CN114142620A - 一种液氢超导共融储能的优化控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氢超导共融储能的优化控制方法及其系统，该方法包括：获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，所述优化控制模型主要包括超导磁体能量状态约束、储罐内氢质量约束：以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后余留不平衡功率最小为目标函数，求解所述优化控制模型。明确电解水制氢装置、燃料电池装置、超导磁储能、氢液化与汽化系统功率最优分配关系及协同运行特性，在保证装置处于安全良好运行的基础上，得到液氢超导共融储能装置最优工作状态。

Description

一种液氢超导共融储能的优化控制方法及系统
技术领域
本发明属于新能源技术领域，更具体地，涉及一种液氢超导共融储能的优化控制方法及系统。
背景技术
在“碳达峰、碳中和”的时代背景下，氢能凭借良好的燃烧性能、高能量密度等诸多优势快速发展。同时可再生能源并网规模日益增加，在各个时间尺度上加剧了电力系统的功率不平衡问题，而储能技术可为该问题提供有效解决方案。一方面，储能技术在短时间尺度内能提供快速功率支撑(功率型)，平抑瞬时功率波动，保证电力系统安全稳定；另一方面，储能技术在长时间尺度内可提供大容量支撑(能量型)，消纳可再生能源大规模并网引发的能量不平衡。但是现有的储能技术，无法同时满足大容量、快响应等指标要求，未来电力能源系统需要一种新型储能装备。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液氢超导共融储能的优化控制方法及系统，其目的在于解决现有复合储能技术无法同时满足大容量、快响应的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液氢超导共融储能的优化控制方法，其包括：
获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，所述优化控制模型包括
超导磁体能量状态约束：
Figure BDA0003391233970000021
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis
Figure BDA0003391233970000022
其中，
Figure BDA0003391233970000023
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure BDA0003391233970000024
表示第t时间段内超导体能量状态变化量，η1为超导磁体将电能转化为磁场能的效率，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的功率，PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的功率，η4为超导磁体将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量；
氢气质量约束：
Figure BDA0003391233970000025
Figure BDA0003391233970000026
Figure BDA0003391233970000027
Figure BDA0003391233970000028
其中，
Figure BDA0003391233970000029
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000210
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000211
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000212
为因所述超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure BDA00033912339700000213
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量，
Figure BDA00033912339700000214
表示到达沸点状态单位质量氢气的内能，
Figure BDA00033912339700000215
为单位质量液氢内能；
液氢质量约束：
Figure BDA0003391233970000031
Figure BDA0003391233970000032
其中，
Figure BDA0003391233970000033
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000034
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000035
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000036
为燃料电池装置所消耗的氢气质量；
以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解所述优化控制模型。
优选地，所述超导磁体能量状态约束还包括：
Figure BDA0003391233970000037
其中，
Figure BDA0003391233970000038
表示超导磁体在控制周期结束时能量状态，
Figure BDA0003391233970000039
表示超导磁体在控制周期起始时能量状态。
优选地，所述氢气质量约束还包括：
Figure BDA00033912339700000310
Figure BDA00033912339700000311
Figure BDA00033912339700000312
Figure BDA00033912339700000313
Figure BDA00033912339700000314
其中，
Figure BDA00033912339700000315
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量。
优选地，所述液氢质量约束还包括：
Figure BDA00033912339700000316
Figure BDA00033912339700000317
其中，VSMES为超导磁体的体积，
Figure BDA00033912339700000318
为液氢储罐中所能容纳的最小液氢体积，
Figure BDA0003391233970000041
为液氢的密度。
优选地，还包括：
建立电解水制氢装置暂态电路，
根据电解水制氢装置暂态电路可得：
Figure BDA0003391233970000042
EEL＝Ecell+Vdl+IELRohm
Figure BDA0003391233970000043
其中，Ecell为电化学反应发生所需电压，EEL为电解水制氢装置所需直流电源输入电压，IEL为电解水制氢装置工作电流，Ract为反应活化过电压的电阻，Rohm为电解水制氢装置内部存在的欧姆电阻，Cdl为电解水制氢装置中电荷在电极与电解液边缘的积聚所产生的双电层效应的等效电容，Vdl为等效电容Cdl两端的电压，PEL为电解水制氢装置从电网中吸收的功率；
对功率PEL的关系式进行微分差分化处理，得到电解水制氢装置暂态电路约束：
Figure BDA0003391233970000044
建立燃料电池装置暂态电路,
根据燃料电池装置暂态电路计算
Figure BDA0003391233970000045
EFC＝E′cell-V′dl-IFCR′ohm
Figure BDA0003391233970000046
其中，E′cell为能斯特电压，EFC为燃料电池输出电压，IFC为燃料电池工作电流，R′conc为反应浓度差过电压的电阻，R′act为反应活化过电压的电阻，R′ohm为燃料电池内部存在的欧姆电阻，C′dl为双层充电效应等效电容，V′dl为等效电容C′dl两端的电压；
对功率PFC的关系式进行微分差分化处理，得到燃料电池装置暂态电路约束:
Figure BDA0003391233970000051
优选地，所述优化控制模型还包括：
电解水制氢装置从电网中吸收的功率约束：
PEL＝k1IEL+k2Vdl
其中，k1、k2为根据实验数据进行拟合所得的线性化系数，IEL为电解水制氢装置工作电流，Vdl为等效电容Cdl两端的电压，Cdl为电解水制氢装置中电荷在电极与电解液边缘的积聚所产生的双电层效应的等效电容；
燃料电池装置所产生的反馈回电网的功率约束:
PFC＝k3IFC+k4V′dl
其中，k3、k4为根据实验数据进行拟合所得的线性化系数，IFC为燃料电池工作电流，V′dl为等效电容C′dl两端的电压，C′dl为双层充电效应等效电容。
优选地，所述优化控制模型还包括：
电解水制氢装置与燃料电池装置工作时序约束：
U1×IEL.min≤IEL≤U1×IEL.max
U2×IFC.min≤IFC≤U2×IFC.max
0≤U1+U2≤1
其中，U1、U2为二维0、1变量，IEL为电解水制氢装置工作电流，IFC为燃料电池工作电流；
超导磁体充放电时序约束：
U3×PSMES.ch.min≤PSMES.ch≤U3×PSMES.ch.max
U4×PSMES.dis.min≤PSMES.dis≤U4×PSMES.dis.max
0≤U3+U4≤1
其中，U3、U4为二维0、1变量。
优选地，所述优化控制模型还包括：
氢液化与汽化系统液化氢气消耗功率约束：
Figure BDA0003391233970000061
其中，Pcool表示氢液化与汽化系统液化氢气所吸收的电网功率，SEC1表示对电解水制氢装置长生的单位质量氢气进行液化所需的能耗，SEC2表示对由于液氢汽化产生并排出的单位质量氢气进行液化所需的能耗，
Figure BDA0003391233970000062
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量；
氢液化与汽化系统汽化液氢消耗功率约束：
Figure BDA0003391233970000063
其中，Pexc为氢液化与汽化系统汽化液氢所吸收的电网功率，CES为单位质量液氢转化为标准状态下氢气所需能量，
Figure BDA0003391233970000064
为所述燃料电池装置所消耗的氢气质量。
优选地，所述目标函数为
Figure BDA0003391233970000065
其中，F为电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后，在N个时间段内电网中富余不平衡功率平方和，ΔP为电网中产生的不平衡功率，PEL为电解水制氢装置从电网中吸收的功率，PFC为燃料电池装置所产生的反馈回电网的功率，PSMES为超导磁体从电网吸收的功率，Pcool表示氢液化与汽化系统液化氢气所吸收的电网功率，Pexc为氢液化与汽化系统汽化液氢所吸收的电网功率。
按照本发明的另一方面，提供了一种液氢超导共融储能的优化控制系统，其包括：
参数获取单元，用于获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；
优化控制模型建立单元，用于构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，所述优化控制模型包括
超导磁体能量状态约束：
Figure BDA0003391233970000071
Figure BDA0003391233970000072
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis
其中，
Figure BDA0003391233970000073
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure BDA0003391233970000074
表示第t时间段内超导体能量状态变化量，η1为超导磁体将电能转化为磁场能的效率，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的功率，PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的功率，η4为超导磁体将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量；
氢气质量约束：
Figure BDA0003391233970000075
Figure BDA0003391233970000076
Figure BDA0003391233970000077
Figure BDA0003391233970000078
其中，
Figure BDA0003391233970000079
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000710
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000711
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000081
为因所述超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure BDA0003391233970000082
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量，
Figure BDA0003391233970000083
表示到达沸点状态单位质量氢气的内能，
Figure BDA0003391233970000084
为单位质量液氢内能；
液氢质量约束
Figure BDA0003391233970000085
Figure BDA0003391233970000086
其中，
Figure BDA0003391233970000087
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000088
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000089
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure BDA00033912339700000810
为燃料电池装置所消耗的氢气质量；
求解单元，用于电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解所述优化控制模型。
总体而言，本申请通过使用液氢超导共融储能技术，结合液氢储能和超导储能，其中，氢储能技术是跨季节，大规模储能的最佳选择，但其响应速度慢，而超导磁储能具有响应速度快、储能效率高、循环寿命长等诸多优点，同时，超导磁体额定工作温度恰好处于液氢温区内，根据液氢超导共融储能装置，建立优化控制模型，并对装置内部的氢气质量和超导质量进行约束，以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后剩下的不平衡功率最小为目标函数，求解优化控制模型，明确电解水制氢装置、燃料电池装置、超导磁储能、氢液化与汽化系统功率最优分配关系及协同运行特性，明确液氢储罐内液氢与氢气体积变化情况，在保证装置处于安全良好运行的基础上，得到液氢超导共融储能装置最优工作状态。本申请可满足不同场景下的储能需求，同时进一步可作为耦合电力系统和天然气系统等的能源路由器，在能源互联网中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1(a)是本申请一实施例中液氢超导共融储能装置结构示意图；
图1(b)是本申请一实施例中液氢超导共融储能装置工作原理示意图；
图2是本申请一实施例中液氢超导共融储能的优化控制方法的步骤流程图；
图3是本申请一实施例中优化控制模型的约束条件示意图；
图4是本申请一实施例中电解水制氢装置暂态电路图；
图5是本申请一实施例中燃料电池装置暂态电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为便于理解本发明，先介绍液氢超导共融储能的优化控制方法所使用的液氢超导共融储能装置，如图1(a)和图1(b)所示为一实施例中的液氢超导共融储能装置的框架图，该液氢超导共融储能装置包括电解水制氢装置1、燃料电池装置2、氢液化与汽化系统3、液氢储罐4和超导磁体(SMES)5以及功率转换与控制单元6，其中，超导磁体5浸于液氢储罐4内的液氢中。具体的，电解水制氢装置1采用质子交换膜电解水制氢装置，燃料电池装置2采用质子交换膜燃料电池装置，超导磁体5制作材料采用涂层导体(YBaCuo)或MgB2，设计方式采用S4或T20两种形式，电解水制氢装置1连接氢液化与汽化系统3，经液化后的氢气储存于液氢储罐4中，燃料电池装置2连接氢液化与汽化系统3，通过氢液化与汽化系统3汽化后产生的氢气生成电能返送回电网，电解水制氢装置1、燃料电池装置2、超导磁体5通过功率转换与控制单元6与电网相连，功率转换与控制单元6具体可为多端口电力电子变换器。更具体地，氢液化与汽化系统3包括压缩机、液氮预冷系统、第一级热交换器、第二级热交换器、膨胀机循环预冷系统、两级焦耳-汤姆逊膨胀阀，同时液氢可通过氢液化与汽化系统3中的热交换器器还原成氢气并供给于燃料电池装置2加以利用。针对电力系统中出现的缓慢的功率波动，当电网功率过剩时，电解水制氢装置1吸收不平衡功率产生氢气，并通过氢液化与汽化系统3实现将过剩电能转化为液氢中的化学能进行存储。当电网功率出现缺额时，液氢通过换热器组件汽化为氢气，并通过的燃料电池装置2利用汽化后产生的氢气生成电能返送回电网。而超导磁体5则针对电网中出现的高频快速功率波动做出响应。
基于上述液氢超导共融储能装置，本申请涉及一种液氢超导共融储能的优化控制方法，如图2所示为一实施例中液氢超导共融储能的优化控制方法地步骤流程图，该优化控制方法包括：
步骤S100：获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组。
首先，需要获得液氢超导共融储能装置的技术参数、电网出力数据组以及负荷数据组。
在一个实施例中，液氢超导共融储能装置技术参数组包括：液氢沸点
Figure BDA0003391233970000101
液氢密度
Figure BDA0003391233970000102
标况氢气密度
Figure BDA0003391233970000103
沸点状态氢气密度
Figure BDA0003391233970000104
液化单位质量氢气耗能SEC1、气液态转换耗能(沸点氢气)SEC2、电解水制氢装置槽数NEL、电解水制氢装置最大电流IEL.max、液氢汽化耗能(标况氢气)CES、燃料电池装置槽数NFC、燃料电池装置最大电流IFC.max、超导磁储能转化效率η1、η4、超导磁储能损耗功率中用来汽化氢气的比率η2、超导磁储能初始能量状态、超导磁储能额定容量ESMES、超导磁储能功率上下限、氢气液化系统功率上限、液氢汽化系统功率上限、超导磁储能尺寸(内径/外径/高)、液氢储罐尺寸(半径/高)、储罐氢气最大容量(初始容量、最小容量)、储罐液氢最大容量(初始容量、最小容量)。
步骤S200：构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，该优化控制模型包括超导磁体能量状态约束、氢气质量约束和液氢质量约束。
在一实施例中，可以建立电解水制氢装置暂态电路，如图4所示，该暂态电路包括串联于电压EEL和电压Ecell之间的电阻Rohm、电阻Ract以及与电阻Ract并联的等效电容Cdl，其中，Ecell为电化学反应发生所需电压，EEL为电解水制氢装置所需直流电源输入电压，IEL为电解水制氢装置工作电流，Ract为反应活化过电压的电阻，Rohm为电解水制氢装置内部存在的欧姆电阻，同时电荷在电极与电解液边缘的积聚将产生双电层效应，使得两者之间出现稳定的电势差，等效为电容的作用，因此该效应可以用电容Cdl表示，Vdl为电容两端的电压，t为时间。在一实施例中，该暂态电路还可包括反应浓度差过电压的电阻Rconc，在本实施例中，忽略反应浓度差过电压的电阻Rconc的影响。
根据电解水制氢装置暂态电路可得
Figure BDA0003391233970000111
EEL＝Ecell+Vdl+IELRohm
Figure BDA0003391233970000112
根据该电解水制氢装置暂态电路，可以构建以下约束：
电解水制氢装置工作电流约束：
IEL.min≤IEL≤IEL.max (1)
式中：IEL.max为暂态电路最大工作电流，IEL.min为暂态电路最小工作电流，该约束能够保证水制氢装置工作安全稳定。
对电解水制氢装置暂态电路中的功率PEL的关系式进行微分差分化处理，得到电压Vdl的约束：
Figure BDA0003391233970000121
由于电解水制氢装置暂态电路中的输入功率PEL可分为两部分，第一部分为与IEL相关的二次方程，第二部分为与Vdl有关的二次方程，对两部分线性化后可得输入功率PEL的约束：
PEL＝k1IEL+k2Vdl (3)
其中，k1、k2为线性化常数系数，需根据电解水制氢装置实际实验数据进行参数拟合确定。
在一实施例中，也可建立燃料电池装置暂态电路，如图5所示，该暂态电路包括串联于电压EFC和电压E′cell之间的电阻R′ohm、电阻R′act以及与电阻R′ohm并联的等效电容C′dl。其中，E′cell为能斯特电压，EFC为燃料电池输出电压，IFC为燃料电池工作电流，R′conc为反应浓度差过电压的电阻，R′act为反应活化过电压的电阻，R′ohm为燃料电池内部存在的欧姆电阻，C′dl为双层充电效应等效电容，V′dl为等效电容C′dl两端的电压。在一实施例中，该暂态电路还可包括反应浓度差过电压的电阻Rconc′，在本实施例中，忽略反应浓度差过电压的电阻Rconc’的影响。
根据燃料电池装置暂态电路可得
Figure BDA0003391233970000122
EFC＝E′cell-V′dl-IFCR′ohm
Figure BDA0003391233970000131
根据该燃料电池装置暂态电路，可以构建以下约束：
IFC.min≤IFC≤IFC.max (4)
式中：IFC.max为暂态电路最大工作电流，IFC.min为暂态电路最小工作电流,该约束能够保证燃料电池装置工作安全稳定。
对燃料电池装置暂态电路中的功率PFC的关系式进行微分差分化处理，得到电压V′dl的约束：
Figure BDA0003391233970000132
由于燃料电池装置暂态电路中的输入功率PFC可分为两部分,第一部分为与IFC相关的二次方程，第二部分为与Vd′l有关的二次方程，对两部分线性化后可得输入功率PFC的约束:
PFC＝k3IFC+k4V′dl (6)
式中：k3、k4为线性化常数系数，需根据燃料电池装置实际实验数据拟合参数确定。
在本实施例中，本模型为混合整数线性规划模型，通过对功率PEL和功率PFC进行线性化处理，可以将非线性约束转化为线性约束，便于模型的建立与求解。
在一实施例中，根据实际物理情况，当电网功率过剩时，电解水制氢装置吸收功率，当电网功率缺额时，燃料电池释放功率，而两者工作均需要消耗能量，因此为尽可能减小液氢超导共融储能装置在运行过程中产生的损耗，本发明假设电解水制氢装置与燃料电池不可同时处于工作状态。在液氢超导共融储能装置中，电解水制氢装置与燃料电池装置通过功率转换与控制单元与电网相接，该功率转换与控制单元可以为电力电子变换器(整流器与逆变器)。变换器均采用电流控制，即其电流等于控制设定值。通过改变电流参考设定值，装置功率可以随之变化以平抑电网中的不平衡功率。因此对通过两种装置的电流进行控制即可达到控制其输入(输出)功率的目的。因此，本实施例中的优化控制模型还包括：
电解水制氢装置与燃料电池装置工作时序约束：
U1×IEL.min≤IEL≤U1×IEL.max (7)
U2×IFC.min≤IFC≤U2×IFC.max (8)
0≤U1+U2≤1 (9)
其中，U1、U2为二维0、1变量，IEL为电解水制氢装置工作电流，IFC为燃料电池工作电流。
在本申请中，装置内部氢气质量、液氢质量和超导磁体状态的控制是优化控制中的重要环节，因此，该优化控制模型包括以下约束。
超导磁体能量状态约束：
Figure BDA0003391233970000141
其中，
Figure BDA0003391233970000142
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure BDA0003391233970000143
表示第t时间段内超导体能量状态变化量,本模型给定超导磁体初始能量状态，便能推导出当前时段超导磁体的能量状态。例如，可以假定超导体初始能量状态为0.5，即超导体中初始能量为其额定容量的50％。
其中，本申请人通过大量推导分析，可用以下公式来计算能量状态变化量
Figure BDA0003391233970000144
式中：η1表示超导磁储能将电能转化为磁场能的效率，η4表示超导磁储能将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的不平衡功率；PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的不平衡功率。超导磁体的功率为
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis (12)
在一实施例中，对于液氢超导共融储能装置中超导磁体充放电不能同时进行，电网功率过剩时，电解水制氢装置吸收功率，超导磁体亦充电吸收功率，电网功率出现缺额时，燃料电池发出功率。因此，本优化控制模型还包括
超导磁体充放电时序约束：
U3×PSMES.ch.min≤PSMES.ch≤U3×PSMES.ch.max (13)
U4×PSMES.dis.min≤PSMES.dis≤U4×PSMES.dis.max (14)
0≤U3+U4≤1 (15)
式中：PSMES.ch.min为超导磁体最小充电功率，PSMES.dis.min为超导磁体最小放电功率，PSMES.ch.max为超导磁体最大充电功率，PSMES.dis.max为超导磁体最大放电功率，U3、U4为二维0、1变量。当U3＝1时，超导磁体处于充电状态，此时U4＝0超导磁体不能放电。当U3＝0时，超导磁体处于放电状态，此时U4＝1超导磁体不能充电。
在一实施例中，为保证相邻控制周期的初始状态一致，使超导磁体运行更具有连续性与承接性，该超导磁体能量状态约束还包括：
Figure BDA0003391233970000151
其中，
Figure BDA0003391233970000152
表示超导磁体在控制周期结束时能量状态，
Figure BDA0003391233970000153
表示超导磁体在控制周期起始时能量状态。
本申请的优化控制模型中还包括：
氢气质量约束：
Figure BDA0003391233970000154
其中，
Figure BDA0003391233970000155
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000156
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000157
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000161
为因超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000162
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量。在本实施例中，考虑到超导磁储能存在交流损耗、磁滞损耗等，这些损耗部分以热量的形式于空气中耗散，部分使得用以冷却超导体的液氢温度升高到达沸点并汽化成氢气。
本申请人通过推导分析，得出可用以下公式计算因超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量
Figure BDA0003391233970000163
以及因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量
Figure BDA0003391233970000164
Figure BDA0003391233970000165
Figure BDA0003391233970000166
其中，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure BDA0003391233970000167
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量，以氢气相态变化前后内能差表示，其计算公式如下：
Figure BDA0003391233970000168
式中：
Figure BDA0003391233970000169
表示到达沸点状态单位质量氢气的内能，
Figure BDA00033912339700001610
为单位质量液氢内能。
在一实施例中，超导磁体在运行过程中将使得液氢吸收热量汽化成沸点状态下的氢气，该氢气被储存在液氢储罐中，并根据液氢超导共融储能装置的需求，部分供给于氢气液化系统重新液化，部分直接提供给燃料电池进行燃料生成电能返送回电网，因此，储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量应小于燃料电池总消耗氢气质量，且排出氢气质量应始终大于或等于0，储罐中排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量应大于等于0，即，上述氢气质量约束还包括：
Figure BDA0003391233970000171
Figure BDA0003391233970000172
Figure BDA0003391233970000173
式中：
Figure BDA0003391233970000174
表示储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000175
表示储罐中排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000176
为第t时间段内燃料电池所消耗的氢气质量。
可运用法拉第定律可得燃料电池装置所消耗的氢气质量
Figure BDA0003391233970000177
同样，可利用法拉第定律可得电解水制氢装置所产生的氢气质量
Figure BDA0003391233970000178
式中：
Figure BDA0003391233970000179
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure BDA00033912339700001710
为第t时间段内燃料电池所消耗的氢气质量，
Figure BDA00033912339700001711
为氢气的摩尔质量，其值为2g/mol，n为1mol反应物发生化学反应时所转移的电子量，其值为2mol，NEL为电解水制氢装置的槽数。
在一实施例中，储罐中排出氢气后，为保证装置运行的可持续性与安全性，储罐中剩余氢气质量应在一定的范围内，因此，氢气质量约束还包括：
Figure BDA00033912339700001712
Figure BDA00033912339700001713
式中：
Figure BDA00033912339700001714
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure BDA00033912339700001715
为储罐中所能容纳的最大氢气质量，
Figure BDA00033912339700001716
为储罐中所能容纳的最小氢气质量。
在一实施例中，为保证装置运行的可持续性与安全性，需要对液氢的质量进行约束，即，该优化控制模型还包括：
液氢质量约束
Figure BDA0003391233970000181
Figure BDA0003391233970000182
式中：
Figure BDA0003391233970000183
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000184
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA0003391233970000185
为储罐中所能容纳的最大氢气质量，
Figure BDA0003391233970000186
为储罐中所能容纳的最小液氢质量。
在一实施例中，在装置运行过程中，为防止超导磁体因为损耗导致磁体过热而出现失超现象，超导磁体应始终处于被液氢浸没状态，使得因超导磁体损耗所产生的热量被液氢所吸收进而保持磁体温度恒定，因此储罐所能容纳最小液氢体积应始终大于超导磁体体积，因此，该液氢质量约束还包括
Figure BDA0003391233970000187
Figure BDA0003391233970000188
式中：VSMES为超导磁体的体积，
Figure BDA0003391233970000189
为液氢储罐中所能容纳的最小液氢体积，
Figure BDA00033912339700001810
为液氢的密度。
在一实施例中，在氢气液化系统内，氢气输入来源除电解水装置所产生的氢气外，为进一步提高装置的整体效率，部分由于超导磁储能放热所产生并排出的气态氢气也通过该系统进行液化。本模型假设氢气液化过程中无质量损失，因此其液化过程中所需能耗由电网直接供给。为保证所有氢气顺利液化，且无多余能量供给压缩冷却装置造成不必要的损耗，该优化控制模型还包括：
氢液化与汽化系统液化氢气消耗功率约束：
Figure BDA00033912339700001811
其中，Pcool表示氢液化与汽化系统液化氢气所吸收的电网功率，SEC1表示对电解水制氢装置长生的单位质量氢气进行液化所需的能耗，SEC2表示对由于液氢汽化产生并排出的单位质量氢气进行液化所需的能耗，
Figure BDA0003391233970000191
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量；
在一实施例中，液氢通过热交换器转化为标准状态下的氢气进而通过燃料电池燃烧的转化过程需要能量，其汽化过程中所需能量由电网供给，因此，该优化控制模型还包括：
氢液化与汽化系统汽化液氢消耗功率约束：
Figure BDA0003391233970000192
其中，Pexc为氢液化与汽化系统汽化液氢所吸收的电网功率，CES为单位质量液氢转化为标准状态下氢气所需能量，
Figure BDA0003391233970000193
为燃料电池装置所消耗的氢气质量。
在一实施例中，受限于液氢超导共融储能装置各子装置结构与特性的限制，为使得各子装置工作于正常状态，保证各装置具有最佳的工作性能、使用寿命以及安全裕度，需要对超导磁储能、电解水制氢装置、燃料电池装置、氢液化与汽化系统运行功率进行限定，即本优化控制模型还包括
运行功率上下限约束：
-PSMES.max≤PSMES≤PSMES.max (31)
PEL.min≤PEL≤PEL.max (32)
PFC.min≤PFC≤PFC.max (33)
Pcool.min≤Pcool≤Pcool.max (34)
Pexc.min≤Pexc≤Pexc.max (35)
其中，PSMES.max为超导磁体最大充电(放电)功率，PEL.min为电解水制氢装置最小吸收功率，PEL.max为电解水制氢装置最大吸收功率。PFC.min为燃料电池最小发出功率，PFC.max为燃料电池最大发出功率。Pcool.min为氢气液化系统最小消耗功率，Pcool.max为氢气液化系统最大消耗功率。Pexc.min为氢气汽化最小消耗功率，Pexc.max为氢气汽化最大消耗功率。
综上，液氢超导共融储能装置的优化控制模型建立完毕，如图3所示，总体而言，优化控制模型包括子装置工作状态约束、超导磁体能量状态约束和氢质量约束。
其中，子装置工作状态约束包括运行功率上下限约束、暂态电路约束、非同时运行约束和氢液化与汽化系统工作功率约束。其中，暂态电路约束包括上文提及的电解水制氢装置暂态电路约束和燃料电池装置暂态电路电压约束。非同时运行约束包括上文提及的电解水制氢装置与燃料电池装置工作时序约束和超导磁体充放电时序约束。氢液化与汽化系统工作功率约束包括上文提及的氢液化与汽化系统液化氢气消耗功率约束和氢液化与汽化系统汽化液氢消耗功率约束。
其中，氢质量约束包括上文提及的氢气质量约束和液氢质量约束。
需要说明的是，该模型并非随意设置，其中的各个约束条件是本申请人进行大量分析模拟后所确定的，对于其中的相关参数的计算公式，也是本申请人经过大量的推导分析以及验证所得出的，并非随意构建。
步骤S300：以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解优化控制模型。
具体的，所建立的液氢超导共融储能装置优化控制模型目标函数具体为：
Figure BDA0003391233970000201
式中：F为目标函数，表示电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后，在N个时间段内电网中仍存在的不平衡功率平方和；ΔP为N个时间段内电网中出现的不平衡功率(发电量与负荷值之差)；PEL为电解水制氢装置从电网中吸收的功率；PFC为燃料电池装置所产生的反馈回电网的功率；PSMES为超导磁体从电网吸收(发出)的不平衡功率，当PSMES>0时超导磁体充电，当PSMES<0时超导磁体放电；Pcool表示氢气液化系统所消耗的电网不平衡功率；Pexc为液氢通过热交换器汽化为标准状况下氢气所需能量。
以液氢超导共融储能装置平抑电网不平衡功率的能力最优为目标函数，求解优化控制模型，明确电解水制氢装置、燃料电池装置、超导磁储能、氢液化与汽化系统功率最优分配关系及协同运行特性，明确储氢内液氢与氢气体积变化情况，在保证装置处于安全良好运行的基础上，得到液氢超导共融储能装置最优工作状态。
本申请还涉及一种液氢超导共融储能的优化控制系统，其包括
参数获取单元，用于获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；
优化控制模型建立单元，用于构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，优化控制模型包括
超导磁体能量状态约束：
Figure BDA0003391233970000211
Figure BDA0003391233970000212
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis
其中，
Figure BDA0003391233970000213
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure BDA0003391233970000214
表示第t时间段内超导体能量状态变化量，η1为超导磁体将电能转化为磁场能的效率，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的功率，PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的功率，η4为超导磁体将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量；
氢气质量约束：
Figure BDA0003391233970000215
Figure BDA0003391233970000216
Figure BDA0003391233970000221
其中，
Figure BDA0003391233970000222
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000223
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000224
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure BDA0003391233970000225
为因超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure BDA0003391233970000226
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量；
液氢质量约束
Figure BDA0003391233970000227
Figure BDA0003391233970000228
其中，
Figure BDA0003391233970000229
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA00033912339700002210
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure BDA00033912339700002211
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure BDA00033912339700002212
为燃料电池装置所消耗的氢气质量；
求解单元，用于以在N个时间段内电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解优化控制模型。
具体的，优化控制系统用于执行上文中的优化控制方法，其各个单元用于实现上文中的各个步骤，各个单元的功能与上文相应的步骤相对应，在此不再赘述。
综上，本申请通过使用液氢超导共融储能技术，结合液氢储能和超导储能，其中，氢储能技术是跨季节，大规模储能的最佳选择，但其响应速度慢，而超导磁储能具有响应速度快、储能效率高、循环寿命长等诸多优点，同时，超导磁体额定工作温度恰好处于液氢温区内，根据液氢超导共融储能装置，建立优化控制模型，并对装置内部的氢气质量和超导质量进行约束，以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后剩下的不平衡功率最小为目标函数，求解优化控制模型，明确电解水制氢装置、燃料电池装置、超导磁储能、氢液化与汽化系统功率最优分配关系及协同运行特性，明确液氢储罐内液氢与氢气体积变化情况，在保证装置处于安全良好运行的基础上，得到液氢超导共融储能装置最优工作状态。本申请可满足不同场景下的储能需求，同时进一步可作为耦合电力系统和天然气系统等的能源路由器，在能源互联网中具有广泛的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液氢超导共融储能的优化控制方法，其特征在于，包括：
获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；
构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，所述优化控制模型包括超导磁体能量状态约束：
Figure FDA0003391233960000011
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis
Figure FDA0003391233960000012
其中，
Figure FDA0003391233960000013
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure FDA0003391233960000014
表示第t时间段内超导体能量状态变化量，η1为超导磁体将电能转化为磁场能的效率，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的功率，PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的功率，η4为超导磁体将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量；
氢气质量约束：
Figure FDA0003391233960000015
Figure FDA0003391233960000016
Figure FDA0003391233960000017
Figure FDA0003391233960000018
其中，
Figure FDA0003391233960000019
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure FDA00033912339600000110
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure FDA00033912339600000111
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure FDA00033912339600000112
为因所述超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure FDA0003391233960000021
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量，
Figure FDA0003391233960000022
表示到达沸点状态单位质量氢气的内能，
Figure FDA0003391233960000023
为单位质量液氢内能；
液氢质量约束：
Figure FDA0003391233960000024
Figure FDA0003391233960000025
其中，
Figure FDA0003391233960000026
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure FDA0003391233960000027
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure FDA0003391233960000028
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure FDA0003391233960000029
为燃料电池装置所消耗的氢气质量；
以电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解所述优化控制模型。
2.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述超导磁体能量状态约束还包括：
Figure FDA00033912339600000210
其中，
Figure FDA00033912339600000211
表示超导磁体在控制周期结束时能量状态，
Figure FDA00033912339600000212
表示超导磁体在控制周期起始时能量状态。
3.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述氢气质量约束还包括：
Figure FDA00033912339600000213
Figure FDA00033912339600000214
Figure FDA00033912339600000215
Figure FDA00033912339600000216
Figure FDA0003391233960000031
其中，
Figure FDA0003391233960000032
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量。
4.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述液氢质量约束还包括：
Figure FDA0003391233960000033
Figure FDA0003391233960000034
其中，VSMES为超导磁体的体积，
Figure FDA0003391233960000035
为液氢储罐中所能容纳的最小液氢体积，
Figure FDA0003391233960000036
为液氢的密度。
5.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，还包括：
建立电解水制氢装置暂态电路，
根据电解水制氢装置暂态电路可得：
Figure FDA0003391233960000037
EEL＝Ecell+Vdl+IELRohm
Figure FDA0003391233960000038
其中，Ecell为电化学反应发生所需电压，EEL为电解水制氢装置所需直流电源输入电压，IEL为电解水制氢装置工作电流，Ract为反应活化过电压的电阻，Rohm为电解水制氢装置内部存在的欧姆电阻，Cdl为电解水制氢装置中电荷在电极与电解液边缘的积聚所产生的双电层效应的等效电容，Vdl为等效电容Cdl两端的电压，PEL为电解水制氢装置从电网中吸收的功率；
对功率PEL的关系式进行微分差分化处理，得到电解水制氢装置暂态电路约束：
Figure FDA0003391233960000039
建立燃料电池装置暂态电路,
根据燃料电池装置暂态电路计算
Figure FDA0003391233960000041
EFC＝E′cell-V′dl-IFCR′ohm
Figure FDA0003391233960000042
其中，E′cell为能斯特电压，EFC为燃料电池输出电压，IFC为燃料电池工作电流，R′conc为反应浓度差过电压的电阻，R′act为反应活化过电压的电阻，R′ohm为燃料电池内部存在的欧姆电阻，C′dl为双层充电效应等效电容，V′dl为等效电容C′dl两端的电压；
对功率PFC的关系式进行微分差分化处理，得到燃料电池装置暂态电路约束:
Figure FDA0003391233960000043
6.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述优化控制模型还包括：
电解水制氢装置从电网中吸收的功率约束：
PEL＝k1IEL+k2Vdl
其中，k1、k2为根据实验数据进行拟合所得的线性化系数，IEL为电解水制氢装置工作电流，Vdl为等效电容Cdl两端的电压，Cdl为电解水制氢装置中电荷在电极与电解液边缘的积聚所产生的双电层效应的等效电容；
燃料电池装置所产生的反馈回电网的功率约束:
PFC＝k3IFC+k4V′dl
其中，k3、k4为根据实验数据进行拟合所得的线性化系数，IFC为燃料电池工作电流，V′dl为等效电容C′dl两端的电压，C′dl为双层充电效应等效电容。
7.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述优化控制模型还包括：
电解水制氢装置与燃料电池装置工作时序约束：
U1×IEL.min≤IEL≤U1×IEL.max
U2×IFC.min≤IFC≤U2×IFC.max
0≤U1+U2≤1
其中，U1、U2为二维0、1变量，IEL为电解水制氢装置工作电流，IFC为燃料电池工作电流；
超导磁体充放电时序约束：
U3×PSMES.ch.min≤PSMES.ch≤U3×PSMES.ch.max
U4×PSMES.dis.min≤PSMES.dis≤U4×PSMES.dis.max
0≤U3+U4≤1
其中，U3、U4为二维0、1变量。
8.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述优化控制模型还包括：
氢液化与汽化系统液化氢气消耗功率约束：
Figure FDA0003391233960000051
其中，Pcool表示氢液化与汽化系统液化氢气所吸收的电网功率，SEC1表示对电解水制氢装置长生的单位质量氢气进行液化所需的能耗，SEC2表示对由于液氢汽化产生并排出的单位质量氢气进行液化所需的能耗，
Figure FDA0003391233960000052
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量；
氢液化与汽化系统汽化液氢消耗功率约束：
Figure FDA0003391233960000053
其中，Pexc为氢液化与汽化系统汽化液氢所吸收的电网功率，CES为单位质量液氢转化为标准状态下氢气所需能量，
Figure FDA0003391233960000054
为所述燃料电池装置所消耗的氢气质量。
9.如权利要求1所述的优化控制方法，其特征在于，所述目标函数为
Figure FDA0003391233960000061
其中，F为电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后，在N个时间段内电网中富余不平衡功率平方和，ΔP为电网中产生的不平衡功率，PEL为电解水制氢装置从电网中吸收的功率，PFC为燃料电池装置所产生的反馈回电网的功率，PSMES为超导磁体从电网吸收的功率，Pcool表示氢液化与汽化系统液化氢气所吸收的电网功率，Pexc为氢液化与汽化系统汽化液氢所吸收的电网功率。
10.一种液氢超导共融储能的优化控制系统，其特征在于，包括：
参数获取单元，用于获取液氢超导共融储能装置的参数、电网出力数据组以及负荷数据组；
优化控制模型建立单元，用于构建液氢超导共融储能装置的优化控制模型，所述优化控制模型包括
超导磁体能量状态约束：
Figure FDA0003391233960000062
Figure FDA0003391233960000063
PSMES＝PSMES.ch-PSMES.dis
其中，
Figure FDA0003391233960000064
表示第t-1时间段结束时超导体的能量状态标幺值，
Figure FDA0003391233960000065
表示第t时间段内超导体能量状态变化量，η1为超导磁体将电能转化为磁场能的效率，PSMES.ch为超导磁体从电网吸收的功率，PSMES.dis为超导磁体反馈回电网的功率，η4为超导磁体将磁场能转化为电能的效率，ESMES表示超导磁体的额定容量；
氢气质量约束：
Figure FDA0003391233960000071
Figure FDA0003391233960000072
Figure FDA0003391233960000073
Figure FDA0003391233960000074
其中，
Figure FDA0003391233960000075
为第t时间段内由液氢储罐排出并用于氢气液化系统重新液化的氢气质量，
Figure FDA0003391233960000076
为储罐中排出并用于燃料电池燃烧的氢气质量，
Figure FDA0003391233960000077
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的氢气质量，
Figure FDA0003391233960000078
为因所述超导磁体充电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，η2为用以汽化液氢的功率占总功率损耗的比率，
Figure FDA0003391233960000079
为因超导磁体放电过程中产生的损耗而被汽化的液氢质量，ΔH表示单位质量氢气从液态到气态过程中所吸收的能量，
Figure FDA00033912339600000710
表示到达沸点状态单位质量氢气的内能，
Figure FDA00033912339600000711
为单位质量液氢内能；
液氢质量约束
Figure FDA00033912339600000712
Figure FDA00033912339600000713
其中，
Figure FDA00033912339600000714
为第t时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure FDA00033912339600000715
为第t-1时间段结束时液氢储罐中剩余的液氢质量，
Figure FDA00033912339600000716
为第t时间段内电解水制氢装置所产生的氢气质量，
Figure FDA00033912339600000717
为燃料电池装置所消耗的氢气质量；
求解单元，用于电网不平衡功率经液氢超导共融储能装置平抑后富余不平衡功率最小为目标函数，求解所述优化控制模型。
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