一种可再生能源发电制气的综合能源站规划方法及系统

技术领域

本发明涉及综合能源系统的规划技术领域，具体涉及一种可再生能源发电制气的综合能源站规划方法及系统。

背景技术

光伏、风电等可再生能源发电不污染环境，符合国家能源战略发展需求，随着其发电成本的逐步降低，已经在各级电网中得到了广泛应用。然而，可再生能源发电固有的波动性和随机性对电网的安全稳定运行产生了较大的冲击，且局部地区因电网消纳能力有限，弃风、弃光现象普遍发生，严重影响了可再生能源发电经济社会效益的发挥。与此同时，社会对以天然气为代表的其他清洁能量需求急剧增加，但目前我国天然气消费量中有相当一部分依赖从国外进口，对我国的能源供应安全造成不利影响。为推动我国能源转型，利用可再生能源发电并将其有机融入在综合能源站中，对节能减排有重要意义。因此，迫切需要包可再生能源发电制气的综合能源站的设备选型及容量规划方法。

发明内容

本发明提出的一种可再生能源发电制气的综合能源站规划方法及系统，可解决上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可再生能源发电制气的综合能源站规划方法，包括以下步骤：

步骤1、输入待规划综合能源站的能源供给及需求信息；

步骤2、根据步骤1所提供的待规划综合能源站的能源供应及需求信息，建立可再生能源发电制气的综合能源站规划模型；

步骤3、根据步骤2得到的可再生能源发电制气的综合能源站规划模型，分别建立计及不确定性的风电、光伏、电负荷以及天然气负荷的随机分布模型，然后采用机会约束规划处理相关随机变量，并引入置信度将上述随机分布模型转化为等价的风/光/荷随机机会约束规划模型；

步骤4、对步骤3的风/光/荷随机机会约束规划模型进行求解并输出求解结果。

进一步的，所述步骤1能源供给及需求信息具体包括：

输入综合能源站所在地区风电、光伏的年最大发电小时数和规划水平年的典型日出力参数；

输入综合能源站内P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储氢罐的单位投资成本、维护成本基本参数；

输入综合能源站所在地区规划水平年的典型日电力负荷曲线和天然气负荷曲线；

输入综合能源站所在地区规划水平年的年用电量和年用气量参数。

进一步的，步骤2中所述综合能源站规划模型具体包括以综合能源站年运行效益最大为目标函数，考虑电量平衡约束和天然气量平衡约束，考虑P2G装置运行约束、微型燃气轮机运行约束、蓄电池及储气罐的运行约束。

进一步的，步骤2中所述的以综合能源站年运行效益最大为目标的函数C为：

maxC＝C

式(1)中，运行收益C

C

式(2)中，

式(3)中，y表示设备的设计使用寿命，r为折现率，c

式(4)中，m

进一步的，步骤2中所述的综合能源站内考虑电功率平衡约束、天然气流量平衡约束以及能量平衡约束包括：

(1)电能量平衡约束

式中，

(2)天然气气流量平衡约束

式中，η

进一步的，步骤2中所述的P2G装置运行约束、微型燃气轮机运行约束、蓄电池及储气罐的运行约束包括：

(1)P2G装置运行约束

式中，

(2)微型燃气轮机运行约束

式中，

(3)蓄电池运行约束

式中，W

(4)储气罐运行约束

式中，P

进一步的，步骤3中所述风电、光伏、电负荷以及天然气负荷的随机分布模型包括：

(1)风电随机出力分布模型

式中，c、k分别为威布尔分布的比例参数和形状参数；v为风速；

(2)光伏随机出力分布模型

式中，α、β为光伏发电的贝塔分布参数；Γ()为伽玛函数；e为光强标幺值；

(3)电负荷年用能需求量概率模型

式中，

(4)天然气负荷年用能需求量概率模型

式中，

进一步的，步骤3中所述风/光/荷随机机会约束规划模型为：

式中，

进一步的，所述综合能源站包括光伏、风电、P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储气罐；利用站内安装的风电、光伏发电为周边电力负荷提供电能，同时将部分电能通过P2G装置转化为天然气以满足天然气负荷的用气需求；站内安装的蓄电池和储气罐将多余的电能和天然气进行存储；站内设置的微型燃气轮机，将天然气转换为电能。

另一方面，本发明还公开一种可再生能源发电制气的综合能源站规划系统，包括以下单元，

信息输入单元，用于输入待规划综合能源站的能源供给及需求信息；

综合能源站规划模型建立单元，用于根据所提供的待规划综合能源站的能源供应及需求信息，建立可再生能源发电制气的综合能源站规划模型；

随机分布模型建立单元，用于根据得到的可再生能源发电制气的综合能源站规划模型，分别建立计及不确定性的风电、光伏、电负荷以及天然气负荷的随机分布模型，然后采用机会约束规划处理相关随机变量，并引入置信度将上述随机分布模型转化为等价的风/光/荷随机机会约束规划模型；

输出单元模块，用于对风/光/荷随机机会约束规划模型进行求解并输出求解结果。

由上述技术方案可知，本发明的可再生能源发电制气的综合能源站规划方法，建立的可再生能源发电制气的综合能源站包括：风电、光伏、P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储气罐，该综合能源站的能量来源于站内安装的风电、光伏等可再生能源发电提供的电能，并将部分电能转化成天然气以满足用户的不同能源形式的需求，同时利用蓄电池和储气罐存储多余的电能和天然气，并在电力短缺的时候，通过蓄电池或微型燃气轮机转换为电能，实现电力系统的“削峰填谷”，保证电网的平稳运行。

本发明提供一种使设备选型与容量规划更具科学性和准确性的利用可再生能源发电制气的综合能源站规划方法，利用天然气易于存储的特点，将富余的可再生能源发电全部转化为天然气等清洁能源，实现可再生发电的全额消纳及电网的安全稳定运行，提供了天然气等形式的清洁能源，满足了不同用户的需求，保障了能源的供给的多样性、安全性。

总得来说，本发明的优点如下：

1、本发明对该综合能源站进行了规划，将富余可再生能源转换成天然气，能够从根本上杜绝可再生能源发电的弃风、弃光等现象，保证了可再生能源发电的全额消纳，显著增加了可再生能源发电的社会效益和经济效益。

2、本发明通过将富余可再生能源转换成天然气，一方面，可以满足当地对于不同清洁能源种类的需求，另一方面，利用天然气存储成本低、易于存储等优点，将富余电能转化成天然气进行存储，节约了兴建其他储能设备的巨大投资，具有较好的经济性。

3、本发明通过将富余可再生能源转换成者天然气存储，当电网处于用电高峰或波动剧烈时，通过燃气轮机等设备，可将存储的天然气转化为电力，从而平抑电网的波动，保证了电网运行的经济性、安全性。

附图说明

图1是本发明可再生能源发电制气的综合能源站示意图；

图2是本发明可再生能源发电制气的综合能源站规划流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的可再生能源发电制气的综合能源站规划方法，包括建立可再生能源发电制气的综合能源站，然后对可再生能源发电制气的综合能源站进行规划；

其中，可再生能源发电制气的综合能源站包括：光伏、风电、P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储气罐，该综合能源站可视为一个独立的能源生产基地。利用站内安装的风电、光伏发电为周边电力负荷提供电能，同时将部分电能通过P2G装置转化为天然气以满足天然气负荷的用气需求。站内安装蓄电池和储气罐将多余的电能和天然气进行存储，以保证在电力或天然气供应不足时，通过蓄电池和储气罐释放储存的能量，满足电力和天然气负荷的需求。同时，站内还设置了微型燃气轮机，可将天然气转换为电能。该综合能源站仅依靠风、光两种可再生能源，通过合理规划站内各种能源转换及存储设备的容量，即可满足当地不同形式的负荷用能需求。

如图2所示，规划方法包括如下步骤，

步骤1、输入待规划综合能源站的能源供给及需求情况，具体包括：输入综合能源站所在地区风电、光伏的年最大发电小时数和规划水平年的典型日出力参数，输入综合能源站内P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储氢罐的单位投资成本、维护成本等基本参数，输入综合能源站所在地区规划水平年的典型日电力负荷曲线和天然气负荷曲线，输入综合能源站所在地区规划水平年的年用电量和年用气量等参数；

步骤2、根据步骤1所提供的待规划综合能源站的能源供应及需求等信息，建立可再生能源发电制气的综合能源站规划模型，具体包括：以综合能源站年运行效益最大为目标函数，考虑电量平衡约束和天然气量平衡约束，考虑P2G装置运行约束、微型燃气轮机运行约束、蓄电池及储气罐的运行约束；

步骤3、根据步骤2得到的可再生能源发电制气的综合能源站规划模型，分别建立计及不确定性的风电、光伏、电负荷以及天然气负荷的随机分布模型，采用机会约束规划处理相关随机变量，并引入置信度将上述随机机会约束规划模型转化为等价的风/光/荷随机机会约束规划模型；

步骤4、对步骤3的风/光/荷随机机会约束规划模型进行求解并输出求解结果，包括设备选型及其容量配置方案、该综合能源站的年综合费用。

具体的，步骤2中所述的以综合能源站年运行效益最大为目标的函数C为：

maxC＝C

式(1)中，运行收益C

C

式(2)中，

式(3)中，y表示设备的设计使用寿命，r为折现率，c

式(4)中，m

步骤2中所述的综合能源站内考虑电功率平衡约束、天然气流量平衡约束以及能量平衡约束包括：

(1)电能量平衡约束

式中，

(2)天然气气流量平衡约束

式中，η

步骤2中所述的P2G装置运行约束、微型燃气轮机运行约束、蓄电池及储气罐的运行约束包括：

(1)P2G装置运行约束

式中，

(2)微型燃气轮机运行约束

式中，

(3)蓄电池运行约束

式中，W

(4)储气罐运行约束

式中，P

步骤3中所述风/光/荷随机分布模型如下：

(1)风电随机出力分布模型

式中，c、k分别为威布尔分布的比例参数和形状参数；v为风速。

(2)光伏随机出力分布模型

式中，α、β为光伏发电的贝塔分布参数；Γ()为伽玛函数；e为光强标幺值。

(3)电负荷年用能需求量概率模型

式中，

(4)天然气负荷年用能需求量概率模型

式中，

步骤3中所述风/光/荷随机机会约束规划模型为：

式中，

以下具体举例说明：

基于本实施例上述方案，首先输入待规划综合能源站当地典型日的风、光的气象数据，输入当地典型日的电力、天然气等需求数据，如表1所示；

输入规划水平年电力、天然气负荷的需求量及其最大负荷利用小时数，输入规划水平年风电、光伏年发电小时数，如表2所示；

输入风机、光伏、P2G装置、微型燃气轮机、蓄电池和储气罐的投资费用、运行费用、设计使用年限以及基本规划单元容量，如表3所示；

输入风机、光伏出力模型参数，如表4所示；

考虑风、光出力不确定性以及电力、天然气负荷需求不确定性，建立可再生能源发电制气的综合能源站随机规划模型，并进行求解，得到在不同置信度下的规划结果，如表5所示。

表1典型日内24小时电、气需求量以及风、光条件

(数据来源亳州2018年配电网规划—华电公司)

表2规划水平年负荷需求及气象等条件

表3综合能站内设备相关参数

表4风电、光伏出力模型参数

表5不同置信度水平下设备容量配置

可见，本发明实施例的可再生能源发电制气的综合能源站的能量来源于站内安装的风电、光伏等可再生能源发电提供的电能，并将部分电能转化成天然气以满足用户的不同能源形式的需求，同时利用蓄电池和储气罐存储多余的电能和天然气，并在电力短缺的时候，通过蓄电池或微型燃气轮机转换为电能，实现电力系统的“削峰填谷”，保证电网的平稳运行。

同时，本发明提供一种使设备选型与容量规划更具科学性和准确性的、利用可再生能源发电制气的综合能源站规划方法，利用天然气易于存储的特点，将富余的可再生能源发电全部转化为天然气等清洁能源，实现可再生发电的全额消纳及电网的安全稳定运行，提供了天然气等形式的清洁能源，满足了不同用户的需求，保障了能源的供给的多样性、安全性。

另一方面，本发明实施例还公开一种可再生能源发电制气的综合能源站规划系统，包括以下单元，

信息输入单元，用于输入待规划综合能源站的能源供给及需求信息；

综合能源站规划模型建立单元，用于根据所提供的待规划综合能源站的能源供应及需求信息，建立可再生能源发电制气的综合能源站规划模型；

随机分布模型建立单元，用于根据得到的可再生能源发电制气的综合能源站规划模型，分别建立计及不确定性的风电、光伏、电负荷以及天然气负荷的随机分布模型，采用机会约束规划处理相关随机变量，并引入置信度将上述随机机会约束规划模型转化为等价的风/光/荷随机机会约束规划模型；

输出单元模块，用于对风/光/荷随机机会约束规划模型进行求解并输出求解结果。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。