CN113410855A - 基于综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法 - Google Patents

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CN113410855A CN202110962809.2A CN202110962809A CN113410855A CN 113410855 A CN113410855 A CN 113410855A CN 202110962809 A CN202110962809 A CN 202110962809A CN 113410855 A CN113410855 A CN 113410855A
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Abstract

本申请涉及涉及基于综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，该方法包括：建立具有氢储能与氢供应链设备的电热氢综合能源系统模型，其中，电热氢综合能源系统模型包括电网、风电机组、直流母线、电解槽、储氢设备、氢燃料电池、氢源锅炉、电负荷和热负荷，直流母线与电网、风电机组、电负荷、电解槽及氢燃料电池连接，储氢设备与电解槽、氢燃料电池及氢源锅炉连接，热负荷与氢燃料电池及氢源锅炉连接；构建电热氢综合能源系统模型的目标函数和约束条件，并在目标函数和约束条件下供电和供热；在目标地区选取预设数量的用户对电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果。能够实现电热氢耦合系统的热电联产。

Description

基于综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法
技术领域
本申请涉及氢储能和氢供应链设备的储能耦合配置领域，特别是涉及基于综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法。
背景技术
如今，随着可再生能源的快速发展，许多国家的电网结构发生了重要改变。化石燃料的大量使用是全球变暖和气候变化的主要因素之一。因此，一些国家启动了能源过渡计划，减少化石燃料的大量使用，为新能源的大量生产利用做准备。
氢能是二次能源，是指在反应中释放出来的以氢及其同位素为主的能量，或在氢的状态变化过程中释放的能量，只能从其他能源中获得。对于世界上许多国家来说，氢能是仅次于电能的第二重要能源载体。它具有降低可再生能源间歇性的能力，以及有在生产或存储能源方面的多功能性，这些优点使其在以可再生能源为主要参与者的综合能源系统中成为完美的组成部分。
现阶段许多研究都考虑将储氢技术纳入综合能源系统，对氢的产生和利用进行了详细的研究。但是，现有的大多数储氢供能系统都忽略了储氢供能系统的供热能力，因此在某些地区难以满足热电联产的迫切需求。
发明内容
本申请实施例提供了基于综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，以至少解决相关技术中难以满足热电联产的迫切需求的问题。
本申请实施例提供了一种基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，所述方法包括：
建立具有氢储能与氢供应链设备的电热氢综合能源系统模型，其中，所述电热氢综合能源系统模型包括电网、风电机组、直流母线、电解槽、储氢设备、氢燃料电池、氢源锅炉、电负荷和热负荷，所述直流母线与所述电网、所述风电机组、所述电负荷、所述电解槽及所述氢燃料电池连接，所述储氢设备与所述电解槽、所述氢燃料电池及所述氢源锅炉连接，所述热负荷与所述氢燃料电池及所述氢源锅炉连接；
构建所述电热氢综合能源系统模型的目标函数和约束条件，并在所述目标函数和所述约束条件下供电和供热；
在目标地区选取预设数量的用户对所述电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果。
在其中一些实施例中，所述电负荷由所述电网、所述风电机组和所述氢燃料电池 供电，且电负荷功率
Figure 257647DEST_PATH_IMAGE001
的公式如下：
Figure 679401DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 7614DEST_PATH_IMAGE003
为所述电网注入的功率，
Figure 147609DEST_PATH_IMAGE004
为所述风电机组的输出功率，
Figure 602992DEST_PATH_IMAGE005
为所述氢 燃料电池的电输出功率，
Figure 879253DEST_PATH_IMAGE006
表示用于所述电解槽的功率分流系数。
在其中一些实施例中，所述热负荷由所述氢燃料电池和所述氢源锅炉供热，且热 负荷功率
Figure 378367DEST_PATH_IMAGE007
的公式如下：
Figure 740078DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 717262DEST_PATH_IMAGE009
表示所述氢燃料电池的热输出功率，
Figure 848029DEST_PATH_IMAGE010
表示所述氢源锅炉的输出功率。
在其中一些实施例中，所述约束条件包括电解槽约束，表达式如下：
Figure 265847DEST_PATH_IMAGE011
Figure 646013DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 426887DEST_PATH_IMAGE013
为所述电解槽产生氢气的输出功率，
Figure 959631DEST_PATH_IMAGE014
为所述电网注入的功率，
Figure 800548DEST_PATH_IMAGE015
为 所述风电机组的输出功率，
Figure 136851DEST_PATH_IMAGE016
为所述氢燃料电池的电输出功率，
Figure 721416DEST_PATH_IMAGE006
表示用于所述电解槽 的功率分流系数，
Figure 826775DEST_PATH_IMAGE017
为所述电解槽的转换效率，
Figure 323747DEST_PATH_IMAGE018
为所述电解槽的额定功率。
在其中一些实施例中，所述约束条件包括氢燃料电池约束，表达式如下：
Figure 147347DEST_PATH_IMAGE019
Figure 270023DEST_PATH_IMAGE020
Figure 229889DEST_PATH_IMAGE021
Figure 412609DEST_PATH_IMAGE022
Figure 723504DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 400604DEST_PATH_IMAGE024
表示所述氢燃料电池的输入功率，
Figure 480556DEST_PATH_IMAGE025
表示所述储氢设备的输出 功率，
Figure 99756DEST_PATH_IMAGE026
表示从所述储氢设备导出的氢气输出功率对所述氢燃料电池的分流系数，
Figure 897948DEST_PATH_IMAGE027
表示 所述氢燃料电池的热输出功率，
Figure 399247DEST_PATH_IMAGE028
表示所述氢燃料电池的转换效率，
Figure 333705DEST_PATH_IMAGE029
表示所述氢燃 料电池的额定功率。
在其中一些实施例中，所述约束条件包括氢源锅炉约束，表达式如下：
Figure 123806DEST_PATH_IMAGE030
Figure 409294DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 162617DEST_PATH_IMAGE032
表示所述氢源锅炉的输出功率，
Figure 951582DEST_PATH_IMAGE033
表示氢源锅炉的额定功率，
Figure 647005DEST_PATH_IMAGE034
表示 所述氢源锅炉的转换效率。
在其中一些实施例中，所述约束条件包括风电机组约束，表达式如下：
Figure 154210DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 960492DEST_PATH_IMAGE036
表示所述风电机组的额定功率。
在其中一些实施例中，所述约束条件包括储氢设备约束，表达式如下：
Figure 135122DEST_PATH_IMAGE037
Figure 486600DEST_PATH_IMAGE038
Figure 746680DEST_PATH_IMAGE039
Figure 356652DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 651368DEST_PATH_IMAGE041
表示所述储氢设备在第s天的第t小时的存储状态，
Figure 439326DEST_PATH_IMAGE042
表示所述储 氢设备的充电效率，
Figure 186702DEST_PATH_IMAGE043
表示所述储氢设备的放电效率，
Figure 334787DEST_PATH_IMAGE044
表示所述储氢设备在第s天的 第t小时的充电功率，
Figure 952850DEST_PATH_IMAGE045
表示所述储氢设备在第s天的第t小时的放电功率，
Figure 426557DEST_PATH_IMAGE046
表示时间 差，
Figure 877873DEST_PATH_IMAGE047
表示所述储氢设备的自放能效率，
Figure 829649DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 567798DEST_PATH_IMAGE049
分别表示
Figure 946826DEST_PATH_IMAGE050
的上限和下限，
Figure 137636DEST_PATH_IMAGE051
表示氢储能系统在第s天的第t-1小时内的存储状态，
Figure 643835DEST_PATH_IMAGE052
表示所述储氢设备的额 定容量，
Figure 767649DEST_PATH_IMAGE053
表示所述储氢设备的额定输出功率，
Figure 583158DEST_PATH_IMAGE054
表示所述储氢设备的额定输入 功率。
在其中一些实施例中，所述目标函数表示为：
Figure 526843DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 836733DEST_PATH_IMAGE056
表示年度总成本，IC表示初始投资成本,OC表示年度运营成本，FC表示年度 维护成本，
Figure 549474DEST_PATH_IMAGE057
表示年度价值系数。
在其中一些实施例中，在目标地区选取预设数量的用户对所述电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果包括：
使用带有CPLEX求解器的MATLAB工具箱YALMIP对所述电热氢综合能源系统模型求解最优结果。
因此，本申请实施例提供了一种基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，其中电热氢综合能源系统模型的能量转换部分包含了用于电-氢转换的电解槽、用于氢-电转换的氢燃料电池以及用于氢-热转换的氢源锅炉，负荷部分包含了电负荷与热负荷两个部分，在目标函数和约束条件下供电和供热，并通过算例验证，求解电热氢综合能源系统模型的最优配置结果，能够实现热电联产。并且可以在计及各项投资与运行成本最小的基础上，构建电热氢综合能源系统模型的目标函数与约束条件，以此实现更合理的配置，能够达到增加系统收益，降低系统总成本，提升可再生能源的利用率的有益效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法的流程图；
图2是根据本申请实施例的电热氢综合能源系统模型的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块（单元）的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法：（1）建立具有氢储能和氢供应链设备的区域电热氢综合能源系统模型；（2） 在计及各项投资与运行成本最小的基础上，构建电热氢综合能源系统模型的目标函数与约束条件；（3）对该模型进行线性化处理，形成一个可以直接求解的线性规划模型；（4）选取一个多类型负荷园区进行算例验证，求解电热氢综合能源系统模型的最优配置结果，得到适应性最强的电热氢综合能源系统配置方案。因此，将本发明实施例的配置方法应用于电热氢耦合系统（即上述电热氢综合能源系统）中，可以通过更合理的配置增加系统收益，降低系统总成本，提升可再生能源的利用率，实现电热氢耦合系统中各种设备的最优配置规划。
作为一个示例，图1是根据本申请实施例的基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法的流程图，如图1所示，该流程包括以下步骤：
S101：建立具有氢储能与氢供应链设备的电热氢综合能源系统模型，其中，该电热氢综合能源系统模型包括电网、风电机组、直流母线、电解槽、储氢设备、氢燃料电池、氢源锅炉、电负荷和热负荷，直流母线与电网、风电机组、电负荷、电解槽及氢燃料电池连接，储氢设备与电解槽、氢燃料电池及氢源锅炉连接，热负荷与氢燃料电池及氢源锅炉连接；
S102：构建电热氢综合能源系统模型的目标函数和约束条件，并在目标函数和约束条件下供电和供热；
S103：在目标地区选取预设数量的用户对电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果。
基于上述电热氢综合能源系统模型，能量转换部分包含了用于电-氢转换的电解槽、用于氢-电转换的氢燃料电池以及用于氢-热转换的氢源锅炉，负荷部分包含了电负荷与热负荷两个部分，在目标函数和约束条件下供电和供热，并通过算例验证，求解电热氢综合能源系统模型的最优配置结果，能够实现热电联产。进一步的，在计及各项投资与运行成本最小的基础上，构建电热氢综合能源系统模型的目标函数与约束条件，以此实现更合理的配置，能够达到增加系统收益，降低系统总成本，提升可再生能源的利用率的有益效果。
下文对上述每个步骤进行详细的说明。
步骤S101：建立具有氢储能与氢供应链设备的电热氢综合能源系统模型。
作为一个示例，图2是根据本申请实施例的电热氢综合能源系统模型的结构示意图，如图2所示，该电热氢综合能源系统模型中，氢供应链设备包括氢燃料电池（HFC）、电解槽（EL）和氢源锅炉（HB）；氢气存储系统（HSS）包括储氢设备、输入和输出管道；负荷包括电负荷和热负荷；其他设备包括风电机组例如风力涡轮机（WT）等。
请继续参阅图2，①表示氢气流，②表示电力流，③表示热力流。电解槽连接于直流母线，并进行电-氢转换，且将转换后的氢气输入储氢设备；储氢设备向氢源锅炉输送氢气，氢源锅炉实现氢-热转换并向热负荷供热，另外储氢设备还向氢燃料电池输送氢气；氢燃料电池进行氢-电转换，将转换的电能输入直流母线，并且氢燃料电池还将产生的热能提供给热负荷。所以，热负荷的供热来源包括氢源锅炉和氢燃料电池；电负荷的供电来源包括电网、风电机组和氢燃料电池；而电网、风电机组和氢燃料电池向直流母线输入的电能一部分用于提供给电负荷，另一部分用于提供给电解槽。因此，实现了一种电热氢耦合系统。
基于上述电热氢耦合系统，能量转换设备包括电解槽、氢燃料电池、氢源锅炉，转 换效率分别为
Figure 535885DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 701287DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 549288DEST_PATH_IMAGE060
。本申请实施例针对区域综合能源系统，研究了氢储能和氢气 供应链设备的优化配置，可以进一步降低总成本，减少弃风，提高风电资源利用率。规划对 象包括储氢系统的额定容量
Figure 850957DEST_PATH_IMAGE061
、额定输入功率
Figure 742689DEST_PATH_IMAGE062
、额定输出功率
Figure 660967DEST_PATH_IMAGE063
，电解槽的额 定功率
Figure 30768DEST_PATH_IMAGE064
，氢燃料电池的额定功率
Figure 465904DEST_PATH_IMAGE065
，氢源锅炉的额定功率
Figure 794117DEST_PATH_IMAGE033
。
本申请实施例的综合能源系统具有以下特点：
电负荷由电网、风电机组和氢燃料电池供电，且电负荷功率
Figure 934112DEST_PATH_IMAGE001
的公式如下：
Figure 638762DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 931335DEST_PATH_IMAGE003
为电网注入的功率，
Figure 696028DEST_PATH_IMAGE004
为风电机组的输出功率，
Figure 136368DEST_PATH_IMAGE005
为氢燃料电池的电 输出功率，
Figure 847972DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 509898DEST_PATH_IMAGE066
分别表示用于电解槽和直接电源的功率分流系数，两者之和为1。
热负荷由氢燃料电池和氢源锅炉供热，且热负荷功率
Figure 914334DEST_PATH_IMAGE067
的公式如下：
Figure 28921DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 294948DEST_PATH_IMAGE009
表示氢燃料电池的热输出功率，
Figure 545801DEST_PATH_IMAGE010
表示氢源锅炉的输出功率。
电解槽的功率
Figure 386718DEST_PATH_IMAGE069
是指电解槽产生氢气的输出功率，产生的氢气通过输入管道直 接进入储氢设备，电解槽的功率
Figure 723021DEST_PATH_IMAGE070
表达式如下：
Figure 42007DEST_PATH_IMAGE011
氢燃料电池输入功率
Figure 412946DEST_PATH_IMAGE024
是储氢设备输出功率
Figure 906988DEST_PATH_IMAGE071
的一部分，所以氢燃料电 池输入功率
Figure 465008DEST_PATH_IMAGE024
的表达式如下：
Figure 587685DEST_PATH_IMAGE072
其中，
Figure 813130DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 730270DEST_PATH_IMAGE073
分别表示从储氢设备导出的氢气输出功率对氢燃料电池或氢源 锅炉的分流系数，两者之和为1。
从而，本申请实施例中，以系统投资运行经济性最高为基础，构建电热氢耦合系统的目标函数与约束条件。
步骤S102：构建电热氢综合能源系统模型的目标函数和约束条件，并在目标函数和约束条件下供电和供热。
作为一个示例，综合能源系统规划的目标之一是使整个生命周期内的总成本最小化，包括氢储能系统和氢气供应链设备的投资成本、满足需求的运行成本和固定成本。考虑到资金的时间价值，并将所有成本计入相等的年度价值，规划目标函数可表示为：
Figure 41166DEST_PATH_IMAGE074
其中，
Figure 701954DEST_PATH_IMAGE056
表示年度总成本，IC表示初始投资成本，OC表示年度运营成本，FC表示年 度维护成本（为固定成本），
Figure 532638DEST_PATH_IMAGE075
表示年度价值系数。
年度价值系数
Figure 886259DEST_PATH_IMAGE075
的表达式如下：
Figure 418871DEST_PATH_IMAGE076
其中，
Figure 617772DEST_PATH_IMAGE077
为年利率，
Figure 817809DEST_PATH_IMAGE078
为寿命期（用“年”表示）。
初始投资成本IC表达式如下：
Figure 342331DEST_PATH_IMAGE079
由于电解槽产生的氢气直接进入储氢设备，因此
Figure 847393DEST_PATH_IMAGE080
，k1、k2、k3、k4、k5分别 表示氢燃料电池的额定功率、氢源锅炉的额定功率、电解槽的额定功率、储氢设备的额定容 量和管道的额定功率的单位投资系数。
年度运营成本
Figure 381142DEST_PATH_IMAGE081
的表达式如下：
Figure 170107DEST_PATH_IMAGE082
其中S和T分别表示典型天数和规划小时数，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
表示典型日对应的总天数，
Figure 131110DEST_PATH_IMAGE084
表 示从主电网购买的电价，
Figure DEST_PATH_IMAGE085
表示购买的电力。
作为一个示例，综合能源系统的约束条件包括电解槽约束，表达式如下：
Figure 654626DEST_PATH_IMAGE086
Figure DEST_PATH_IMAGE087
其中，
Figure 992066DEST_PATH_IMAGE088
为电解槽产生氢气的输出功率，
Figure 635537DEST_PATH_IMAGE089
为电网注入的功率，
Figure 501862DEST_PATH_IMAGE015
为风电机组 的输出功率，
Figure 496363DEST_PATH_IMAGE016
为氢燃料电池的电输出功率，
Figure 854139DEST_PATH_IMAGE006
表示用于电解槽的功率分流系数，
Figure 883274DEST_PATH_IMAGE017
为 电解槽的转换效率，
Figure 654921DEST_PATH_IMAGE090
为电解槽的额定功率。
上述约束条件还包括氢燃料电池约束，表达式如下：
Figure 136718DEST_PATH_IMAGE019
Figure 284803DEST_PATH_IMAGE091
Figure 168445DEST_PATH_IMAGE092
Figure 861726DEST_PATH_IMAGE022
Figure 830819DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 782594DEST_PATH_IMAGE024
表示氢燃料电池的输入功率，
Figure 255164DEST_PATH_IMAGE093
表示储氢设备的输出功率，
Figure 899772DEST_PATH_IMAGE094
表 示从储氢设备导出的氢气输出功率对氢燃料电池的分流系数，
Figure 90582DEST_PATH_IMAGE027
表示氢燃料电池的热输 出功率，
Figure 596781DEST_PATH_IMAGE095
表示氢燃料电池的转换效率，
Figure 189436DEST_PATH_IMAGE065
表示氢燃料电池的额定功率。
上述约束条件还包括氢源锅炉约束，表达式如下：
Figure 4945DEST_PATH_IMAGE030
Figure 683051DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 992941DEST_PATH_IMAGE032
表示氢源锅炉的输出功率，
Figure 440103DEST_PATH_IMAGE096
表示氢源锅炉的额定功率，
Figure 426514DEST_PATH_IMAGE097
表示氢源 锅炉的转换效率。
上述约束条件还包括风电机组约束，表达式如下：
Figure 591916DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 423605DEST_PATH_IMAGE036
表示风电机组的额定功率。
上述约束条件还包括储氢设备约束，表达式如下：
Figure 725274DEST_PATH_IMAGE098
Figure 630388DEST_PATH_IMAGE038
Figure 17507DEST_PATH_IMAGE039
Figure 652888DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 340221DEST_PATH_IMAGE041
表示储氢设备在第s天的第t小时的存储状态，
Figure 402855DEST_PATH_IMAGE042
表示储氢设备的 充电效率，
Figure 277270DEST_PATH_IMAGE099
表示储氢设备的放电效率，
Figure 450763DEST_PATH_IMAGE100
表示储氢设备在第s天的第t小时的充电功 率，
Figure 477756DEST_PATH_IMAGE045
表示储氢设备在第s天的第t小时的放电功率，
Figure 976870DEST_PATH_IMAGE101
表示时间差，
Figure 338581DEST_PATH_IMAGE047
表示储氢设备的 自放能效率，
Figure 315765DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 712111DEST_PATH_IMAGE049
分别表示
Figure 382127DEST_PATH_IMAGE102
的上限和下限，
Figure 716287DEST_PATH_IMAGE103
表示氢储能系统在第 s天的第t-1小时内的存储状态，
Figure 497161DEST_PATH_IMAGE061
表示储氢设备的额定容量，
Figure 748014DEST_PATH_IMAGE063
表示储氢设备的额 定输出功率，
Figure 588931DEST_PATH_IMAGE062
表示储氢设备的额定输入功率。
需要说明的是，对于氢储能系统，储氢和耗氢通过不同的输气管道，可以同时进行，储氢功率约等于电解槽的输出功率。氢气的传输通常用空气压力和气体速度来表示，而储存则用体积和压力来表示。为了便于计算，将氢气按热值系数换算成功率形式。热值系数为1立方米，认为氢完全燃烧释放的热量符合这种特性。
步骤S103：在目标地区选取预设数量的用户对电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果，包括：使用带有CPLEX求解器的MATLAB工具箱YALMIP对所述电热氢综合能源系统模型求解最优结果，进行IES配置规划。
为了说明本申请实施例的方案能达到的有益效果，将本申请实施例的配置方法与随机配置方法所产生的结果进行比较。
例如，在一个地区选取了50个用户，为保证其不受不同类型负荷特性的影响，选取 的50个用户中包括该地区40户居民用户、7户商业用户、3户工业用户，且选取了该地区的 春、夏、秋、冬四个典型日。投资系数k1取3000元/，k2 取100元/，k3 取2000元/，k4 取300 元/，k5 取1000元/。氢燃料电池的初始SOC设置为0.2。为了确保储能设备不会过度充电， SOC的上、下限分别为0.2和0.9。氢燃料电池的自放电系数
Figure 659655DEST_PATH_IMAGE104
取
Figure 539493DEST_PATH_IMAGE105
。每年的固定成本定为1 万元。
算例中，所有设备的投资规划期为10年，每个典型日为91天。一天的计划小时数是24小时，年利率为5%。江苏省时段划分及各时段电价如表1所示：
Figure 993257DEST_PATH_IMAGE106
表1 江苏省时段划分及各时段电价表
场景1：利用本申请实施例的基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法进行优化配置。
场景2：对区域综合能源系统中的储氢系统和氢供应链设备进行随机配置。
两种场景下的优化结果如表2所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE107
表2 两种场景下的优化结果
可见，场景1总成本275.61万元，其中投资成本206.0万元，运行成本68.01万元，固定成本1万元。电解槽额定功率322.82kW。氢燃料电池额定功率为683.30kW。氢源锅炉额定功率为622.56 kW。储氢系统额定容量为36533.36 kWh、额定输出功率为1518.45kW。场景2总成本361.8万元，其中投资成本258.5万元，运行成本102.3万元。
因此，与场景2相比，场景1的总成本显著降低。
综上，本申请实施例的基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，不仅能够实现电热氢耦合系统的热电联产，还可以在计及各项投资与运行成本最小的基础上，构建电热氢综合能源系统模型的目标函数与约束条件，以此实现更合理的配置，能够达到增加系统收益，降低系统总成本，提升可再生能源的利用率的有益效果。
本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于电热氢综合能源系统的氢储能与氢供应链设备配置方法，其特征在于，所述方法包括：
建立具有氢储能与氢供应链设备的电热氢综合能源系统模型，其中，所述电热氢综合能源系统模型包括电网、风电机组、直流母线、电解槽、储氢设备、氢燃料电池、氢源锅炉、电负荷和热负荷，所述直流母线与所述电网、所述风电机组、所述电负荷、所述电解槽及所述氢燃料电池连接，所述储氢设备与所述电解槽、所述氢燃料电池及所述氢源锅炉连接，所述热负荷与所述氢燃料电池及所述氢源锅炉连接；
构建所述电热氢综合能源系统模型的目标函数和约束条件，并在所述目标函数和所述约束条件下供电和供热；
在目标地区选取预设数量的用户对所述电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电负荷由所述电网、所述风电机组和 所述氢燃料电池供电，且电负荷功率
Figure 195535DEST_PATH_IMAGE001
的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 563675DEST_PATH_IMAGE003
为所述电网注入的功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为所述风电机组的输出功率，
Figure 483089DEST_PATH_IMAGE005
为所述氢燃料 电池的电输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示用于所述电解槽的功率分流系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热负荷由所述氢燃料电池和所述氢源 锅炉供热，且热负荷功率
Figure 708534DEST_PATH_IMAGE007
的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 438724DEST_PATH_IMAGE009
表示所述氢燃料电池的热输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示所述氢源锅炉的输出功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括电解槽约束，表达式如下：
Figure 484041DEST_PATH_IMAGE011
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 957878DEST_PATH_IMAGE013
为所述电解槽产生氢气的输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为所述电网注入的功率，
Figure 37830DEST_PATH_IMAGE015
为所述 风电机组的输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为所述氢燃料电池的电输出功率，
Figure 188188DEST_PATH_IMAGE006
表示用于所述电解槽的功 率分流系数，
Figure 737113DEST_PATH_IMAGE017
为所述电解槽的转换效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为所述电解槽的额定功率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括氢燃料电池约束，表达式如下：
Figure 201592DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure 198367DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure 205113DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示所述氢燃料电池的输入功率，
Figure 287338DEST_PATH_IMAGE025
表示所述储氢设备的输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示从所述储氢设备导出的氢气输出功率对所述氢燃料电池的分流系数，
Figure 821088DEST_PATH_IMAGE027
表示所述 氢燃料电池的热输出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示所述氢燃料电池的转换效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示所述氢燃料电 池的额定功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括氢源锅炉约束，表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure 688681DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示所述氢源锅炉的输出功率，
Figure 384104DEST_PATH_IMAGE033
表示氢源锅炉的额定功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示所述 氢源锅炉的转换效率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括风电机组约束，表达式如下：
Figure 642041DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
表示所述风电机组的额定功率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述约束条件包括储氢设备约束，表达式如下：
Figure 713902DEST_PATH_IMAGE037
Figure DEST_PATH_IMAGE038
Figure 419690DEST_PATH_IMAGE039
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 36748DEST_PATH_IMAGE041
表示所述储氢设备在第s天的第t小时的存储状态，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示所述储氢设 备的充电效率，
Figure 31248DEST_PATH_IMAGE043
表示所述储氢设备的放电效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示所述储氢设备在第s天的第t小 时的充电功率，
Figure 703538DEST_PATH_IMAGE045
表示所述储氢设备在第s天的第t小时的放电功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示时间差，
Figure 949318DEST_PATH_IMAGE047
表示所述储氢设备的自放能效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 252124DEST_PATH_IMAGE049
分别表示
Figure DEST_PATH_IMAGE050
的上限和下限，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
表示氢储能系统在第s天的第t-1小时内的存储状态，
Figure 265079DEST_PATH_IMAGE052
表示所述储氢设备的额定容量，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
表示所述储氢设备的额定输出功率，
Figure 429475DEST_PATH_IMAGE054
表示所述储氢设备的额定输入功率。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 844276DEST_PATH_IMAGE056
表示年度总成本，IC表示初始投资成本,OC表示年度运营成本，FC表示年度维护 成本，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
表示年度价值系数。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在目标地区选取预设数量的用户对所述电热氢综合能源系统模型进行算例验证，并求解出最优配置结果包括：
使用带有CPLEX求解器的MATLAB工具箱YALMIP对所述电热氢综合能源系统模型求解最优结果。
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