CN115940282A - 一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法 - Google Patents

一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法 Download PDF

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CN115940282A CN202210833794.4A CN202210833794A CN115940282A CN 115940282 A CN115940282 A CN 115940282A CN 202210833794 A CN202210833794 A CN 202210833794A CN 115940282 A CN115940282 A CN 115940282A
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袁铁江
田雪沁
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Dalian University of Technology
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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State Grid Economic And Technological Research Institute Co LtdB412 State Grid Office
Dalian University of Technology
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明提出一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，该方法包括建立所述风电‑氢能‑HCNG系统中电解槽、储氢罐、燃料电池的物理模型；根据风电出力、电负荷、天然气负荷，以系统收益最大为目标，考虑功率、氢气平衡及各类设备约束，建立混合整数规划模型，初步计算电解槽阵列初始容量；基于电解槽过载特性及初始容量，得到电解槽台数配置区间；考虑到电解槽的过载运行，提出多电解槽组合运行的双层轮值策略；基于多电解槽组合运行的双层轮值策略，将电解槽台数依次带入混合整数规划模型中进行求解，得到最优容量配置及掺氢比。与现有技术相比，本发明在消纳弃风的同时，能够有效减小系统投资、运行成本，延长电解槽寿命，实现氢气远距离输送。

Description

一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法
技术领域
本发明属于风电制氢技术领域，具体涉及一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法。
背景技术
风电、光伏等可再生能源将逐步替代传统化石能源占据能源领域主导地位。针对当前新能源消纳问题，大规模风光制氢已成为当前研究热点。然而，风光富足地区一般无大规模用氢需求，建立专用的输氢管道需要时间和资金成本，混氢天然气技术(Hydrocarbonnatural gas,HCNG)的发展为氢气运输提供了新途径。国内外不少研究都证实了天然气管道掺氢的可行性。通过对全球天然气掺氢研究现状、典型项目案例、技术问题与应用优势等方面的探讨，认为向已有的天然气管道设施中掺氢，是氢能发展前期降低氢气运输成本的有效解决方案之一。考虑天然气管道掺氢运输的风电制氢系统已经成为可再生能源制氢研究的热点。
在风电制氢储能系统中采用HCNG技术，需要考虑掺氢比约束和电制氢设备特性，选取合适的容量和功率，优化系统配置，来保证系统经济稳定运行。当前，国内外学者对掺氢系统的研究都侧重于掺氢时电-气网络中各节点平衡的建模，将电制氢设备看作整体，并没有关注到电制氢设备的运行特性。由于单个电解槽容量较小，大型水电解制氢系统都由多个电解槽组合运行。因此，基于电解槽运行特性研究多电解槽组合运行控制策略十分必要。
电制氢技术的关键设备是电解槽。目前，碱性电解槽已经充分产业化，是大规模生产绿氢的最佳选择。然而，当前对多电解槽协调运行的研究较少，采用传统的多电解槽控制策略时，会导致电解槽使用时长偏差过大，使电解槽整体寿命缩短，甚至处于低功率运行工况，造成危险事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于在现有的风电制氢系统中结合HCNG技术，解决氢气运输难题，同时针对大容量制氢系统中电解槽组合运行寿命不均衡问题，提出一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，该方法包括如下步骤：
(1)建立所述风电制氢储能系统中电解槽、储氢罐、燃料电池的物理模型；
(2)根据风电出力、电负荷、天然气负荷，以系统收益最大为目标，考虑功率、氢气平衡及各类设备约束，建立混合整数规划模型，将电解槽看作一个整体，初步计算电解槽阵列初始容量；
(3)基于电解槽过载特性及初始容量，得到电解槽台数配置区间；
(4)考虑到电解槽的过载运行，提出多电解槽组合运行的双层轮值策略；
(5)基于多电解槽组合运行的双层轮值策略，将电解槽台数依次带入模型中进行求解，选取使系统经济性最优的容量配置及掺氢比。
进一步地，步骤(1)具体为：所述风电-氢能-HCNG系统中包括：电解槽、储氢罐、燃料电池、HCNG系统，建立各设备运行模型如下：
HCNG系统中根据输入的天然气负荷
Figure BDA0003749358020000021
掺氢比
Figure BDA0003749358020000022
由下式计算掺氢速率
Figure BDA0003749358020000023
Figure BDA0003749358020000024
储氢罐的等效荷电状态SOH由下式计算：
Figure BDA0003749358020000025
其中：
Figure BDA0003749358020000026
为储氢罐充放气速率；Sc为配置的储氢罐容量；t表示时刻，以小时为时间尺度；
燃料电池输入输出模型由下式计算：
Figure BDA0003749358020000027
其中：
Figure BDA0003749358020000028
为燃料电池输出功率，MW；
Figure BDA0003749358020000029
为燃料电池消耗的氢气量，m3；ηfc为燃料电池效率，取45％；μ为燃料电池生产单位电量消耗的氢气；
根据电解槽输入功率Pel，电解槽额定功率Pn，由下式计算得到电解槽产氢速率：
Figure BDA0003749358020000031
设定电解槽过载率为λn，由下式计算：
Figure BDA0003749358020000032
其中：
Figure BDA0003749358020000033
分别为电解槽n的过载运行时长和总运行时长。
进一步地，所述步骤(2)具体为通过以下混合整数线性规划模型得到电解槽初始容量：
首先，以电解槽的功率、储氢罐、燃料电池的容量以及掺氢比为决策变量；
然后，以系统收益最大建立目标函数：
max C＝C4-(C1+C2+C3)
Figure BDA0003749358020000034
其中：C为年收益；C4为售氢收入；C1为投资成本；C2维护成本；C3为购气成本，万元；ci,inv为设备种类容量，MW，包含电解槽、储氢罐、燃料电池；ci为设备对应的单位容量成本，MW/万元；r为折现率，取0.1；Y为系统运行周期，取20年；λ为维护成本系数，取0.02；T取24小时；cHG为掺氢运输单价，m3/元；
Figure BDA0003749358020000035
为氢气单价，m3/元；
最后，建立系统中功率、氢气平衡及设备约束：
功率约束为下式：
Figure BDA0003749358020000036
其中：
Figure BDA0003749358020000037
分别为风电功率和燃料电池功率，MW；
Figure BDA0003749358020000038
为电负荷，MW；
Figure BDA0003749358020000039
为电解槽阵列输入功率；x为1表示系统存在弃风，电解槽阵列起动；y为1表示系统负荷缺额，燃料电池起动；
氢气约束为下式：
Figure BDA0003749358020000041
其中：
Figure BDA0003749358020000042
vel，n、
Figure BDA0003749358020000043
分别为电解槽阵列和单台电解槽的产氢速率、储氢罐充放气速率、天然气管道掺氢速率及燃料电池耗氢速率，m3/h；n为电解槽编号,N为电解槽总数量；
储氢罐约束为下式：
Figure BDA0003749358020000044
其中：SOHmin、SOHmax为储氢罐等效荷电状态上下限，m3；a，b为二进制变量，a 为1表示电解槽制氢量充足，储氢罐开始储氢；b为1表示电解槽制氢量不足，储氢罐向天然气管道输送氢气；
Figure BDA0003749358020000045
分别表示储氢罐输入、输出氢气的速率；SOH0、SOHT分别表示始末时刻储氢罐等效荷电状态；
燃料电池约束为下式：
Figure BDA0003749358020000046
其中：
Figure BDA0003749358020000047
为燃料电池的配置容量，MW；
掺氢比约束为下式：
Figure BDA0003749358020000048
电解槽过载时长约束如下：
0≤λn≤0.5。
进一步地，所述步骤(3)具体为通过下式确定电解槽台数配置区间：
Figure BDA0003749358020000049
其中：P’EL为电解槽阵列初始容量，MW；
Figure BDA00037493580200000410
为允许电解槽全部过载时的容量，MW；
Figure BDA00037493580200000411
为向上取整函数；N1为初始配置台数；N2为考虑过载特性后配置台数；α为过载系数；Pn为电解槽额定功率。
进一步地，所述步骤(4)具体为：
步骤(41)、根据电解槽阵列输入功率大小，基于电解槽过载特性，确定t时刻电解槽额定、过载、波动、停机的电解槽数量及功率大小。
步骤(42)、采用双层轮值策略，确定电解槽运行编号。
进一步地，所述步骤(41)的具体方式为：
步骤(411)、根据单台电解槽输入功率大小，将电解槽分为四种运行状态：Pel＝0为停机状态；Pel＝Pn为额定运行状态；Pel＝120％Pn为过载运行状态；20％Pn≤Pel≤Pn，Pn≤Pel≤120％Pn为波动状态；
步骤(412)、根据输入电解槽台数N，N∈[N2,N1]，电解槽阵列输入功率PEL，L为理论上应处于额定运行的电解槽台数，Pb为过载功率，通过下式进行计算：
Figure BDA0003749358020000051
Figure BDA0003749358020000052
其中：
Figure BDA0003749358020000053
为向下取整函数。
若L≤N，执行步骤(413)，否则执行步骤(414)；
步骤(413)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M1，额定运行的个数L’1、波动运行的个数X1及停机状态的个数I1，满足 M1+L’1+X1+I1＝N。
步骤(414)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M2，额定运行的个数L’2、波动运行的个数X2及停机状态的个数I2，满足 M2+L’2+X2+I2＝N。
进一步地，步骤(413)的具体方式为：
若Pb≤20％Pn，剩余功率无法满足下一台电解槽安全运行，将已起动的电解槽置于高功率运行工况，此时，M1＝0,L’1＝L-1,X1＝1,I1＝N-X1-L’1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000054
若20％Pn≤Pb≤Pn，剩余功率能够满足下一台电解槽安全运行，则起动下一台电解槽,此时，M1＝0,L’1＝L,X1＝1,I1＝N-X1-L’1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000061
进一步地，步骤(414)的具体方式为：
首先，将N台电解槽全部处于额定运行状态；然后，再将过载功率依次分配给处于额定功率的电解槽，有M2台电解槽处于过载状态，最后，再将剩余功率Ps分配给一台处于额定功率的电解槽，M2、Ps的计算公式如下：
Figure BDA0003749358020000062
此时，L’2＝N-M2-1,X2＝1,I2＝0，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000063
进一步地，步骤(42)的具体方式为：给每台电解槽由小到大依次编号，电解槽阵列采用双层轮值策略，外层采用先启动先关闭的原则，根据已经确定的额定、过载、波动及停机的功率和台数按照编号由小到大依次启动电解槽。在下一时刻，当输入功率增大时先启动编号较大的电解槽，当输入功率减小时，先关闭编号较小的电解槽，以此类推。内层采用轮值策略，将过载及波动状态的电解槽在起动的电解槽中由小到大依次轮值，尽可能保证t时刻处于过载及波动状态的电解槽在下一时刻额定运行。
进一步地，步骤(5)具体为：根据电解槽配置区间、运行策略及优化模型的建模，将N 依次带入混合整数线性规划模型中进行求解，选取使系统经济性最优的配置容量及掺氢比。
本发明还提供一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置系统，该系统包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述的计算机程序时实现上述考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明将HCNG技术与风电制氢系统结合，通过天然气管道输送氢气，有效降低了系统运行成本；在容量配置模型中，利用电解槽过载特性减小电解槽容量配置需求，降低了投资成本；同时考虑过载运行下的电解槽，基于电解槽运行特性提出了多电解槽组合运行的双层轮值策略，有效均衡了每台电解槽的运行时长，避免了电解槽运行功率低于安全运行功率。
附图说明
图1为本发明一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法的系统结构示意图；
图2a，图2b为本发明实施例中某地区的每小时风电出力、电负荷、天然气管道流量；其中，图2a为风电出力、电负荷曲线，图2b为天然气管道流量曲线；
图3为本发明实施例中风电匮乏和风电充足日的出力曲线；
图4a，图4b为本发明实施例中风电典型日时两种策略下电解槽运行功率曲线；其中，图4a为采用传统启停策略下电解槽运行功率曲线，图4b为双层轮值策略下电解槽运行功率曲线；
图5a，图5b为本发明实施例中风电匮乏日时两种策略下电解槽运行功率曲线；其中，图5a为采用传统启停策略下电解槽运行功率曲线，图5b为双层轮值策略下电解槽运行功率曲线；
图6a，图6b为本发明实施例中风电充足日时两种策略下电解槽运行功率曲线；其中，图6a为采用传统启停策略下电解槽运行功率曲线，图6b为双层轮值策略下电解槽运行功率曲线；
图7为本发明实施例中三种风电场景下电解槽运行时间标准差示意图；
图8为本发明实施例中不同距离不同运输方式下系统收益大小示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行清楚、完整地描述，注意，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，本发明并不意在对其使用物或其用途进行限定。
本发明的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)、建立所述风电-氢能-HCNG系统中电解槽、储氢罐、燃料电池、HCNG系统的物理模型如下：
HCNG系统中根据输入的天然气负荷
Figure BDA0003749358020000071
掺氢比
Figure BDA0003749358020000072
由下式计算掺氢速率
Figure BDA0003749358020000073
Figure BDA0003749358020000074
储氢罐的等效荷电状态由下式计算：
Figure BDA0003749358020000075
其中：
Figure BDA0003749358020000081
为储氢罐充放气速率；Sc为配置的储氢罐容量；t表示时刻，以小时为时间尺度；
燃料电池输入输出模型由下式计算：
Figure BDA0003749358020000082
其中：
Figure BDA0003749358020000083
为燃料电池输出功率，MW；
Figure BDA0003749358020000084
为燃料电池消耗的氢气量，m3；ηfc为燃料电池效率，取45％；μ为燃料电池生产单位电量消耗的氢气。
设定电解槽额定功率Pn为2MW，根据输入功率Pel，由下式得到电解槽产氢速率线性化表示：
Figure BDA0003749358020000085
设定电解槽过载率为λn
Figure BDA0003749358020000086
其中：
Figure BDA0003749358020000087
分别为电解槽n的过载运行时长和总运行时长。
步骤(2)、根据风电出力、电负荷、天然气负荷，以系统收益最大为目标，考虑功率、氢气平衡及各类设备约束，建立混合整数规划模型，将电解槽看作一个整体，初步计算电解槽阵列初始容量；具体为：
通过以下混合整数线性规划模型得到电解槽初始容量：
首先，以电解槽的功率、储氢罐、燃料电池的容量以及掺氢比为决策变量；
然后，以系统收益最大建立目标函数：
Figure BDA0003749358020000088
其中：C为年收益；C4为售氢收入；C1为投资成本；C2维护成本；C3为购气成本，万元；ci,inv为设备种类容量，MW，包含电解槽、储氢罐、燃料电池；ci为设备对应的单位容量成本，MW/万元；r为折现率，取0.1；Y为系统运行周期，取20年；λ为维护成本系数，取0.02；T取24小时；cHG为掺氢运输单价，m3/元；cH2为氢气单价，m3/元；
最后，建立系统中功率、氢气平衡及设备约束：
功率约束：
Figure BDA0003749358020000091
其中：
Figure BDA0003749358020000092
分别为风电功率和燃料电池功率，MW；
Figure BDA0003749358020000093
为电负荷，MW；
Figure BDA0003749358020000094
为电解槽阵列输入功率；x为1表示系统存在弃风，电解槽阵列起动；y为1表示系统负荷缺额，燃料电池起动；
氢气约束为下式：
Figure BDA0003749358020000095
其中：
Figure BDA0003749358020000096
vel，n、
Figure BDA0003749358020000097
分别为电解槽阵列和单台电解槽的产氢速率、储氢罐充放气速率、天然气管道掺氢速率及燃料电池耗氢速率，m3/h；n为电解槽编号，N为电解槽总数量；
储氢罐约束为下式：
Figure BDA0003749358020000098
其中：SOHmin、SOHmax为储氢罐等效荷电状态上下限，m3；a，b为二进制变量，a为1 表示电解槽制氢量充足，储氢罐开始储氢；b为1表示电解槽制氢量不足，储氢罐向天然气管道输送氢气；
Figure BDA0003749358020000099
分别表示储氢罐输入、输出氢气的速率；SOH0、SOHT分别表示始末时刻储氢罐等效荷电状态；
燃料电池约束为下式：
Figure BDA00037493580200000910
其中：
Figure BDA0003749358020000101
为燃料电池的配置容量，MW；
掺氢比约束为下式：
Figure BDA0003749358020000102
电解槽过载时长约束如下：
0≤λn≤0.5。
步骤(3)、基于电解槽过载特性及初始容量，得到电解槽台数配置区间；具体为：
通过下式确定电解槽台数配置区间：
Figure BDA0003749358020000103
其中：P’EL为电解槽阵列初始容量，MW；
Figure BDA0003749358020000104
为允许电解槽全部过载时的容量，MW；
Figure BDA0003749358020000105
为向上取整函数；N1为初始配置台数；N2为考虑过载特性后配置台数；a为过载系数；Pn为电解槽额定功率。
步骤(4)、考虑到电解槽的过载运行，提出多电解槽组合协调运行双层轮值策略；具体包括：
步骤(41)、根据电解槽阵列输入功率大小，确定t时刻电解槽额定、过载、波动、停机的电解槽数量及功率大小。具体包括：
步骤(411)、根据单台电解槽输入功率大小，将电解槽分为四种运行状态：Pel＝0为停机状态；Pel＝Pn为额定运行状态；Pel＝120％Pn为过载运行状态；20％Pn≤Pel≤Pn，Pn≤Pel≤120％Pn为波动状态；
步骤(412)、根据输入电解槽台数N，N∈[N2,N1]，电解槽阵列输入功率PEL，L为理论上应处于额定运行的电解槽台数，Pb为过载功率，通过下式进行计算：
Figure BDA0003749358020000106
Figure BDA0003749358020000107
其中，
Figure BDA0003749358020000108
为向下取整函数。
若L≤N，执行步骤(413)，否则执行步骤(414)；
步骤(413)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M1，额定运行的个数L’1、波动运行的个数X1及停机状态的个数I1，满足M1+L’1+X1+I1＝N。
具体地，若Pb≤20％Pn，剩余功率无法满足下一台电解槽安全运行，将已起动的电解槽置于高功率运行工况，此时，M1＝0,L’1＝L-1,X1＝1,I1＝N-X1-L’1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000111
若20％Pn≤Pb≤Pn，剩余功率能够满足下一台电解槽安全运行，则起动下一台电解槽，此时，M1＝0,L’1＝L,X1＝1,I1＝N-X1-L’1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000112
步骤(414)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M2，额定运行的个数L’2、波动运行的个数X2及停机状态的个数I2，满足 M2+L’2+X2+I2＝N。
具体地，首先，将N台电解槽全部处于额定运行状态；然后，将过载功率依次分配给处于额定功率的电解槽，有M2台电解槽处于过载状态，最后，再将剩余功率Ps分配给一台处于额定功率的电解槽，M2、Ps的计算公式如下：
Figure BDA0003749358020000113
此时，L’2＝N-M2-1,X2＝1,I2＝0，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure BDA0003749358020000114
步骤(42)、采用双层轮值策略，确定电解槽运行编号。
给每台电解槽由小到大依次编号，电解槽阵列采用双层轮值策略，外层采用先启动先关闭的原则，根据已经确定的额定、过载、波动及停机的功率和台数按照编号由小到大依次启动电解槽。在下一时刻，当输入功率增大时先启动编号较大的电解槽，当输入功率减小时，先关闭编号较小的电解槽，以此类推。内层采用轮值策略，将过载及波动状态的电解槽在起动的电解槽中由小到大依次轮值，尽可能保证t时刻处于过载及波动状态的电解槽在下一时刻额定运行。
步骤(5)、根据电解槽配置区间、运行策略及优化模型的建模，将N依次带入混合整数线性规划模型中进行求解，选取使系统经济性最优的配置容量及掺氢比。
图2a，图2b为本实施例某地区大型风电场风电出力、电负荷，天然气管道典型日输气量，管道长度为300km。根据步骤(2)所建容量配置模型得到电解槽阵列初始容量配置方案 P’EL＝18.52，取α为1.2，电解槽额定功率为2MW；
再根据步骤(3)得到电解槽台数配置区间[8,10]：
Figure BDA0003749358020000121
将N依次带入混合整数线性规划模型中求解得到表1、2的系统配置方案及费用分析：
表1、不同电解槽台数下配置结果
设备 N＝8 N＝9 N＝10
电解槽/MW 16 18 20
燃料电池/MW 6.5 6.5 6.5
<![CDATA[储氢罐/m<sup>3</sup>]]> 43370 44931 65339
掺氢比 1.85％ 1.99％ 2％ 
表2、不同电解槽台数下经济成本分析
类型 N＝8 N＝9 N＝10
投资维护成本/万元 2327 2508 2642
运行成本/万元 123 132 133
售氢收入/万元 2896 3113 3136
收益/万元 445 473 361 
由表1、2可得。当电解槽配置台数为8台时，利用电解槽过载特性可以满足HCNG系统掺氢需求，但是由于电解槽效率特性，其运行效率随着输入功率的增大会缓慢降低，使得过载部分的功率制氢能力减小；虽然相比配置9台电解槽的投资维护成本减少了181万元，但制氢量减少使得售氢收益也减少了217万元。当系统配置10台电解槽时，掺氢比与配置9台相差不大，即售氢收入相差不大，但配置10台电解槽的投资维护成本比配置9台多了134万元。综上所述，配置9台电解槽时系统收益最大，经济性最好，此时系统掺氢比为1.99％。
为了更好的分析双层轮值优化策略，采用传统启停策略和双层轮值策略进行对比。
分析三种风电场景下，电解槽阵列的运行功率，图2、3为三种场景下风电功率大小。
风电典型日下，由图4a可知，采取传统启停策略时，编号越靠前电解槽的运行时间越长，而10号电解槽一天中仅在0.5MW下工作了一小时；4、5、9号电解槽都有运行功率低于安全运行功率的时刻。长此以往，电解槽运行时间不均衡将会导致电解槽阵列寿命急剧下降。由图4b可知，采取双层轮值策略时，通过双层轮值使每台电解槽工作时长尽可能的均分。9号电解槽在1至4时一直处于停机状态，原因是相邻时刻的电解槽输入功率变化量不足以重新起动一台电解槽，考虑到电解槽启停时间，不采用关闭编号小的电解槽而起动9号电解槽。仅将处于波动及过载状态的电解槽在运行电解槽中轮值即可，即从1至4时，外层轮值停止，在1至8号电解槽进行内层轮值。
风电匮乏日下，由图5a可知，采取传统启停策略时，由于弃风量的减小，3至10号电解槽一直处于停机状态，24h内仅由1、2号电解槽运行，电解槽运行场景十分恶劣。由图 5b可知，采用双层轮值策略时，3至7号电解槽也都工作了部分时间，但8-9号电解槽仍然全天都处于停机状态。
风电充足日时，由图6a可知，采取传统启停策略时，1至8号电解槽始终运行于额定状态，9、10号电解槽始终运行于波动状态，电解槽之间的功率波动不均衡也会影响电解槽的整体寿命，且10号电解槽在4、13时功率低于安全运行功率。由图6b可知，采用双层轮值策略时，每台电解槽的功率波动趋势较为平均，且电解槽运行时的功率都大于安全运行功率。
为了更明显的说明双层轮值策略的作用，计算两种不同策略下电解槽运行时长标准差如图7所示，标准差反应了电解槽运行时长与平均时长的偏离程度，标准差越小，说明电解槽的工作时间越平均。从图中可以看出，不论在那种情景下，采用传统启停策略的标准差始终比双层轮值策略大，当风电匮乏时，两者差距最小，但当风电充足时，两者差距最大，说明本文所提策略在风电充足时的效果更为明显，双层轮值策略能够很好的平均电解槽的运行时长，同时避免电解槽运行于低功率工况。
为了说明掺氢运输的优势，对比不同距离下气瓶车运输和管道掺氢运输系统收益。在实际运行中，输氢距离的远近会影响输氢成本的大小，不同运输距离下分别采用气瓶车和管道掺氢运输时系统收益结果也不同。如图8所示。当运输距离为100km时，采用气瓶车运输比管道掺氢运输时系统收益高出62万，这是因为采用气瓶车运输时，即产即送，并不需要配置大量储氢罐储氢，容量配置成本更低。然而，随着运输距离的增加，采用气瓶车的单位输氢成本远大于管道运输，当运输距离为400km时，系统已无法产生收益，出现亏损。相比之下，采用管道掺氢时，虽然系统收益会随着距离的增加而降低，但系统始终处于盈利状态。故利用天然气管道掺氢在长距离输氢中有明显优势。
由此可知，基于电解槽过载特性的多电解槽双层轮值策略，能够平均电解槽运行时长，避免电解槽处于低功率运行，延长电解槽阵列的寿命；利用电解槽过载特性，能够减小电解槽容量配置，同时考虑电解槽效率特性，根据本文所建容量配置模型能够得到使系统经济性最优的配置方案及掺氢比，为弃风消纳提供一种全新的思路；通过对氢气运输距离的对比分析，证明了利用天然气管道掺氢在长距离输氢中有很好的经济性及可行性。
上述实施方式仅为举例，不表示为本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施。

Claims (11)

1.一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立所述风电-氢能-HCNG系统中电解槽、储氢罐、燃料电池、HCNG系统的物理模型；
(2)根据风电出力、电负荷、天然气负荷，以系统收益最大为目标，考虑功率、氢气平衡及各类设备约束，建立混合整数规划模型，将电解槽看作一个整体，初步计算电解槽阵列初始容量；
(3)基于电解槽过载特性及初始容量，得到电解槽台数配置区间；
(4)考虑到电解槽的过载运行，提出多电解槽组合运行的双层轮值策略；
(5)基于多电解槽组合运行的双层轮值策略，将电解槽台数依次带入混合整数规划模型中进行求解，选取使系统经济性最优的容量配置及掺氢比。
2.根据权利要求1所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，步骤(1)具体为：所述风电-氢能-HCNG系统中包括：电解槽、储氢罐、燃料电池、HCNG系统，建立各设备运行模型如下：
HCNG系统中根据输入的天然气负荷
Figure FDA0003749358010000011
掺氢比
Figure FDA0003749358010000012
由下式计算掺氢速率
Figure FDA0003749358010000013
Figure FDA0003749358010000014
储氢罐的等效荷电状态SOH由下式计算：
Figure FDA0003749358010000015
其中：
Figure FDA0003749358010000016
为储氢罐充放气速率；Sc为配置的储氢罐容量；t表示时刻，以小时为时间尺度；
燃料电池输入输出模型由下式计算：
Figure FDA0003749358010000017
其中：
Figure FDA0003749358010000018
为燃料电池输出功率，MW；
Figure FDA0003749358010000019
为燃料电池消耗的氢气量，m3；ηfc为燃料电池效率，取45％；μ为燃料电池生产单位电量消耗的氢气；
根据电解槽输入功率Pel，电解槽额定功率Pn，由下式计算得到电解槽产氢速率：
Figure FDA0003749358010000021
设定电解槽过载率为λn，由下式计算：
Figure FDA0003749358010000022
其中：
Figure FDA0003749358010000023
分别为电解槽n的过载运行时长和总运行时长。
3.根据权利要求2所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，步骤(2)具体为通过以下混合整数线性规划模型得到电解槽初始容量：
首先，以电解槽的功率、储氢罐、燃料电池的容量以及掺氢比为决策变量；
然后，以系统收益最大建立目标函数：
max C＝C4-(C1+C2+C3)
Figure FDA0003749358010000024
其中：C为年收益；C4为售氢收入；C1为投资成本；C2维护成本；C3为购气成本，万元；ci,inv为设备种类容量，MW，包含电解槽、储氢罐、燃料电池；ci为设备对应的单位容量成本，MW/万元；r为折现率，取0.1；Y为系统运行周期，取20年；λ为维护成本系数，取0.02；T取24小时；cHG为掺氢运输单价，m3/元；
Figure FDA0003749358010000025
为售氢单价，m3/元；
最后，建立系统中功率、氢气平衡及各设备约束：
功率平衡约束为下式：
Figure FDA0003749358010000026
其中：
Figure FDA0003749358010000027
分别为风电功率和燃料电池功率，MW；
Figure FDA0003749358010000028
为电负荷，MW；
Figure FDA0003749358010000029
为电解槽阵列输入功率；x为1表示系统存在弃风，电解槽阵列起动；y为1表示系统负荷缺额，燃料电池起动；
氢气平衡约束为下式：
Figure FDA0003749358010000031
其中：
Figure FDA0003749358010000032
分别为电解槽阵列和单台电解槽的产氢速率、储氢罐充放气速率、天然气管道掺氢速率及燃料电池耗氢速率，m3/h；n为电解槽编号，N为电解槽总数量；
储氢罐约束为下式：
Figure FDA0003749358010000033
其中：SOHmin、SOHmax为储氢罐等效荷电状态上下限，m3；a，b为二进制变量，a为1表示电解槽制氢量充足，储氢罐开始储氢；b为1表示电解槽制氢量不足，储氢罐向天然气管道输送氢气；
Figure FDA0003749358010000034
分别表示储氢罐输入、输出氢气的速率；SOH0、SOHT分别表示始末时刻储氢罐等效荷电状态；
燃料电池约束为下式：
Figure FDA0003749358010000035
其中：
Figure FDA0003749358010000036
为燃料电池的配置容量，MW；
掺氢比约束为下式：
Figure FDA0003749358010000037
电解槽过载时长约束如下：
0≤λn≤0.5。
4.根据权利要求3所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，步骤(3)具体为通过下式确定电解槽台数配置区间：
Figure FDA0003749358010000038
其中：P'EL为电解槽阵列初始容量，MW；
Figure FDA0003749358010000041
为允许电解槽全部过载时的容量，MW；
Figure FDA0003749358010000042
为向上取整函数；N1为初始配置台数；N2为考虑过载特性后配置台数；α为过载系数；Pn为电解槽额定功率。
5.根据权利要求4所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
步骤(41)、根据电解槽阵列输入功率大小，基于电解槽过载特性，确定t时刻电解槽额定、过载、波动、停机的电解槽数量及功率大小；
步骤(42)、采用双层轮值策略，确定电解槽运行编号。
6.根据权利要求5所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤(41)的具体方式为：
步骤(411)、根据单台电解槽输入功率大小，将电解槽分为四种运行状态：Pel＝0为停机状态；Pel＝Pn为额定运行状态；Pel＝120％Pn为过载运行状态；20％Pn≤Pel≤Pn，Pn≤Pel≤120％Pn为波动状态；
步骤(412)、根据输入电解槽台数N，N∈[N2,N1]，电解槽阵列输入功率PEL，设定L为理论上应处于额定运行的电解槽台数，Pb为过载功率，通过下式进行计算：
Figure FDA0003749358010000043
Figure FDA0003749358010000044
其中：
Figure FDA0003749358010000045
为向下取整函数；
若L≤N，执行步骤(413)，否则执行步骤(414)；
步骤(413)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M1，额定运行的个数L'1、波动运行的个数X1及停机状态的个数I1，满足M1+L’1+X1+I1＝N；
步骤(414)、根据电解槽阵列输入功率PEL、过载功率Pb，确定当前电解槽处于过载运行的个数M2，额定运行的个数L'2、波动运行的个数X2及停机状态的个数I2，满足M2+L’2+X2+I2＝N。
7.根据权利要求6所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，步骤(413)的具体方式为：
若Pb≤20％Pn，剩余功率无法满足下一台电解槽安全运行，将已起动的电解槽置于高功率运行工况，此时，M1＝0,L'1＝L-1,X1＝1,I1＝N-X1-L'1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure FDA0003749358010000051
若20％Pn≤Pb≤Pn，剩余功率能够满足下一台电解槽安全运行，则起动下一台电解槽,此时，M1＝0,L'1＝L,X1＝1,I1＝N-X1-L'1，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure FDA0003749358010000052
8.根据权利要求6所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤(414)的具体方式为：
首先，将N台电解槽全部处于额定运行状态；然后，将过载功率依次分配给处于额定功率的电解槽，有M2台电解槽处于过载状态，最后，再将剩余功率Ps分配给一台处于额定功率的电解槽，M2、Ps的计算公式如下：
Figure FDA0003749358010000053
此时，L'2＝N-M2-1,X2＝1,I2＝0，同时按照下式确定电解槽处于各状态的功率：
Figure FDA0003749358010000054
9.根据权利要求6所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤(42)的具体方式为：给每台电解槽由小到大依次编号，电解槽阵列采用双层轮值策略；外层采用先启动先关闭的原则，根据已经确定的额定、过载、波动及停机的功率和台数按照编号由小到大依次启动电解槽；在下一时刻，当输入功率增大时先启动编号较大的电解槽，当输入功率减小时，先关闭编号较小的电解槽，以此类推；内层采用轮值策略，将过载及波动状态的电解槽在起动的电解槽中由小到大依次轮值，尽可能保证t时刻处于过载及波动状态的电解槽在下一时刻额定运行。
10.根据权利要求1所述的一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：根据电解槽配置区间、运行策略及优化模型的建模，将N依次带入混合整数线性规划模型中进行求解，得到系统最优配置容量及掺氢比。
11.一种考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置系统，其特征在于，该系统包括存储器和处理器，所述的存储器用于存储计算机程序，所述的处理器用于当执行所述的计算机程序时实现如权利要求1～10任意一项所述的考虑掺氢比约束的风电制氢储能系统容量优化配置方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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