CN113592325B - 就地制氢加氢站系统及其电量分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种就地制氢加氢站系统及其电量分配方法，涉及制氢加氢技术领域。在就地制氢加氢站系统中，制氢逆变器用于将交流电转换为直流电，为电解水制氢设备供能；电解水制氢设备利用直流电将水电解为氧气和氢气，并将氢气流入缓冲罐；缓冲罐用于向压缩机提供气体；压缩机用于将氢气压缩后传递至储氢罐中；储氢罐用于存储氢气，并为加氢压缩机和加氢枪提供氢气；加氢压缩机和加氢枪控制气体流入车载储罐；站级设备控制服务器上安装了控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析。该系统能够在站级设备控制服务器的控制下，进行有效的经济性决策并优化运行过程，能够降低制氢耗电成本、提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及制氢加氢技术领域，具体而言，涉及一种就地制氢加氢站系统及其电量分配方法。
背景技术
随着可再生能源渗透率不断提高，季节性乃至年度调峰需求与日俱增，电化学储能及储热越来越难以满足上述长周期、大容量储能需求。氢能作为一种清洁高效、安全可持续的新能源，具有清洁无碳安全可靠，转化效率高，功率密度高，应用场景丰富等特点，是支持可再生能源大规模发展的理想互联媒介。氢能可以作为一种高密度能源储存的载体，可以更经济地实现电能或热能的大规模存储。氢能产业的蓬勃发展已经成为未来能源系统战略布局中重要的一环。
发明内容
本发明的目的包括提供了一种就地制氢加氢站系统及其电量分配方法，其能够在站级设备控制服务器的控制下，进行有效的经济性决策并优化运行过程，能够降低制氢耗电成本、提高经济效益。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种就地制氢加氢站系统，就地制氢加氢站系统包括站级设备控制服务器以及与站级设备控制服务器通信连接的制氢逆变器、电解水制氢设备、缓冲罐、压缩机、储氢罐、预冷系统、加氢压缩机以及加氢枪；
制氢逆变器用于将交流电转换为直流电，为电解水制氢设备供能；电解水制氢设备利用直流电将水电解为氧气和氢气，所制得氢气通过管道流入缓冲罐；缓冲罐与压缩机通过管道相连，用于向压缩机提供气体；压缩机用于将氢气压缩后传递至储氢罐中；储氢罐用于存储氢气，并为加氢压缩机和加氢枪提供氢气；加氢压缩机和加氢枪控制气体流入车载储罐；
站级设备控制服务器上安装了控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析。
在可选的实施方式中，设备调度控制管理包括根据预测的氢气负荷及制氢量，控制电解水制氢设备、压缩机的工况。
在可选的实施方式中，加氢业务管理包括为氢能汽车提供加氢服务，加氢服务包括缴费服务、加氢服务以及收益统计功能。
在可选的实施方式中，资产收益统计分析用于统计系统的投资收益情况，资产收益统计分析包括分析调频和调峰收益、分析充电服务收益、分析加氢服务收益、分析电费支出以及分析运维支出。
本发明实施例提供的就地制氢加氢站系统的有益效果包括：
1.通过在站级设备控制服务器上安装控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析，能够使系统进行有效的经济性决策并优化运行过程，能够降低制氢耗电成本、提高经济效益；
2.通过站级设备控制服务器对电解水制氢设备、储氢罐等设备的联合运行控制，延缓储氢罐的折损、提高设备的资产利用率。
第二方面，本发明提供一种就地制氢加氢站系统的电量分配方法，电量分配方法应用于前述实施方式的就地制氢加氢站系统，电量分配方法包括电力市场交易策略和就地制氢加氢站运行策略，其中，电力市场交易策略包括期货交易策略和现货交易策略。
在可选的实施方式中，期货交易策略包括年度交易策略和月度交易策略，其中，年度交易策略包括在每年年前年度交易过程中决定年度电量购入量，月度交易策略包括在每月月前月度交易过程中决定月度电量购入量。
在可选的实施方式中，现货交易策略包括在每日日前市场中决定下一日的电量购入量。
在可选的实施方式中，电力市场交易策略针对就地制氢加氢站系统的电力来源规划有以下选项：
选项1：年度双边合约，在年前决策，并决定每一个月的分解交易电量；
选项2：月度双边合约，在月前决策；
选项3：现货市场购电，在日前进行决策。
在可选的实施方式中，针对选项1和选项2，引入考虑决策财务风险，并给定决策财务风险的目标函数：
Min.βC+(1-β)R
式中，β表示经营者对于财务风险的敏感程度，C表示购电成本，R表示财务风险。
在可选的实施方式中，电力市场交易策略包括：
步骤1：选择下一年度和该年第一月的合约电量；
步骤2：对于第一月内的每一天，在日前从现货市场中选择要购买的电量并预测自生产的新能源电量；
步骤3：重复步骤2至第一月月末；
步骤4：选择第二月的合约电量；
步骤5：重复步骤2至步骤4，至12月终。
本发明实施例提供的就地制氢加氢站系统的电量分配方法的有益效果包括：
通过设计电力市场交易策略和就地制氢加氢站运行策略，能够为就地制氢加氢站系统提供有效的经济性决策并优化运行过程，使得就地制氢加氢站系统通过参与电力市场从而降低制氢耗电成本，从而大幅降低制氢成本。
附图说明
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。
图1为本发明实施例提供的就地制氢加氢站系统的组成框图。
图标：10-就地制氢加氢站系统；11-站级设备控制服务器；12-制氢逆变器；13-电解水制氢设备；14-缓冲罐；15-压缩机；16-储氢罐；17-预冷系统；18-加氢压缩机；19-加氢枪。
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。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。
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。
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。
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。
本实施例提供一种就地制氢加氢站系统的电量分配方法(以下简称：“电量分配方法”)，电量分配方法应用于就地制氢加氢站系统10，电量分配方法包括电力市场交易策略和就地制氢加氢站运行策略，其中，电力市场交易策略包括期货交易策略和现货交易策略。
期货交易策略包括年度交易策略和月度交易策略，其中，年度交易策略包括在每年年前年度交易过程中决定年度电量购入量，月度交易策略包括在每月月前月度交易过程中决定月度电量购入量。现货交易策略包括在每日日前市场中决定下一日的电量购入量。
就地制氢加氢站运行策略包括电解池运行策略、电量购入策略以及氢气交易策略。
请参阅图1，就地制氢加氢站系统10包括站级设备控制服务器11以及与站级设备控制服务器11通信连接的制氢逆变器12、电解水制氢设备13、缓冲罐14、压缩机15、储氢罐16、预冷系统17、加氢压缩机18以及加氢枪19；制氢逆变器12用于将交流电转换为直流电，为电解水制氢设备13供能；电解水制氢设备13利用直流电将水电解为氧气和氢气，所制得氢气通过管道流入缓冲罐14；缓冲罐14与压缩机15通过管道相连，用于向压缩机15提供气体；压缩机15用于将氢气压缩后传递至储氢罐16中；储氢罐16用于存储氢气，并为加氢压缩机18和加氢枪19提供氢气；加氢压缩机18和加氢枪19控制气体流入车载储罐；站级设备控制服务器11上安装了控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析。
其中，电解水制氢设备13包括制氢模块，制氢模块设置有启停模型、产出模型与功率模型，各个模型的介绍见下文。
1.启停模型
零一变量st、ont、offt分别表征电解池的关状态、开始启动动作、开始关停动作的指示变量。描述机组启停的数学模型如下：
On(t+1)-off(t+1)＝s(t+1)-s(t)
On(t+1)≤1-s(t)
off(t+1)≤s(t)
考虑启停操作对制氢模块寿命的影响，对日内制氢模块启停次数的上限进行约束：
2.产出模型
电解水制氢设备13在运行时，基于电解反应机理模型，其产出模型描述为工作电流与工作功率的关系。由于系统电压为常数，则基于此可定义制氢模块的工作效率η：
式中，Ppro为制氢功率，Pin为输入功率。
3.功率模型
制氢模块的功率模型主要描述其工作范围：
Pi＞siRmin
PistPmax
式中，Pt表示制氢模块在t时刻的功率，Pmin表示制氢模块允许的最小功率，Pmax表示制氢模块允许的最大功率。
压缩机15采用多变过程方程进行建模，设定TS，in表示S阶段流入氢气的温度，TS，out表示S阶段流出氢气的温度，ηmechanical表示机械效率，ZS表示S阶段气体平均压缩比，KS表示S阶段气体平均热容比，模型的公式如下：
储氢罐16的技术参数主要包括储氢容量范围约束，其上下界往往由投资布置的高压储氢罐数量决定，对于储氢容量的限制可以由下式统一表示，其中Hmin表示储氢量的下限，n表示建设的储氢罐数量，C表示每个储氢罐的储存容量。
Hmin≤Hs，t≤nC
预冷系统17采用下式进行建模，其中，MH2表示流入氢气的流速，Tin，fri表示流入氢气的温度，Tin，out表示流出氢气的温度，COP表示效率因子，Tam表示环境温度，模型的公式如下：
加氢压缩机18和加氢枪19采用下式进行建模，其中，MH2表示流入氢气的流速，Ninitial表示车载储罐初始氢气摩尔数，Tinitial表示车载储罐初始氢气温度，T表示加氢结束后的氢气温度，tfill表示加氢时间，Pf，cy表示加氢前车载储罐内的气体压力，Pi，cy表示加氢后车载储罐内的气体压力，模型的公式如下：
设备调度控制管理包括根据预测的氢气负荷及制氢量，控制电解水制氢设备13、压缩机15的工况。加氢业务管理包括为氢能汽车提供加氢服务，加氢服务包括缴费服务、加氢服务以及收益统计功能。资产收益统计分析用于统计系统的投资收益情况，资产收益统计分析包括分析调频和调峰收益、分析充电服务收益、分析加氢服务收益、分析电费支出以及分析运维支出。
本实施例提供的就地制氢加氢站系统10的有益效果包括：
1.通过在站级设备控制服务器11上安装控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析，能够使系统进行有效的经济性决策并优化运行过程，能够降低制氢耗电成本、提高经济效益；
2.通过站级设备控制服务器11对电解水制氢设备13、储氢罐16等设备的联合运行控制，延缓储氢罐16的折损、提高设备的资产利用率。
电力市场交易策略包括两阶段随机规划模型。考虑一年内加氢站需要作出的购电决策。在此时间段内，电力市场交易策略针对就地制氢加氢站系统10的电力来源规划有以下选项：
选项1：年度双边合约，在年前决策，并决定每一个月的分解交易电量；
选项2：月度双边合约，在月前决策；
选项3：现货市场购电，在日前进行决策。
电力市场交易策略包括：
步骤1：选择下一年度和该年第一月的合约电量；
步骤2：对于第一月内的每一天，在日前从现货市场中选择要购买的电量并预测自生产的新能源电量；
步骤3：重复步骤2至第一月月末；
步骤4：选择第二月的合约电量；
步骤5：重复步骤2至步骤4，至12月终。
应当强调的是，消费者总是在每一个决策时间点更新已有的信息。例如在二月决定月度合约购电量的最优值时，已经知道了一月份内的实际现货电价，这将会对消费者的预测造成影响。
针对选项1和选项2，引入考虑决策财务风险，并给定决策财务风险的目标函数：
Min.βC+(1-β)R
式中，β表示经营者对于财务风险的敏感程度，当β的取值较大时，说明经营者极力追求低风险但会面临较高的购电成本，C表示购电成本，R表示财务风险。
针对选项3，由于此时已经能够对下一日的现货电价进行较好的预测，因此不需要考虑下一日现货电价波动带来的财务风险。但同时由于每月月底具有偏差考核，因此需在优化目标函数中引入当前决策对本月后续时间内财务风险的影响，设定目标函数如下式所示：
式中，第一部分表示销售活动所得利润，其中，psell(t)为t时段售出氢气所得的利润，Cfine(t)表示由于未满足市场需求所带来的罚款；第二部分表示加氢站的运行成本，其中，Cop(t)表示t时段机组的运行成本，Ce(t)表示t时段的购电成本；第三部分表示从外部市场购买氢气的成本；第四部分表示财务风险。
本实施例提供的就地制氢加氢站系统的电量分配方法的有益效果包括：
1.采用条件风险价值模型评估财务风险，利用两阶段随机优化模型在进行多时间尺度电量分配，同时，对加氢站的日运行进行优化，以使得经济利益最大化；
2.就地制氢加氢站系统10往往处于居民区，采用电制氢方式能够更好地满足需要，就地制氢加氢站系统10作为典型的氢能应用终端，将通过参与电力市场从而降低制氢耗电成本，从而大幅降低制氢成本，同时，通过电力市场合约交易，能够确定性获取新能源电力。
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。
Claims (3)
1.一种就地制氢加氢站系统的电量分配方法，其特征在于，所述电量分配方法应用于就地制氢加氢站系统，所述就地制氢加氢站系统包括站级设备控制服务器（11）以及与所述站级设备控制服务器（11）通信连接的制氢逆变器（12）、电解水制氢设备（13）、缓冲罐（14）、压缩机（15）、储氢罐（16）、预冷系统（17）、加氢压缩机（18）以及加氢枪（19）；所述制氢逆变器（12）用于将交流电转换为直流电，为所述电解水制氢设备（13）供能；所述电解水制氢设备（13）用于利用直流电将水电解为氧气和氢气，所制得的所述氢气通过第一管道流入所述缓冲罐（14）；所述缓冲罐（14）与所述压缩机（15）通过第二管道相连，用于向所述压缩机（15）提供气体；所述压缩机（15）用于将氢气压缩后传递至所述储氢罐（16）中；所述储氢罐（16）用于存储氢气，并为所述加氢压缩机（18）和所述加氢枪（19）提供氢气；所述加氢压缩机（18）和所述加氢枪（19）控制所述氢气流入车载储罐；所述站级设备控制服务器（11）上安装有控制软件，用于实现设备调度控制管理、加氢业务管理以及资产收益统计分析；
所述电量分配方法包括电力市场交易策略和就地制氢加氢站运行策略，其中，所述电力市场交易策略包括期货交易策略和现货交易策略；
所述电力市场交易策略针对所述就地制氢加氢站系统的电力来源规划有以下选项：
选项1：年度双边合约，在年前决策，并决定每一个月的分解交易电量；
选项2：月度双边合约，在月前决策；
选项3：现货市场购电，在日前进行决策；
针对所述选项1和选项2，引入考虑决策财务风险，并给定所述决策财务风险的目标函数：
Min.βC+（1-β）R
式中，β表示经营者对于财务风险的敏感程度，C表示购电成本，R表示财务风险；
所述电力市场交易策略包括：
步骤1：选择下一年度和该年第一月的合约电量；
步骤2：对于第一月内的每一天，在日前从现货市场中选择要购买的电量并预测自生产的新能源电量；
步骤3：重复步骤2至第一月月末；
步骤4：选择第二月的合约电量；
步骤5：重复步骤2至步骤4，至12月终。
2.根据权利要求1所述的就地制氢加氢站系统的电量分配方法，其特征在于，所述期货交易策略包括年度交易策略和月度交易策略，其中，所述年度交易策略包括在每年年前年度交易过程中决定年度电量购入量，所述月度交易策略包括在每月月前月度交易过程中决定月度电量购入量。
3.根据权利要求1所述的就地制氢加氢站系统的电量分配方法，其特征在于，所述现货交易策略包括在每日日前市场中决定下一日的电量购入量。
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| "双碳"背景下区域电力- 氢能系统协同优化规划;文凡等;全球能源互联网;第5卷(第4期);318-330 * |
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