[发明专利]一种利用制氢系统消纳风电弃风的制氢容量优化配置方法

摘要

本发明是一种利用制氢系统消纳风电弃风的制氢容量优化配置方法，其特点是，它包括分析风电制氢系统结构和运行特性，提出一种利用制氢系统消纳风电弃风的制氢容量优化配置方法。通过分析和统计风电场弃风水平，形成风电弃风持续曲线，采用区间估计方法建立风电年弃风电力统计模型，以经济收益最大为目标，运用区间优化理论确定制氢系统最优容量配置区间，通过建立多属性决策模型，确定制氢系统最优电解槽配置方案。该方法能够通过配置最优容量的制氢系统，实现利用制氢系统进行风电弃风消纳，在实现风电场收益的基础上，实现更为可观的社会效益。

主权项

1.一种利用制氢系统消纳风电弃风的制氢容量优化配置方法，其特征是，它包括以下步骤：1)年弃风电力的统计模型采用年弃风电力持续曲线刻画风电场年弃风情况，依据单个风电场历史弃风电力数据建立某历史年有效时段内年弃风电力持续曲线，并以与目标年相接近的3‑5年历史年弃风电力持续曲线为样本，采用区间拟合方法估计未来年弃风电力持续曲线的变化区间范围，区间拟合模型为式(1)和式(2)：s.t. Fu(tb)≤Fk(tb)≤Fd(tb) k∈A,b∈Ta    (2)式中：Ta为历史年弃风时段数集合；Fu(·)为待拟合的区间上限曲线函数；Fd(·)为待拟合的区间下限曲线函数；Fk(tb)为k历史年在tb时段的弃风电力；A为历史年集合，式(1)目标函数的含义是，区间上限曲线函数与区间下限曲线函数的欧式距离最小；约束条件式(2)则保证样本取值在区间上下限曲线之间；以风电场3年历史弃风电力数据为样本，定义区间上下限曲线函数为二次多项式形式，采用式(1)‑式(2)区间拟合模型估计年弃风电力持续曲线的变化区间；制氢系统只在风电场存在弃风时才进行工作，因此风电场的弃风的利用情况主要取决于风电场制氢系统安装容量和制氢设备利用小时数，当风电场配置制氢系统容量为时，分别对应年弃风电力持续曲线中的区间上下限曲线，其中以下面积即为制氢系统所能消纳的弃风电量，由此，求得采用区间数表达的风电场制氢系统的年平均利用小时数即式中：为风电场制氢系统消纳的弃风电量，即区间数；2)制氢系统容量配置制氢设备初期建设在使用年限的初始年完成，在制氢设备使用年限中，其年运行维护成本相同，储氢过程中气体无泄漏，以平均年制得氢气量作为储氢系统容量，总成本现值表示为：式中：u为单位容量制氢设备建设成本；ε为单位质量氢气的储存费用比；g为标准气压下单位体积氢气所需电耗量，KWh/Nm³；N为制氢设备运行年限；f_m为单位容量制氢设备年运行维护成本；f_s为单位质量氢气储存年运行成本；i_s为社会平均折现率；T_k为制氢设备第k年利 用小时数；为标准气压下氢气密度，Kg/m³，式(4)中，和表示制氢成本，和表示储氢成本；总收益现值可表示为：式中：pH为氢气的市场售价，元/Nm3；po为氧气的市场售价，元/Nm3；经济净现值表示为：VΣ＝GΣ‑FΣ      (6)式(6)为未考虑弃风电量不确定性的经济净现值表达，当经济净现值V_Σ＞0时，风电场配置制氢系统容量的方案能够获得经济效益，且经济净现值越大，该方案的经济效益越好，为保证风电场配置制氢系统容量的方案能够获得收益，要求V_Σ＞0，由式(4)‑(6)确定当其它条件一定的情况下，制氢系统的年利用小时数越高，风电场配置制氢系统容量的方案所得收益越高，假设风电场在运行年限期间不增加装机容量，近似认为风电场配置制氢系统容量的方案实施期间各年的利用小时数与运行年限期间年平均利用小时数相等，由于为区间数，则经济净现值也为区间数，由式(3)可知，区间经济净现值是年弃风电力持续曲线区间拟合参数向量和制氢系统容量区间的函数，即式中：e为年弃风电力持续曲线区间拟合参数向量；使式(7)区间函数最大化，运用区间优化理论求得对应的最优制氢容量区间制氢系统由多个电解槽构成，通过对电解槽个数以及单个电解槽容量进行多属性决策，能够确定制氢系统的电解槽最佳配置方案，不同的电解槽配置方案组成方案集X＝{x₁,x₂,…,x_m}，m为方案个数，不同电解槽配置方案属性构成属性集U＝{u₁,u₂,…u_n}，n为属性个数,采用区间数多属性决策的目标规划方法，确定每个电解槽配置方案的综合评价值所在区间并使用同一个权重向量w＝{w₁,w₂,…,w_n}^T，w_j≥0，使电解槽配置方案排序具有可比性，优化模型表示为：式中：式中：为权重向量w中第j个元素w_j权重区间的左右边界；为便于求解将式(8)、式(9)和式(10)转化为：式中：为d′_i小于和大于的上偏差变量和下偏差变量；为d``_i小于和大于的上偏差变量和下偏差变量；α_1i、β_1i为s₁级目标中和的权重系数；α_2i、β_2i为s₂级目标中和的权重系数；利用WAA算子对电解槽配置方案进行集结得出方案综合属性值，电解槽配置方案的综合属性值表示为：式中：di(w)为电解槽配置方案xi的综合属性值；建立可能度矩阵P，通过计算并比较电解槽配置方案的综合属性值可能度，确定出制氢系统电解槽最佳配置方案，电解槽配置方案的综合属性值可能度表示为：式中：pij为电解槽配置方案xi和属性uj的综合属性值比较可能度。