1.基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:在天然气管道稳态模型的基础上,计及氢气注入并考虑管道管存,建立基于流量平衡的变掺氢比天然气掺氢运输模型;
步骤2:基于分段线性化、分段McCormick技术和等价替换方法对步骤1中的变掺氢比天然气掺氢运输模型进行线性化,建立变掺氢比天然气掺氢运输线性模型;
步骤3:通过模拟长管拖车的时空动力学,建立长管拖车运氢模型;
步骤4:考虑电力系统相关约束和天然气系统与道路系统、电力系统与天然气系统之间的耦合约束,并结合步骤2中的变掺氢比天然气掺氢运输线性模型和步骤3中的长管拖车运氢模型,建立基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度模型;
步骤5:在步骤4中的电氢综合能源系统调度模型基础上,考虑风电不确定性,建立电氢综合能源系统分布鲁棒调度模型,对分布鲁棒调度模型中机会约束重新表示为线性约束,对转化后的电氢综合能源系统调度线性模型进行求解;
所述步骤1中,建立的基于流量平衡的变掺氢比天然气掺氢运输模型,如下:(1);
式(1)中: 为天然气源点集合; 为氢气源点集合; 为流入节点 的管道集合;
为流出节点 的管道集合; 、 分别为 时刻节点 处注入的天然气和氢气的体积流量; 、 分别为 时刻从管道流出和流入节点 混合气体的体积流量; 为 时刻节点 流出的混合气体体积流量;
(2);
式(2)中: 、 分别为 时刻从管道流出和流入节点 氢气的体积流量; 为时刻节点 流出的混合气体体积流量;
(3);
式(3)中: 为 时刻节点 中混合气体中氢气的体积比;
(4);
式(4)中: 为 时刻节点 处的天然气负荷;
(5);
式(5)中: 为 时刻管道 中混合气体中氢气的体积比;
(6);
(7);
(8);
式(8)中: 为 时刻管道 的平均体积流量; 和 分别为 时刻节点 和的压强; 为管道 的Weymouth系数;
(9)
(10);
式(10)中: 和 为管道 的每小时体积流量上限和下限;
(11);
式(11)中: 为管道两端最大的压强比; 和 分别为 时刻节点 和 的压强;
(12);
式(12)中: 管道节点压力允许最小值; 管道节点压力允许最大值;
(13);
式(13)中: 和 为 和 时刻管道 的管存量;
(14);
式(14)中: 为管道 的管存系数;
(15);
式(15)中: 为所有天然气管道的集合; 表示所有管道管存量之和的最小值;
(16);
式(16)中: 和 为节点 可注入天然气最大和最小体积流量; 为 时刻节点 处注入的天然气体积流量;
(17);
式(17)中: 和 为节点 可注入天然气最大和最小体积流量; 为 时刻节点 处注入的氢气的体积流量;
、 分别为管道 的Weymouth系数、管存系数,其表达式如下所示:(18);
(19);
式(18)和式(19)中, 、 、 分别为管道 的直径、长度和摩擦系数; 是圆周率; 和 分别为混合气体的比气体常数和密度; 为管道 计及氢气注入时的压缩系数和混合气体密度; 和 分别为天然气的比气体常数和密度; 为管道不计及氢气注入时的压缩系数; 为环境温度;
混合气体压缩因子的表达式为:
(20);
式(20)中: 表示混合气体压缩因子; 表示绝对温度; 表示各节点压强上、下限的平均值; 表示节点 压强上、下限的平均值; 表示绝对压强;
(21);
式(21)中: 为管道 的直径; 表示 的1/6次方;
混合气体的比气体常数 与掺氢比及各气体成分的摩尔系数有关,其表达式如式(22)所示:(22);
式(22)中,为通用气体常数, 为管道 中混合气体的摩尔系数; 、分别为天然气、氢气的摩尔系数;
混合气体的密度 是一个掺氢比的函数,其表达式为:(23);
式(23)中, 、 分别为天然气、氢气的标准密度;
(24) ;
天然气稳态模型包括式(24)的天然气流量平衡,还包括式(8)、式(10)、式(11)、式(12);
所述步骤2中,变掺氢比天然气掺氢运输模型非线性项有式(3)、式(4)、式(5)、式(8)、式(17),其中,式(3)、式(4)、式(5)中均含有双线性项,能够直接采用分段McCormick技术进行线性化,基于式(3),选择节点流出体积流量 作为要划分的变量,其能够转化为:(25);
式(25)中: 为分段数; 和 分别为掺氢比的最小和最大值; 和 分别为节点 流出的混合气体体积流量的最小和最大值; 和 分别为节点 流出的混合气体体积流量第 段最小和最大值; 为节点 流出的混合气体体积流量第 段的值; 为 时刻节点 掺氢比第 段的值; 为引入的辅助0‑1变量; 为 时刻节点流出的混合气体体积流量;
所述步骤3中,建立的长管拖车运氢模型包括拖车运行约束和为拖车与各氢能用户之间的氢气交互约束;
拖车运行约束表达式为:
(34);
式(34)中, 表示交通路网节点集合; 表示交通路网路径集合; 表示 时刻拖车 的停车状态, 时,时刻拖车 位于交通路网节点 上; 表示 时刻拖车的行驶状态, 时,时刻拖车 位于交通路网路径 上;
(35);
式(35)中, 为 时刻拖车 到达节点 的状态变量; 为 时刻拖车 离开节点的状态变量; 表示 时刻拖车 的停车状态;
(36);
(37);
(38);
上式中, 为 时刻拖车 到达节点 的状态变量; 为引入的辅助0‑1变量;
(39);
式(39)中, 为 时刻拖车 到达节点 的状态变量; 为引入的辅助0‑1变量;
(40);
式(40)中, 表示 时刻拖车 的行驶状态; 表示 时刻拖车 的行驶状态;
(41);
式(41)中,定义 为向上取整符号, 为拖车通过路径 所需最短时间; 为拖车行驶的平均速度; 表示节点 与节点 之间的道路长度;
拖车与各氢能用户之间的氢气交互约束为:(42);
(43);
(44);
式中, 和 分别为 和 时刻拖车 运输的氢气质量; 为拖车 能运输的最大氢气质量; 为 时刻拖车 在节点 从氢能用户中装载的氢气质量; 为在一小时中拖车 从节点 氢能用户中装载的最大氢气质量;
所述步骤4中,电力系统相关约束包括电能平衡约束、机组启停约束、有功上下限约束,可提供备用容量约束、爬坡约束和线路传输容量约束,其表达式如下:(45);
式(45)中, 、 、 、 分别是常规机组、风电场、电力负荷、电解槽的集合;
为 时段机组 的预测发电功率; 为风电场预测出力; 为电力负荷; 为电解槽输入功率;表示一个时段; 表示时段 的集合;
(46);
式(46)中, 、 分别为 时段机组 的启停状态变量; 为 时段机组 的运行状态变量;
(47);
式(47)中, 为常规机组的最小启停时间;
(48);
式(48)中, 为常规机组的最小关闭时间;
(49);
(50);
(51);
(52);
(53);
上式中, 和 分别为 和 时段机组 的预测发电功率; 和 分别为 和时段机组 提供的向下备用容量; 和 分别为 和 时段机组 提供的向上备用容量; 为 时段风电场 的预测发电功率; 为 风电场 的有功负荷; 为 时段电解槽 的输入功率; 、 分别为常规机组的最小、最大出力; 、 分别为常规机组可提供的最大向上、向下备用容量; 、 分别为常规机组最大向上、向下爬坡功率; 为线路 的最大传输容量;矩阵 为线路功率流与节点功率注入之间的转移功率矩阵;矩阵 、 、 、 分别为母线‑发电机、母线‑风电场、母线负荷关联矩阵、母线‑电解槽关联矩阵;
电力系统与天然气系统通过制氢厂中的电解槽和储氢罐进行耦合,其约束如下:(54);
(55);
(56);
上式中: 为电解槽的电‑氢转化效率; 为氢气的低热值; 和 分别为 和时段储气罐的储氢量; 和 分别为储气罐的最小、最大储氢量; 为 时段电解槽 的输出氢气量; 为 时刻节点 处注入的氢气的体积流量;
天然气系统与道路系统之间的耦合通过氢气平衡进行实现,其表达式为:(57);
式中, 为氢负荷; 为氢负荷切除量; 为拖车的集合; 表示 时段长管拖车 在天然气系统节点 处与氢能用户交互的氢气量; 表示 时段节点 的氢气负荷;
所述步骤5中,首先,定义风电出力真实分布 与经验分布 之间的Wasserstein距离:(62);
式中, 表示真实分布 与经验分布 之间的Wasserstein距离; 为随机变量的支撑集; 表示 和 之间的一阶范数; 表示 和 的联合分布; 为下确界函数;
接着构造基于Wasserstein距离的模糊集 :(63);
式中: 表示支撑集内真实分布 所有取值构成的集合; 为Wasserstein球的半径;
然后,在目标函数式(54)中添加常规机组调度容量成本和相关约束:(64);
式(64)中: 表示 时段风电误差分布的模糊集; 为常规机组调整有功出力的成本系数; 为常规机组调整的有功出力; 表示 的期望值;
(65);
式(65)中: 表示 这一事件的概率; 为允许的约束违反概率;
(66);
(67);
(68)
式中: 为常规机组实际有功出力; 为风电场实际出力;
最后,对目标函数式(64)中非线性项和约束条件中机会约束式(65)‑式(68)进行转化;
式(65)的机会约束中:
首先,对 进行如下的等价替换:
(69);
(70);
(71);
式中, 表示 时刻风电场 的预测误差; 表示风电预测总误差; 是一个单位列向量;上标 表示矩阵的转置; 表示每个机组调节的误差比例;
电氢综合能源系统分布鲁棒调度模型中目标函数能够重新表示为:(72);
式(72)中, 表示 时段风电误差分布的模糊集; 表示 的期望值;
令 ,在模糊集 下,能够将 等价为:(73);
(74);
上式中, 为样本集的数量; 表示第 个样本; 、 、 、 、 、 、 、为引入的辅助变量,没有实际意义; 与 是设置边界条件有关的已知矩阵和向量;
为Wasserstein球的半径; ,是一个中间辅助矩阵; 为辅助矩阵 的转置;
表示样本的集合; 表示 是一个实数; 表示一个正的,长度为 的实数向量;
表示 时段的第 个样本; 表示常数矩阵 的转置。
2.根据权利要求1所述基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度方法,其特征在于:式(8)、式(17)中含有高度非线性项,先进行等价替换,再使用分段线性化方法、分段McCormick技术对其进行线性转换,基于式(8),首先进行等价替换为:(26);
(27);
(28);
(29);
(30);
(31);
式中, 、 、 、 、 均为引入的中间辅助变量;
其中,式(27)和式(28)能够用分段McCormick技术进行线性化,式(29)、式(30)和式(31)为单调递增函数,能够用分段线性化方法进行线性化,式(29)能够转换为:(32);
式(32)中, 为分段总数; 为管道 的体积流量在第 分段的斜率; 为管道 在 时段第 分段的实际体积流量; 管道 的最小体积流量; 为管道在第 分段的最大体积流量;
管道 的Weymouth系数 能够重新表述为:(33);
式(33)中, 、 、 为引入的中间辅助变量; 是一个常数, 和 都是关于的正值增函数; 、 分别为天然气、氢气的标准密度; 是一个正值增函数,能够用分段线性化方法进行线性化。
3.根据权利要求1所述基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度方法,其特征在于:基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度模型以总运行成本最小为目标,具体包括:电力系统运行成本 、拖车运氢成本 ,其表达式为:(58);
式中, 表示EHIES的总运行成本; 、 和 分别为电力系统运行成本、长管拖车运氢成本和氢负荷切除成本;
(59);
(60);
(61);
上式中, 、 、 、 分别为机组 的单位发电成本、启动成本系数、停机成本系数、空载成本系数; 、 为机组 的上下备用容量成本系数; 为HT每小时的固定成本; 为HT每公里的行驶成本; 为氢气负荷集合; 表示时段 的集合; 表示交通路网路径集合; 表示节点 处氢负荷切除的成本系数; 表示节点 处氢负荷切除量。
4.根据权利要求1所述基于管‑路协同运氢的电氢综合能源系统调度方法,其特征在于:电氢综合能源系统调度分布鲁棒模型中所有非线性项均以线性化,转化后的混合整数规划模型能够直接在MATLAB平台下通过CPLEX商业求解器进行求解,求解包括以下步骤:Step1:在MATLAB平台上对混合整数规划模型的输入参数进行编程;
Step2:在MATLAB平台上对混合整数规划模型的各决策变量进行定义;
Step3:在MATLAB平台上进行混合整数规划模型目标函数的编程;
Step4:在MATLAB平台上进行混合整数规划模型约束条件的编程;
Step5:在MATLAB平台上调用CPLEX求解器对混合整数规划模型进行求解;
Step6:在MATLAB平台上输出电力系统、天然气系统和道路系统各相关参数。