本發(fā)明涉及電-氫-交通耦合系統(tǒng)優(yōu)化運行領(lǐng)域，具體是一種考慮電-氫-交通耦合特征的虛擬能量池調(diào)控空間刻畫方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電解水制氫、氫燃料電池汽車等制氫用氫技術(shù)的不斷成熟，氫能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)呈現(xiàn)分布式深度耦合發(fā)展趨勢，形成電-氫-交通虛擬能量池。為了充分發(fā)揮氫能綠色低碳能源屬性，促進電力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)深度脫碳，有必要深入挖掘電-氫-交通耦合特征下的虛擬能量池靈活減排潛力。然而，現(xiàn)有相關(guān)研究多局限于氫儲能系統(tǒng)(電解槽+儲氫罐+燃料電池)對電力系統(tǒng)或綜合能源系統(tǒng)的低碳運行能力提升作用，較少考慮氫能“制-儲-運-用”全環(huán)節(jié)靈活調(diào)度資源協(xié)調(diào)配合對低碳運行能力的影響，無法充分發(fā)揮氫能系統(tǒng)在綠色低碳轉(zhuǎn)型中的重要支撐作用。

2、另外，尋求最優(yōu)低碳運行狀態(tài)的電-氫-交通系統(tǒng)低碳運行“點”分析方法難以應(yīng)對源荷波動下的最優(yōu)運行點偏移，無法保障電-氫-交通虛擬能量池合理的低碳安全運行空間。目前，電-氫-交通系統(tǒng)的低碳可行域分析方法研究尚屬空白，亟需解決以下幾方面問題：在理論基礎(chǔ)上，計及全時間斷面耦合的碳排放約束和電氫耦合設(shè)備復(fù)雜運行約束的可行域是否具有可投影觀測的理論基礎(chǔ)有待探討；在求解方法上，包含調(diào)度周期內(nèi)全時間斷面電氫耦合設(shè)備運行約束導(dǎo)致構(gòu)建難度急劇增加，亟需提出考慮工程實用性的可行域構(gòu)建方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種考慮電-氫-交通耦合特征的虛擬能量池調(diào)控空間刻畫方法，包括以下步驟：

2、1)構(gòu)建考慮電-氫-交通耦合特征的虛擬能量池運行模型；

3、2)建立考慮靈活運行特性的電-氫-交通虛擬能量池優(yōu)化運行模型；

4、3)構(gòu)建電-氫-交通定碳排運行域；

5、4)對電-氫-交通虛擬能量池的低碳調(diào)控空間進行刻畫；

6、5)對基于定碳排運行域的低碳調(diào)控空間進行幾何評估。

7、進一步，所述虛擬能量池是以電能及氫能作為核心能源載體，通過電力網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)集成的區(qū)域氫能系統(tǒng)組成的虛擬運營架構(gòu)；

8、所述區(qū)域氫能系統(tǒng)包括集中式制氫站、分布式加氫站、氫氣長管拖車及氫燃料電池汽車。

9、進一步，構(gòu)建考慮電-氫-交通耦合特征的虛擬能量池運行模型的步驟包括：

10、1)構(gòu)建集中式制氫站制氫、儲氫模型，即：

11、

12、式中：和分別表示t時段第m個集中式制氫站天然氣制氫量和碳排放量；表示t時段第m個集中式制氫站耗氣量；ηg2h表示天然氣制氫效率，εce表示天然氣制氫過程中的碳排放系數(shù)；qh、qg分別為氫氣和天然氣低熱值；表示天然氣制氫量上下限；

13、2)構(gòu)建集中式制氫站電解水產(chǎn)氫量與耗電功率關(guān)聯(lián)模型，即：

14、

15、

16、式中：uel,t和iel,t表示t時刻堿性電解槽運行電壓和電流密度；urev為可逆電壓，即電流密度為0時電解池的開路電壓；r1、r2為電解槽電阻和熱阻參數(shù)，tel為電解槽平均運行溫度，rel為電解槽有效反應(yīng)面積，s1、s2、s3、s4、s5、s6為電極過電壓擬合系數(shù)；nel為電解池數(shù)量；表示t時刻第m個集中式制氫站電解槽電解功率；表示t時刻第m個集中式制氫站電解槽制氫量，λh為氫氣標(biāo)準(zhǔn)密度，ηf為法拉第效率，f為法拉第常數(shù)；為電解槽電解功率上下限；

17、3)構(gòu)建集中式制氫站壓縮機消耗電功率與制氫量的關(guān)聯(lián)模型，即：

18、

19、式中：表示t時刻第m個集中式制氫站壓縮機消耗電功率，ch為氫氣比熱容常數(shù)，tcom為壓縮機平均運行溫度，ηcom為壓縮機工作效率，b為進出口氣體升壓比，ε為氫氣等熵系數(shù)。為壓縮機最大工作功率；

20、4)構(gòu)建集中式制氫站的儲氫罐運行約束，即：

21、

22、式中：表示t時刻第m個集中式制氫站儲氫罐氣壓和氫氣變化量，rh為摩爾氣體常數(shù)，th為儲氫罐內(nèi)平均溫度，為第m個集中式制氫站儲氫罐容量，mh為氫氣摩爾質(zhì)量。表示t時刻第m個集中式制氫站內(nèi)第k輛ht加氫量。表示儲氫罐氣壓上下限，表示調(diào)度周期內(nèi)起始時刻與結(jié)束時刻儲氫罐氣壓。ωhps表示集中式制氫站集合；表示t-1時刻第m個集中式制氫站儲氫罐氣壓；

23、5)構(gòu)建分布式站內(nèi)制氫加氫站運行約束，包括電解槽運行約束(2)-(5)、運行約束(9)；構(gòu)建分布式站外供氫加氫站運行約束，包括運行約束(9)；

24、

25、式中：表示t時刻第n個加氫站儲氫罐氣壓和氫氣變化量，為第n個加氫站儲氫罐容量，和表示第n個加氫站內(nèi)參與h2g模式的氫燃料電池汽車耗氫功率和發(fā)電功率，ηfc為氫燃料電池發(fā)電效率。αfc、βfc為氫燃料電池變發(fā)電效率經(jīng)驗擬合系數(shù)，下標(biāo)r表示額定工況。表示t時刻站內(nèi)加氫站n電解槽制氫量，表示t時刻加氫站n內(nèi)第k輛ht放氫量。ωon和ωoff分別表示站內(nèi)加氫站和站外加氫站集合；表示t時刻氫燃料汽車在第n個加氫站的加氫量。表示第n個加氫站內(nèi)參與h2g模式的氫燃料電池汽車額定發(fā)電功率；ηfc,r為氫燃料電池額定發(fā)電效率；

26、6)考慮氫氣長管拖車行駛路徑，建立行駛路徑與空間位置關(guān)系約束，即：

27、

28、式中：ri,j,k為0-1邏輯變量，為1表示第k輛ht行駛路徑為(i,j)，否則表示行駛路徑不為(i,j)。ai,t,k為0-1邏輯變量，為1表示t時刻第k輛ht位于制氫站/加氫站i；ai,ts,k、ai,te,k分別表示調(diào)度周期開始時刻與結(jié)束時刻的0-1邏輯變量；

29、7)構(gòu)建氫氣長管拖車運氫氣量約束，即：

30、

31、式中：qi,t,k、δqi,t,k表示t時刻位于站i內(nèi)第k輛氫氣長管拖車內(nèi)儲氫量和氫氣變化量；αi,t,k、βi,t,k為0-1邏輯變量，表示氫氣長管拖車加氫和放氫狀態(tài)，若為1，則表示t時刻第k輛氫氣長管拖車在站i內(nèi)進行加氫和放氫；qk,cap表示第k輛氫氣長管拖車儲氫上限；λcap,min表示氫氣長管拖車最小儲氫量系數(shù)；qi,ts,k和qi,te,k分別表示調(diào)度周期開始時刻與結(jié)束時刻第k輛氫氣長管拖車的儲氫量；qj,t+1,k、qj,t,k、qj,t-1,k分別表示t+1時刻、t時刻、t-1時刻位于站j內(nèi)第k輛氫氣長管拖車內(nèi)儲氫量；

32、8)以交通網(wǎng)中所有用戶以最小出行時間成本為路徑選擇標(biāo)準(zhǔn)，采用靜態(tài)混合用戶均衡來描述交通網(wǎng)自發(fā)達到的狀態(tài)，即：

33、

34、式中：hp為路徑p的車流量，為hfcv、除hfcv以外車輛選擇路徑p所需的出行時間成本，vij為出行需求對(i→j)之間所有路徑的最小出行時間成本，whv、wo為hfcv、除hfcv以外車輛出行需求對集合，為出行需求對(i→j)之間所有hfcv、除hfcv以外車輛路徑集合；

35、9)基于bpr函數(shù)，建立道路阻抗模型以描述道路擁堵效應(yīng)，如下所示：

36、

37、式中：τp1(hp)表示與道路p車流量hp相關(guān)的通行時間函數(shù)，表示道路p的自由通行時間，也即道路p無交通流量時車輛通行時間，cp表示道路p通行容量；pij為出行需求對(i→j)之間所有路徑集合；

38、10)基于改進的davidson函數(shù)，構(gòu)建加氫排隊時間模型，即：

39、

40、式中：τp2(hp)表示與道路p車流量hp相關(guān)的通行時間函數(shù)，表示單輛hfcv加氫時間，表示加氫站同時加注車輛極限，r為函數(shù)形狀參數(shù)；ph為拓撲變化后加氫道路集合。

41、進一步，公式(12)-(14)組成交通流模型；所述交通流模型采用“全有全無分配”方法對各路段交通流量進行分配，從而輸出所有hp集合。

42、進一步，所述電-氫-交通虛擬能量池優(yōu)化運行模型的目標(biāo)函數(shù)c如下所示：

43、minc＝cp,buy+chp+ccurt+cce+cht?(16)

44、購電成本cp,buy、制氫成本chp、棄風(fēng)棄光懲罰成本ccurt、碳排放成本cce和氫氣長管拖車運行成本cht分別如下所示：

45、

46、式中：cpbuy,t表示t時刻向上級電網(wǎng)購電價格；pgrid,t表示t時刻向上級電網(wǎng)購電有功功率；δt表示單位時間間隔。

47、

48、式中：cg為購氣價格，cpsa為氫氣提純成本系數(shù)，δt為單位時間間隔，np為eht-vep中集中式制氫站數(shù)量。表示t時段第m個集中式制氫站耗氣量；表示t時刻第m個集中式制氫站制氫量；

49、

50、式中：分別表示t時刻節(jié)點i風(fēng)光機組棄風(fēng)光功率；ccurt為棄風(fēng)棄光量單位懲罰成本；nb表示配電網(wǎng)節(jié)點數(shù)。

51、

52、式中：δce表示碳排放單位成本系數(shù)；εg2h表示天然氣制氫過程中的碳排放系數(shù)，ηg2h表示天然氣制氫效率，qh為氫氣低熱值；εgrid表示上級電網(wǎng)購電碳排放系數(shù)。

53、

54、式中：cht表示長管拖車單位儲運氫氣成本，nk為eht-vep中長管拖車數(shù)量。表示t時刻第k輛ht加氫量。

55、進一步，所述電-氫-交通虛擬能量池優(yōu)化運行模型的約束條件包括配電網(wǎng)潮流約束、節(jié)點電功率平衡約束、安全運行約束、分布式電源運行約束、交通流量平衡約束。

56、進一步，配電網(wǎng)潮流約束如下所示：

57、

58、式中：v(j)、w(j)分別表示j節(jié)點相連支路的首節(jié)點集合和末節(jié)點集合；pij,t、qij,t表示t時刻支路ij有功功率及無功功率；rij和xij表示支路ij電阻及電抗；pj,t、qj,t表示t時刻節(jié)點j注入有功及無功功率；iij,t表示t時刻支路ij電流；uj,t表示t時刻節(jié)點j電壓。ui,t表示t時刻節(jié)點i電壓。pjk,t、qjk,t表示t時刻支路jk有功功率及無功功率；

59、節(jié)點電功率平衡約束如下所示：

60、

61、式中：pwg,i,t、qwg,i,t表示t時刻節(jié)點i風(fēng)機實際發(fā)出有功功率和無功功率；ppv,i,t、qpv,i,t表示t時刻節(jié)點i光伏機組實際發(fā)出有功功率和無功功率；pload,i,t和qload,i,t表示t時刻節(jié)點i常規(guī)有功負荷和無功負荷；s為聯(lián)絡(luò)線路接入節(jié)點。

62、安全運行約束如下所示：

63、

64、式中：分別表示節(jié)點i允許電壓上下限；分別表示線路ij允許電流上下限；

65、分布式電源運行約束如下所示：

66、

67、

68、式中：和表示節(jié)點i接入風(fēng)光機組預(yù)測發(fā)出有功功率；和表示風(fēng)光機組設(shè)定功率因數(shù)。分別表示t時刻節(jié)點i風(fēng)光機組棄風(fēng)光功率；

69、交通流量平衡約束如下所示：

70、

71、式中：кh表示需要加氫車輛比例；hp,t表示t時刻道路p上交通流量；表示氫燃料汽車平均加氫量。

72、進一步，構(gòu)建電-氫-交通定碳排運行域的步驟如下：

73、1)定義表征eht-vep運行狀態(tài)的運行點z，即：

74、

75、式中，分別表示維度為nb×t、nl×t的實數(shù)空間；

76、2)構(gòu)建電-氫-交通定碳排運行域表達式，即：

77、

78、式中：ωcr為定碳排運行域；u為節(jié)點電壓矩陣；i為支路電流矩陣；p、q分別為節(jié)點注入有功及無功功率矩陣；h表示節(jié)點氫負荷需求矩陣；f(x,y)＝0表示電氫能量平衡約束；表示系統(tǒng)安全運行約束，包括電壓約束及熱穩(wěn)定約束；表示節(jié)點注入功率約束，包括電氫耦合設(shè)備運行約束、分布式電源運行約束；e(y)≤bmax?3表示系統(tǒng)碳排放約束，具體如下式所示；b1、b2和b3分別表示安全運行臨界值、注入功率臨界值和碳排放限額；上標(biāo)max、min表示上界值和下界值；nb和nl表示節(jié)點數(shù)和支路數(shù)；t為調(diào)度周期。

79、3)建立二階錐松弛下的定碳排運行域轉(zhuǎn)化模型，對定碳排運行域進行轉(zhuǎn)換，得到：

80、

81、式中：a、b、c為等式約束中的系數(shù)矩陣；d、f為線性不等式中的系數(shù)矩陣；h、v為soc約束中的系數(shù)矩陣。w為節(jié)點電壓平方矩陣；l為支路電流平方矩陣。pd、qd表示節(jié)點有功及無功負荷矩陣；pg、qg表示節(jié)點機組有功及無功出力矩陣。ωscr為轉(zhuǎn)換后的定碳排運行域。

82、進一步，對電-氫-交通虛擬能量池的低碳調(diào)控空間進行刻畫的步驟如下：

83、1)基于eht-vep典型運行狀態(tài)，獲取eht-vep潮流分布情況作為初始工作點z0，基于初始工作點z0，計算碳排放流并得到節(jié)點碳排放因子，作為降維觀測變量的選擇依據(jù)，即：

84、

85、式中：ρb、ρl分別表示節(jié)點和支路碳排放因子矩陣；y表示配電網(wǎng)節(jié)點關(guān)聯(lián)矩陣；pl表示支路潮流分布矩陣；ρg為機組碳排放因子矩陣；

86、2)將高維定碳排運行域投影至節(jié)點負荷空間，并根據(jù)碳排放分布情況，優(yōu)選n維節(jié)點電負荷作為觀測變量，即：

87、

88、式中：kobs表示待選觀測變量集合，其中k為觀測變量選擇狀態(tài)的0-1變量，ki＝1表示將節(jié)點i負荷選為觀測變量。和分別為nb維和t維單位行向量；

89、降維觀測空間中的定碳排運行域如下所示：

90、

91、式中：f(p,q)＝0表示電氫能量平衡在內(nèi)的等式約束；g(p,q)≤0表示安全運行約束、碳排放約束等在內(nèi)的不等式約束；ωscrl表示降維觀測空間中的定碳排運行域；

92、3)基于ωscrl進行cceor邊界凸包擬合，并根據(jù)二階錐松弛間隙迭代收縮凸包cceor；擬合目標(biāo)如下所示：

93、

94、式中：z(p)表示求解邊界點所設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，下標(biāo)u、d分別表示上邊界和下邊界。pc表示n-1維固定觀測變量。

95、擬合約束如下所示：

96、

97、式中：ls+1為第s+1次迭代的支路電流平方矩陣；為第s次迭代中精確支路電流平方矩陣。rt為實數(shù)矩陣；gapmax為迭代過程中允許的最大松弛間隙。

98、進一步，對基于定碳排運行域的低碳調(diào)控空間進行幾何評估的步驟如下：

99、1)構(gòu)建低碳調(diào)控空間幾何評估指標(biāo)體系，包括eht-vep低碳調(diào)控空間幾何評估指標(biāo)、eht-vep觀測變量耦合特性幾何評估指標(biāo)；

100、所述eht-vep低碳調(diào)控空間幾何評估指標(biāo)包括低碳安全運行裕度、低碳運行充?？臻g、降維截斷面積；

101、低碳安全運行裕度如下所示：

102、

103、式中，p為選定觀測變量；d(p)為低碳安全運行裕度；p*為觀測變量可行空間；

104、低碳運行充裕空間如下所示：

105、

106、式中，和分別為zu(p)和zd(p)取最優(yōu)時對應(yīng)取值。vcr為低碳運行充裕空間；

107、降維截斷面積如下所示：

108、

109、式中，pi為第i維觀測變量；π為固定平面；scr(pi)為降維截斷面積；

110、所述eht-vep觀測變量耦合特性幾何評估指標(biāo)包括觀測變量耦合系數(shù)、截斷面平均變化率、多維均衡度；

111、觀測變量耦合系數(shù)如下所示：

112、

113、式中，觀測變量耦合系數(shù)cf取值范圍為(0,+∞)；srt、max?scceor(pi)為等長寬矩形面積、最大sa面積；

114、截斷面平均變化率acr如下所示：

115、

116、式中，scr(pi+δpi)、scr(pi)為觀測變量pi+δpi、觀測變量pi對應(yīng)的降維截斷面積；多維均衡度ed如下所示：

117、

118、式中：vn(maxd(p))表示半徑為maxd(p)的n維超球體體積；vcr為低碳運行充裕空間；

119、2)進行低碳調(diào)控空間幾何評估，步驟包括：

120、2.1)給定初始工作點令求解式(46)-(47)，獲取初始可行范圍反復(fù)固定2維觀測變量，獲取觀測變量初始化可行空間

121、2.2)設(shè)定迭代步長δp及最大松弛間隙gapmax，固定一維觀測變量令求解式(46)-(47)，獲取上下邊界點和并令p2逐步以迭代步長增長逼近獲取多組邊界點添加至pop；

122、2.3)令并逐步以迭代步長增長逼近重復(fù)步驟2.2)，獲取多組邊界點添加至pop；

123、2.4)重復(fù)步驟2.2)和2.3)，直至遍歷全部維度觀測變量，獲取邊界點集合pop，基于快速凸包算法獲取當(dāng)前pop最小凸包

124、2.5)基于當(dāng)前pop，添加割平面約束迭代更新pop，直至所有邊界點滿足gap≤gapmax，并迭代收縮擬合收縮凸包cceor。

125、2.6)基于所提cceor幾何評估指標(biāo)體系，根據(jù)步驟⑤得到對應(yīng)凸包頂點集合求解式(50)-(55)，輸出cceor幾何評估指標(biāo)。

126、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的，本發(fā)明從低碳運行能力和觀測變量耦合特性角度建立了電-氫-交通虛擬能量池定碳排運行域幾何特征指標(biāo)體系，并提出了定碳排運行域幾何特征評估方法。