本发明属于综合能源系统安全分析，具体涉及一种电-气-氢耦合综合能源系统低碳安全分析方法。
背景技术：
1、随着全球气候变化的严峻挑战和可持续发展目标的提出，能源结构的低碳转型已成为国际社会共识。氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源载体，因其具有高热值、零排放等优势，在近年来得到了快速发展与广泛关注。在此背景下，电-气-氢综合能源系统(electric-gas-hydrogen integrated energy system，电-气-氢耦合综合能源系统)作为一种集电力、天然气与氢能于一体的新型能源系统，凭借其灵活的能源转换与互补特性，在促进能源结构优化、降低碳排放方面展现出巨大潜力。因此，深入研究电-气-氢耦合综合能源系统的低碳安全运行策略，对于推动能源行业绿色低碳发展具有重要意义。
2、然而，当前研究多聚焦于单一运行工况下氢能耦合对系统安全运行或减碳效益的单一维度影响，忽略了两者间的协同作用。随着不同掺氢运行策略及掺氢比例的动态变化，系统虽展现出低碳潜力，但也同样面临如节点压力越限等安全隐患。因此，如何获取电-气-氢耦合综合能源系统在不同掺氢比例变化下完整地安全运行空间，并在保障系统安全性的前提下挖掘氢能耦合对系统碳排放的影响，是当前亟须研究的重点。
3、基于“域”分析的方法能够刻画所有运行工况下满足系统安全性要求的最大可行空间，相较于上述基于单个运行点的分析方法，能够提供更加全面的低碳安全信息，为解决上述难题提供了基础。
4、因此，为了完整刻画氢能耦合后综合能源系统的低碳安全空间，综合分析掺氢比例变化及耦合单元对系统低碳、安全两方面的影响，有必要提出一种基于“域”模型的电-气-氢耦合综合能源系统低碳安全分析方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电-气-氢耦合综合能源系统低碳安全分析方法，通过刻画不同掺氢比例下综合能源系统的能碳安全边界，能够综合分析天然气掺氢运行带来的低碳效益与安全隐患。
2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
3、一种电-气-氢耦合综合能源系统低碳安全分析方法，所述方法的步骤为：
4、s1、考虑天然气掺氢运行后对混合气体气质系数和碳排放因子的影响，提出电-气-氢耦合综合能源系统稳态能流与碳排放流计算模型；
5、s2、基于综合能源系统稳态能流与碳排放流计算模型，求解极端运行方式下系统的多能碳排放流指标，并将所求指标作为综合能源系统碳排放流低碳安全不等式约束的边界条件；
6、s3、构建考虑多能碳排放流约束的综合能源系统能碳耦合安全域模型，模型约束包括天然气子系统和电力子系统能量流平衡方程约束、天然气子系统、电力子系统n-0安全运行不等式约束和综合能源系统碳排放流低碳安全不等式约束；
7、s4、以上述能碳耦合安全域模型作为约束条件，以系统内多能负荷供应总量最大为优化目标，构建考虑多能碳排放流约束的综合能源系统最大供能能力模型，基于原对偶内点法求解综合能源系统最大供能能力工作点；
8、s5、基于求解出的综合能源系统最大供能能力工作点，选取综合能源系统多能耦合环节状态变量作为观测变量，基于降维直接观测法拟合求解综合能源系统能碳安全边界，包括能碳安全上边界和能碳安全下边界；
9、s6、综合分析不同掺氢比例下能碳安全边界的变化，揭示天然气掺氢运行后对综合能源系统低碳安全运行的影响，具体而言，能碳安全边界朝安全域外扩张，表明系统低碳安全运行空间越大，而能碳安全边界朝安全域内收缩，表面系统低碳安全运行空间越小。
10、而且，所述s1的电-气-氢耦合综合能源系统稳态能流计算模型包含混合气体气质系数计算方程、混合气体热值计算方程、混氢天然气子系统气流量稳态平衡方程、压缩机耗气平衡方程、燃气锅炉和电转氢等耦合设备能量转换平衡方程，具体如下所示：
11、
12、式中，分别为节点i和j注入混合气体的压力平方；fmg,k、gmg,k、分别为管道k中混合气体的流量、气质密度和掺氢比；kmg,k为管道k的管道常数，由管道长度lk、管道效率系数ef,k和管道直径dk计算得到；gg和gh分别为天然气和氢气的气质密度；为管道k中混合气体的热值，为氢气的热值，为天然气的热值；τcom,k为第k条管道中压缩机的天然气耗气量，α、β、γ分别表示压缩机能量转化效率常数；hcom,k为压缩机所需功率，πm和πn分别表示压缩机出入口压力的平方，fcom,k表示压缩机入口流量，bk和zk为管管k的功率转换常数；为燃气轮机输出的有功功率；fmg为燃气轮机输入的混合气体流量；μmg(fmg)为燃气轮机的效率函数，可表述成混合气体流量的二次函数，amg、bmg、cmg为燃气轮机的耗气系数；为燃气轮机输入的混合气体热值；qp2h为电转氢设备产生的氢气流量，为对应氢气的热值；为电转氢设备输入的有功功率，μp2h为电转氢设备能量转化效率；
13、所述电-气-氢耦合综合能源系统稳态碳排放流计算模型包括混合气体碳排放系统计算方程、电力子系统节点碳势和支路碳流计算方程、天然气子系统节点碳势和支路碳流计算方程、燃气轮机和电转气设备输入输出节点碳势计算方程，具体如下所示：
14、
15、式中，emg,k为管道k中混合气体的碳排放系数；εg为天然气的二氧化碳排放因子；管道k的碳流率；为节点n的碳势；fmg,k为管道k中气体流量；nmg和kmg分别为连接节点n的其它节点数量和天然气门站数量；ρmg,k为连接节点n的第k条管道的碳流密度；qmg,j、分别为连接节点n的第j个天然气门站的节点碳势、输出气体流量和输出气体热值；分别为支路k的碳流率、节点n的碳势；和分别为支路k的有功功率和对应损耗功率；nep和kep分别连接节点n的其它节点数量和发电机组数量；为连接节点n的第k条支路的碳流密度；分别为连接节点n的第j个发电机组输出功率和机组碳排放强度；为gt的机组碳排放强度，对应该机组接入电力子系统节点的碳势，为混氢天然气子系统中供气节点的碳势；分别为p2h设备接入电力子系统节点和混氢天然气子系统节点的碳势；为未掺氢前天然气气源节点碳势，即单位能量天然气碳排放系数；为天然气门站输出气体掺氢比，qp2h、分别为p2h设备输出的氢气流量、输入的电功率。
16、而且，所述s2极端运行方式下系统的多能碳排放流指标指综合能源系统中高碳发电机组满发，而可再生能源发电机组及耦合设备p2h输出功率为零的运行方式下对应的碳排放流模型计算结果，包括极端运行方式下电力子系统节点碳势计算结果、支路碳流率计算结果和极端运行方式下混氢天然气系统节点碳势计算结果、支路碳流率计算结果。
17、而且，所述s3的综合能源系统能碳耦合安全域模型具体为：
18、
19、式中，ωegh-ecsr为电-气-氢耦合综合能源系统能碳安全域；wegh,s为wegh中任意一个工作点向量；h(·)为能流平衡等式约束，ge(·)为能量流n-0安全不等式约束，gc(·)为碳排放流低碳安全不等式约束；
20、ge(wegh,s)≤0包括电力子系统n-0安全运行不等式约束集混氢天然气子系统安全运行不等式约束集以及耦合环节安全运行不等式约束集三部分，具体如下所示：
21、
22、式中，ve,k为电力子系统节点电压列向量，分别为ve,k上下限构成的列向量；θe,b为支路相角差列向量，分别为θe,b上下限构成的列向量；pe,b为支路有功潮流分布矩阵，为pe,b上限分布矩阵；pe,g为机组注入功率分布矩阵，为pe,g上下限分布矩阵；pe,k为混氢天然气系统节点气压列向量，为pe,k上下限构成的列向量；ge,k为节点注入流量列向量，分别为ge,k上下限构成的列向量；fe,b为混氢天然气系统支路流量分布矩阵，为fe,b上限分布矩阵；ke,c为压缩机压缩比列向量，为ke,c上下限构成的列向量；为气源节点掺氢比，为上限；qe,p2h为p2h设备产氢流量列向量，为qe,p2h上限构成的列向量；pe,gt为gt设备输出电功率列向量，为pe,gt上限构成的列向量；
23、gc(wegh)≤0包括电力子系统低碳安全不等式约束集和混氢天然气系统低碳安全不等式约束集两部分，以s2所述极端运行方式下电-气-氢耦合综合能源系统多能碳排放流指标作为系统低碳安全运行的边界条件，因此，电-气-氢耦合综合能源系统碳排放流低碳安全约束表示如下：
24、
25、式中，repn,b、分别为电力子系统支路碳流率分布矩阵、极端运行方式下支路碳流率分布矩阵；eepn,k、分别为电力子系统节点碳势列向量、极端运行方式下节点碳势列向量；rmgpn,b、分别为混氢天然气系统支路碳流率分布矩阵、极端运行方式下支路碳流率分布矩阵；emgpn,k、分别为混氢天然气系统节点碳势列向量、极端运行方式下节点碳势列向量。
26、而且，所述s4的综合能源系统最大供能能力模型具体如下：
27、
28、式中，ctscmax为电-气-氢耦合综合能源系统最大供能能力极限值，ne、mg分别为epn、mgpn中负荷节点总数，piepn为epn节点i的负荷功率，为mgpn节点m的气体流量、热值。
29、而且，所述s5基于降维直接观测法拟合求解综合能源系统能碳安全边界具体为：
30、1)首先基于综合能源系统稳态能流与碳排放流计算模型，求解综合能源系统极端运行方式下碳排放流指标，将其作为综合能源系统能碳安全域模型中碳排放流低碳安全不等式约束gc(wegh)≤0的边界条件；
31、2)基于考虑多能碳排放流约束的综合能源系统最大供能能力模型，求解最大供能能力工作点，获取系统达到最大供能能力时的状态变量分布；
32、3)选取最大供能能力工作点中的耦合环节状态变量作为观测变量，其余状态变量与最大供能能力工作点中的状态变量取值保持一致，才用降维直接观测法获取观测变量状态空间中的全部临界工作点；
33、4)对临界工作点进行安全性校验，拟合安全性校验通过的全部临界工作点，拟合求解出综合能源系统的能碳安全边界。
34、本发明的优点和有益效果为：
35、1、本发明首次在综合能源系统安全域模型中考虑多能碳排放流约束，以极端运行方式下支路碳流率和节点碳势作为综合能源系统低碳安全约束的边界条件，构建了考虑碳流约束的电-气-氢耦合综合能源系统能碳耦合安全域模型，基于该模型能够完整刻画不同掺氢比例下综合能源系统低碳且安全的最大运行空间，能够在确保综合能源系统安全性的前提下，进一步挖掘天然气掺氢运行对综合能源系统低碳运行水平的影响。
36、2、本发明所提方法能够推动氢能技术在综合能源系统中的应用，本发明综合考虑了天然气掺氢后混合气体气质系数及碳排放因子的变化，以及耦合单元对系统低碳、安全两方面的影响，验证了氢能技术在提升综合能源系统低碳性和安全性方面的潜力，能够促进氢能技术的研发和应用，为构建低碳、高效、安全的综合能源系统提供有力支持。
37、3、与现有综合能源系统基于单个运行点的低碳安全分析方法相比，本发明能够全面且精准地刻画在氢能耦合条件下，综合能源系统在不同运行工况下的低碳安全边界，大幅提高了综合能源系统低碳安全分析的计算效率，此外，所提模型能够提供更为丰富和全面的系统低碳安全信息，可为综合能源系统系统规划、调度及优化提供坚实的理论基础。
38、4、本发明所提方法能够优化电-气-氢耦合综合能源系统的能源配置与调度策略，通过可视化手段展示电-气-氢耦合综合能源系统安全域边界，为系统管理者提供了直观的决策工具。当运行工作点在能碳安全域内，管理者可以灵活调整掺氢比例、优化能源分配和调度策略，以实现系统经济性、低碳性和安全性的最佳平衡，而当运行工作点在能碳安全域外，管理者需及时识别预警系统中的高碳风险，优化调整系统的运行方式，进而减少系统总体的碳排放。
1.一种电-气-氢耦合综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
2.根据权利要求1所述的电-气-氢耦合的综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述s1的电-气-氢耦合综合能源系统稳态能流计算模型包含混合气体气质系数计算方程、混合气体热值计算方程、混氢天然气子系统气流量稳态平衡方程、压缩机耗气平衡方程、燃气锅炉和电转氢等耦合设备能量转换平衡方程，具体如下所示：
3.根据权利要求1所述的电-气-氢耦合的综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述s2极端运行方式下系统的多能碳排放流指标指综合能源系统中高碳发电机组满发，而可再生能源发电机组及耦合设备p2h输出功率为零的运行方式下对应的碳排放流模型计算结果，包括极端运行方式下电力子系统节点碳势计算结果、支路碳流率计算结果和极端运行方式下混氢天然气系统节点碳势计算结果、支路碳流率计算结果。
4.根据权利要求1所述的电-气-氢耦合的综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述s3的综合能源系统能碳耦合安全域模型具体为：
5.根据权利要求1所述的电-气-氢耦合的综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述s4的综合能源系统最大供能能力模型具体如下：
6.根据权利要求1所述的电-气-氢耦合的综合能源系统低碳安全分析方法，其特征在于：所述s5基于降维直接观测法拟合求解综合能源系统能碳安全边界具体为：
