CN114819489A - 一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，涉及氢能源应用技术领域。目前，评估方法采用人工进行，智能程度低，且受主观影响大，不能充分反应物理结构，评估不全面，影响评估的准确性。本发明包括步骤：获取数据信息；基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；本技术方案可以快速、有效地评估专用海上风电场的制氢可行性；相比于传统评估方法，评估更为准确、全面，且能自动进行，提高效率，降低出错率，减少人工成本，同时减少主观因素对评估的客观性影响。
Description
技术领域
本发明涉及氢能源应用技术领域，尤其涉及一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法。
背景技术
近年来，我国大力发展风力发电、太阳能发电等可再生能源发电，提高可再生能源发电在电力结构中的比例。海上风电是可再生能源发电的重要发展方向，潜力巨大。但是，风能具有显著的间歇性和波动性，其消纳存在明显的地域和时段集中分布的特征，海上风电的大规模并网面临诸多挑战；其次，海底电缆的施工难度大，建设成本高，均阻碍了海上风能进一步规模化的开发和利用。氢能被认为是确保能源安全和脱碳的理想能源载体，目前，获取纯净绿色氢气的方式就是电解水。将海上风电和电解水制氢相结合可以解决有效风电消纳问题，制得的氢气则可以通过管道或船舶运输到岸上，促进能源和运输部门的脱碳改造。
然而海上风电场、电解设备、储氢装置的购置成本高昂，设备容量太大难以收回成本，若是太小则可能无法充分利用海上风能，产生足够的经济效益，目前，评估方法采用人工进行，智能程度低，且受主观影响大，不能充分反应物理结构，评估不全面，影响评估的准确性。
因此在投资建设前判断一个投资方案是否可行具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，以评估海上风电制氢系统规划方案的可行性，为海上风电制氢系统的规划方案提供决策依据，推动海上风电的发展目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，所述的海上风电制氢系统包括：海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施、氢运输船，海上风电场的产生电通过海底电缆输送到海上制氢平台；海上制氢平台电解水制取的氢气通过输氢管道输送到地下储氢设施中；地下储氢设施中存储的氢气通过输氢管道输送给氢运输船；氢运输船将氢气运输到岸上；其特征在于：其特征在于：所述的可行性评估方法包括以下步骤：
1)获取数据信息
数据信息包括设备参数、气象参数和经济参数，其中设备参数包括海上风电场、海上制氢平台和地下储氢设施的购置费用、年运维费用、运行寿命、运行参数；气象参数包括拟选址海域的历史风速数据；经济参数包括折现率；
2)基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；
目标函数为：
式中，W表示一个月中周的数量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；
表示出售氢气的价格；
运行约束包括：海上风力发电约束，电解水制氢约束，氢储能约束；
3)在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；
中长期模拟框架采用序贯蒙特卡洛法；在评估时，通过风速的时序相关性体现系统运行时序性特性，通过随机抽样生成年时序运行场景以进行后序处理。
作为优选技术手段：在步骤2)中，海上风力发电约束：
风力发电的理论功率是通过以速度v扫过区域A获得的；由于Beta极限，引入修正系数cp；那么风力涡轮机的最大理论功率为：
式中，ρ表示空气的密度，A是叶片扫过的面积，v是风速，cp是Beta极限；风力涡轮机实际功率输出和风速之间的关系为：
式中，
表示风力涡轮机的集合；
表示年份的集合；
表示一年内季节的集合；
表示一个季节中月份的集合；
表示一周内天的集合；
表示一天内小时的集合；Pr和vr分别表示风力涡轮机的额定输出功率和额定风速，Pi,y,s,m,d,h表示风力涡轮机i第y年的第s个季节的第m个月的第d天的第h个小时的功率输出；
假设每台涡轮机使用相同的风力功率曲线；不考虑风切变、空气密度变化、尾流效应和其他涡轮机引起的湍流的影响；整个风电场的功率输出表示为：
式中，
表示整个风电场的功率输出，N表示风电场中风力涡轮机的数量。
作为优选技术手段：在步骤2)中，电解水制氢约束：
由于风电场是离网的，专门用于制氢，其所需电能全部来自风电场；电解槽可产生氢气的速率如下所示：
式中，Eelec表示电解产生1单位氢气消耗的电能；Epcl表示净化水、压缩氢气及其他损失所消耗的电能；
电解槽的规模，即额定容量Pelz,max，其额定容量约束如下：
实际上，为了确保高效运行，当输入功率过低时，应关闭电解槽；风电场发电量的下限Pfarm,low设置为电解槽额定容量的5％，如式(7)所示：
Pfarm,low＝0.05Pelz,max (7)
在选定的氢电解槽的规模下，如果风电场的发电量足够大，电解槽则以其额定容量运行，即：
综合后，电解槽的实际制氢速率如式(9)所示：
作为优选技术手段：在步骤2)中，氢储能约束：
海上风能存在季节波动特性，氢能的供应与需求在时空上是不平衡的，故海上风电制氢系统的储氢系统应具备季节性储能的特性；
式中，S表示一年中季节的数量；M表示一个季度中月的数量；W表示一个月中周的数量；D表示一周内天的数量；H表示一天内小时的数量；
表示某天储氢系统的储氢量；
表示某天输入到储氢系统中的氢气的量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；式(11)-(13)描述了一年中储氢系统中储氢量的变化；
式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；
式中，mHS,max表示储氢系统的容量；nin,max/nout,max表示储氢系统输入/输出氢气的质量流的上限；式(15)为储氢系统的容量约束；式(16)和(17)为储氢系统输入/输出氢气的上下限约束。
5.根据权利要求4所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤3)中，在经济性进行评估时，包括步骤：
301)：输入数据，设定迭代收敛条件与氢能技术应用的运行寿命周期Y；初始化y＝1，进行年间运行模拟计算；
302)：针对第y年构建电氢互补系统的长期动态运行边界，生成元件购置价格、氢交易价格等的模拟参数；以此为基础，进行年内运行模拟计算，令迭代指针k＝1；
303)：对于第k次迭代，运用时序随机模拟与拉丁超立方抽样技术生成8760小时的风速曲线，获得海上风电制氢系统的中短期运行场景；具体流程为先将年历史风速数据标准化，去除变化趋势，然后利用标准化的数据，采用一般风速时间序列生成方法，生成标准风速时间序列，再对标准风速时间序列进行还原，最后得到含年、日变化趋势的仿真风速时间序列；
304)：基于海上风电制氢运行模型，进行年运行场景下的最优时序能流计算，完成系统运行状态评估并统计经济性指标；
305)：计算经济性指标年值并进行收敛性判定；若满足收敛条件，年年内模拟算法终止，前往步骤六；否则令k＝k+1，返回步骤303)；
306)：更新元件老化状态与逐年动态运行边界参数；若y＝Y，年间模拟算法终止，前往步骤307)；否则，令y＝y+1，返回步骤302)；
307)：输出等年值成本、净现值、投资回报周期等经济性评估指标。
作为优选技术手段：在步骤305)中，采用稳定判据来判断收敛；使用CI表示收敛指标，则收敛判定表示成如下公式：
CI≤δ (18)
式中，δ表示设定的收敛精度阈值；当CI小于等于这一阈值时，中长期运行模拟算法收敛并停止循环；否则循环继续；收敛指标CI的计算公式如下：
式中，IE,k(i)表示对前i个场景统计得到的第k个经济性指标的数值，共有K个经济性指标；
表示第k个经济性指标的标定值，其作用是将有单位的指标量转化成无量纲量以实现指标的归一化；IR,m(i)表示对前i个场景统计得到的第m个可靠性指标的数值，
表示第m个经济性指标的标定值，共有M个可靠性评估指标。
作为优选技术手段：经济性指标计算方法如下：
假设不考虑建设时间，则投资成本C0为：
式中，C0表示总投资成本；
表示风电场投资成本，包括风电机组和海底电缆；
表示海上制氢平台的投资成本，包括海上平台、功率控制和调节器、海水净化装置电解水装置和供电系统；
表示储氢系统的投资成本，包括地下储氢结构及相关设施和输氢管道；
年运行和维护成本Cy,O&M为：
式中，
表示风电场在第y年的运行和维护成本；
表示海上制氢平台的第y年的运行和维护成本；
表示储氢系统第y年的运行和维护成本；
海上风电制氢系统的成本包括两个部分：设备规划投资成本系统运行维护成本；采用等年值成本来衡量系统的经济效益；等年值成本ACSy的计算公式如下：
ACSy＝CRF·C0+Cy,O&M (23)
式中，CRF表示资金回收系数，i表示折现率，Y表示设备的寿命周期；
投资回收期PBP满足：
式中，F表示年运行收益，Fy表示第y年的运行收益；假设海上风电制氢系统每年的制氢量、氢价格以及运行和维护成本不变，则平均年运行收益为：
Ra＝F1-C1,O&M＝F2-C2,O&M＝…＝FPBP-CPBP,O&M (26)
则式(25)简化为：
进一步化简可得：
并计算净现值(NPV)；当净现值大于零则方案可行，且净现值越大，方案越优，投资效益越好；其计算公式为：
有益效果：本发明提出了一种海上风电制氢系统的结构，建立了分析模型，可以快速、有效地评估专用海上风电场的制氢可行性；所提评估方法对海上风电制氢系统的时序运行进行了精细化的数学建模，相比于传统评估方法，能够更加准确反映系统物理结构及运行特点对其经济性的影响；此外，该评估模型考虑了海上风能出力的季节性特征与季节性储能对系统经济效益的影响，使之更符合实际情况；基于系统运行关键参数的历史数据，采用拉丁超立方抽样方法生成多组运行场景，使系统的运行模拟尽可能符合实际情况；通过基于序贯蒙特卡洛法的中长期模拟框架将上述抽样场景和运行模型结合，当达到收敛条件时，计算系统的各经济性评估指标，实现对海上风电制氢系统的经济性评估，能够有效地解决海上风电制氢系统的可行性评估问题。本技术方案评估准确、全面，且能自动进行，提高效率，降低出错率，减少人工成本，同时减少主观因素对评估的客观性影响。
附图说明
图1是本发明一种海上风电制氢系统的结构示意图；
图2是本发明流程示意图。
图3是本发明海上风电制氢系统的中长期运行模拟框架图。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，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。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明提供了一种海上风电制氢系统，由海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施、氢运输船组成。其中，海上风电场的电力通过海底电缆输送到海上平台；海上平台电解水制取的氢气通过输氢管道输送到地下储氢设施中；地下储氢设施中存储的氢气通过输氢管道输送给氢运输船；氢运输船将氢气运输到岸上。
海上风电制氢系统的具体结构特征如下：
海上风电场由一定数量的风电机组和输电系统组成。其中，风电机组包括叶片、风机、塔身和基础部分，能够将风能转化为电能；输电系统为从风电机组到海上平台的海底电缆。
海上制氢平台由海上平台、功率控制和调节器、海水净化装置电解水装置和供电系统组成，其作用是通过电解水方法将电能转化为氢能。
储氢系统由地下储氢结构(地下洞穴、枯竭的油藏等)及相关设施和管道系统组成，用于存储海上制氢平台生产的氢气。此外，设计储存容量时应符合技术进步和氢运输船的运力。
氢运输船用于将海上制氢系统生产的氢气运输到岸上。
请参阅图2，本发明提供了一种海上风电制氢系统可行性评估方法，通过系统运行的中长期模拟，计算各项指标来评估规划方案的可行性，包括以下步骤：
S1、获取海上风电制氢系统的规划方案和可行性评估所需的相关信息；
具体包括：
(1)设备参数，例如海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施的购置费用、年运维费用、运行寿命、运行参数等；
(2)气象参数，例如拟选址海域的历史风速数据；
(3)经济参数，例如折现率。
S2、基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；
(1)目标函数
式中，W表示一个月中周的数量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；
表示出售氢气的价格。出售氢气为海上风电制氢系统的唯一收入，政府对新技术和极低碳能源生产的任何激励支持都包含在该价格中，不考虑出售氧气副产品的额外收入。
2)运行约束
(1)海上风力发电模型
风力发电的理论功率是通过以速度v扫过区域A获得的。由于Beta极限，引入修正系数cp。那么风力涡轮机的最大理论功率为：
式中，ρ表示空气的密度，A是叶片扫过的面积，v是风速，cp是Beta极限。风力涡轮机实际功率输出和风速之间的关系为：
式中，
表示风力涡轮机的集合；
表示年份的集合；
表示一年内季节的集合；
表示一个季节中月份的集合；
表示一周内天的集合；
表示一天内小时的集合。Pr和vr分别表示风力涡轮机的额定输出功率和额定风速，Py,s,m,d,t表示风力涡轮机i第y年的第s个季节的第m个月的第d天的第h个小时的功率输出。此公式通常表示功率曲线。
假设每台涡轮机使用相同的风力功率曲线；不考虑风切变、空气密度变化、尾流效应和其他涡轮机引起的湍流的影响。整个风电场的功率输出可以表示为：
式中，
表示整个风电场的功率输出，N表示风电场中风力涡轮机的数量。
(2)电解水制氢模型
由于风电场是离网的，专门用于制氢，故所有其他服务(包括净化水和压缩氢气)的电力必须来自风电场。理论上，电解槽可产生氢气的速率如下所示：
式中，Eelec表示电解产生1单位氢气消耗的电能；Epcl表示净化水、压缩氢气及其他损失所消耗的电能。
电解槽的规模，即额定容量Pelz,max，这是从项目开始安装的一项固定且重要的资产。其额定容量约束如下：
实际上，为了确保高效运行，当输入功率(即风电场的实时输出功率)过低时，应关闭电解槽。风电场发电量的下限Pfarm,low设置为电解槽额定容量的5％，如式(7)所示：
Pfarm,low＝0.05Pelz,max (7)
在选定的氢电解槽的规模下，如果风电场的发电量足够大，电解槽则以其额定容量运行，即：
综合后，电解槽的实际制氢速率如式(8)所示：
(3)氢储能模型
海上风能存在季节波动特性，氢能的供应与需求在时空上是不平衡的，故海上风电制氢系统的储氢系统应具备季节性储能的特性。
式中，S表示一年中季节的数量；M表示一个季度中月的数量；W表示一个月中周的数量；D表示一周内天的数量；H表示一天内小时的数量；
表示某天输入到储氢系统中的氢气的量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量。式(11)-(13)描述了一年中储氢系统中储氢量的变化。
式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同。
式中，mHS,max表示储氢系统的容量；nin,max/nout,max表示储氢系统输入/输出氢气的质量流的上限。式(15)为储氢系统的容量约束；式(16)和(17)为储氢系统输入/输出氢气的上下限约束。
S3、在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，对系统经济性进行评估。
请参阅图3，本发明的中长期模拟框架是基于序贯蒙特卡洛法提出的，对系统运行时序性特性的考虑主要体现在风速的时序相关性，通过随机抽样生成年时序运行场景进行描述。图3的模拟框架中最重要的是如何判断评价指标收敛，本实施例采用稳定判据来判断收敛。使用CI表示收敛指标，则收敛判定可以表示成如下公式：
CI≤δ (18)
式中，δ表示设定的收敛精度阈值。当CI小于等于这一阈值时，中长期运行模拟算法收敛并停止循环；否则循环继续。收敛指标CI的计算公式如下：
式中，IE,k(i)表示对前i个场景统计得到的第k个经济性指标的数值，共有K个经济性指标；
表示第k个经济性指标的标定值，其作用是将有单位的指标量转化成无量纲量以实现指标的归一化。IR,m(i)表示对前i个场景统计得到的第m个可靠性指标的数值，
表示第m个经济性指标的标定值，共有M个可靠性评估指标。需要注意的是标定值的选取不仅能够将各个指标进行归一化，还起到了指标收敛判定权重的作用。序贯蒙特卡洛模拟的经济性评估总流程如下：
步骤一：输入数据，设定迭代收敛条件与氢能技术应用的运行寿命周期Y；初始化y＝1，进行年间运行模拟计算。
步骤二：针对第y年构建电氢互补系统的长期动态运行边界，生成元件购置价格、氢交易价格等的模拟参数；以此为基础，进行年内运行模拟计算，令迭代指针k＝1。
步骤三：对于第k次迭代，运用时序随机模拟与拉丁超立方抽样技术生成8760小时的风速曲线，获得海上风电制氢系统的中短期运行场景。具体流程为先将年历史风速数据标准化，去除变化趋势，然后利用标准化的数据，采用一般风速时间序列生成方法，生成标准风速时间序列，再对标准风速时间序列进行还原，最后得到含年、日变化趋势的仿真风速时间序列。
步骤四：基于海上风电制氢运行模型，进行年运行场景下的最优时序能流计算，完成系统运行状态评估并统计经济性指标。
步骤五：计算经济性指标年值并进行收敛性判定。若满足收敛条件，年年内模拟算法终止，前往步骤六；否则令k＝k+1，返回步骤三。
步骤六：更新元件老化状态与逐年动态运行边界参数。若y＝Y，年间模拟算法终止，前往步骤七；否则，令y＝y+1，返回步骤二。
步骤七：输出等年值成本、净现值、投资回报周期等经济性评估指标。
经济性指标计算方法如下：
假设不考虑建设时间，则投资成本C0为：
式中，C0表示总投资成本；
表示风电场投资成本，包括风电机组和海底电缆；
表示海上制氢平台的投资成本，包括海上平台、功率控制和调节器、海水净化装置电解水装置和供电系统等；
表示储氢系统的投资成本，包括地下储氢结构及相关设施和输氢管道等。这里未考虑氢运输船的成本。
年运行和维护成本Cy,O&M为：
式中，
表示风电场在第y年的运行和维护成本；
表示海上制氢平台的第y年的运行和维护成本；
表示储氢系统第y年的运行和维护成本。值得注意的，由于所有设施消耗的电能均来自海上风电场，故没有购电成本。
海上风电制氢系统的成本主要包括两个部分：设备规划投资成本系统运行维护成本。这里采用等年值成本来衡量系统的经济效益。等年值成本ACSy的计算公式如下：
ACSy＝CRF·C0+Cy,O&M (23)
式中，CRF表示资金回收系数，i表示折现率，Y表示设备的寿命周期。
投资回收期(PBP)就是使累计的经济效益等于最初的投资费用所需的时间，可分为静态投资回收期和动态投资回收期。静态投资回收期是在不考虑资金时间价值的条件下，以项目的净收益回收其全部投资所需要的时间。动态投资回收期是把投资项目各年的净现金流量按基准收益率折成现值之后，再来推算投资回收期，这就是它与静态投资回收期的根本区别。
投资者一般都十分关心投资的回收速度，为了减少投资风险，都希望越早收回投资越好。动态投资回收期是一个常用的经济评价指标。动态投资回收期弥补了静态投资回收期没有考虑资金的时间价值这一缺点，使其更符合实际情况。本发明使用动态回收期，其计算方法如下：
投资回收期PBP应满足：
式中，F表示年运行收益。假设海上风电制氢系统每年的制氢量、氢价格以及运行和维护成本不变，则平均年运行收益为：
Ra＝F1-C1,O&M＝F2-C2,O&M＝…＝FPBP-CPBP,O&M (26)
则式(25)可以简化为：
进一步化简可得：
投资回收期虽然考虑了资金时间价值，但是它不关注达到投资回收期后可能出现的现金流。因此，为了评估投资回收期后的现金流并评估项目的可行性，还需参考净现值(NPV)。
净现值是在项目计算期内，按行业基准折现率或其他设定的折现率计算的各年净现金流量现值的代数和。净现值法就是按净现值大小来评价方案优劣的一种方法。净现值大于零则方案可行，且净现值越大，方案越优，投资效益越好。其计算公式为：
下面提供本发明的一个具体实施例。假设拟在某区域建设海上风电制氢系统。获取海上风电系统经济性评估所需的相关信息，表1展示了氢能设备的主要经济参数，表2展示了各设备的技术参数。
表1各设备的经济参数
表2运行模拟的各技术参数
2)基础规划方案的经济可行性评估
基于图1所示海上风电制氢的典型结构以及模型和方法，通过中长期运行模拟海上风电制氢系统的经济可行性，获得指标结果如表3所示。
表3海上风电制氢系统的经济性指标
可以看出，海上风电制氢的年成本与收益分别181,380,000元与274,450,000元，对应的项目净现值为993,560,000元。净现值为正，且数值较大，说明海上风电制氢项目的经济收益能力较强。这一点从投资回报周期上也可以得到反映，风电场的运行寿命为25年，而该投资到第10年就开始取得正收益。
3)不同储氢容量方案的经济可行性对比分析
为了验证不同储氢规模对海上风电制氢项目经济可行性的影响，本实施例对不同方案下经济性指标进行评估分析，仅包括净现值和投资回收期。具体的方案以及的相关指标结果见表4。
表4不同储氢规模下的经济性指标结果
可以看出随着存储容量的增大，净现值不断减小，投资回收期不断增大。存储周期在2-30天内投资回收期的增长速度要慢于30-60天，因此更短的存储周期是更经济的。
以上图1-3所示的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，所述的海上风电制氢系统包括：海上风电场、海上制氢平台、地下储氢设施、氢运输船，海上风电场的产生电通过海底电缆输送到海上制氢平台；海上制氢平台电解水制取的氢气通过输氢管道输送到地下储氢设施中；地下储氢设施中存储的氢气通过输氢管道输送给氢运输船；氢运输船将氢气运输到岸上；其特征在于：其特征在于：所述的可行性评估方法包括以下步骤：
1)获取数据信息
数据信息包括设备参数、气象参数和经济参数，其中设备参数包括海上风电场、海上制氢平台和地下储氢设施的购置费用、年运维费用、运行寿命、运行参数；气象参数包括拟选址海域的历史风速数据；经济参数包括折现率；
2)基于规划方案，以最大化运行收益为目标，构建海上风电制氢系统的运行模型；
目标函数为：
式中，W表示一个月中周的数量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；
表示出售氢气的价格；
运行约束包括：海上风力发电约束，电解水制氢约束，氢储能约束；
3)在海上风电制氢系统中长期运行模拟框架下，基于海上风电制氢系统的运行模型对系统经济性进行评估；
中长期模拟框架采用序贯蒙特卡洛法；在评估时，通过风速的时序相关性体现系统运行时序性特性，通过随机抽样生成年时序运行场景以进行后序处理。
2.根据权利要求1所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，海上风力发电约束：
风力发电的理论功率是通过以速度v扫过区域A获得的；由于Beta极限，引入修正系数cp；那么风力涡轮机的最大理论功率为：
式中，ρ表示空气的密度，A是叶片扫过的面积，v是风速，cp是Beta极限；风力涡轮机实际功率输出和风速之间的关系为：
式中，
表示风力涡轮机的集合；
表示年份的集合；
表示一年内季节的集合；
表示一个季节中月份的集合；
表示一周内天的集合；
表示一天内小时的集合；Pr和vr分别表示风力涡轮机的额定输出功率和额定风速，Pi,y,s,m,d,h表示风力涡轮机i第y年的第s个季节的第m个月的第d天的第h小时的功率输出；
假设每台涡轮机使用相同的风力功率曲线；不考虑风切变、空气密度变化、尾流效应和其他涡轮机引起的湍流的影响；整个风电场的功率输出表示为：
式中，
表示整个风电场的功率输出，N表示风电场中风力涡轮机的数量。
3.根据权利要求2所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，电解水制氢约束
由于风电场是离网的，专门用于制氢，其所需电能全部来自风电场；电解槽可产生氢气的速率如下所示：
式中，Eelec表示电解产生1单位氢气消耗的电能；Epcl表示净化水、压缩氢气及其他损失所消耗的电能；
电解槽的规模，即额定容量Pelz,max，其额定容量约束如下：
实际上，为了确保高效运行，当输入功率过低时，应关闭电解槽；风电场发电量的下限Pfarm,low设置为电解槽额定容量的5％，如式(7)所示：
Pfarm,low＝0.05Pelz,max (7)
在选定的氢电解槽的规模下，如果风电场的发电量足够大，电解槽则以其额定容量运行，即：
综合后，电解槽的实际制氢速率如式(9)所示：
4.根据权利要求3所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤2)中，氢储能约束
海上风能存在季节波动特性，氢能的供应与需求在时空上是不平衡的，故海上风电制氢系统的储氢系统应具备季节性储能的特性；
式中，S表示一年中季节的数量；M表示一个季度中月的数量；W表示一个月中周的数量；D表示一周内天的数量；H表示一天内小时的数量；
表示某天储氢系统的储氢量；
表示某天输入到储氢系统中的氢气的量；
表示某天从储氢系统中输出的氢气的量；式(11)-(13)描述了一年中储氢系统中储氢量的变化；
式(14)的含义是储氢系统在年末的储氢量应和年初相同；
式中，mHS,max表示储氢系统的容量；nin,max/nout,max表示储氢系统输入/输出氢气的质量流的上限；式(15)为储氢系统的容量约束；式(16)和(17)为储氢系统输入/输出氢气的上下限约束。
5.根据权利要求4所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤3)中，在经济性进行评估时，包括步骤：
301)：输入数据，设定迭代收敛条件与氢能技术应用的运行寿命周期Y；初始化y＝1，进行年间运行模拟计算；
302)：针对第y年构建电氢互补系统的长期动态运行边界，生成元件购置价格、氢交易价格等的模拟参数；以此为基础，进行年内运行模拟计算，令迭代指针k＝1；
303)：对于第k次迭代，运用时序随机模拟与拉丁超立方抽样技术生成8760小时的风速曲线，获得海上风电制氢系统的中短期运行场景；具体流程为先将年历史风速数据标准化，去除变化趋势，然后利用标准化的数据，采用一般风速时间序列生成方法，生成标准风速时间序列，再对标准风速时间序列进行还原，最后得到含年、日变化趋势的仿真风速时间序列；
304)：基于海上风电制氢运行模型，进行年运行场景下的最优时序能流计算，完成系统运行状态评估并统计经济性指标；
305)：计算经济性指标年值并进行收敛性判定；若满足收敛条件，年年内模拟算法终止，前往步骤六；否则令k＝k+1，返回步骤303)；
306)：更新元件老化状态与逐年动态运行边界参数；若y＝Y，年间模拟算法终止，前往步骤307)；否则，令y＝y+1，返回步骤302)；
307)：输出等年值成本、净现值、投资回报周期等经济性评估指标。
6.根据权利要求5所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：在步骤305)中，采用稳定判据来判断收敛；使用CI表示收敛指标，则收敛判定表示成如下公式：
CI≤δ (18)
式中，δ表示设定的收敛精度阈值；当CI小于等于这一阈值时，中长期运行模拟算法收敛并停止循环；否则循环继续；收敛指标CI的计算公式如下：
式中，IE,k(i)表示对前i个场景统计得到的第k个经济性指标的数值，共有K个经济性指标；
表示第k个经济性指标的标定值，其作用是将有单位的指标量转化成无量纲量以实现指标的归一化；IR,m(i)表示对前i个场景统计得到的第m个可靠性指标的数值，
表示第m个经济性指标的标定值，共有M个可靠性评估指标。
7.根据权利要求6所述的一种面向海上风电制氢系统的可行性评估方法，其特征在于：经济性指标计算方法如下：
假设不考虑建设时间，则投资成本C0为：
式中，C0表示总投资成本；
表示风电场投资成本，包括风电机组和海底电缆；
表示海上制氢平台的投资成本，包括海上平台、功率控制和调节器、海水净化装置电解水装置和供电系统；
表示储氢系统的投资成本，包括地下储氢结构及相关设施和输氢管道；
年运行和维护成本Cy,O&M为：
式中，
表示风电场在第y年的运行和维护成本；
表示海上制氢平台的第y年的运行和维护成本；
表示储氢系统第y年的运行和维护成本；
海上风电制氢系统的成本包括两个部分：设备规划投资成本系统运行维护成本；采用等年值成本来衡量系统的经济效益；等年值成本ACSy的计算公式如下：
ACSy＝CRF·C0+Cy,O&M (23)
式中，CRF表示资金回收系数，i表示折现率，Y表示设备的寿命周期；
投资回收期PBP满足：
式中，F表示年运行收益，Fy表示第y年的运行收益；假设海上风电制氢系统每年的制氢量、氢价格以及运行和维护成本不变，则平均年运行收益为：
Ra＝F1-C1,O&M＝F2-C2,O&M＝…＝FPBP-CPBP,O&M (26)
则式(25)简化为：
进一步化简可得：
并计算净现值(NPV)；当净现值大于零则方案可行，且净现值越大，方案越优，投资效益越好；其计算公式为：
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| CN115358639A (zh) * | 2022-10-20 | 2022-11-18 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 一种基于数据分析的海上风电运行风险分析系统 |
| CN118412935A (zh) * | 2024-07-01 | 2024-07-30 | 惠生清洁能源科技集团股份有限公司 | 一种海上风氢耦合发电稳定输出功率优化的方法 |
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| CN113705063A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-11-26 | 福州大学 | 动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法 |
| WO2021244131A1 (zh) * | 2020-06-02 | 2021-12-09 | 江苏海洋大学 | 一种基于海上废弃油气平台的综合发电制氢储氢系统 |
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2022
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