本发明提供一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，涉及能源系统规划优化技术领域。方法包括：S1：建立区域电氢系统的架构；S2：选定规划周期及时间截面；S3：建立区域电氢系统的待优化变量；S4：建立优化目标函数；S5：建立约束条件方程；S6：配置优化算法；S7：更新当前时间截面的区域电氢系统的输入参数；S8：优化问题求解；S9：输出当前时间截面的区域电氢系统的优化结果，优化结果中的各设备装机作为设备已有装机反馈至下一时间截面优化；S10：判断当前时间截面是否为选定的最后时间截面，若否，返回S7，若是，结束。方法能够得到区域电氢系统脱碳进程中成本最优的容量配置和运行参数发展路径。
1.一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，所述区域电氢系统脱碳路径规划优化方法包括：S1：建立区域电氢系统（100）的架构；
S7：更新当前时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数；
S9：输出当前时间截面的区域电氢系统（100）的优化结果，优化结果中的各设备装机作为设备已有装机反馈至下一时间截面优化；
S10：判断当前时间截面是否为选定的最后时间截面，若否，返回S7，若是，结束本过程；
在S4中，所述优化目标函数为使得时间截面内系统总成本最低，包括系统内各模块的固定投资的分摊、固定的运维成本、变动的运行成本、碳排放的成本，表示为：式中： 指代系统内没有变动的运行成本的模块，包括不需要消耗燃料的电源模块、储电模块、电制氢模块、储氢模块和氢发电模块； 指代系统内存在变动的运行成本的模块，包括煤电模块（11）、气电模块（12）和核电模块（13）； 指代电力及氢能的输入、输出模块；
是模块 从上一时间截面到本时间截面期间需要新增的装机； 是模块 从上一时间截面到本时间截面期间需要新增的装机； 是上一时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均单位固定投资； 是上一时间截面到本时间截面期间所投运模块的平均单位固定投资； 是在上一时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均设计寿命； 是在上一时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均设计寿命； 是模块 在上一时间截面已有的装机； 是模块 在上一时间截面到本时间截面期间要退役的装机；
是模块 的年固定运维成本与固定投资的比例 是模块 的年固定运维成本与固定投资的比例； 是模块 在第 小时内的发电功率； 是模块 在上一时间截面到本时间截面期间的平均度电燃料成本； 是第 小时内电力/氢能的输入量或输出量；
是上一时间截面到本时间截面期间输入或输出电力/氢能的平均单价； 是系统年碳排放量； 是上一时间截面到本时间截面期间的平均碳价；
在S5中，所述约束条件方程包括系统平衡约束方程、系统模块约束方程、系统设计约束方程；
在S5中，所述系统平衡约束方程包括电力平衡节点方程和氢平衡节点方程；
式中： 是与该电力平衡节点相连的其他电力平衡节点 在第 小时与该电力平衡节点之间的功率交换； 是与该电力平衡节点相连的电源模块 在第 小时的功率；
是与该电力平衡节点相连的电力输入模块 在第 小时的输送功率； 是与该电力平衡节点相连的电力负荷模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电力输出模块 在第 小时的输送功率； 是与该电力平衡节点相连的储电模块在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的功率；流入该电力平衡节点的功率为正，流出该电力平衡节点的功率为负；
式中： 是与该氢平衡节点相连的其他氢平衡节点 在第 小时与该氢平衡节点之间的氢量交换； 是与该氢平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时的产氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的耗氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢输入模块 在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢负荷模块 在第 小时的用氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢输出模块 在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的储氢模块 在第 小时的充/放氢量；
流入该氢平衡节点的氢量为正，流出该氢平衡节点的氢量为负；
在S5中，所述系统模块约束方程包括电源模块约束方程、储电模块约束方程、电制氢模块约束方程、氢发电模块约束方程、氢负荷模块约束方程和储氢模块约束方程；
所述电源模块约束方程包括发电功率约束和可再生能源弃电率约束；
式中： 是非可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是非可再生电源模块 的装机容量；
式中： 是可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是可再生电源模块在第 小时的弃电功率； 是可再生电源模块 的装机容量； 是可再生电源模块 在第 小时的最大出力与装机容量之比；
所述储电模块约束方程包括荷电/储能状态约束、充放电功率约束和容量平衡约束；
式中： 和 分别是储电模块 的荷电/储能状态的下限和上限；
式中： 是储电模块 的容量； 是储电模块 的最大充电倍率；
是储电模块 的最大放电倍率； 是储电模块 的充放电功率；
式中： 是储电模块 充电的能量转换效率； 是储电模块 放电的能量转换效率； 是储电模块 每小时漏电量与容量之比； 是储电模块 的初始荷电/储能状态；
所述电制氢模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束；
式中： 是电制氢模块 的装机容量； 是电制氢模块 的运行功率；
式中： 是电制氢模块 的单位产氢量电耗； 是电制氢模块 的能量转换量；
所述氢发电模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束；
式中： 是氢发电模块 单位发电量的氢耗； 是氢发电模块的能量转换量；
式中： 是氢负荷模块 在所述时间截面内的年最大可能用氢量； 是氢负荷模块 在所述时间截面内的年产量/运输量； 是氢负荷模块 采用现有工艺的碳排放因子； 是氢负荷模块 现有工艺碳排放中通过氢替代实现减排的比例； 是氢负荷模块 每单位氢应用带来的减碳量； ；
所述储氢模块约束方程包括储氢状态约束、充放氢速率约束和容量平衡约束；
式中： 和 分别是储氢模块 的储氢状态的下限和上限；
式中： 是储氢模块 的容量； 是储氢模块 的最大充氢倍率；
式中： 是储氢模块 充氢过程的效率； 是储氢模块 放氢过程的效率； 是储氢模块 每小时漏氢量与容量之比； 是储氢模块 的初始储氢状态；
在S5中，所述系统设计约束方程包括系统碳排放约束、电源模块的装机容量的上下限约束、电力输入模块的年输入电量的上下限约束、电力输出模块的年输出电量的上下限约束、储电模块的容量的上下限约束、电制氢模块的装机容量的上下限约束、氢发电模块的装机容量的上下限约束、氢输入模块的年输入氢量的上下限约束、氢负荷模块的年用氢量的上下限约束、氢输出模块的年输出氢量的上下限约束、储氢模块的容量的上下限约束；
式中： 是电源模块 的碳排放因子； 是电力输入模块 的碳排放因子；
是电力输出模块 的碳排放因子； 是氢输入模块 的碳排放因子；
是氢输出模块 的碳排放因子； 是区域电氢系统在所述时间截面的碳排放上限； 效率； 是电力输入模块 的碳排放效率； 是电力输出模块 的碳排放效率； 是氢输入模块 的碳排放效率；
是氢输出模块 的碳排放效率； 是氢负荷模块 在时间截面内的年产量/运输量； 是氢负荷模块 采用现有工艺的碳排放因子； 是氢负荷模块 现有工艺碳排放中可以通过氢替代实现减排的比例； 是氢负荷模块 每单位氢应用带来的减碳量。
2.根据权利要求1所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S1中，所述区域电氢系统（100）包括电源单元（1）、电力输入单元（2）、电力平衡单元（3）、电力负荷单元（4）、储电单元（5）、电制氢单元（6）、氢发电单元（7）、氢输入单元（8）、储氢单元（9）、氢平衡单元（10）、氢负荷单元（18）、电力输出单元（19）和氢输出单元（20）；
所述电源单元（1）、所述电力输入单元（2）、所述电力输出单元（19）、所述电力负荷单元（4）、所述储电单元（5）、所述电制氢单元（6）、所述氢发电单元（7）均与所述电力平衡单元（3）相连，所述电制氢单元（6）、所述氢发电单元（7）、所述氢输入单元（8）、所述储氢单元（9）、所述氢输出单元（20）、所述氢负荷单元（18）均与所述氢平衡单元（10）相连。
3.根据权利要求2所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S1中，所述电力平衡单元（3）为一个或多个，多个所述电力平衡单元（3）之间相互连接，相互连接的所述电力平衡单元（3）之间有双向或单向的电力传输；所述氢平衡单元（10）为一个或多个，多个所述氢平衡单元（10）之间相互连接，相互连接的所述氢平衡单元（10）之间有双向或单向的氢传输。
4.根据权利要求1所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S2中，所述规划周期的跨度为多个连续自然年，单个所述时间截面为所述规划周期内的一个自然年，所述时间截面为一个或多个。
5.根据权利要求1所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S3中，所述区域电氢系统（100）的待优化变量包括实型变量和一维数组变量。
6.根据权利要求5所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，所述实型变量包括所述区域电氢系统（100）中所选时间截面的每一个电源模块的装机容量、每一个电力输入模块的年输入电量、每一个电力输出模块的年输出电量、每一个储电模块的容量、每一个电制氢模块的装机容量、每一个氢发电模块的装机容量、每一个氢输入模块的年输入氢量、每一个氢负荷模块的年用氢量、每一个氢输出模块的年输出氢量和每一个储氢模块的容量；
每一个所述一维数组变量包括8760个所述实型变量，所述一维数组变量包括所述区域电氢系统（100）中所选时间截面的每一个电源模块的逐时发电功率、每一个电源模块的逐时弃电功率、每一个储电模块的逐时充放电功率、每一个储电模块的逐时荷电/储能状态、每一个电制氢模块的逐时运行功率、每一个电制氢模块的逐时产氢速率、每一个氢发电模块的逐时发电功率、每一个氢发电模块的逐时耗氢速率、每一个储氢模块的逐时充放氢速率、每一个储氢模块的逐时储氢状态。
7.根据权利要求1所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S6中，所述配置优化算法根据所述优化目标函数及约束条件方程选用MATLAB中的linprog求解器。
8.根据权利要求1所述的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其特征在于，在S7中，当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数包括每一个电源模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、碳排放因子、单位固定投资、平均设计寿命、年固定运维成本与固定投资之比、度电燃料成本、可再生能源的逐时最大出力与装机容量之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括电力输入模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括电力负荷模块的逐时功率；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括电力输出模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括每一个储电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充电倍率、最大放电倍率、充电过程的能量转换效率、放电过程的能量转换效率、每小时漏电量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括电制氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位产氢量电耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括每一个氢发电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位发电量的氢耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括氢输入模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括每一个氢负荷模块的逐时用氢量与峰值用氢量之比、年产量/运输量、采用现有工艺的碳排放因子、现有工艺碳排放中通过氢替代实现减排的比例、每单位氢应用带来的减碳量以及氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括每一个氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
当前所述时间截面的区域电氢系统（100）的输入参数还包括每一个储氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充氢倍率、最大放氢倍率、充氢过程的效率、放氢过程的效率、每小时漏氢量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比。
区域电氢系统脱碳路径规划优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及能源系统规划优化技术领域，具体而言，涉及一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法。
背景技术
[0002] 电力行业的脱碳是实现双碳目标最重要的环节。由于风、光等新能源具有波动性强、不易预测和调节的特点，因此新型电力系统将需要配置大规模的储能以及海量可调节负荷来提供调峰、调频等服务，以保障电力系统安全、满足电力负荷需求。
[0003] 氢能是一种清洁、高效的二次能源，可以通过电解水大规模制取，可存储，可通过燃料电池、氢燃气轮机等设备发电。除电力行业外，钢铁、水泥、石化和化工是碳排放占比最高的细分行业，对这些行业的脱碳同样至关重要。这三个行业难以直接通过电气化实现大规模脱碳，而绿氢通过应用到钢铁行业替代煤/天然气提供还原剂和高温工业热、应用到水泥行业替代煤/天然气提供高温工业热、应用到石化和化工行业替代煤/天然气制氢，是这些行业脱碳的重要甚至必选路径。因此，氢能既可以在源端支撑可再生能源规模化开发，又能在负荷端实现钢铁、水泥、石油化工等难脱碳行业的深度脱碳，能在共同支撑双碳目标实现的过程中，与电力高效互补协同，实现1+1>2的效果。
[0004] 电力系统和氢能系统都是非常复杂的系统，这两个系统之间的互动更增加了整个系统的复杂度。对于电力系统，相关单位每年都会开展大量的规划研究设计工作，有力保障了电力系统的清洁低碳、安全高效运行和发展。由于系统复杂度的提高，将电氢系统作为整体进行规划，对于未来电力‑氢能系统的清洁低碳、安全高效运行则更加重要。
[0005] 因此，迫切需要一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，以得到区域电氢系统协同脱碳的成本优化路径，满足碳达峰、碳中和路径规划的需求。
发明内容
[0006] 本发明的目的包括提供了一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，其能够得到区域电氢系统脱碳进程中成本最优的容量配置和运行参数发展路径，满足碳达峰、碳中和路径规划的需求。
[0007] 本发明的实施例可以这样实现：
[0008] 本发明提供一种区域电氢系统脱碳路径规划优化方法，区域电氢系统脱碳路径规划优化方法包括：
[0009] S1：建立区域电氢系统的架构；
[0010] S2：选定规划周期及时间截面；
[0011] S3：建立区域电氢系统的待优化变量；
[0012] S4：建立优化目标函数；
[0013] S5：建立约束条件方程；
[0014] S6：配置优化算法；
[0015] S7：更新当前时间截面的区域电氢系统的输入参数；
[0016] S8：优化问题求解；
[0017] S9：输出当前时间截面的区域电氢系统的优化结果，优化结果中的各设备装机作为设备已有装机反馈至下一时间截面优化；
[0018] S10：判断当前时间截面是否为选定的最后时间截面，若否，返回S7，若是，结束本过程。
[0019] 在可选的实施方式中，在S1中，区域电氢系统包括电源单元、电力输入单元、电力平衡单元、电力负荷单元、储电单元、电制氢单元、氢发电单元、氢输入单元、储氢单元、氢平衡单元、氢负荷单元、电力输出单元和氢输出单元；
[0020] 电源单元、电力输入单元、电力输出单元、电力负荷单元、储电单元、电制氢单元、氢发电单元均与电力平衡单元相连，电制氢单元、氢输入单元、氢输出单元、氢发电单元、储氢单元、氢负荷单元均与氢平衡单元相连。
[0021] 在可选的实施方式中，在S1中，电力平衡单元为一个或多个，多个电力平衡单元之间相互连接，相互连接的电力平衡单元之间有双向或单向的电力传输；氢平衡单元为一个或多个，多个氢平衡单元之间相互连接，相互连接的氢平衡单元之间有双向或单向的氢传输。
[0022] 在可选的实施方式中，在S2中，规划周期的跨度为多个连续自然年，单个时间截面为规划周期内的一个自然年，时间截面为一个或多个。
[0023] 在可选的实施方式中，在S3中，区域电氢系统的待优化变量包括实型变量和一维数组变量。
[0024] 在可选的实施方式中，实型变量包括所述区域电氢系统中所选时间截面的每一个电源模块的装机容量、每一个电力输入模块的年输入电量、每一个电力输出模块的年输出电量、每一个储电模块的容量、每一个电制氢模块的装机容量、每一个氢发电模块的装机容量、每一个氢输入模块的年输入氢量、每一个氢负荷模块的年用氢量、每一个氢输出模块的年输出氢量和每一个储氢模块的容量；
[0025] 每一个一维数组变量包括8760个实型变量，一维数组变量包括区域电氢系统中所选时间截面的每一个电源模块的逐时发电功率、每一个电源模块的逐时弃电功率、每一个储电模块的逐时充放电功率、每一个储电模块的逐时荷电/储能状态、每一个电制氢模块的逐时运行功率、每一个电制氢模块的逐时产氢速率、每一个氢发电模块的逐时发电功率、每一个氢发电模块的逐时耗氢速率、每一个储氢模块的逐时充放氢速率、每一个储氢模块的逐时储氢状态。
[0026] 在可选的实施方式中，在S4中，优化目标函数为使得时间截面内系统总成本最低，包括系统内各模块的固定投资的分摊、固定的运维成本、变动的运行成本、碳排放的成本，表示为：
[0027]
[0028] 式中： 指代系统内没有变动的运行成本的模块，包括不需要消耗燃料的电源模块、储电模块、电制氢模块、储氢模块、氢发电模块等； 指代系统内存在变动的运行成本的模块，包括煤电模块、气电模块、核电模块等需要消耗燃料的电源模块； 指代电力及氢能的输入、输出模块； 是模块 从上一时间截面到本时间截面期间需要新增的装机；是上一时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均单位固定投资； 是在上一
时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均设计寿命； 是模块 在上一时间截面已有的装机； 是模块 在上一时间截面到本时间截面期间要退役的装机；
是模块 的年固定运维成本与固定投资的比例； 是模块 在第 小时内的发电功率；
是模块 在上一时间截面到本时间截面期间的平均度电燃料成本； 是第 小时内
电力/氢能的输入量或输出量； 是上一时间截面到本时间截面期间输入或输出电力/氢能的平均单价； 是系统年碳排放量； 是上一时间截面到本时间截面期间的平均碳价。
[0029] 在可选的实施方式中，在S5中，约束条件方程包括系统平衡约束方程、系统模块约束方程、系统设计约束方程。
[0030] 在可选的实施方式中，在S5中，系统平衡约束方程包括电力平衡节点方程和氢平衡节点方程；
[0031] 所述电力平衡节点方程为：
[0032]
[0033] 式中： 是与该电力平衡节点相连的其他电力平衡节点 在第 小时与该电力平衡节点之间的功率交换； 是与该电力平衡节点相连的电源模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电力输入模块 在第 小时的输送功率； 是
与该电力平衡节点相连的电力负荷模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电力输出模块 在第 小时的输送功率； 是与该电力平衡节点相连的储电
模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时
的功率； 是与该电力平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的功率。流入该电
力平衡节点的功率为正，流出该电力平衡节点的功率为负；
[0034] 所述氢平衡节点方程为：
[0035]
[0036] 式中： 是与该氢平衡节点相连的其他氢平衡节点 在第 小时与该氢平衡节点之间的氢量交换； 是与该氢平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时的产
氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的耗氢量； 是与
该氢平衡节点相连的氢输入模块 在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢负荷模块 在第 小时的用氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢输出模块
在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的储氢模块 在第 小时的充/放氢
量。流入该氢平衡节点的氢量为正，流出该氢平衡节点的氢量为负。
[0037] 在可选的实施方式中，在S5中，系统模块约束方程包括电源模块约束方程、储电模块约束方程、电制氢模块约束方程、氢发电模块约束方程、氢负荷模块约束方程和储氢模块约束方程；电源模块约束方程包括发电功率约束和可再生能源弃电率约束；
[0038] 发电功率约束为：
[0039]
[0040] 式中： 是非可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是非可再生电源模块 的装机容量；
[0041]
[0042] 式中： 是可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是可再生电源模块 在第 小时的弃电功率； 是可再生电源模块 的装机容量； 是可再
生电源模块 在第 小时的最大出力与装机容量之比；
[0043] 可再生能源弃电率约束为：
[0044]
[0045] 式中： 是可再生电源模块 的全年平均弃电率上限；
[0046] 储电模块约束方程包括荷电/储能状态约束、充放电功率约束和容量平衡约束；
[0047] 荷电/储能状态约束为：
[0048]
[0049] 式中： 和 分别是储电模块 的荷电/储能状态的下限和上限； 是储电模块 在第 小时的荷电/储能状态；
[0050] 充放电功率约束为：
[0051]
[0052] 式中： 是储电模块 的容量； 是储电模块 的最大充电倍率；是储电模块 的最大放电倍率；
[0053] 容量平衡约束为：
[0054] 若 ，
[0055]
[0056] 若 ，
[0057]
[0058] 式中： 是储电模块 充电的能量转换效率； 是储电模块 放电的能量转换效率； 是储电模块 每小时漏电量与容量之比； 是储电模块 的
初始荷电/储能状态；
[0059] 电制氢模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束；
[0060] 运行功率约束为：
[0061]
[0062] 式中： 是电制氢模块 的装机容量；
[0063] 能量转换约束为：
[0064]
[0065] 式中： 是电制氢模块 的单位产氢量电耗；
[0066] 氢发电模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束；
[0067] 运行功率约束为：
[0068]
[0069] 式中： 是氢发电模块 的装机容量；
[0070] 能量转换约束为：
[0071]
[0072] 式中： 是氢发电模块 单位发电量的氢耗；
[0073] 氢负荷模块约束方程包括用氢量约束；
[0074] 用氢量约束为：
[0075]
[0076] 式中： 是氢负荷模块 在时间截面内的年最大可能用氢量； 是氢负荷模块 在时间截面内的年产量/运输量； 是氢负荷模块 采用现有工艺的碳排放
因子； 是氢负荷模块 现有工艺碳排放中可以通过氢替代实现减排的比例； 是
氢负荷模块 每单位氢应用带来的减碳量；
[0077] 储氢模块约束方程包括储氢状态约束、充放氢速率约束和容量平衡约束；
[0078] 储氢状态约束为：
[0079]
[0080] 式中： 和 分别是储氢模块 的储氢状态的下限和上限；是储氢模块 在第 小时的储氢状态；
[0081] 充放氢速率约束为：
[0082]
[0083] 式中： 是储氢模块 的容量； 是储氢模块 的最大充氢倍率；是储氢模块 的最大放氢倍率；
[0084] 容量平衡约束为：
[0085] 若 ，
[0086]
[0087] 若 ，
[0088]
[0089] 式中： 是储氢模块 充氢过程的效率； 是储氢模块 放氢过程的效率； 是储氢模块 每小时漏氢量与容量之比； 是储氢模块 的初始储
氢状态。
[0090] 在可选的实施方式中，在S5中，系统设计约束方程包括系统碳排放约束、电源模块的装机容量的上下限约束、电力输入模块的年输入电量的上下限约束、电力输出模块的年输出电量的上下限约束、储电模块的容量的上下限约束、电制氢模块的装机容量的上下限约束、氢发电模块的装机容量的上下限约束、氢输入模块的年输入氢量的上下限约束、氢负荷模块的年用氢量的上下限约束、氢输出模块的年输出氢量的上下限约束、储氢模块的容量的上下限约束；
[0091] 其中，系统碳排放约束为：
[0092]
[0093] 式中： 是电源模块 的碳排放因子； 是电力输入模块 的碳排放因子； 是电力输出模块 的碳排放因子； 是氢输入模块 的碳排放因子；
是氢输出模块 的碳排放因子； 是区域电氢系统在所述时间截面的碳
排放上限。
[0094] 在可选的实施方式中，在S6中，配置优化算法根据优化目标函数及约束条件方程选用MATLAB中的linprog求解器。
[0095] 在可选的实施方式中，在S7中，当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数包括每一个电源模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、碳排放因子、单位固定投资、平均设计寿命、年固定运维成本与固定投资之比、度电燃料成本、可再生能源的逐时最大出力与装机容量之比；
[0096] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括电力输入模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
[0097] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括电力负荷模块的逐时功率；
[0098] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括电力输出模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
[0099] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括每一个储电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充电倍率、最大放电倍率、充电过程的能量转换效率、放电过程的能量转换效率、每小时漏电量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0100] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括电制氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位产氢量电耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0101] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括每一个氢发电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位发电量的氢耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0102] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括氢输入模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0103] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括每一个氢负荷模块的逐时用氢量与峰值用氢量之比、年产量/运输量、采用现有工艺的碳排放因子、现有工艺碳排放中通过氢替代实现减排的比例、每单位氢应用带来的减碳量以及氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0104] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括每一个氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0105] 当前所述时间截面的区域电氢系统的输入参数还包括每一个储氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充氢倍率、最大放氢倍率、充氢过程的效率、放氢过程的效率、每小时漏氢量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比。
[0106] 本发明实施例提供的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法的有益效果包括：
[0107] 1.为区域电氢系统脱碳路径的规划提供了一套方法和工具；
[0108] 2.该方法可以实现区域内电氢系统在迈向碳中和的进程中，系统总成本最优的各组成元素的容量配置的优化；
[0109] 3.该方法可以得到区域内电氢系统各组成元素在选定规划周期及时间截面内的逐时运行参数，可以指导其未来运行方式的选择以及电氢系统的运行调度安排；
[0110] 4.该方法具有较高的灵活性，可根据规划区域的特点以及对空间分辨率的需求，选择确定系统中考虑的元素及模块的类型和数量。
附图说明
[0111] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0112] 图1为本发明实施例提供的区域电氢系统脱碳路径规划优化方法的流程图；
[0113] 图2为本发明实施例提供的区域电氢系统的架构图。
[0114] 图标：100‑区域电氢系统；1‑电源单元；11‑煤电模块；12‑气电模块；13‑核电模块；14‑水电模块；15‑海上风电模块；16‑陆上风电模块；17‑光伏模块；2‑电力输入单元；3‑电力平衡单元；4‑电力负荷单元；5‑储电单元；51‑电池模块；52‑抽水储能模块；6‑电制氢单元；
7‑氢发电单元；71‑燃料电池模块；72‑燃氢轮机模块；8‑氢输入单元；9‑储氢单元；91‑盐穴储氢模块；92‑高压储罐模块；10‑氢平衡单元；18‑氢负荷单元；181‑钢铁模块；182‑水泥模块；183‑化工模块；184‑道路货运模块；185‑航运模块；186‑航空模块；19‑电力输出单元；
20‑氢输出单元。
具体实施方式
[0115] 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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0116] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0117] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0118] 在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0119] 此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0120] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
[0121] 请参考图1，本实施例提供了一种区域电氢系统100脱碳路径规划优化方法，包括以下步骤：
[0122] S1：建立区域电氢系统100的架构。
[0123] 请参阅图2，区域电氢系统100包括电源单元1、电力输入单元2、电力平衡单元3、电力负荷单元4、储电单元5、电制氢单元6、氢发电单元7、氢输入单元8、储氢单元9、氢平衡单元10、氢负荷单元18、电力输出单元19和氢输出单元20。
[0124] 其中，电力平衡单元3为一个或多个，多个电力平衡单元3之间相互连接，相互连接的电力平衡单元3之间有双向或单向的电力传输；氢平衡单元10为一个或多个，多个氢平衡单元10之间相互连接，相互连接的氢平衡单元10之间有双向或单向的氢传输。
[0125] 电源单元1可以包括煤电模块11、气电模块12、核电模块13、水电模块14、海上风电模块15、陆上风电模块16、光伏模块17以及规划区域内考虑的其他电源模块类型。每一种电源模块类型可以包含一个或多个模块，每一个电源模块与一个电力平衡单元3相连。
[0126] 电力输入单元2可以包含一个或多个电力输入模块，每一个电力输入模块与一个电力平衡单元3相连；
[0127] 电力负荷单元4可以包含一个或多个电力负荷模块，每一个电力负荷模块与一个电力平衡单元3相连。
[0128] 电力输出单元19可以包含一个或多个电力输出模块，每一个电力输出模块与一个电力平衡单元3相连。
[0129] 储电单元5可以包括电池模块51、抽水储能模块52、飞轮模块以及规划区域内考虑的其他储电单元类型。每一个储电单元可以包含一个或多个模块，每一个储电模块与电力平衡单元3相连。
[0130] 电制氢单元6包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢以及规划区域内考虑的其他电制氢模块类型，每一个电制氢单元6可以包含一个或多个模块，每一个电制氢模块分别与一个电力平衡单元3和一个氢平衡单元10相连。
[0131] 氢发电单元7可以包括燃料电池模块71、燃氢轮机模块72以及规划区域内考虑的其他氢发电模块类型。每一个氢发电单元7可以包含一个或多个模块，每一个氢发电模块分别与电力平衡单元3和氢平衡单元10相连。
[0132] 氢输入单元8可以包含一个或多个氢输入模块，每一个氢输入模块与一个氢平衡单元10相连。
[0133] 氢输出单元20可以包含一个或多个氢输出模块，每一个氢输出模块与一个氢平衡单元10相连。
[0134] 氢负荷单元18可以包括钢铁模块181、水泥模块182、化工模块183、道路货运模块184、航运模块185、航空模块186以及规划区域内考虑的其他氢负荷模块类型。每一个氢负荷单元18可以包含一个或多个模块，每一个氢负荷模块与氢平衡单元10相连。
[0135] 储氢单元9可以包括盐穴储氢模块91、高压储罐模块92以及规划区域内考虑的其他储氢模块类型。每一个储氢单元9可以包含一个或多个模块，每一个储氢模块与氢平衡单元10相连。
[0136] S2：选定规划周期及时间截面。
[0137] 规划周期的跨度可以为2020‑2060年，单个时间截面为规划周期内的一个自然年，时间截面选定为2025、2030、2035、2040、2050、2060年。
[0138] S3：建立区域电氢系统100的待优化变量。
[0139] 区域电氢系统100的待优化变量包括实型变量和一维数组变量这两类。
[0140] 实型变量包括所述区域电氢系统100中所选时间截面的每一个电源模块的装机容量、每一个电力输入模块的年输入电量、每一个电力输出模块的年输出电量、每一个储电模块的容量、每一个电制氢模块的装机容量、每一个氢发电模块的装机容量、每一个氢输入模块的年输入氢量、每一个氢负荷模块的年用氢量、每一个氢输出模块的年输出氢量和每一个储氢模块的容量。
[0141] 每一个一维数组变量均由8760个实型变量组成。一维数组变量包括区域电氢系统100中所选时间截面的每一个电源模块的逐时发电功率、每一个电源模块的逐时弃电功率（仅对可再生能源存在此变量）、每一个储电模块的逐时充放电功率、每一个储电模块的逐时荷电/储能状态（储电量与容量之比）、每一个电制氢模块的逐时运行功率、每一个电制氢模块的逐时产氢速率、每一个氢发电模块的逐时发电功率、每一个氢发电模块的逐时耗氢速率、每一个储氢模块的逐时充放氢速率、每一个储氢模块的逐时储氢状态（储氢量与容量之比）。
[0142] S4：建立优化目标函数。
[0143] 优化目标函数为使得时间截面内系统总成本最低，包括系统内各模块的固定投资的分摊、固定的运维成本、变动的运行成本、碳排放的成本，可表示为：
[0144]
[0145] 式中： 指代系统内没有变动的运行成本的模块，包括不需要消耗燃料的电源模块、储电模块、电制氢模块、储氢模块、氢发电模块等； 指代系统内存在变动的运行成本的模块，包括煤电模块11、气电模块12、核电模块13等需要消耗燃料的电源模块； 指代电力及氢能的输入模块； 是模块 从上一时间截面到本时间截面期间需要新增的装机； 是模块 从上一时间截面到本时间截面期间需要新增的装机； 是上一时间
截面到本时间截面期间所投运模块 的平均单位固定投资；
是在上一时间截面到本时间
截面期间所投运模块 的平均设计寿命； 是在上一时间截面到本时间截面期间所投运模块 的平均设计寿命； 是模块 在上一时间截面已有的装机； 是模块 在
上一时间截面到本时间截面期间要退役的装机；
是模块
的年固定运维成本与固定投资的比例； 是模块 在第 小时内的发电功率； 是
模块 在上一时间截面到本时间截面期间的平均度电燃料成本； 是第 小时内电力/氢能的输入量或输出量； 是上一时间截面到本时间截面期间输入或输出电力/氢能的平均单价； 是系统年碳排放量； 是上一时间截面到本时间截面期间的平均碳价。
[0146] S5：建立约束条件方程。
[0147] 约束条件方程包括系统平衡约束方程、系统模块约束方程、系统设计约束方程这三类。其中，系统平衡约束方程包括电力平衡节点方程和氢平衡节点方程这两类。
[0148] 电力平衡节点方程为：
[0149]
[0150] 式中： 是与该电力平衡节点相连的其他电力平衡节点 在第 小时与该电力平衡节点之间的功率交换； 是与该电力平衡节点相连的电源模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电力输入模块 在第 小时的输送功率； 是
与该电力平衡节点相连的电力负荷模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电力输出模块 在第 小时的输送功率； 是与该电力平衡节点相连的储电
模块 在第 小时的功率； 是与该电力平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时
的功率； 是与该电力平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的功率。流入该电
力平衡节点的功率为正，流出该电力平衡节点的功率为负。
[0151] 氢平衡节点方程为：
[0152]
[0153] 式中： 是与该氢平衡节点相连的其他氢平衡节点 在第 小时与该氢平衡节点之间的氢量交换； 是与该氢平衡节点相连的电制氢模块 在第 小时的产
氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢发电模块 在第 小时的耗氢量； 是与
该氢平衡节点相连的氢输入模块 在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢负荷模块 在第 小时的用氢量； 是与该氢平衡节点相连的氢输出模块
在第 小时的输氢量； 是与该氢平衡节点相连的储氢模块 在第 小时的充/放氢
量。流入该氢平衡节点的氢量为正，流出该氢平衡节点的氢量为负。
[0154] 系统模块约束方程包括电源模块约束方程、储电模块约束方程、电制氢模块约束方程、氢发电模块约束方程、氢负荷模块约束方程和储氢模块约束方程。
[0155] 电源模块约束方程包括发电功率约束和可再生能源弃电率约束。
[0156] 发电功率约束为：
[0157]
[0158] 式中： 是非可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是非可再生电源模块 的装机容量。
[0159]
[0160] 式中： 是可再生电源模块 在第 小时的发电功率； 是可再生电源模块 在第 小时的弃电功率； 是可再生电源模块 的装机容量； 是可再
生电源模块 在第 小时的最大出力与装机容量之比。
[0161] 可再生能源弃电率约束为：
[0162]
[0163] 式中： 是可再生电源模块 的全年平均弃电率上限。
[0164] 储电模块约束方程包括荷电/储能状态约束、充放电功率约束和容量平衡约束。
[0165] 荷电/储能状态约束为：
[0166]
[0167] 式中： 和 分别是储电模块 的荷电/储能状态的下限和上限； 是储电模块 在第 小时的荷电/储能状态。
[0168] 充放电功率约束为：
[0169]
[0170] 式中： 是储电模块 的容量； 是储电模块 的最大充电倍率；是储电模块 的最大放电倍率； 是储电模块 的充放电功率。
[0171] 容量平衡约束为：
[0172] 若 ，
[0173]
[0174] 若 ，
[0175]
[0176] 式中： 是储电模块 充电的能量转换效率； 是储电模块 放电的能量转换效率； 是储电模块 每小时漏电量与容量之比； 是储电模块 的
初始荷电/储能状态。
[0177] 电制氢模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束。
[0178] 运行功率约束为：
[0179]
[0180] 式中： 是电制氢模块 的装机容量； 是电制氢模块 的运行功率。
[0181] 能量转换约束为：
[0182]
[0183] 式中： 是电制氢模块 的单位产氢量电耗； 是电制氢模块 的能量转换量。
[0184] 氢发电模块约束方程包括运行功率约束和能量转换约束。
[0185] 运行功率约束为：
[0186]
[0187] 式中： 是氢发电模块 的装机容量。
[0188] 能量转换约束为：
[0189]
[0190] 式中： 是氢发电模块 单位发电量的氢耗； 是氢发电模块。
[0191] 氢负荷模块约束方程包括用氢量约束。
[0192] 用氢量约束为：
[0193]
[0194] 式中： 是氢负荷模块 在时间截面内的年最大可能用氢量； 是氢负荷模块 在时间截面内的年产量/运输量； 是氢负荷模块 采用现有工艺的碳排放
因子； 是氢负荷模块 现有工艺碳排放中可以通过氢替代实现减排的比例； 是
氢负荷模块 每单位氢应用带来的减碳量； 。
[0195] 储氢模块约束方程包括储氢状态约束、充放氢速率约束和容量平衡约束。
[0196] 储氢状态约束为：
[0197]
[0198] 式中： 和 分别是储氢模块 的储氢状态的下限和上限；是储氢模块 在第 小时的储氢状态。
[0199] 充放氢速率约束为：
[0200]
[0201] 式中： 是储氢模块 的容量； 是储氢模块 的最大充氢倍率；是储氢模块 的最大放氢倍率； 。
[0202] 容量平衡约束为：
[0203] 若 ，
[0204]
[0205] 若 ，
[0206]
[0207] 式中： 是储氢模块 充氢过程的效率； 是储氢模块 放氢过程的效率； 是储氢模块 每小时漏氢量与容量之比； 是储氢模块 的初始储
氢状态。
[0208] 系统设计约束方程包括系统碳排放约束、电源模块的装机容量的上下限约束、电力输入模块的年输入电量的上下限约束、电力输出模块的年输出电量的上下限约束、储电模块的容量的上下限约束、电制氢模块的装机容量的上下限约束、氢发电模块的装机容量的上下限约束、氢输入模块的年输入氢量的上下限约束、氢负荷模块的年用氢量的上下限约束、氢输出模块的年输出氢量的上下限约束、储氢模块的容量的上下限约束。
[0209] 系统碳排放约束为：
[0210]
[0211] 式中： 是电源模块 的碳排放因子； 是电力输入模块 的碳排放因子； 是电力输出模块 的碳排放因子； 是氢输入模块 的碳排放因子；
是氢输出模块 的碳排放因子； 是区域电氢系统在所述时间截面的碳
排放上限。
[0212] S6：配置优化算法。
[0213] 配置优化算法包括根据优化目标函数及约束条件方程（线性规划问题）选用商用软件中的求解器或自行编写求解算法。本实施例中，配置优化算法根据优化目标函数及约束条件方程选用MATLAB中的linprog求解器。
[0214] S7：更新当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数。
[0215] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数包括每一个电源模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、碳排放因子、单位固定投资、平均设计寿命、年固定运维成本与固定投资之比、度电燃料成本、可再生能源的逐时最大出力与装机容量之比；
[0216] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括电力输入模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
[0217] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括电力负荷模块的逐时功率；
[0218] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括电力输出模块的逐时输送功率与峰值输送功率之比；
[0219] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括每一个储电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充电倍率、最大放电倍率、充电过程的能量转换效率、放电过程的能量转换效率、每小时漏电量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0220] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括电制氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位产氢量电耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0221] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括每一个氢发电模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、单位发电量的氢耗、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比；
[0222] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括氢输入模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0223] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括每一个氢负荷模块的逐时用氢量与峰值用氢量之比、年产量/运输量、采用现有工艺的碳排放因子、现有工艺碳排放中通过氢替代实现减排的比例、每单位氢应用带来的减碳量以及氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0224] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括每一个氢输出模块的逐时输氢量与峰值输氢量之比；
[0225] 当前时间截面的区域电氢系统100的输入参数还包括每一个储氢模块的初始已有装机容量、装机容量的上下限、最大充氢倍率、最大放氢倍率、充氢过程的效率、放氢过程的效率、每小时漏氢量与容量之比、单位固定投资、平均设计寿命以及年固定运维成本与固定投资之比。S8：优化问题求解。
[0226] S9：输出当前时间截面的区域电氢系统100的优化结果，优化结果中的各设备装机作为设备已有装机反馈至下一时间截面优化。
[0227] S10：判断当前时间截面是否为选定的最后时间截面，若否，返回S7，若是，结束本过程。
[0228] 本实施例提供的区域电氢系统100脱碳路径规划优化方法的有益效果包括：
[0229] 1.充分考虑系统内电源、负荷、储能、制氢、储氢等各组成元素，考虑整个系统内的固定投资成本、运维成本、碳排放成本，考虑电平衡、氢平衡、碳排放、设备运行等各方面约束，得到区域电氢系统100脱碳进程中成本最优的容量配置和运行参数发展路径，具有一定的现实意义；
[0230] 2.为区域电氢系统100脱碳路径的规划提供了一套方法和工具；
[0231] 3.该方法可以实现区域内电氢系统在迈向碳中和的进程中，系统总成本最优的各组成元素的容量配置的优化；
[0232] 4.该方法可以得到区域内电氢系统各组成元素在选定规划周期及时间截面内的逐时运行参数，可以指导其未来运行方式的选择以及电氢系统的运行调度安排；
[0233] 5.该方法具有较高的灵活性，可根据规划区域的特点以及对空间分辨率的需求，选择确定系统中考虑的元素及模块的类型和数量。
[0234] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
