[发明专利]孤岛多能互补电-气耦合系统能量优化调度方法

权利要求书

1.一种孤岛多能互补电-气耦合系统能量优化调度方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)搭建风-光-柴-气-储的孤岛多能互补的电-气耦合系统，包括：

①电转气系统能量流程：将风机、光伏、柴油发电机发出的电量一部分通入电解槽，在电解槽内通过电解水产生的氢气的一部分和碳捕集捕捉到的二氧化碳通入甲烷反应器制取甲烷；

②电-气耦合系统能量流程：风机、光伏、柴油发电机组发出的电力一部分直接供给电负荷，剩余部分通入电解槽；在电解槽内通过电解水产生氢气，一部分氢气直接供给氢氧燃料电池对电负荷发电，一部分存储至储氢罐，剩余部分通入甲烷反应器制取甲烷；制取的甲烷一部分供给燃气轮机对电负荷发电，一部分供给居民气负荷，剩余部分存储至储甲烷罐；

2)根据步骤1)风-光-柴-气-储孤岛多能互补电-气耦合电转气系统能量流程、电-气耦合系统能量流程情况及约束条件建立模型；然后建立以经济性为优化目标的目标函数；最后通过粒子群算法求解模型；包括：

①建立电力、氢气、甲烷和负荷的能量平衡模型；表达式为(1)式-(3)式，

P_wt,t+P_pv,t+P_hfc,t+P_gt,t+P_dig,t＝P_load,t (1)

其中P_wt,t为风机在t时刻的发电量，P_pv,t为光伏在t时刻的发电量，P_dig,t为柴油发电机组在t时刻的发电量，P_gt,t燃气轮机组在t时刻的发电量，P_hfc,t为氢氧燃料电池机组在t时刻发电量，P_load,t为t时刻系统总负荷，为t时刻电负荷，P_CCP,t为碳捕集在t时刻总运行功率，P_EC,t为t时刻电解槽在电转气系统运行过程中所消耗的电量，为在t时刻储甲烷罐中充入的甲烷量，为在t时刻储氢罐中充入的氢气的量，η_EC,t为电解槽在t时刻的效率，η_hfc,t为氢氧燃料电池在t时刻的效率，η_MR为甲烷反应器的效率，η_gt为燃气轮机的效率，为t时刻的系统气负荷；

②建立电-气耦合网络系统模型；

a.柴油发电机组出力进行约束表达式为(4)式，

其中t∈{1,...,T}；式中，为柴油发电机组最大、最小运行功率；为辅助运行状态变量，均为0/1变量表示，用以描述柴油发电机组工作状态；

对柴油发电机组出力的爬坡率进行约束表达式为(5)式；

d_dig≤P_dig,t-P_dig,t-1≤r_dig (5)

其中t∈{1,...,T}；式中r_dig、d_dig为柴油发电机组的向上、向下爬坡限值；

b.碳捕集

参与甲烷化反应的二氧化碳来源于碳捕集和直接空气捕捉技术；碳捕集从柴油发电机组排放的废气中捕捉二氧化碳；直接空气捕捉技术直接从空气中捕捉二氧化碳；

为碳捕集运行过程中固定消耗功率；为t时刻碳捕集运行功率；η_CCP为制取单位质量二氧化碳所需的功率；m_CCP,t分别为碳捕集在t时刻的碳捕捉量；为二氧化碳密度；为捕捉到的二氧化碳体积；

c.电转气系统

电转气技术包括两个过程：在电解槽内电解水生产氢气；氢气在甲烷反应器中与二氧化碳反应制取甲烷；

4H₂+CO₂＝CH₄+2H₂O (9)

根据甲烷化学反应方程式可知，制取甲烷时二氧化碳消耗体积与生成甲烷体积相同；为甲烷反应器制取甲烷的体积；为甲烷热值，这里取9.8kW·h/m³；

其中为t时刻电解槽输出氢气的功率；因为电解槽的电解效率不是恒定的，而是与此时的工作功率与额定功率之比有关，因此η_EC,t是动态效率；P_EC为电解槽额定功率；a₁、b₁、c₁为效率函数系数；为储氢罐在t时刻所充入的气体量；P_MR,t是用于生产甲烷的氢功率，也是甲烷反应器运行功率；η_MR为甲烷反应器的效率；是t时刻甲烷反应器产生甲烷的功率；为储甲烷罐在t时刻的充气量；

d.氢氧燃料电池

调用氢气通过氢氧燃料电池进行发电；

P_hfc,t＝η_hfc,tP_hfc (16)

d_hfc≤P_hfc,t-P_hfc,t-1≤r_hfc (19)

P_hfc为氢氧燃料电池的额定功率；a₂、b₂、c₂、d₂、e₂、f₂为效率函数系数；为氢氧燃料电池的最大、最小输出限值；r_hfc、d_hfc是氢氧燃料电池向上、向下的爬坡限值；

e.燃气轮机

燃气轮机的引入是通过消耗电转气过程产生的甲烷，与氢氧燃料电池合作对负载进行出力，并逐步提升燃气轮机组的渗透率；

其中，P_gt为燃气轮机的输出功率；为燃气轮机单位时间内的甲烷消耗量，单位为m³/h；

d_gt≤P_gt,t-P_gt,t-1≤r_gt (22)

为燃气机组最大、最小出力限值；r_gt、d_gt为燃气轮机组向上、向下爬坡限值；

f.储能系统约束

储能系统包括储氢罐和储甲烷罐，用于存储由电转气技术消纳冗余的风电、光电产生的氢气和甲烷，并且供给当日以及日后氢氧燃料电池机组和燃气轮机组消耗，以及居民生活用气；

为单位时间最大产氢量，也是储氢罐最大进气量和出气量；为储氢罐的最大存储量；

为单位时间最大产甲烷量，同时也是储甲烷罐最大进气量和出气量；为储甲烷罐的最大存储量；

3)构建以最大化调度系统收益为优化目标的目标函数，考虑售电、售气收益，各发电机组、电转气系统和储能系统的运行维护成本，分布式能源抛弃惩罚成本，以及柴油发电机污染治理成本；

以最大化调度系统收益为目标的目标函数具体为：

maxR＝I_sum-C_sum (29)

R表示系统总收益；I_sum是总收益；C_sum是总成本；

I_sum＝I_wt+I_pv+I_hfc+I_gt+I_Gases+I_dig (30)

I_wt为风机售电收益；I_pv为光伏售电收益；I_hfc为氢氧燃料电池机组售电收益；I_gt为燃气轮机组售电收益；I_dig为柴油发电机组售电收益；I_Gases为售气收益和储气罐气体余量价值之和；

C_sum＝C_wt+C_pv+C_hfc+C_gt+C_P2G+C_ESS+C_dig (31)

C_wt为风机运行维护成本；C_pv为光伏运行维护成本；C_hfc为氢氧燃料电池机组运行维护成本；C_gt为燃气轮机组运行维护成本；C_dig为柴油发电机组运行维护成本；C_P2G为电转气系统运行维护成本；C_ESS为储气罐运行维护成本；

I.风机和光伏运行维护成本

M_wt为风机的运行维护成本系数，M_pv为光伏的运行维护成本系数，为弃风功率，为弃光功率，两者都可以通过发出的电功率减去使用的电功率来计算，为弃风惩罚成本系数，为弃光惩罚成本系数；

II.柴油发电机运行维护成本

为柴油发电机组维护费用，与发电机输出功率和运行状态有关；a₃、b₃、c₃为柴油发电机组的燃油成本系数；δ_t为柴油发电机组的工作状态；d₃、e₃是柴油发电机组维护成本系数，它取决于发电机的类型；为柴油发电机组污染物排放治理成本；f₃、g₃、h₃、j₃、q₃为柴油发电机组污染物排放治理系数；

III.氢氧燃料电池和燃气轮机运行维护成本

燃气轮机和氢氧燃料电池都是通过消耗电转气系统产生的气体来发电；由于氢气和甲烷来自于系统内部，在生产时已计入成本，因此这里不考虑购买天然气的成本；M_hfc为氢氧燃料电池运行维护成本系数；M_gt燃气轮机的运行维护成本系数；

IV.电转气系统和碳捕集系统运行维护成本

M_EC为电解槽运行维护成本系数；M_MR为甲烷反应器运行维护成本系数；M_CCP为碳捕集运行维护成本系数；C_CCP为碳捕集系统运行维护成本；P_CCP,t是碳捕集输出功率；

V.储气罐运行维护成本

为储氢罐运行维护成本系数；为储甲烷罐的运行维护成本系数；

Ⅵ.系统总收益

其中，Price^E为电价，为甲烷价格，为氢气价格，单位均为(元/kW·h)；为24时储氢罐氢气余量；为24时储甲烷罐甲烷余量。