本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)風(fēng)電棄風(fēng)消納技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法。

背景技術(shù)：

我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展模式以大規(guī)模開發(fā)、集中并網(wǎng)為主，風(fēng)電迅猛發(fā)展的同時，由于電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行調(diào)峰等技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素的制約，風(fēng)電消納問題日益突出。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2015年全國風(fēng)電平均利用小時數(shù)1728小時，同比下降172小時，全年棄風(fēng)電量339億千瓦時，平均棄風(fēng)率高達(dá)15％，同比增長7％，其中棄風(fēng)嚴(yán)重的地區(qū)主要有甘肅(棄風(fēng)率39％)、新疆(棄風(fēng)率32％)、吉林(棄風(fēng)率32％)、內(nèi)蒙古(棄風(fēng)率18％)。棄風(fēng)不僅降低風(fēng)能資源利用率，還減少風(fēng)電機(jī)組年利用小時數(shù)和風(fēng)電場收益，使風(fēng)電項目的進(jìn)一步建設(shè)發(fā)展受到制約。風(fēng)電消納是一項系統(tǒng)工程，需要多種途徑的探索，增加風(fēng)電場本地負(fù)荷，促進(jìn)就地消納是有效途徑之一。

目前利用棄風(fēng)蓄熱、抽水蓄能等方式的試點(diǎn)項目已經(jīng)開展。氫氣作為一種清潔的二次能源，其能量密度高、便于運(yùn)輸儲存，利用風(fēng)電場棄風(fēng)制氫能夠?qū)崿F(xiàn)能量的長期存儲，通過風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫能夠?qū)崿F(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)化，且不產(chǎn)生二次污染。目前國外已有的風(fēng)氫耦合系統(tǒng)方面的研究主要是風(fēng)電制氫控制策略和如何利用風(fēng)電滿足制氫要求以及制得氫氣的利用途徑等方面，與國內(nèi)亟待解決的風(fēng)電棄風(fēng)消納問題的研究角度存在差異，更不符合國內(nèi)利用風(fēng)電棄風(fēng)制氫的供需要求。而國內(nèi)目前已經(jīng)有風(fēng)電制氫試點(diǎn)項目的運(yùn)行、風(fēng)電制氫項目的可行性分析以及經(jīng)濟(jì)性評估方面的研究，缺少對風(fēng)電場中應(yīng)該配置多大容量的制氫系統(tǒng)的研究。利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法能夠優(yōu)化風(fēng)電場制氫系統(tǒng)配置容量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的最優(yōu)，有效地降低風(fēng)電富集地區(qū)風(fēng)電場棄風(fēng)率，提高風(fēng)電機(jī)組利用小時數(shù)和風(fēng)能利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種具有方案可行、經(jīng)濟(jì)性合理且應(yīng)用價值高的利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法。

本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法，其特征是，它包括以下步驟：

1)年棄風(fēng)電力的統(tǒng)計模型

采用電力持續(xù)曲線刻畫風(fēng)電場年棄風(fēng)情況，依據(jù)單個風(fēng)電場歷史棄風(fēng)電力數(shù)據(jù)建立某歷史年有效時段內(nèi)棄風(fēng)電力持續(xù)曲線，并以與目標(biāo)年相接近的3-5年歷史棄風(fēng)電力持續(xù)曲線為樣本，采用區(qū)間擬合方法估計未來年棄風(fēng)電力持續(xù)曲線的變化區(qū)間范圍，區(qū)間擬合模型為式(1)和式(2)：

s.t.F_u(t_j)≤F_i(t_j)≤F_d(t_j) i∈A,j∈T_a (2)

式中：T_a為歷史年棄風(fēng)時段數(shù)集合；F_u(·)為待擬合的區(qū)間上限曲線函數(shù)；F_d(·)為待擬合的區(qū)間下限曲線函數(shù)；F_i(t_j)為i歷史年在t_j時段的棄風(fēng)電力；A為歷史年集合，式(1)目標(biāo)函數(shù)的含義是，區(qū)間上限曲線函數(shù)與下限曲線函數(shù)的歐式距離最??；約束條件式(2)則保證樣本取值在區(qū)間上下限曲線之間；

以風(fēng)電場3年歷史棄風(fēng)電力數(shù)據(jù)為樣本，定義區(qū)間上下限曲線函數(shù)為二次多項式形式，采用式(1)-式(2)區(qū)間擬合模型估計年棄風(fēng)電力持續(xù)曲線的變化區(qū)間；

制氫系統(tǒng)只在風(fēng)電場存在棄風(fēng)時才進(jìn)行工作，因此風(fēng)電場的棄風(fēng)的利用情況主要取決于風(fēng)電場制氫系統(tǒng)安裝容量和制氫設(shè)備利用小時數(shù)，當(dāng)風(fēng)電場配置制氫容量為時，分別對應(yīng)其上下限擬合曲線中以下面積即為制氫系統(tǒng)所能消納的棄風(fēng)電量，由此，求得采用區(qū)間數(shù)表達(dá)的風(fēng)電場制氫系統(tǒng)的年平均利用小時數(shù)即

式中：為風(fēng)電場制氫系統(tǒng)消納的棄風(fēng)電量，即區(qū)間數(shù)；

2)制氫系統(tǒng)容量配置

制氫設(shè)備初期建設(shè)在使用年限的初始年完成，在制氫設(shè)備使用年限中，其年運(yùn)行維護(hù)成本相同，儲氫過程中氣體無泄漏，以平均年制得氫氣量作為儲氫系統(tǒng)容量，總成本現(xiàn)值表示為：

式中：u為單位容量制氫設(shè)備建設(shè)成本；ε為單位質(zhì)量氫氣的儲存費(fèi)用比；g為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下單位體積氫氣所需電耗量，kWh/Nm³；N為制氫設(shè)備運(yùn)行年限；f_m為單位容量設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)成本；f_s為單位質(zhì)量氫氣儲存年運(yùn)行成本；i_s為社會平均折現(xiàn)率；T_i為制氫設(shè)備第i年的利用小時數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下氫氣密度，kg/m³，式(4)中，和表示制氫成本，和表示儲氫成本；

總收益現(xiàn)值可表示為：

式中：p_H為氫氣的市場售價，元/Nm³；p_o為氧氣的市場售價，元/Nm³；

經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值表示為：

V_Σ＝G_Σ-F_Σ (6)

式(6)為未考慮棄風(fēng)電量不確定性的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值表達(dá)，當(dāng)經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值V_Σ＞0時，風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案能夠獲得經(jīng)濟(jì)效益，且值越大，該方案的經(jīng)濟(jì)效益越好，為保證風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案能夠獲得收益，要求V_Σ＞0，由式(4)-(6)確定當(dāng)其它條件一定的情況下，制氫系統(tǒng)的年利用小時數(shù)越高，風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案所得收益越高，假設(shè)風(fēng)電場在運(yùn)行年限期間不增加裝機(jī)容量，近似認(rèn)為風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案實(shí)施期間各年的利用小時數(shù)與運(yùn)行年限期間年平均小時數(shù)相等，由于為區(qū)間數(shù)，則經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值也為區(qū)間數(shù)，由式(3)可知，區(qū)間經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值是棄風(fēng)電力持續(xù)曲線區(qū)間參數(shù)和制氫系統(tǒng)容量區(qū)間的函數(shù)，即

式中：e為棄風(fēng)電力持續(xù)曲線區(qū)間擬合參數(shù)向量；

使式(7)區(qū)間函數(shù)最大化，運(yùn)用區(qū)間優(yōu)化理論求得對應(yīng)的最優(yōu)制氫容量區(qū)間

制氫系統(tǒng)由多個電解槽構(gòu)成，通過對電解槽個數(shù)以及單個電解槽容量進(jìn)行多屬性決策，能夠確定制氫系統(tǒng)的電解槽最佳配置方案，不同的電解槽配置方案組成方案集X＝{x₁,x₂,…,x_m}，m為方案個數(shù)，不同電解槽配置方案屬性構(gòu)成屬性集U＝{u₁,u₂,…,u_n}，n為屬性個數(shù)，采用區(qū)間數(shù)多屬性決策的目標(biāo)規(guī)劃方法，確定每個電解槽配置方案的綜合評價值所在區(qū)間并使用同一個權(quán)重向量w＝{w₁,w₂,…,w_n}^T，使電解槽配置方案排序具有可比性，優(yōu)化模型表示為：

式中：為屬性j權(quán)重區(qū)間的左右邊界；

為便于求解將式(8)、式(9)和式(10)轉(zhuǎn)化為：

式中：為d_i'小于和大于的上偏差變量和下偏差變量；為d″_i小于和大于的下偏差變量和上偏差變量；α_1i、β_1i為s₁級目標(biāo)中和的權(quán)重系數(shù)；α_2i、β_2i為s₂級目標(biāo)中和的權(quán)重系數(shù)；

利用WAA算子對電解槽配置方案進(jìn)行集結(jié)得出方案綜合屬性值，電解槽配置方案的綜合屬性值表示為：

式中：d_i(w)為電解槽配置方案i的綜合屬性值；

建立可能度矩陣P，通過計算并比較電解槽配置方案的綜合屬性值可能度，確定出制氫系統(tǒng)電解槽最佳配置方案，電解槽配置方案的綜合屬性值可能度表示為：

式中：p_ij為電解槽配置方案i屬性j的綜合屬性值比較可能度。

本發(fā)明的利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法與現(xiàn)有消納風(fēng)電棄風(fēng)方法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.利用棄風(fēng)制氫有效地降低風(fēng)電富集地區(qū)風(fēng)電場棄風(fēng)率，提高風(fēng)電機(jī)組利用小時數(shù)和風(fēng)能利用率；

2.利用區(qū)間數(shù)的形式刻畫風(fēng)電場棄風(fēng)的不確定性，更符合實(shí)際風(fēng)電場棄風(fēng)的變化規(guī)律；

3.以風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，優(yōu)化風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的最優(yōu)配置容量，在風(fēng)電場獲得一定經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造更為可觀的社會效益；

4.充分考慮制氫設(shè)備的各個屬性，利用多屬性決策優(yōu)化電解槽配置方案。

附圖說明

圖1是單個風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是風(fēng)電場群共建制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是有效時段內(nèi)棄風(fēng)電力持續(xù)曲線的變化區(qū)間示意圖；

圖4是風(fēng)電場群與單個風(fēng)電場棄風(fēng)持續(xù)曲線對比圖；

圖5是單個風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值和設(shè)備利用小時數(shù)隨制氫容量的變化圖；

圖6是風(fēng)電場群共建制氫系統(tǒng)方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值和設(shè)備利用小時數(shù)隨制氫容量的變化圖。

具體實(shí)施方式

下面利用附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參照圖1和圖2，本發(fā)明的一種利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)的制氫容量優(yōu)化配置方法，包括以下步驟：

1)年棄風(fēng)電力的統(tǒng)計模型

采用電力持續(xù)曲線刻畫風(fēng)電場年棄風(fēng)情況，依據(jù)單個風(fēng)電場歷史棄風(fēng)電力數(shù)據(jù)建立某歷史年有效時段內(nèi)棄風(fēng)電力持續(xù)曲線，并以與目標(biāo)年相接近的3-5年歷史棄風(fēng)電力持續(xù)曲線為樣本，采用區(qū)間擬合方法估計未來年棄風(fēng)電力持續(xù)曲線的變化區(qū)間范圍，區(qū)間擬合模型為式(1)和式(2)：

s.t.F_u(t_j)≤F_i(t_j)≤F_d(t_j)i∈A,j∈T_a (2)

式中：T_a為歷史年棄風(fēng)時段數(shù)集合；F_u(·)為待擬合的區(qū)間上限曲線函數(shù)；F_d(·)為待擬合的區(qū)間下限曲線函數(shù)；F_i(t_j)為i歷史年在t_j時段的棄風(fēng)電力；A為歷史年集合，式(1)目標(biāo)函數(shù)的含義是，區(qū)間上限曲線函數(shù)與下限曲線函數(shù)的歐式距離最??；約束條件式(2)則保證樣本取值在區(qū)間上下限曲線之間；

參照圖3，以風(fēng)電場3年歷史棄風(fēng)電力數(shù)據(jù)為樣本，定義區(qū)間上下限曲線函數(shù)為二次多項式形式，采用式(1)-式(2)區(qū)間擬合模型估計年棄風(fēng)電力持續(xù)曲線的變化區(qū)間；

參照圖4，制氫系統(tǒng)只在風(fēng)電場存在棄風(fēng)時才進(jìn)行工作，因此風(fēng)電場的棄風(fēng)的利用情況主要取決于風(fēng)電場制氫系統(tǒng)安裝容量和制氫設(shè)備利用小時數(shù)，當(dāng)風(fēng)電場配置制氫容量為時，分別對應(yīng)其上下限擬合曲線中以下面積即為制氫系統(tǒng)所能消納的棄風(fēng)電量，由此，求得采用區(qū)間數(shù)表達(dá)的風(fēng)電場制氫系統(tǒng)的年平均利用小時數(shù)即

式中：為風(fēng)電場制氫系統(tǒng)消納的棄風(fēng)電量，即區(qū)間數(shù)；

2)制氫系統(tǒng)容量配置

制氫設(shè)備初期建設(shè)在使用年限的初始年完成，在制氫設(shè)備使用年限中，其年運(yùn)行維護(hù)成本相同，儲氫過程中氣體無泄漏，以平均年制得氫氣量作為儲氫系統(tǒng)容量，總成本現(xiàn)值表示為：

式中：u為單位容量制氫設(shè)備建設(shè)成本；ε為單位質(zhì)量氫氣的儲存費(fèi)用比；g為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下單位體積氫氣所需電耗量，kWh/Nm³；N為制氫設(shè)備運(yùn)行年限；f_m為單位容量設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)成本；f_s為單位質(zhì)量氫氣儲存年運(yùn)行成本；i_s為社會平均折現(xiàn)率；T_i為制氫設(shè)備第i年的利用小時數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下氫氣密度，kg/m³，式(4)中，和表示制氫成本，和表示儲氫成本；

總收益現(xiàn)值可表示為：

式中：p_H為氫氣的市場售價，元/Nm³；p_o為氧氣的市場售價，元/Nm³；

經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值表示為：

V_Σ＝G_Σ-F_Σ (6)

式(6)為未考慮棄風(fēng)電量不確定性的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值表達(dá)，當(dāng)經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值V_Σ＞0時，風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案能夠獲得經(jīng)濟(jì)效益，且值越大，該方案的經(jīng)濟(jì)效益越好，為保證風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案能夠獲得收益，要求V_Σ＞0，由式(4)-(6)確定當(dāng)其它條件一定的情況下，制氫系統(tǒng)的年利用小時數(shù)越高，風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案所得收益越高，假設(shè)風(fēng)電場在運(yùn)行年限期間不增加裝機(jī)容量，近似認(rèn)為風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)的方案實(shí)施期間各年的利用小時數(shù)與運(yùn)行年限期間年平均小時數(shù)相等，由于為區(qū)間數(shù)，則經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值也為區(qū)間數(shù)，由式(3)可知，區(qū)間經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值是棄風(fēng)電力持續(xù)曲線區(qū)間參數(shù)和制氫系統(tǒng)容量區(qū)間的函數(shù)，即

式中：e為棄風(fēng)電力持續(xù)曲線區(qū)間擬合參數(shù)向量；

參照圖5和圖6，使式(7)區(qū)間函數(shù)最大化，運(yùn)用區(qū)間優(yōu)化理論求得對應(yīng)的最優(yōu)制氫容量區(qū)間

制氫系統(tǒng)由多個電解槽構(gòu)成，通過對電解槽個數(shù)以及單個電解槽容量進(jìn)行多屬性決策，能夠確定制氫系統(tǒng)的電解槽最佳配置方案，不同的電解槽配置方案組成方案集X＝{x₁,x₂,…,x_m}，m為方案個數(shù)，不同電解槽配置方案屬性構(gòu)成屬性集U＝{u₁,u₂,…,u_n}，n為屬性個數(shù)，采用區(qū)間數(shù)多屬性決策的目標(biāo)規(guī)劃方法，確定每個電解槽配置方案的綜合評價值所在區(qū)間并使用同一個權(quán)重向量w＝{w₁,w₂,…,w_n}^T，使電解槽配置方案排序具有可比性，優(yōu)化模型表示為：

式中：為屬性j權(quán)重區(qū)間的左右邊界；

為便于求解將式(8)、式(9)和式(10)轉(zhuǎn)化為：

式中：為d’_i小于和大于的上偏差變量和下偏差變量；為d”_i小于和大于的下偏差變量和上偏差變量；α_1i、β_1i為s₁級目標(biāo)中和的權(quán)重系數(shù)；α_2i、β_2i為s₂級目標(biāo)中和的權(quán)重系數(shù)；

利用WAA算子對電解槽配置方案進(jìn)行集結(jié)得出方案綜合屬性值，電解槽配置方案的綜合屬性值表示為：

式中：d_i(w)為電解槽配置方案i的綜合屬性值；

建立可能度矩陣P，通過計算并比較電解槽配置方案的綜合屬性值可能度，確定出制氫系統(tǒng)電解槽最佳配置方案，電解槽配置方案的綜合屬性值可能度表示為：

式中：p_ij為電解槽配置方案i屬性j的綜合屬性值比較可能度。

選用目前國內(nèi)常用的制氫設(shè)備規(guī)格，且容量配置時都采用統(tǒng)一規(guī)格，以30MW單個風(fēng)電場來說明制氫系統(tǒng)最優(yōu)電解槽配置方案的選擇。不同的電解槽配置方案參數(shù)如表1所示。

表1不同電解槽配置方案參數(shù)比較

由于電耗量與效率表示同一屬性關(guān)系，單個電解槽功率與配置個數(shù)表示同一屬性關(guān)系，主要考慮單個電解槽功率、電耗量和方案凈現(xiàn)值三個屬性，組成屬性集U＝{u₁,u₂,u₃}，其決策矩陣規(guī)范化為：

由式(17)計算各方案綜合屬性值，建立可能度矩陣為：

通過可能度矩陣P和式(18)可得，即方案x₄為電解槽最佳配置方案。由表1可見，方案x₄中雖然電解槽單個容量較大不能很平滑的消納棄風(fēng)功率，但是電解槽電耗量最小、效率最高，且方案實(shí)現(xiàn)凈現(xiàn)值高，從而該方案更適合風(fēng)電場制氫系統(tǒng)，同理可得風(fēng)電場群的最佳電解槽配置方案為14到16個2.27MW電解槽。表2給出了單個風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)和風(fēng)電場群間共建制氫系統(tǒng)的綜合對比。

表2單個風(fēng)電場和風(fēng)電場群綜合對比

由表2可見，風(fēng)電場群最優(yōu)配置容量比單個風(fēng)電場增加了1倍，制氫設(shè)備利用小時數(shù)增加了2倍，方案經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值增加了約8倍，社會效益增加了近5倍。通過對比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場群間共建制氫系統(tǒng)整體方案優(yōu)于單個風(fēng)電場，規(guī)模效應(yīng)優(yōu)勢明顯，且風(fēng)電場群中各風(fēng)電場間協(xié)調(diào)制氫系統(tǒng)配置成本，減少各風(fēng)電場投資成本壓力，更能夠被各風(fēng)電場所接受。同時經(jīng)測算，單個風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)時，風(fēng)電機(jī)組年利用小時數(shù)由此前的1598小時增加至1781到1790小時，同時棄風(fēng)利用率在87.28％到92.41％之間。風(fēng)電場群共建制氫系統(tǒng)時，風(fēng)電機(jī)組年利用小時數(shù)由此前的1682小時增加至2009到2054小時，同時棄風(fēng)利用率在90.01％到94.56％之間。

對比其他棄風(fēng)消納方法，利用制氫系統(tǒng)消納風(fēng)電棄風(fēng)能夠有效的消納絕大部分的棄風(fēng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益的同時增加風(fēng)電機(jī)組利用小時數(shù)，并且風(fēng)電場群共建制氫系統(tǒng)整體上更優(yōu)于單個風(fēng)電場。從方案實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性角度考慮制氫系統(tǒng)的容量配置，優(yōu)化風(fēng)電場制氫系統(tǒng)的配置容量，能夠使風(fēng)電場獲得一定經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造更為可觀的社會效益。通過風(fēng)電場配置制氫系統(tǒng)消納棄風(fēng)的方案能使風(fēng)電場自身具有一定調(diào)節(jié)能力和靈活性。