一种适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统

1.一种适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统，其特征在于，包括控制系统以及光伏子系统、电解池、燃料电池、储氢子系统、负荷和其他配套设备；所述控制系统用于控制电解池、燃料电池、储氢子系统、其他配套设备以及输氢管道阀门并收集光伏子系统、电解池、燃料电池、储氢子系统、负荷和其他配套设备的实时状态信息；所述光伏子系统包括光伏发电单元、逆变器单元、光伏电站气象站、测控单元和电气设备，其中所述光伏发电单元包括组串和汇流箱，所述逆变器单元包括直流配电柜和逆变器，所述测控单元包括电能计量装置、电能质量分析装置和公共连接点测控装置；所述电解池为碱性电解池AEC、固体氧化物电解池SOEC和质子交换膜电解池PEMEC中的任意一种，用于向阴极、阳极通入直流电，将水电解为氢气与氧气；所述燃料电池为碱性燃料电池AFC、磷酸燃料电池PAFC、固体氧化物燃料电池SOFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC和质子交换膜燃料电池PEMFC中的一种，用于向阴极、阳极分别通入氧化物与燃料，在电池内发生化合反应并产生电能；所述储氢子系统包括压缩气态储氢、低温液态储氢和固态储氢，用于提高氢气储存时的体积能量密度，降低氢气气体占据的体积；所述负荷包括电负荷、氢负荷和气负荷；所述其他配套设备为电力电子设备，用于变换电能形式并为各个设备提供电能；还包括适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的目标函数，所述目标函数包括综合能源系统运行成本、环境成本和综合能源系统综合运行成本，所述综合能源系统运行成本包括ESSs运行成本、天然气网络运行成本和综合能源系统运行能量损失惩罚成本；所述综合能源系统运行成本为：f 1 ＝f 11 +f 12 +f 13 ，其中，f 11 为ESSs运行成本，f 12 为天然气网络运行成本，f 13 为综合能源系统运行能量损失惩罚成本；所述ESSs运行成本为：其中，R t 为ESSs向综合能源系统供电成本系数，r t 为综合能源系统向ESSs供电成本系数， 为t时段ESSs向综合能源系统输送的有功功率， 为t时段综合能源系统向ESSs输送的有功功率，△t为步长；所述天然气网络运行成本为：其中，C n1 为综合能源系统直接消耗存储天然气的成本系数，C n2 为综合能源系统存储天然气的成本系数， 为t时段综合能源系统从天然气存储设备获得的功率， 为t时段综合能源系统向天然气存储设备输送的功率，H为天然气高热值，为10.8(KW·h)/m 3 ；所述综合能源系统运行能量损失惩罚成本为：其中，K loss 为权重系数，0≤K loss ≤1， 为电解池运行能量损失惩罚成本， 为燃料电池运行能量损失惩罚成本， 为电转气装置运行能量损失惩罚成本， 为燃气轮机运行能量损失惩罚成本；所述 所述 所述 所述 其中，α E2H 为电解制氢效率，α H2E 为燃料电池发电效率，α H2G 为氢气合成天然气的效率，α MT 为燃气轮机发电效率，N EL 为电解池装置的数目，N FC 为燃料电池装置的数目，N H2G 为电转气装置总数，N MT 为燃气轮机台数， 为第i台电解池在t时段消耗的功率， 为燃料电池发电功率， 为P2G装置产生天然气的功率， 为燃气轮机发电功率；所述环境成本为：其中， 为综合能源系统单位供电平均CO 2 排放系数， 为MT发电CO 2 排放系数， 为CH 4 的CO 2 捕捉系数；所述综合能源系统综合运行成本为：其中，ω 1 +ω 2 ＝1，0≤ω 1 ，ω 2 ≤1，f 1 max 为综合能源系统最大运行成本， 为综合能源系统最大环境成本，ω 1 为综合能源系统运行成本权重系数，ω 2 为综合能源系统环境成本权重系数。 2.根据权利要求1所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统，其特征在于，还包括水循环子系统，用于收集燃料电池产生的水并供应给电解池。 3.根据权利要求1所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统，其特征在于，所述变换电能形式采用P2G技术，所述P2G技术包括电转氢能和电转天然气，其中电转天然气过程是将电转氢能产生的氢能进一步转化为天然气。 4.一种权利要求1-3任一项所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的约束条件，其特征在于，包括储氢约束与充放电约束；所述储氢约束为：E T ＝E 0 (3)；式(1)为氢储能系统充放电功率平衡，式(2)为最大容量和最小容量的限制，式(3)为综合能源系统在下一个调度周期的起始状态与上一个调度周期的起始状态一致；式中 为t时段储氢系统所储存的氢能，P t 1H 为t时段综合能源系统氢负荷所消耗的氢能，P t 2H 为电转气消耗的氢能， 为最大容量限值， E H 为最小容量限值；所述充放电约束为：式中 P EL 为电解池最小功率， 为电解池最大功率， P FC 为燃料电池最小功率， 为燃料电池最大功率， P H2G 为电转气装置最小功率， 为电转气装置最大功率，B EL 为电解池装置集合，B FC 为燃料电池装置集合，B H2G 为电转气装置集合， 和 为0-1变量。 5.根据权利要求4所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的约束条件，其特征在于，还包括天然气网络潮流约束，所述天然气网络潮流约束包括气压约束、节点流量平衡约束、主动型管道内天然气网络潮流约束和被动型管道内天然气网络潮流约束；所述气压约束为：式中 为气网中第i个节点在t时段的气压，B gas 为气压节点集合，P i max 为最大气压，P i m 为最小气压；所述节点流量平衡约束为：式中 为在t时段气源向节点i的天然气流入量， 为电转气装置向i节点注入的CH 4 ， 为MT消耗的CH 4 ， 为天然气负荷， 为i节点流向气网其它节点的天然气；所述主动型管道内天然气网络潮流约束为：βP in ＝P out (8)Q min ≤Q ij ≤Q max (10)；式中P in 和P out 为天然气压缩机出入口处的气压，β为压缩比，β min 为最小压缩比值，β max 为最大压缩比值，Q ij 为主动型天然气管道所输送的天然气流量，Q min 为最小天然气流量，Q max 为最大天然气流量；所述被动型管道内天然气网络潮流约束为：式中 为在t时段管道ij的天然气流量，K ij 为天然气管道潮流参数，S ij,t 为天然气管道ij中天然气潮流的流向，方向由i流向j为正， 为气网节点i气压， 为气网节点j气压，其中， 6.根据权利要求5所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的约束条件，其特征在于，还包括电力网络约束和其它约束，所述电力网络约束包括综合能源系统潮流约束和功率交换约束，所述其它约束包括燃气轮机爬坡、滑坡约束和光伏出力约束；所述综合能源系统潮流约束为：式中r ij 和x ij 为支路阻抗，g j 和b j 为节点对地导纳，且r ij 、x ij 、g j 和b j 均为常数，V i 和V j 为节点电压，I ij 和I i 为支路电流，P jk 、P ij 、Q jk 和Q ij 为支路潮流，p j 、q j 为节点注入功率；所述功率交换约束为：式中K in 为分段权重系数与ESSs荷电状态的比例系数，P in，max 、Q in，max 为功率交换约束上限值，-Q out，max 为功率交换约束下限值；所述燃气轮机爬坡时约束为：P MT (t)-P MT (t-1)≤P up，MT (20)；式中P up，MT 为爬坡功率上升速率约束，P MT (t)为在t时段的爬坡功率，P MT (t-1)为在t-1时段的爬坡功率；所述燃气轮机滑坡时约束为：P MT (t-1)-P MT (t)≤P down，MT (21)；式中P down，MT 为滑坡功率上升速率约束，P MT (t)为在t时段的滑坡功率，P MT (t-1)为在t-1时段的滑坡功率；所述光伏出力约束为：式中 为光伏t时段出力下限值， 为光伏t时段出力上限值。 7.根据权利要求5所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的约束条件，其特征在于，所述天然气网络潮流约束还包括线性化转化，具体为：S1:将S ij,t 转化为0-1辅助变量μ ij,t 和μ ji,t ，μ ij,t 为1，μ ji,t 为0时，气网潮流实际方向是从i节点流向j节点，由于各个时段的潮流分析原理一样，省略时间下标t，μ ij 和μ ji 的约束为：μ ij +μ ji ＝1；气网潮流方向变量S ij 的约束为：S ij ＝μ ij -μ ji ；当气网潮流从i流向j时，将μ ij ＝1，μ ji ＝0，S ij ＝1带入式(11)，得：式中 为ij管道最大可通过流量；当气网潮流从j流向i时，将μ ji ＝1，μ ij ＝0，S ij ＝-1带入式(11)，得：S2:将S1中 与P i 和P j 的关系分段线性化转化，将 等价分成2n份得：式中μ ij，m 与μ ji，m 为0-1辅助变量，且 其中，把0到Q ij，max 等分成n份，得到Q ij，m ，将Q ij，m 进行平方得 且Q ij，m 和 均为常数；S3：将 且 得：式中 和 为节点i，j气压的平方。 8.根据权利要求6所述的适用于偏远农牧区的光-氢-储综合能源系统的约束条件，其特征在于，所述电力网络约束还包括线性化转化，其中，所述线性化转化为二阶锥松弛法，具体为：S1：将 并进行二阶锥松弛转化，得：S2：将式(30)等价转化为2型范数表达的二阶锥松弛的标准形式得：再将 代入式(13)-(14)得到转化后的最优潮流约束方程：