本发明属于电氢制充注一体站规划，具体涉及一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法。
背景技术：
1、随着能源结构的绿色转型和双碳目标的提出，新能源汽车作为交通领域脱碳发展的关键受到广泛关注。在低碳出行的大背景下，乘坐新能源汽车出行已成为当今时代的主流，新能源汽车发展需要多个技术成熟的电氢制充注一体站配置做支撑。新能源汽车主要利用电、氢两种清洁能源代替传统燃油动力，有效降低化石燃料的使用，同时电能和氢能都属于二次能源，制取方式广泛，使用过程无污染。新能源汽车的用能需求不仅会影响交通网络的道路流量，同时还会影响配电网运行状态，在研究新能源汽车的充能需求时空分布预测时需要考虑“车-路-网”耦合情况。
2、同时加氢站根据制氢过程的位置可分为能源站外制氢和能源站内制氢，其中站外制氢需要依靠长管拖车运输氢气，增加了运输成本和安全风险。同时由于目前新能源汽车是以电动汽车为主体，氢燃料电池汽车市场保有量小，建立单独的加氢站基础设施成本高。因此将电网供电、电动汽车充电、站内制取、压缩、存储氢气、燃料电池汽车加氢相融合构建电氢制充注一体站可有效降低运行成本问题。电氢制充注一体站涉及能源制取、转换、消费3个过程，配电系统的潮流分布、一体站内部多种设备的能量流动以及新能源汽车电氢需求时空分布情况都会影响一体站的选址和容量规划，使得充能站选址定容规划面临较大的挑战。
技术实现思路
1、本发明的目的在于设计出一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述规划方法如下：
4、s1：分析电、氢新能源汽车电池参数、充能特性和行驶特性，并对其出行规律和充能规律分析和概率建模；
5、s2：针对城市路网特点引入时间-流量模型分析交通道路的拓扑结构，并构建新能源汽车、交通网和配电网的模型；
6、s3：根据新能源汽车分配的起始节点和目的地节点，采用实时dijkstra算法搜索两点间行程时间最小路径，刻画车辆动态行驶轨迹；
7、s4：基于新能源汽车电池参数和充能特性采用蒙特卡洛抽样模拟了新能源汽车行程，建立考虑车-路-网耦合的新能源汽车电氢需求预测模型；
8、s5：分析能源生产、电氢制充注一体站、能源消费三个环节中电氢能量流动关系，构建以三者为主体的运行架构；
9、s6：考虑制取、压缩和存储氢气的全过程，构建电氢制充注一体站能量流动模型；
10、s7：建立以投资、运行、网损等经济性成本最小为目标的区域电氢制充注一体站规划模型，并对路-网耦合约束、配电网和电氢制充注一体站设备安全运行约束；
11、s8：针对区域电氢制充注一体站规划模型中的电压电流非线性约束条件问题，采用二阶锥松弛方法将混合整数非线性规划模型转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解；
12、s9：以某市城区部分干道为例，通过算例预测该区域新能源汽车电氢需求的时空分布情况；
13、s10：基于区域新能源汽车电氢需求的时空分布情况的预测结果确定电氢制充注一体站的最优站址和设备容量规划。
14、进一步的，s1中具体步骤如下：
15、1)分析电、氢新能源汽车电池参数，主要涉及容量、功率、能量密度、内阻、电压、电流、储氢量等多种性能参数；
16、2)分析电、氢新能源汽车充能特性，纯电动汽车充能方式主要包括整车充电模式和换电模式；氢燃料电池汽车按加注压力等级划分，加氢站的压力等级可以分为35mpa、70mpa以及兼容35mpa/70mpa三类；
17、3)分析电、氢新能源汽车行驶特性，包括初始荷能状态、充能时间、开始充能时间等并对其出行规律和充能规律分析和概率建模；
18、充能时间可以表示为：
19、
20、式中：lev为电动汽车的行驶路程；tc为充电时间；e为电动汽车的百公里耗电量；pch为电动汽车的充电功率，与电动汽车的充电方式有关；qc为电动汽车电池的额定容量；socc为电动汽车期望的荷电状态；soct为电动汽车在t时刻的荷电状态；
21、开始充能时间可以表示为：
22、tc＝tstart+δt (38)
23、式中：tc为开始充能时间；tstart为开始出行时间；δt为行驶时间。
24、进一步的，s2的具体方法如下：
25、1)采用图论的原理描述交通道路的拓扑结构特征，针对城市路网复杂多变的特点，引入时间-流量模型；引入时间-流量模型为道路阻抗模型，所述道路阻抗模型由路段阻抗模型和节点阻抗模型组成；
26、路段阻抗模型可以表示为：
27、
28、式中：k为城市路段交通饱和度评价指标；t0为零流量行程时间，即当交通流量为零时的路段行程时间；为路网节点i到节点j的路段阻抗；α、β分别为阻抗影响因子；
29、节点阻抗模型可表示为：
30、
31、式中：为节点i的节点阻抗；c为信号周期；λ为绿信比；q为路段车辆到达率。
32、城市道路阻抗模型由路段阻抗与节点阻抗生成可表示为：
33、
34、式中：为路段ij的道路阻抗，即车辆行程时；
35、2)分析交通道路的拓扑结构，并构建新能源汽车、交通网和配电网的模型；
36、交通网络和配电网耦合模型可表示为：
37、
38、式中：j为交通网与配电网的耦合节点；i为交通网节点；pj,t、qj,t分别为耦合节点j处接入的总负荷的有功功率和无功功率；pi,t,he为t时刻交通网节点i处所产生的有功功率；pj,t,base、qj,t,base分别为t时刻耦合节点j处初始负荷的有功功率和无功功率。
39、进一步的，所述实时dijkstra算法包括以下步骤：
40、1)根据交通路网矩阵和出行矩阵，获取新能源汽车的起讫节点并计算得到实时路阻函数，这里的实时路阻函数就是前述的道路阻抗模型，用x和y两个集合分别表示路网中的所有节点，x用来记录已经求出的最小路阻节点，y用来表示尚未求出最小路阻的节点；
41、2)x中只包含起始节点v1，y中包含除v1之外的节点vi(i＝2,3,…,n)，且y中节点距离起点道路阻值l(v1，vi)＝w(v1，vi)，其中w为所有道路的路阻；
42、3)通过式(5)计算w中节点i到起点最小路阻值，节点i到起点路经的其他节点记为节点m，并记录替换信息f(i)＝m；
43、l(v1,vi)＝min{l(v1,νm)+w(vm,vi),l(v1,νi)} (43)
44、式中：v1为起始节点；νm为中间节点；vi为目的节点。
45、4)从w中选取路阻最小的节点νm，将节点νm加入集合x，同时将其从y中移出；
46、5)循环步骤3)和步骤4)，直至i＝n，最后基于回溯法从f中获新能源汽车从起始点行驶至目的地的最优路径。
47、进一步的，所述电氢制充注一体站是集配电、充电、制储氢、加氢于一体的综合能源站，同时以电氢制充注一体站为传输枢纽连接能源生产和能源消费环节，实现电-氢-路-车协同运行。
48、进一步的，s6中能量流动模型如下：
49、电解槽的电能消耗模型表示为：
50、pdjc,t＝hdjc,tlh/ηdjc (44)
51、式中：pdjc,t为电解槽在t时刻的输入电功率；hdjc,t为电解槽在t时刻产氢功率；ηdjc为制氢效率；lh为氢气的热值；
52、压缩机的模型表示为：
53、hysj,t＝(1-α1)hdjc,t (45)
54、
55、式中：pysj,t为t时刻压缩机的耗电量；hysj,t为t时刻进入压缩机的氢气量；hdjc,t为t时刻电解槽产生的氢气量；α1为氢气从设备转移的耗散率；为在参考工作气压下压缩机消耗的功率；fysj、分别为压缩机在正常工作气压和参考工作气压下的压力；fini为标准大气压；
56、储氢罐模型表示为：
57、ecqg,t+1＝ecqg,t-hout,t+hcqg,t (47)
58、hcqg,t＝(1-α2)hysj,t (48)
59、
60、式中：ecqg,t、ecqg,t+1分别为在t时刻和t+1时刻储氢罐中氢气量；hout,t为在t时刻氢燃料电池汽车所需的的加氢量；hcqg,t为t时刻存储到储氢罐的氢气量；α2为氢气从设备传输过程中的耗散率；ecqg,n为储氢罐的额定容量；sochs,min和sochs,max分别为氢储能的最小和最大荷能状态。
61、进一步的，s7中具体过程如下：
62、1)目标函数
63、以年综合总成本最小为目标函数，具体表示为：
64、g＝gtz+gyy+gws (50)
65、式中：gtz为充能站配置折算到每年的固定投资成本，主要包括设备投资和土地投资；gyy为充能站年运营成本，主要包括设备运行时的购电、购水费用；gws为充能站运行年网损成本；
66、年化的电氢制充注一体站固定投资成本表示为：
67、
68、gn,djc＝αdjc·maxt[pn,t,djc] (52)
69、gn,ysj＝αysj·maxt[pn,t,ysj] (53)
70、gn,cqg＝αcqg·maxt[en,t,cqg] (54)
71、gn,zqg＝αzqg·nn,zqj (55)
72、gn,cdz＝αcdz·nn,cdz (56)
73、gn,td＝dtd,ξ(β3+β4nn,zqj+nn,cdz),ξ＝(1,2,3) (57)
74、式中：γ为折现率；λ为电氢制充注一体站运行规划期；gn,djc、gn,ysj、gn,cqg、gn,zqg、gn,cdz分别为第n个充能站的电解槽、压缩机、储氢罐、注氢机和充电桩的投资建设成本；gn,td为第n个充能站所需的土地面积；αdjc、αysj、αcqg、αzqj、αcdz分别为单位容量或数量的电解槽、压缩机、储氢罐、注氢机、充电桩的建设成本；maxt[pn,t,djc]、maxt[pn,t,ysj]、maxt[en,t,cqg]分别为第n个电氢制充注一体站电解槽、压缩机、储氢罐的额定容量；nn,zqj、nn,cdz分别为第n个电氢制充注一体站注氢机、充电桩的总数目；dtd,ξ为第ξ种类型的土地的单位面积成本，ξ取1、2、3，取1为居民区，取2为商业区，取3为办公区；β3、β4为土地成本系数；
75、电氢制充注一体站运行成本可表示为：
76、
77、式中：gn,e、gn,w分别为第n个电氢制充注一体站运行的用电成本和用水成本；d为规划天数，取365；hn,t为第n个电氢制充注一体站在t时刻氢气需求量；pn,t,djc、pn,t,ysj分别表示第n个电氢制充注一体站在t时刻电解槽和压缩机的电功率；pc为冷却系统的有功耗率；ηh为冷却系统的效率；pn,t,ev为在t时刻到达第n个电氢制充注一体站充能的电动汽车所需的电负荷；β1为工业电价；β2为工业水价；wn,t,djc、wn,t,ysj分别为第n个电氢制充注一体站在t时刻制取和压缩氢气时电解槽和压缩机所需的用水量；分别为电解槽和压缩机用净化水系数；
78、网损费用可表示为：
79、
80、式中：cl为系统的单位网损费用；ploss,ij,t,n为t时间段支路ij的有功功率损失，以t0为步长，t0为15min，将一天分为t个时间段，t为96；
81、2)约束条件
82、电氢制充注一体站距离约束表示为：
83、lmin＜l＜lc (65)
84、式中：l为两个充能站间的实际距离；lmin为两个充能站间的最小距离；lc为新能源汽车最小剩余燃料下可续航里程；
85、注氢机、充电桩的数量约束表示为：
86、nn,zqj≥cn,t,hfcv (66)
87、nn,cdz≥cn,t,ev (67)
88、式中：nn,zqj、nn,cdz分别表示第n个电氢制充注一体站注氢机和充电桩的建设数量；cn,t,hfcv、cn,t,ev分别为t时刻到达第n个电氢制充注一体站的氢燃料汽车和电动汽车的数量；
89、电压约束、电流约束可表示为：
90、ut,i,min≤ut,i≤ut,i,max (68)
91、
92、式中：ut,i,min、ut,i,max分别为t时刻节点i允许的最小电压和最大电压；iij,min、iij,max分别为支路ij允许的最小电流和最大电流；
93、一体站n处电解槽功率上下限约束和爬坡约束可表示为：
94、
95、式中：pt,n,djc、pt-1,n,djc分别表示为t、t-1时刻一体站n处电解槽的出力；分别为其出力的上、下限；分别为电解槽的启停状态；为一体站n处电解槽爬坡功率；
96、功率平衡约束可以表示为：
97、
98、式中：pi,t,djc、pi,t,ysj分别表示交通节点i在t时刻电解槽和压缩机的电功率；pc为冷却系统的有功耗率；ηh为冷却系统的效率；pi,t,ev为在t时刻到达交通节点i的电动汽车所需的电负荷。
99、通过上述技术方案可以得到以下有益效果：
100、本发明针对新能源汽车充能需求的补给受基础充能设施布局规划的影响，提出一种考虑电-氢-路-车协同的电氢制充注一体站规划方法。首先建立时间-流量模型分析交通道路的拓扑结构，并采用dijkstra算法对新能源汽车行驶路径实时模拟，从而建立考虑车-路-网耦合的新能源汽车电氢需求预测模型；其次，分析制取、压缩和存储氢气的全过程，构建电氢制充注一体站运行架构和能量流动模型；然后，建立以投资、运行、网损等经济性成本最小为目标的区域电氢制充注一体站规划模型，计及路-网耦合约束、配电网和电氢制充注一体站设备安全运行约束并利用二阶锥松弛技术求解最优规划方案；最后以某市城区部分干道的实际情况，得出该区域电氢制充注一体站的最优站址和设备容量规划结果，促进以站带车，推动新能源汽车的发展。
1.一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述规划方法如下：
2.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：s1中具体步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：充能时间可以表示为：
4.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：s2的具体方法如下：
5.根据权利要求4所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述1)中引入时间-流量模型为道路阻抗模型，所述道路阻抗模型由路段阻抗模型和节点阻抗模型组成，
6.根据权利要求4所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述2)中新能源汽车、交通网和配电网的模型可表示为：
7.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述实时dijkstra算法包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：所述电氢制充注一体站是集配电、充电、制储氢、加氢于一体的综合能源站，同时以电氢制充注一体站为传输枢纽连接能源生产和能源消费环节，实现电-氢-路-车协同运行。
9.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：s6中能量流动模型包括电解槽的电能消耗模型、压缩机的模型，储氢罐模型，
10.根据权利要求9所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：压缩机的模型表示为：
11.根据权利要求9所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：储氢罐模型表示为：
12.根据权利要求1所述的一种电氢制充注一体站与电-氢-路-车协同规划的方法，其特征在于：s7中具体过程如下：
