本發明屬于綜合能源系統協同調度領域，具體涉及一種差異化運行模式下電-熱-氫綜合能源系統的協同優化調度策略。

背景技術：

1、現有技術中，隨著可再生能源在綜合能源系統(integrated?energy?system,ies)中的滲透率不斷提高，如何提升可再生能源的利用率成為關鍵問題。水電解制氫(waterelectrolysis?for?hydrogen?production,wehp)技術因其能夠將多余的可再生能源電力轉化為氫氣儲存，成為解決這一問題的重要手段。然而，僅依靠單一的wehp系統難以滿足復雜能源系統的多樣化需求。因此，研究將wehp與氫燃料電池(hydrogen?fuel?cell,hfc)等靈活資源相結合，以構建電-熱-氫綜合能源系統的協同優化調度策略具有重要意義，具有廣闊的應用前景。

2、目前，電-熱-氫綜合能源系統的調度優化主要面臨以下問題：

3、1.缺乏wehp模塊的統一運行模型。不同的wehp技術在性能、成本和運行特性上存在顯著差異。目前的研究往往僅針對單一技術進行建模，難以實現對wehp模塊的統一管理。這種局限性阻礙了綜合能源系統內氫能的生產、儲存和利用的協同優化。

4、2.可再生能源發電預測數據的誤差影響。可再生能源(如光伏、風能)發電具有強烈的隨機性和波動性，預測誤差會導致能源供需不平衡，進而影響系統的運行經濟性和可靠性。盡管已有研究提出了一些預測修正方法，但對復雜系統的預測精度改進仍然不足。

5、3.調度模型求解復雜性較高。綜合能源系統的調度問題通常涉及多種能源形式(如電力、熱能、氫能)的耦合與優化，其核心是一個復雜的非線性優化問題，需同時考慮時間序列上的能源供需平衡和不同模式(并網與離網)的動態切換。這種多目標、多約束的特點使得傳統求解方法在處理大規模系統時效率較低，難以滿足實際應用對快速響應和高精度結果的要求。如何通過有效的算法設計或問題線性化手段提升求解效率成為關鍵。

6、4.缺乏對經濟性和可靠性的綜合評估。現有研究在優化調度中通常以降低運行成本為主要目標，但忽視了系統運行可靠性的重要性，導致調度方案在實際應用中的穩定性欠佳。可靠性問題主要體現在設備的輸出合理性不足以及系統對預測誤差和突發事件的應對能力較弱。例如，設備的過載運行可能降低使用壽命，而對氫能存儲容量和運輸成本的忽略會增加運行的不確定性。因此，需進一步探索能夠綜合評估經濟性與可靠性的調度方法，確保在提升系統的整體穩健性和可持續性的同時實現成本優化。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本技術提出差異化運行模式下電-熱-氫綜合能源系統的協同優化調度策略，發明的創新點如下：

2、1、重點分析氫能的生產、儲存和利用，分析三種wehp技術的熱力學和電化學機制差異。從成本、靈活性和效率三個方面，建立了wehp通用運行模型和hfc廢熱回收模型，解決了wehp效率特性模型數學形式不統一的問題，滿足實際工程項目的技術和經濟性能要求，有助于電力生產的低碳轉型。

3、2、考慮到光照強度和風速的不確定性，通過修正光伏和風力發電機的輸出預測曲線，確保在協同優化調度過程中可再生能源輸出預測的準確性。一方面，可以優化設備輸出，有效延長設備使用壽命；另一方面，可以提高ies的運行可靠性。

4、3、針對協同優化調度下的最優運行成本，充分考慮可再生能源消納能力、運輸成本和各類設備運行等因素，建立了電-熱-氫綜合能源系統在并網/離網運行模式下的協同優化調度模型。該模型能夠有效反映可再生能源滲透率、電價和氫氣價格波動等敏感因素對調度結果的影響。

5、4、所得調度方案具有廣泛的應用場景和良好的經濟效益。它可以從成本、靈活性和效率三個方面合理安排各類wehp的運行時間，實現hfc廢熱回收，緩解可再生能源消納不足，促進電力生產的低碳轉型，具有更高的工程價值。

6、本發明以電-熱-氫綜合能源系統模型為應用對象，進行差異化運行模式下的協同優化調度。電熱氫能互補協調機制是利用光伏(pv)和風力發電(wt)削減的電力，在離網運行模式下生產氫氣，實現電氫耦合。在峰值負荷期間，氫能供應給氫燃料電池(hfc)進行“聯合發電”，實現電熱與氫能的耦合。在并網運行模式下，電氫耦合通過光伏和風力發電削減產生氫氣以及在谷值負荷期間的氫氣生產來實現。在峰值負荷期間，部分氫能銷售給氫站，剩余的氫能供應給hfc進行“聯合發電”，以實現電熱與氫能的耦合。因此，電熱氫能耦合模型由wehp模型和hfc模型組成。

7、步驟1：電-熱-氫綜合能源系統數學模型

8、能源供應環節(如可再生能源發電(re)和公用電網(ug))、能源轉換環節(如熱電聯產單元(chp)、電鍋爐(eb)、氫燃料電池(hfc)和wehp以及能源儲存環節(如儲氫裝置hsd)。本節主要建立電-熱-氫一體化能源系統中wehp模型、“熱電聯供”hfc特性模型、儲氫裝置模型及熱系統模型的分析模型，具體內容如下所述。

9、建立了適用于這三種電解技術的wehp模塊統一運行模型、wehp的氫氣產出模型和wehp模組的三種工作狀態和功率消耗模型。

10、建立hfc模型，為了使hfc輸出所需的功率，發明中考慮將nhfc個氫燃料電池串聯連接。hfc的運行過程在產生電能的同時，還會產生更多的熱能。建立了用于電-熱-氫一體化能源系統協同優化調度的氫氣儲存裝置運輸成本模型如下所示,氫氣儲存裝置的總運輸成本可以通過調度周期結束時需要運輸的氫能總量計算。考慮到氫氣儲存裝置的運輸時間，需在調度周期結束前預留一個時段，以約束氫氣儲存裝置的容量，確保調度計劃的實施。

11、建立熱能系統模型。首先建立熱能系統的熱平衡模型，電-熱-氫綜合能源系統以hfc、chp和eb作為熱源，以換熱器作為媒介，通過管網實現熱能的傳輸。上述三者共同構成了熱能循環系統。然后建立熱能系統的熱平衡模型，在電-熱-氫綜合能源系統模型中，熱電耦合設備包括hfc、chp和eb，這些設備均為可控設備。其中，hfc和chp同時發電和供熱，而三者共同增強了ies中熱能與電能轉換的靈活性。hfc通過控制氫氣供應速率和工作溫度，決定電能與熱能輸出的比例。chp采用恒定的熱電比進行能量供應。eb能夠將電能轉換為熱能，其轉換效率高于90％。eb被安裝在ies中以滿足供熱負荷需求，這可以減少天然氣的消耗。

12、基于歷史數據建立了一個支持向量機模型，用于可再生能源發電的短期預測。然后，建立理想化的風力發電機功率模型，將其表示為分段函數。同時建立光伏(pv)的輸出功率模型。由于風速和光照強度是造成可再生能源發電不確定性的主要因素。結合可再生能源發電的預測采樣點進行預測，然后修正可再生能源發電的預測值。

13、電-熱-氫綜合能源系統有兩種運行模式，分別是離網模式和并網模式。在離網運行模式下，wehp和hfc作為電-熱-氫綜合能源系統的可控設備，在實現系統的“源荷”平衡和穩定可再生能源發電波動方面發揮作用。在并網運行模式下，電力和氫能源參與市場交易，不僅可以提高電-熱-氫綜合能源系統的能源供應可靠性，還可以通過能源銷售降低日常運行成本。

14、在離網運行模式下，ies與電網之間沒有電力交換，電力和熱能的供需平衡通過優化ies中各設備的輸出進行維持。旨在最小化ies日常運行成本的目標函數如下式所示：

15、minftot,l＝cre+ccur+cwehp+chsd+chfc+ceb+cgas

16、

17、

18、在上面所列式中，在公式中，ftot,l是ies在離網運行模式下的日常運行成本。t是調度周期。cre是光伏和風力發電的發電成本。ccur是“棄風棄光”的懲罰成本。cwehp是wehp的運行成本。chsd是氫氣存儲成本。chfc，ceb和cchp分別是hfc、eb和chp的日常運行成本系數。λpv和λwt分別是光伏和風力發電的日常運行成本系數，取值分別為0.0235和0.0196。和分別是光伏和風力發電在時刻t的輸出功率。和分別是光伏和風力發電的固定成本。和是“棄風棄光”的懲罰成本系數。和是風力和光伏發電在時刻t的功率削減。nwehp是wehp模塊的總數。是第m個模組的成本系數。是第m個模組的固定日常運行成本。λhsd是氫氣存儲成本系數。是hsd的固定維護成本。λhfc是hfc的日常運行成本系數。是氫燃料電池在時刻t的輸出功率。ηhfc是氫燃料電池的運行效率。是氫燃料電池的固定維護成本。λeb是eb的日常運行成本系數。是電鍋爐的固定維護成本。λgas是天然氣價格。achp，bchp和cchp是chp的燃料成本系數。是聯合熱電的固定維護成本。

19、根據電-熱-氫綜合能源系統離網運行模式的實際情況，設計約束條件，以確保系統的穩定性和經濟性。

20、在并網運行模式下，綜合能源系統(ies)根據分時電價和氫能交易價格參與市場交易，其目標函數下式所示。基于離網運行模式的目標函數額外增加了電力和氫能源的交易成本。

21、

22、式中，公式中，ftot,b表示綜合能源系統(ies)在并網運行模式下的日運行成本；celec,int表示電力交易成本；表示氫能交易成本；表示分時電價；表示ies與公用電網在時刻t的經聯絡線交換的功率。當ies從公用電網購電時，當ies向公用電網售電時，表示氫能交易價格。

23、在并網運行模式下，除需要滿足離網運行模式的約束外，還需滿足額外的電力能源平衡約束和公共電網與ies間聯絡線功率約束。

24、本文建立的電-熱-氫綜合能源系統的協同優化調度模型屬于混合整數非線性模型，其標準求解形式如下所示：

25、

26、公式中，f(x,y)是優化目標函數；x是能源供應設備、能源轉換設備和儲能設備的輸出變量，xmax和xmin分別是設備輸出的上限和下限；y是設備啟停狀態的優化變量；gi(x,y)是等式約束條件，包括綜合能源系統的電力和熱力平衡約束；hj(x,y)是不等式約束條件，包括能源轉換設備運行約束、儲能設備運行約束以及可再生能源發電輸出約束。v和w分別是等式約束和不等式約束的總數，i和j用于指示具體的等式約束和不等式約束。

27、為了解決上述問題，首先通過分段線性化方法將電-熱-氫綜合能源系統的協同優化調度模型轉化為混合整數線性模型。然后，基于matlab/simulink平臺建立綜合能源系統的協同優化調度模型，并進行求解。具體的線性化過程如下所述。

28、根據前文對chp代價函數的設計，去除二次函數中的常數項cchp，chp代價函數可通過二次函數曲線表示。將其劃分為n段進行線性近似，chp代價函數的線性化函數表達式如下所示：

29、

30、在chp代價函數的線性化函數表達式中，是第n段chp代價函數曲線的斜率，是第n段chp代價函數對應于t時刻chp的電能，是chp在t時刻的啟動和停機狀態，表示chp啟動，表示chp停機。

31、前文所述的啟動和停機的最小時間約束線性化的具體處理方法如下。

32、啟動的最小時間約束的線性化處理

33、

34、停機的最小時間約束的線性化處理

35、

36、公式中，和分別表示設備k的初始啟動時間和初始關斷時間；i表示設備在時刻0前已啟動或關斷的持續時間；tk和tk′分別為設備k所需的啟動時間和關斷時間。