考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法

1.一种考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、提供含碳流的多能耦合综合能源系统，所述综合能源系统包括风电、光伏、水电、火电机组、传统燃气机组、混合燃料燃气机组、电解水装置、储氢装置、氢气甲烷化装置、碳捕集-封存装置、吸收式制冷机、电制冷设备、燃气锅炉；步骤2、建立以系统改造升级成本、运行成本以及惩罚成本综合最小为目标函数的综合能源系统双层规划-运行模型；步骤3、利用改进差分进化算法进行求解，达到配置最优设备容量的同时优化不同机组运行策略，所述改进差分进化算法采用Gurobi求解器配合求解；所述步骤1中所述氢气甲烷化能量转换模型为：式中， 表示在t时刻氢气甲烷化容量以及氢气甲烷化反应过程余热的功率， 分别表示在t时刻氢气甲烷化消耗的氢气量和二氧化碳量，ω 1 表示反应过程中二氧化碳气体混入比例， 表示氢气制甲烷的甲烷和热能转换效率， 为氢气甲烷化装置的最大容量，ξ e-gas 为电-天然气折算单位换算系数，Q gas 为天然气燃烧热值33486.8kJ/m 3 ， 为电-氢气折算单位换算系数，α为千瓦与千焦每小时的转换系数。 2.如权利要求1所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述步骤1中所述电解水装置能量转换模型为：式中， 分别是电解水装置在t时刻的耗电功率、产氢容量、产热功率， 为电解水装置电制氢效率和余热利用效率， 为电-氢气折算单位换算系数， 为氢气燃烧热值142500kJ/m 3 ， 表示电解水装置最大制氢容量，α为千瓦与千焦每小时的转换系数取3600。 3.如权利要求1所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述步骤1中所述储氢装置采用季节性储氢方式，其约束模型为：S shs (0)＝0.5Q shs (8)0≤S shs (t)≤Q shs (10)式中， 分别表示在t时刻储氢装置储存和释放的功率， 分别表示在t时刻充入和放出的0-1状态量，V shs-max 表示储氢装置最大功率，Q shs 表示储氢装置最大容量，S shs (0)、S shs (t)、S shs (t-1)分别为储氢装置存储能量初始值、t时刻剩余能量、t-1时刻剩余能量， 分别表示储氢装置充入和放出的效率，Δt表示储氢装置充放的单位时间。 4.如权利要求1所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述步骤2中建立的综合能源系统双层规划-运行模型包括上层规划投资成本目标函数和下层运行优化成本目标函数；所述上层规划投资成本为：λ crf ＝r·(1+r) y /((1+r) y -1) (17)式中，C inv 表示上层规划投资成本， 分别为混合燃料的燃气机组改造升级、电解水装置、储氢装置功率、储氢装置容量、氢气甲烷化装置的单位容量投资成本；P gt-max 、 V shs-max 、Q shs 、 表示上层规划模型需求得最优的系统燃气机组改造升级最大容量、电解水装置最大制氢容量、储氢装置最大功率、储氢装置最大容量、氢气甲烷化装置的最大容量，提供给下层模型优化约束条件；λ crf 为资金回收系数，r为年利率，y为系统设计平均寿命期限；所述下层运行优化成本包括运行成本C op 和惩罚成本C pw ，所述运行成本C op 包括燃料成本C opf 、其他装置运行成本C opa 和机组启动成本C opu ，其中火电机组的燃料成本进行分段线性化处理：C op ＝C opf +C opa +C opu (18)式中：c gas 为天然气价格成本， 为在t时刻系统购买的天然气量；a 1 、a 2 、a 3 、b 1 、b 2 、b 3 为火电机组发电成本分段线性化的系数，C g ′ en,i (t)为在t时刻火电机组i的燃料成本变量；P gen,i (t)为火电机组i在t时刻的出力功率； 为电解水装置、储氢装置、氢气甲烷化装置、碳捕集-封存装置、吸收式制冷机的单位容量运行成本； 为火电机组、混和燃料燃气机组、传统燃气机组的启动成本， 为在t时刻火电机组、混和燃料燃气机组、传统燃气机组的启动状态变量，N gen 为火电机组的数量， 为在t时刻碳捕集后封存的二氧化碳气体量、吸收式制冷机发出冷功率，所述惩罚成本C pw 为弃风光水的惩罚：式中，c cut 为弃风光水惩罚单位成本， 为在t时刻弃风、弃光、弃水功率。 5.如权利要求4所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述综合能源系统双层规划-运行模型总的目标函数为：minC total ＝C inv +C op +C pw (24)式中，C total 为总成本。 6.如权利要求5所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述综合能源系统双层规划-运行模型的约束条件包括：系统电、热、冷、氢功率平衡方程：式中，L e (t)、L h (t)、L co (t)、 分别表示电、热、冷、氢常规负荷在t时刻的需求量，式(25)表示综合能源系统的电功率平衡， 为火电机组i在t时刻净出力，P pv (t)、P wt (t)、P hp (t)为风电、光伏、水电机组在t时刻出力， 为传统燃气机组n在t时刻净出力， 为改造后混合燃料燃气机组在t时刻净出力， 为电解水装置、电制冷设备在t时刻消耗的电功率，式(26)表示综合能源系统的天然气量平衡， 为传统燃气机组n在t时刻燃烧的天然气量， 为改造后混合燃料燃气机组t时刻燃烧的天然气量， 为燃气锅炉t时刻燃烧的天然气量， 为氢气甲烷化装置在t时刻制得的天然气量，式(27)表示综合能源系统的热功率供需平衡， 为传统燃气机组n在t时刻燃烧余热功率的收集转换功率， 为改造后混合燃料燃气机组在t时刻燃烧余热功率的收集转换功率， 为在t时刻氢气甲烷化和电解水反应过程中热能的收集利用功率， 为燃气锅炉在t时刻补充热功率， 为在t时刻吸收式制冷机设备吸收的热功率， 为在t时刻系统热能无法有效利用而弃掉的功率，式(28)表示综合能源系统的冷功率供需平衡， 为在t时刻电制冷设备以及吸收式制冷机设备的制冷功率，式(29)表示综合能源系统的制-储-用氢量的平衡， 表示在t时刻电解水反应产生的氢气量， 表示在t时刻氢气甲烷化和改造后混合燃料燃气机组消耗的氢气量， 表示在t时刻季节性氢储释放和储存的氢气量；可再生能源出力约束： 为在t时刻风电、光伏、水电预测最大出力值；火电机组出力约束：u gen,i (t)P gen-min,i ≤P gen,i (t)≤u gen,i (t)P gen-max,i (33)式中，P gen-max,i 、P gen-min,i 分别表示火电机组i出力的最大值、最小值，u gen,i (t)表示在t时刻火电机组i的状态变量， 为在t时刻火电机组i启动状态变量， 为在t时刻火电机组i停机状态变量；燃气机组出力约束，包括混合燃料燃气机组出力约束：式中， 分别表示混合燃料燃气机组在t时刻输出的电功率和热功率， 分别表示混合燃料燃气机组在t时刻天然气、氢气输入体积流量，ξ e-gas 、 分别表示混合燃料燃气机组电-天然气、电-氢气折算单位换算系数，ω 2 表示混合燃料燃气机组氢气和天然气的混合系数； 分别表示混合燃料燃气机组转换电能和热能的效率；u gtc (t)、 为0-1的状态量，分别表示在t时刻混合燃料燃气机组的状态变量、启动状态变量、停机状态变量，P gtc-max 、P gtc-min 为混合燃料燃气机组的最大、最小功率；碳捕集-封存装置约束：式中， 为燃气机组在t时刻产生的电力功率， 为燃气机组在t时刻净输出电功率， 为碳捕集-封存装置在t时刻运行能耗， 为碳捕集-封存装置在t时刻基础固定能耗， 表示碳捕集-封存装置在t时刻捕集二氧化碳气体量， 表示碳捕集-封存装置在t时刻捕集后封存的二氧化碳气体量， 表示碳捕集-封存装置在t时刻捕集后加入甲烷化反应的二氧化碳气体量， 为捕集单位碳的运行能耗系数， 为捕集效率， 为燃气机组单位能量碳排放强度；冷热能量补充机组约束，所述冷热能量补充机组约束包括吸收式制冷机约束、电制冷设备约束、燃气锅炉约束。 7.如权利要求6所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述吸收式制冷机约束为：式中， 表示吸收式制冷机在t时刻发出冷功率， 表示吸收式制冷机在t时刻吸收的热功率， 表示吸收式制冷机能量转换效率， 表示吸收式制冷机能转化发出最大冷功率，u ac (t)为表示吸收式制冷机在t时刻启停状态的0-1变量；所述电制冷设备约束为：式中， 表示电制冷设备在t时刻发出冷功率， 表示电制冷设备在t时刻消耗的电功率， 表示电制冷设备能量转换效率， 表示电制冷设备转化发出最大冷功率，u fr (t)为表示电制冷设备在t时刻启停状态的0-1变量；所述燃气锅炉约束为：式中， 表示燃气锅炉在t时刻发出热功率， 表示燃气锅炉在t时刻消耗的电功率， 表示燃气锅炉能量转换效率， 表示燃气锅炉转化发出最大热功率，u gb (t)为表示燃气锅炉在t时刻启停状态的0-1变量。 8.如权利要求1所述的考虑季节性氢储和燃氢轮机利用的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述步骤3中所述改进差分进化算法具体包括以下步骤：步骤3.1、初始化：确定规划容量的边界范围，设置种群数量N p ，随机生成初始种群，其中，种群个体为：步骤3.2、变异：F＝2 λ f 0 (55)式中， 为第G代中随机选取的3个不同个体， 为变异种群中的个体，f 0 为初始设定的变异参数；G表示当前进化代数，G m 表示最大进化代数；步骤3.3、交叉：式中， 为交叉后所得种群中第i个体的第n维变量；C r 为交叉因子，取值[0,1]之间；步骤3.4、竞争：式中， 为对应个体的适应度函数，即模型中综合成本目标函数，采用最小化问题的选择方式；步骤3.5、当G＞G m 时，算法终止，得到最优解，否则，G＝G+1，返回步骤3.2，进行下一次优化。