下标v表示各类投资设备，包含光伏机组、电储能、燃料电池、电制氢机组和储氢罐，κv表示设备v的年化投资率，r表示折现率，nv表示设备v的使用年限，分别表示电储能s、光伏机组r、燃料电池c、电制氢机组e和储氢罐h的单位容量投资成本；和分别表示t时刻的电价和氢价。

56、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下的有益技术效果：

57、本发明构建了氢-电耦合配电网协同规划模型，计及了下游氢负荷需求和氢能设备的灵活调控能力，能够支撑电能和氢能的供需平衡，平抑长短时间尺度下的净负荷能量不平衡，支撑不同能源系统间的互补互济和高比例新能源消纳。

技术特征：

1.一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法，其特征在于，步骤3中，获取氢-电耦合配电网协同运行的相关约束如下：

3.根据权利要求1所述的一种考虑下游氢负荷的氢-电耦合配电网协同规划方法，其特征在于，步骤4中，考虑下游氢负荷的配电网规划模型为：

技术总结
本发明公布了一种考虑下游氢负荷的氢‑电耦合配电网协同规划方法，关注了计及电解水制氢和制氢需求的配电网协调规划，提升了电网规划运行的经济性和灵活性。首先，计及了氢‑电耦合的运行灵活性和电‑氢混合储能的多时间尺度互补特性，研究了氢‑电耦合配电网协同运行；其次，考虑了下游氢负荷需求，并以电制氢直接参与氢能供应，构建了考虑下游氢负荷的配电网规划模型。

技术研发人员：陈胜,陈明健,卫志农,孙国强,臧海祥,周亦洲,朱瑛,韩海腾,黄蔓云
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5