本發(fā)明涉及一種低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法，尤其涉及一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、“p2g(power?to?gas)”技術(shù)，即電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，是將電能轉(zhuǎn)換為天然氣或氫氣，將得到的氣體存儲在天然氣管網(wǎng)或天然氣存儲設(shè)備，在可再生能源出力高峰時期進(jìn)行轉(zhuǎn)化存儲，在電力短缺時供能，從而提高系統(tǒng)可再生能源的消納能力的技術(shù)。

2、p2g技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中包括電轉(zhuǎn)氫氣和電轉(zhuǎn)天然氣兩種類型，其中電轉(zhuǎn)氫氣是電轉(zhuǎn)天然氣的前置反應(yīng)，電轉(zhuǎn)氫氣的基本反應(yīng)原理為電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，現(xiàn)階段，電解氫氣的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到75％至85％，電解水產(chǎn)生的氫氣可以直接用于燃料電池、液化或其他方式存儲。

3、p2g技術(shù)還可以進(jìn)一步在電解氫氣的基礎(chǔ)上，利用二氧化碳和氫氣在高溫高壓環(huán)境下反應(yīng)生成天然氣，電轉(zhuǎn)天然氣的能量轉(zhuǎn)換率為45％至60％，將電解產(chǎn)生的天然氣與天然氣管道網(wǎng)絡(luò)相連，無需增加額外投資，就可以實(shí)現(xiàn)能量在電氣網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)間的雙向流動。

4、雖然這種p2g技術(shù)可以提高可再生能源消納水平，同時改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，但其仍存在以下缺陷：

5、1、源側(cè)氫氣利用過程中的甲烷化和電化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，會產(chǎn)生大量廢熱，傳統(tǒng)的p2g技術(shù)未充分利用到這部分能量，造成能源浪費(fèi)。

6、2、現(xiàn)有的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度方法未充分考慮電制氫環(huán)節(jié)及綜合需求響應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及低碳性能較差。

7、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本技術(shù)的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的未充分利用反應(yīng)廢熱，同時系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及低碳性能較差的缺點(diǎn)，提供了一種可以充分利用反應(yīng)廢熱，同時系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)劃的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及低碳性能較高的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法，所述規(guī)劃方法包括以下步驟：

4、s1、數(shù)據(jù)收集，獲取目標(biāo)電網(wǎng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；

5、s2、構(gòu)建精細(xì)化氫氣利用模型，所述精細(xì)化氫氣利用模型包括考慮多種工況和熱回收的電解槽運(yùn)行模型、甲烷反應(yīng)器運(yùn)行模型及氫燃料電池模型；

6、s3、構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型，以最低運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型，所述低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型的表達(dá)式為：

7、

8、上式中，minfies為低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型的最低運(yùn)行成本，為碳交易成本，fbuy為能源購買成本，foper為設(shè)備運(yùn)維成本，fibdr為需求響應(yīng)成本，fwind為棄風(fēng)處罰成本；

9、所述低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型的約束條件包括設(shè)備運(yùn)行約束、電能平衡約束、熱能平衡約束、冷能平衡約束、氣量平衡約束及氫能平衡約束；

10、s4、模型求解，將數(shù)據(jù)代入低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型進(jìn)行仿真計算，得到低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方案。

11、所述s2中電解槽運(yùn)行模型包括電解熱力學(xué)方程及電解槽多工況運(yùn)行模型，所述電解熱力學(xué)方程的表達(dá)式為：

12、

13、上式中，為電解過程產(chǎn)氫產(chǎn)熱總能耗，所述t代表t時刻的對應(yīng)數(shù)據(jù)，為電解產(chǎn)氫功率，為電熱管的工作溫度，為電解過程可回收的熱能，cel為的等效熱容，是電解過程中的熱損耗；

14、上式中，電解過程中的熱損耗的表達(dá)式為：

15、

16、上式中，tenvi為環(huán)境溫度，rel為的等效熱阻；

17、由于電解的熱時間常數(shù)通常遠(yuǎn)大于調(diào)度的時間尺度，電解熱力學(xué)方程可以重寫為熱穩(wěn)態(tài)模型：

18、

19、上式中為t+1時刻電熱管的工作溫度，為電解產(chǎn)氫功率，為電熱管的工作溫度，為電解過程可回收的熱能，cel為的等效熱容，是電解過程中的熱損耗；

20、由熱穩(wěn)態(tài)模型可以得出熱回收模型，所述熱回收模型的表達(dá)式為：

21、

22、上式中，ηel,h為換熱裝置的換熱效率，為電解過程回收的熱能；

23、所述熱穩(wěn)態(tài)模型的約束為：

24、

25、上式中，為電解槽工作溫度的最大值，為電解槽工作溫度的最小值；

26、所述電解槽多工況運(yùn)行模型中的工況包括正常運(yùn)行工況、冷備用工況及熱備用工況，所述電解槽多工況運(yùn)行模型的表達(dá)式為：

27、

28、

29、

30、上式中，為電解槽狀態(tài)i的0-1狀態(tài)變量，其中1表示電解槽處于狀態(tài)i，i＝1、2、3分別表示電解槽處于冷備用、熱備用及正常運(yùn)行狀態(tài)，是電解槽在i狀態(tài)下開啟的0-1動作變量，是電解槽在i狀態(tài)下關(guān)閉的0-1動作變量，為狀態(tài)i的最小電解持續(xù)時間；

31、

32、所述電解槽多工況運(yùn)行模型的約束為：

33、

34、所述s2中氫燃料電池模型的表達(dá)式為:

35、

36、上式中，為輸入氫燃料電池的氫功率，ηhfc為氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率，為氫燃料電池的產(chǎn)電功率，為氫燃料電池的產(chǎn)熱功率，為輸入氫燃料電池的氫功率的下限，為輸入氫燃料電池的氫功率的上限，為氫燃料電池的熱電比上限，為氫燃料電池的熱電比下限，為爬升速率的上限，為爬升速率的下限。

37、所述s2中甲烷反應(yīng)器運(yùn)行模型包括甲烷反應(yīng)方程及甲烷反應(yīng)器多工況運(yùn)行模型，所述甲烷反應(yīng)方程的表達(dá)式為：

38、4h2+co2→ch4+2h2o+δh；

39、

40、

41、

42、上式中，δh為生成每摩爾甲烷放出的熱量，為甲烷反應(yīng)器消耗co2的速率，為甲烷反應(yīng)器產(chǎn)生甲烷與氫氣的比值，為甲烷反應(yīng)器生成甲烷的速率，為甲烷反應(yīng)器消耗h2的速率，為co2的相對分子量，為ch4的相對分子量，為h2的相對分子量，為甲烷反應(yīng)器產(chǎn)甲烷的摩爾速率，為甲烷反應(yīng)器的產(chǎn)熱功率，ηmr為甲烷反應(yīng)器的甲烷化效率，為甲烷反應(yīng)器的耗氫功率，為氫制燃?xì)饬?，為甲烷化過程回收的熱能，ηmr,h為熱回收裝置的熱回收效率；

43、所述甲烷反應(yīng)器多工況運(yùn)行模型的表達(dá)式為：

44、

45、

46、上式中，為甲烷反應(yīng)器狀態(tài)i的0-1狀態(tài)變量，其中j表示甲烷反應(yīng)器處于j狀態(tài)，j＝1、2、3分別表示甲烷反應(yīng)器處于冷備、熱備或正常運(yùn)行狀態(tài)，其中和分別為甲烷反應(yīng)器在狀態(tài)j下開、關(guān)的0-1變量，為甲烷反應(yīng)器在狀態(tài)j下的最小持續(xù)時間。

47、所述精細(xì)化氫氣利用模型還包括熱電聯(lián)產(chǎn)模型，所述電聯(lián)產(chǎn)模型的表達(dá)式為：

48、

49、

50、

51、

52、

53、

54、

55、

56、

57、

58、

59、上式中，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的電功率，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的熱功率，為燃?xì)廨啓C(jī)的電輸出功率，為燃?xì)廨啓C(jī)的熱輸出功率，為燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣量，表示燃?xì)獍l(fā)電效率，表示燃?xì)鉄嵝?，為廢熱鍋爐的輸入熱功率，為廢熱鍋爐的輸出熱功率，為余熱回收發(fā)電設(shè)備的輸入功率，為余熱回收發(fā)電設(shè)備的輸出功率，ηorc為余熱回收發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率，ηwhb表示廢熱鍋爐的熱效率，表示對應(yīng)參數(shù)的上限，(·)表示對應(yīng)參數(shù)的下限。

60、所述s3構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型中，碳交易成本表達(dá)式為：

61、當(dāng)碳交易過程處于激勵階段時，所述激勵階段的碳交易成本為：

62、

63、當(dāng)碳交易過程處于懲罰階段時，所述懲罰階段的碳交易成本為：

64、

65、上式中，c為市場碳交易價格,為碳交易成本,h為碳排放間隔長度,epe為碳配額總量,ε為激勵系數(shù)，μ為懲罰系數(shù)，為初始碳配額,所述初始碳配額的表達(dá)式為；

66、

67、

68、上式中，x1、y1、z1分別為燃煤機(jī)組碳排放計算系數(shù)，為ies實(shí)際購電碳排放量，x2、y2、z2分別為燃?xì)鈾C(jī)組碳排放計算系數(shù)，為全部ies燃?xì)鈾C(jī)組的實(shí)際碳排放量，為熱電燃?xì)饴?lián)產(chǎn)鍋爐的等效輸出功率，emr為甲烷反應(yīng)器吸收的co2量，為甲烷反應(yīng)器的吸收效率，為ies從外部電網(wǎng)購買的電量，為燃?xì)忮仩t輸出的熱功率，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的電功率，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的熱功率，λe-h為熱電轉(zhuǎn)化系數(shù)；

69、所述能源購買成本fbuy的表達(dá)式為：

70、fbuy＝fgrid,b+fgas,b；

71、

72、上式中，fgrid,b為綜合能源系統(tǒng)購電成本，fgas,b為綜合能源系統(tǒng)購氣成本，為綜合能源系統(tǒng)與外部電網(wǎng)交易的分時電價，為綜合能源系統(tǒng)購氣價格，為燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣量,為燃?xì)忮仩t消耗的天然氣量，lhvg為天然氣的低熱值；

73、所述設(shè)備運(yùn)維成本foper的表達(dá)式為：

74、

75、上式中，m為各供能設(shè)備類型，x為各儲能裝置的類型，βm為供能裝置m的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)，βx為儲能裝置x的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)，為供能裝置m的輸出功率，為儲能裝置x的充電功率，為儲能裝置x的放電功率，t為運(yùn)行時間，m為各類型供能設(shè)備數(shù)量，x為各類型儲能設(shè)備數(shù)量；

76、所述需求響應(yīng)成本fibdr的表達(dá)式為：

77、

78、

79、上式中，fibdr為基于激勵的多能源需求響應(yīng)的成本，ptibdr為負(fù)荷變化范圍的步段n在時刻t的單位補(bǔ)償成本，為t時刻減少的冷熱負(fù)荷，所述冷熱負(fù)荷為用戶側(cè)由于溫度改變而產(chǎn)生的冷負(fù)荷及熱負(fù)荷，q1為冷熱負(fù)荷第一步段的臨界點(diǎn)，qmin為冷熱負(fù)荷最小段臨界點(diǎn)，qmax為冷熱負(fù)荷最大段臨界點(diǎn)；

80、所述棄風(fēng)處罰成本fwind的表達(dá)式為：

81、

82、上式中，lwt為棄風(fēng)懲罰成本因子，為預(yù)測風(fēng)電輸出，為實(shí)際風(fēng)電輸出。

83、所述s3構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型中，所述設(shè)備運(yùn)行約束的表達(dá)式為：

84、

85、

86、上式中，為的上限，為儲能裝置的儲能充電狀態(tài)，為儲能裝置的儲能放電狀態(tài)，為爬升速率的上限，為爬升速率的下限，為x類儲能裝置的儲能容量，為的上限，ηx,chr為x類儲能裝置的充電效率，ηx,dis為x類儲能裝置的放電效率，為的上限，為的最小值，為的最大值，γx為損耗系數(shù)；

87、所述電能平衡約束表達(dá)式為：

88、

89、上式中，為用戶綜合需求響應(yīng)后的用電負(fù)荷，為電解池的消耗的功率，為電池的充電功率，為電池的放電功率，為實(shí)際風(fēng)電輸出，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的電功率，為氫燃料電池的產(chǎn)電功率；

90、所述熱能平衡約束表達(dá)式為：

91、

92、上式中，為客戶綜合需求響應(yīng)后的熱負(fù)荷，為儲熱罐的儲熱功率，為儲熱罐的放熱功率，為燃?xì)忮仩t輸出的熱功率，為熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備輸出的熱功率，為氫燃料電池的產(chǎn)熱功率，為甲烷化過程回收的熱能，為電解過程回收的熱能；

93、所述冷能平衡約束表達(dá)式為：

94、

95、上式中，為吸收式制冷機(jī)輸出制冷功率，為電冰箱輸出制冷功率，為綜合需求響應(yīng)后制冷負(fù)荷；

96、所述氣量平衡約束表達(dá)式為：

97、

98、上式中，為綜合能源系統(tǒng)采購的總?cè)細(xì)饬?，為熱電?lián)產(chǎn)設(shè)備消耗燃?xì)饬?，為燃?xì)忮仩t消耗燃?xì)饬?，為氫制燃?xì)饬浚?/p>

99、所述氫能平衡約束表達(dá)式為：

100、

101、上式中，儲氫罐的儲氫功率，為儲氫罐的放氫功率，為儲氫罐輸出的氫功率，為甲烷反應(yīng)器的耗氫功率，為輸入氫燃料電池的氫功率。

102、所述s3構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型中，構(gòu)建的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型還包括經(jīng)濟(jì)彈性矩陣，所述經(jīng)濟(jì)彈性矩陣用于根據(jù)價格的變化調(diào)整能源需求，所述經(jīng)濟(jì)彈性矩陣的表達(dá)式為：

103、

104、上式中，為電負(fù)荷i的彈性系數(shù)，當(dāng)z＝j(luò)時為自彈性系數(shù)，當(dāng)z≠j時，為交叉彈性系數(shù)，為價格變化前的電負(fù)荷，為價格變化后的電負(fù)荷，為電負(fù)荷i在時段t的原始價格，為電負(fù)荷i在時段t的價格變化。

105、一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃系統(tǒng)，所述最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃系統(tǒng)包括：

106、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于執(zhí)行前述的獲取目標(biāo)電網(wǎng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的操作；

107、精細(xì)化氫氣利用模型構(gòu)建模塊，用于執(zhí)行前述的構(gòu)建精細(xì)化氫氣利用模型的操作；

108、低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型構(gòu)建模塊，用于執(zhí)行前述的構(gòu)建低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型的操作；

109、計算模塊，用于執(zhí)行前述的將數(shù)據(jù)代入低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型進(jìn)行仿真計算，得到低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方案的操作。

110、一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃設(shè)備，所述設(shè)備包括處理器以及存儲器；

111、所述存儲器用于存儲計算機(jī)程序代碼，并將所述計算機(jī)程序代碼傳輸給所述處理器；

112、所述處理器用于根據(jù)所述計算機(jī)程序代碼中的指令執(zhí)行前述的考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法。

113、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

114、1、本發(fā)明一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法中，在精細(xì)化氫氣利用模型內(nèi)引入熱回收技術(shù)，通過熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備與燃?xì)廨啓C(jī)及廢熱鍋爐相配合，使得系統(tǒng)可以利用甲烷化和電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量發(fā)電，從而充分利用反應(yīng)廢熱，以達(dá)到余熱回收的效果。因此，本設(shè)計可以充分利用反應(yīng)廢熱，達(dá)到余熱回收的效果。

115、2、本發(fā)明一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法中，為了進(jìn)一步減少工業(yè)企業(yè)的碳排放，對碳交易價格進(jìn)行細(xì)分，根據(jù)碳交易過程的階段將對應(yīng)階段的碳交易成本代入低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模型中，使得系統(tǒng)最低運(yùn)行成本考慮了碳交易過程的階段，提高了低碳性能。因此，本設(shè)計可以根據(jù)碳交易過程的階段調(diào)整系統(tǒng)最低運(yùn)行成本，有效提高低碳性能。

116、3、本發(fā)明一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法中，通過經(jīng)濟(jì)彈性矩陣模擬了用戶受到價格變化的影響，而主動調(diào)整能源需求，進(jìn)而導(dǎo)致能源需求變化。因此，本設(shè)計可以模擬用戶受到價格變化的影響，而導(dǎo)致的能源需求變化，有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

117、4、本發(fā)明一種考慮余熱回收的低碳經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃方法中，對電解槽和甲烷反應(yīng)器工況進(jìn)行了詳細(xì)建模，考慮到不同工況下運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)性、最小運(yùn)行時間約束以及每種工況的最小運(yùn)行時間，使得本設(shè)計計算的更加精細(xì)。因此，本設(shè)計可以考慮不同工況下運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)性、最小運(yùn)行時間約束以及每種工況的最小運(yùn)行時間，有效提高規(guī)劃精度。