CN116914785A - 一种电热氢系统优化运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电热氢系统优化运行方法。本发明采用的技术方案为：建立包括风机、光伏、电锅炉、电解槽、氢燃料电池、储氢罐、储热罐和蓄电池的电热氢系统；建立适用于不同种类电解槽的精细化数学模型；建立适用于不同种类氢燃料电池的精细化数学模型；建立电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减模型；综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池的运行特性、寿命衰减特性以及可再生能源出力和电、热负荷的预测误差，基于机会约束方法，构建以综合提升电热氢系统环保性、经济性和电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化调度模型。本发明实现了电热氢系统的综合能源环保性、经济性提升以及电解槽、氢燃料电池以及蓄电池的综合寿命提升。

Description

一种电热氢系统优化运行方法
技术领域
本发明涉及电热氢系统的优化运行技术领域，特别是一种综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的电热氢系统优化运行方法。
背景技术
随着“双碳”目标的推进，光伏和风机的装机容量持续增加，成为清洁能源发电的主要来源。然而，由于风光资源的不连续性和不稳定性，直接将清洁电力并入电网可能对电网造成不小的冲击。为了解决这一问题，电解水制氢技术成为了一种重要的解决方案；该技术可以将具有强波动性的风光等清洁电力转化并储存为高品质的氢能。与此同时，在系统电能短缺时，将存储的氢能通过氢燃料电池转化为电能为系统供能，并且充分利用电解槽和氢燃料电池的余热为系统热负荷供能，从而提升系统能源综合利用效率。但是，电热氢系统中的电解槽、氢燃料电池和蓄电池成本高昂，且它们的寿命的衰减与它们的运行工况相关，因此需要考虑在优化运行中如何延缓它们的寿命衰减。
现有技术对电氢转换系统进行研究，一方面，大部分电解槽和氢燃料电池模型通常用一个固定的转换系数表示，对于电解槽和氢燃料电池运行的约束考虑不够细致深入；另一方面，鲜有研究在优化问题中考虑不同工况下电解槽和氢燃料电池的寿命衰减问题，导致优化运行方案缺乏电解槽和氢燃料电池寿命提升的效果。
因此，需要提出一种综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命提升的电热氢系统优化运行方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命提升的电热氢系统优化运行方法，以实现电热氢系统的经济性及电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的综合提升。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种电热氢系统优化运行方法，其包括：
1)建立包括风机、光伏、电锅炉、电解槽、氢燃料电池、储氢罐、储热罐和蓄电池的电热氢系统，综合利用不同设备的运行特性差异提升能源利用效率和设备寿命；
2)考虑电解槽的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制，建立适用于不同种类电解槽的精细化数学模型；
3)考虑氢燃料电池的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制，建立适用于不同种类氢燃料电池的精细化数学模型；
4)考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池在不同运行工况下的寿命衰减情况，建立电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减模型；
5)综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池的运行特性、寿命衰减特性以及可再生能源出力和电、热负荷的预测误差，基于机会约束方法，构建以综合提升电热氢系统环保性、经济性和电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化调度模型，协调各设备的出力，根据不同设备的运行特性及寿命衰减特性差异使它们配合消纳具有波动性的可再生能源，最终实现最大化消纳风机光伏出力、最小化运行成本和综合提升电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化目标。
进一步地，电解槽精细化数学模型包括电解槽启停模型、产出模型、功率模型和温度模型，考虑的指标包括启动延时、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束。
进一步地，氢燃料电池精细化数学模型包括启停模型、产出模型、功率模型和温度模型，考虑到的指标包括启动延时、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束。
进一步地，电热氢系统的优化运行，考虑风机出力约束、光伏出力约束、电锅炉运行约束、蓄电池运行约束、电解槽运行约束、氢燃料电池运行约束、储氢罐运行约束和储热罐运行约束。
本发明具有的有益效果：本发明实现了电热氢系统的综合能源环保性、经济性提升以及电解槽、氢燃料电池以及蓄电池的综合寿命提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施案例，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的附图。
图1为本发明电热氢综合能源系统的结构示意图；
图2为本发明综合考虑电解槽、氢燃料电池与蓄电池寿命提升的优化运行方法的流程图；
图3为未考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的蓄电池优化运行结果图；
图4为未考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的电解槽优化运行结果图；
图5为未考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的燃料电池优化运行结果图；
图6为本发明考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的蓄电池优化运行结果图；
图7为本发明考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的电解槽优化运行结果图；
图8为本发明考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命综合提升的燃料电池优化运行结果图；
图9为本发明具体实施方式中四个案例经济性、环保性以及寿命衰减成本对比图；
图10为本发明应用时的流程图。
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、完整的描述，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作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。
本发明为一种综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命提升的电热氢系统优化运行方法，如图2所示，其具体内容如下：
1)建立包括风机、光伏、电锅炉、电解槽、氢燃料电池、储氢罐、储热罐和蓄电池的电热氢系统，综合利用不同设备的运行特性差异提升能源利用效率和设备寿命；
2)考虑电解槽的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制等，建立适用于不同种类电解槽的精细化的统一通用数学模型；
3)考虑氢燃料电池的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制等，建立适用于不同种类氢燃料电池的精细化的统一通用数学模型；
4)考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池在不同运行工况下的寿命衰减情况，建立电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减模型；
5)综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池的运行特性、寿命衰减特性以及可再生能源出力和电、热负荷的预测误差，基于机会约束方法，构建以综合提升电热氢系统环保性、经济性和电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化调度模型，协调各设备的出力，根据不同设备的运行特性及寿命衰减特性差异使它们配合消纳具有波动性的可再生能源，最终实现最大化消纳风机光伏出力、最小化运行成本和综合提升电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化目标。
所述步骤1)，建立的电热氢综合能源系统如附图1所示。
所述步骤2)，电解槽的精细化的统一通用电解槽数学模型如下：
下文中所有符号的上标M代表不同的电解技术，M{A,P,S}，其中A代表碱性电解槽，P代表质子交换膜电解槽，S代表固体氧化物电解槽；下标k为电解槽编号；下标t代表单位运行时段，T为运行总时段，其中1≤t≤T。
(1)电解槽启停模型
考虑启动时延的电解槽启停特性的数学模型如下：
其中：0-1变量表示电解槽M的开关状态，/>表示电解槽M的开始启动动作，表示电解槽M的开始关停动作；αM表示电解槽M的启动时延；
电解槽启停次数约束：
其中：分别表示电解槽M的日内开机、停机次数上限；
(4)电解槽产出模型
其中：电解槽M的工作效率；/>电解槽M的工作功率；/>表示电解槽M转化为氢气中化学能对应的能量；/>和/>分别表示电解槽M产出氢气和氧气的质量，单位为kg；γ为一公斤氢气的热值等效系数，ε为氢气质量与氧气质量的比值；Δt为时间间隔，/>表示电解槽M产生的热功率；
(5)电解槽功率模型
电解槽工作上下限功率约束：
其中：PM，min/PM，max分别表示M电解槽在开机状态下工作功率上/下限；PM,boot表示电解槽M启动过程中消耗的电功率；表示电解槽M在t-τ时刻的开始启动动作；
电解槽爬坡功率约束：
其中：ΔPM，max表示电解槽M在开机状态下单位时段最大爬坡功率；
(4)电解槽温度模型
其中：表示电解槽M的外界温度；/>表示电解槽M的集总热容；/>表示电解槽M的集总热阻；/>表示电解槽M损失的热功率；/>表示电解槽M输出系统外的热功率；表示给电解槽M加热的热功率；TM,max和TM,min分别表示电解槽M温度上、下限。
所述步骤3)，氢燃料电池的精细化的统一通用化数学模型如下：
下文中所有符号的上标N代表不同的燃料电池，N{P,S}，其中P代表质子交换膜电解槽，S代表固体氧化物电解槽；下标j为燃料电池编号；下标t代表单位运行时段，T为运行总时段，其中1≤t≤T；
(1)氢燃料电池启停模型
考虑启动时延的氢燃料电池启停模型如下：
其中：0-1变量表示氢燃料电池N的开关状态，/>表示氢燃料电池N的开始启动动作，/>表示氢燃料电池N的开始关停动作；αN表示氢燃料电池启动时延；
氢燃料电池启停次数约束：
其中：分别表示氢燃料电池N的日内开机、停机次数上限；
(2)氢燃料电池产出模型
其中：表示氢燃料电池N的产电效率；/>表示氢燃料电池N的氢气热值等效功率；/>表示氢燃料电池N的产电功率；/>表示氢燃料电池N消耗的氢气的质量，单位为kg，/>表示氢燃料电池N产生的热功率；
(3)氢燃料电池功率模型
氢燃料电池工作上下限功率约束：
其中：PN，max/PN，min分别表示氢燃料电池N在开机状态下工作功率上/下限；PN,boot表示氢燃料电池N启动过程中消耗的氢功率，表示氢燃料电池N在t-τ时刻的开始启动动作；
氢燃料电池爬坡功率约束：
其中：ΔPN，max表示氢燃料电池N在开机状态下单位时段最大爬坡功率；
(4)氢燃料电池温度模型
其中：表示氢燃料电池N的外部温度；/>表示氢燃料电池N的集总热容；/>表示氢燃料电池N的集总热阻；/>表示氢燃料电池N损失的热功率；/>表示氢燃料电池N输出系统外的热功率；/>表示输入燃料电池N的热功率；/>表示氢燃料电池N的温度；TN ,max和TN,min分别表示氢燃料电池N的温度上下限。
所述步骤4)，电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减模型如下：
(1)电解槽寿命衰减模型
考虑3种典型工况下电解槽的寿命衰减，包括正常运行、波动运行和启停；
其中：表示电解槽M效率衰减；/>和/>分别为正常运行、波动运行和启停时的电解槽M寿命衰减系数，/>代表电解槽M额定使用时间；/>和/>分别代表电解槽M的额定效率和极限效率。
(2)氢燃料电池寿命衰减模型
考虑3种典型工况下氢燃料电池的寿命衰减，包括正常运行、波动运行和启停；
其中：表示氢燃料电池N的寿命衰减；/>和/>分别为正常运行、波动运行和启停时的氢燃料电池N寿命衰减系数，/>代表氢燃料电池N额定使用小时数；/>和分别代表氢燃料电池N的额定效率和极限效率。
(3)蓄电池寿命衰减模型
其中，ΓR表示蓄电池的额定使用安培小时；LR为额定循环寿命；DR为额定放电深度；CR为额定安培小时容量；SOCt为在t时刻蓄电池的荷电状态；deff表示使用一次蓄电池所消耗的安培小时；dR为单次放电所消耗的额定安培小时；k0、k1和k2是常数；u0、u1为仿真过程中测试得到的参数。
所述步骤5)，考虑可再生能源出力和电、热负荷不确定性的电热氢系统优化调度模型如下：
(1)目标函数
其中：f1表示与上级电网的交易成本，代表t时刻系统购电的单价；Pbuy,t代表在时间t购买的电力；f2表示系统碳排放成本：Kin代表电-碳的转换系数；λin代表二氧化碳排放的环境惩罚因数；f3代表弃风、弃光以及切电、热负荷的成本，/>和/>分别为弃风弃光和切负荷惩罚系数；/>和/>分别为弃光和弃风功率；/>和/>分别为切电负荷和热负荷功率；f4代表售热收益，ρheat代表出售热的单价；Qsell,t代表系统在t时刻售出的热能；f5代表售氢收益，/>代表出售氢的单价；/>代表系统在t时刻售出的氢气；f6代表售氧收益，代表出售氧的单价；/>代表系统在t时刻售出的氧气；f7代表电解水制氢补贴，ρP2H代表出电解水制氢补贴价格；/>代表电解槽产氢质量，f8代表电解槽寿命损耗；/>为M电解槽的投资成本；f9代表氢燃料电池寿命损耗；/>为氢燃料电池N的投资成本；f10代表蓄电池寿命损耗；Cs为EES投资成本；
(3)约束条件
风机光伏及负荷功率约束：
其中，Ppv,t和Pwt,t分别代表t时刻光伏和风机预测出力；Pload,t和Qload,t分别代表t时刻的电负荷和热负荷预测值；εpv,t和εwt,t分别为光伏与风机的出力波动，εload,t和分别为电负荷和热负荷的预测误差功率；
电功率平衡机会约束：
其中，Pgl,t代表t时刻电锅炉消耗的电功率；β为置信水平参数，为标准正态分布的α分位点，σpv,t、σwt,t、σload,t为光伏、风机以及电负荷在正态分布下的预测误差值；Pdis,t为t时刻蓄电池的放电功率；Pch,t为t时刻蓄电池的充电功率；
热功率平衡机会约束：
其中，Qgl,t代表t时刻电锅炉产生的热能；Qch,t代表t时刻的充热量；Qdis,t代表t时刻的放热量；Qload,t为t时刻热负荷；为热负荷在正态分布下的预测误差值；
氢气平衡约束：
其中，代表t时刻的氢负荷；/>表示燃料电池N消耗的氢气，/>和mt HST ,out分别表示t时刻向储氢罐中充进的氢气或者放出的氢气质量；
购电功率约束：
其中，代表最大购电电量；
电锅炉运行约束：
其中，ηgl代表电锅炉电热转换效率；Qgl,max/Qgl,min代表电锅炉最小/最大热出力；Ugl,t代表电锅炉在t时刻的启停状态，为0-1变量；Ngl代表电锅炉日最大启停次数；
蓄电池运行约束：
其中，Et为t时刻的蓄电池的电量；ηch、ηdis分别为充、放电效率； 分别是蓄电池充、放电最大功率限值，Emax、Emin分别为电池电量的上、下限；Bch,t、Bdis,t分别表示充、放电标志位；
储氢罐运行约束：
其中：为储氢罐中氢气质量；/>和/>分别表示t时刻向储氢罐中充进的氢气或者放出的氢气质量，/>和/>分别表示注入氢气和释放氢气的状态变量，和/>分别为储氢罐储存氢气质量上、下限；/> 分别表示单位时间注入氢气和释放氢气的上限；
热储能约束：
其中：Ht为t时刻的蓄热池的热量；Qdis,t为t时刻蓄热池的放热功率；Qch,t为t时刻蓄热池的蓄热功率；Δt为时间间隔；分别为蓄放热效率；/>分别是蓄热池蓄放热最大功率限值，Hmax、Hmin分别为蓄热池容量的上、下限；Ach,t、Adis,t分别表示蓄、放热标志位；
其他约束：
电解槽运行约束：(1)-(15)；
氢燃料电池运行约束：(16)-(29)。
本实施例中，电热氢综合能源系统的结构示意图如图1所示，包括风机、光伏、电解槽、电锅炉、换热器、氢燃料电池、储氢罐、储热罐、蓄电池和电热氢负荷。通过电解槽将电能转化为氢气，存储到储氢罐中，在系统电力短缺时将氢气经过氢燃料电池发电为系统供电，并回收利用电解槽和燃料电池产生的余热供给热负荷以提高能源利用效率。为了在考虑可再生能源和负荷预测误差的情况下获得电热氢系统的最优运行方案，在提升系统经济性的同时延缓电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减，本发明首先分别建立了电解槽和氢燃料电池的精细化的统一通用化数学模型，然后建立了电解槽和氢燃料电池在不同工况下的寿命衰减模型，提出了一种基于机会约束方法的综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命提升的电热氢系统优化运行方法，具体优化流程如图10所示。
以15min为时间单位，输入日前24h的风机、光伏和电、热负荷预测数据；计算由经济性指标(购电成本、售热收益、售氢收益、售氧收益和电解水制氢补贴)、环保性指标(系统碳排放成本、弃风和弃光的成本)和寿命指标(电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命衰减成本)组成的目标函数；以风机光伏及负荷约束、电功率平衡机会约束、热功率平衡机会约束、氢气平衡约束、购电功率约束、电锅炉运行约束、蓄电池运行约束、储氢罐运行约束、热储能约束、电解槽运行约束条件和氢燃料电池运行约束为约束条件；利用分支定界法求解电热氢系统的日前优化运行方案。
对比附图3和附图6可以发现，考虑寿命提升的运行方案中，蓄电池充放电频率和放电深度更低，有利于延缓蓄电池寿命衰减；对比附图4和附图7，考虑寿命提升的运行方案中，电解槽的功率波动和启停次数更少，有利于延缓电解槽寿命衰减；对比附图5和附图8，考虑寿命提升的运行方案中，燃料电池的快速大幅度功率波动和启停次数更少，有利于延缓燃料电池寿命衰减；附图9中的案例1不考虑寿命提升和不确定性，案例2不考虑寿命提升但考虑不确定性，案例3考虑寿命提升但不考虑不确定性，案例1考虑寿命提升和不确定性，对比案例3和4，可以看出考虑对不确定性的处理会增加运行成本，对比案例2和4，可以看出本发明提出的综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命提升的优化运行方案在环保性、经济性和寿命提升方面均有显著效果。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种电热氢系统优化运行方法，其特征在于，包括：
1)建立包括风机、光伏、电锅炉、电解槽、氢燃料电池、储氢罐、储热罐和蓄电池的电热氢系统，综合利用不同设备的运行特性差异提升能源利用效率和设备寿命；
2)考虑电解槽的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制，建立适用于不同种类电解槽的精细化数学模型；
3)考虑氢燃料电池的余热回收利用、运行功率限制、启停限制和温度限制，建立适用于不同种类氢燃料电池的精细化数学模型；
4)考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池在不同运行工况下的寿命衰减情况，建立电解槽、氢燃料电池和蓄电池的寿命衰减模型；
5)综合考虑电解槽、氢燃料电池和蓄电池的运行特性、寿命衰减特性以及可再生能源出力和电、热负荷的预测误差，基于机会约束方法，构建以综合提升电热氢系统环保性、经济性和电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化调度模型，协调各设备的出力，根据不同设备的运行特性及寿命衰减特性差异使它们配合消纳具有波动性的可再生能源，最终实现最大化消纳风机光伏出力、最小化运行成本和综合提升电解槽、氢燃料电池和蓄电池寿命的优化目标。
2.如权利要求1所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，电解槽精细化数学模型包括电解槽启停模型、产出模型、功率模型和温度模型，考虑的指标包括启动延时、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束。
3.如权利要求1所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，氢燃料电池精细化数学模型包括启停模型、产出模型、功率模型和温度模型，考虑到的指标包括启动延时、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束。
4.如权利要求1所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，电热氢系统的优化运行，考虑风机出力约束、光伏出力约束、电锅炉运行约束、蓄电池运行约束、电解槽运行约束、氢燃料电池运行约束、储氢罐运行约束和储热罐运行约束。
5.如权利要求1所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤2)，电解槽精细化数学模型如下：
下文中所有符号的上标M代表不同的电解技术，M{A,P,S}，其中A代表碱性电解槽，P代表质子交换膜电解槽，S代表固体氧化物电解槽；下标k为电解槽编号；下标t代表单位运行时段，T为运行总时段，其中1≤t≤T；
(1)电解槽启停模型
考虑启动时延的电解槽启停特性的数学模型如下：
其中：0-1变量表示电解槽M的开关状态，/>表示电解槽M的开始启动动作，/>表示电解槽M的开始关停动作；αM表示电解槽M的启动时延；
电解槽启停次数约束：
其中：分别表示电解槽M的日内开机、停机次数上限；
(2)电解槽产出模型
其中：电解槽M的工作效率；/>电解槽M的工作功率；/>表示电解槽M转化为氢气中化学能对应的能量；/>和/>分别表示电解槽M产出氢气和氧气的质量，单位为kg；γ为一公斤氢气的热值等效系数，ε为氢气质量与氧气质量的比值；Δt为时间间隔，/>表示电解槽M产生的热功率；
(3)电解槽功率模型
电解槽工作上下限功率约束：
其中：PM，min/PM，max分别表示M电解槽在开机状态下工作功率上/下限；PM,boot表示电解槽M启动过程中消耗的电功率；表示电解槽M在t-τ时刻的开始启动动作；
电解槽爬坡功率约束：
其中：ΔPM，max表示电解槽M在开机状态下单位时段最大爬坡功率；
(4)电解槽温度模型
其中：表示电解槽M的外界温度；/>表示电解槽M的集总热容；/>表示电解槽M的集总热阻；/>表示电解槽M损失的热功率；/>表示电解槽M输出系统外的热功率；/>表示给电解槽M加热的热功率；TM,max和TM,min分别表示电解槽M温度上、下限。
6.如权利要求5所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤3)，氢燃料电池精细化数学模型如下：
下文中所有符号的上标N代表不同的燃料电池，N{P,S}，其中P代表质子交换膜电解槽，S代表固体氧化物电解槽；下标j为燃料电池编号；下标t代表单位运行时段，T为运行总时段，其中1≤t≤T；
(1)氢燃料电池启停模型
考虑启动时延的氢燃料电池启停模型如下：
其中：0-1变量表示氢燃料电池N的开关状态，/>表示氢燃料电池N的开始启动动作，/>表示氢燃料电池N的开始关停动作；αN表示氢燃料电池启动时延；
氢燃料电池启停次数约束：
其中：分别表示氢燃料电池N的日内开机、停机次数上限；
(2)氢燃料电池产出模型
其中：表示氢燃料电池N的产电效率；/>表示氢燃料电池N的氢气热值等效功率；表示氢燃料电池N的产电功率；/>表示氢燃料电池N消耗的氢气的质量，单位为kg，表示氢燃料电池N产生的热功率；
(3)氢燃料电池功率模型
氢燃料电池工作上下限功率约束：
其中：PN，max/PN，min分别表示氢燃料电池N在开机状态下工作功率上/下限；PN,boot表示氢燃料电池N启动过程中消耗的氢功率，表示氢燃料电池N在t-τ时刻的开始启动动作；
氢燃料电池爬坡功率约束：
其中：ΔPN，max表示氢燃料电池N在开机状态下单位时段最大爬坡功率；
(4)氢燃料电池温度模型
其中：Ta N表示氢燃料电池N的外部温度；表示氢燃料电池N的集总热容；/>表示氢燃料电池N的集总热阻；/>表示氢燃料电池N损失的热功率；/>表示氢燃料电池N输出系统外的热功率；/>表示输入燃料电池N的热功率；/>表示氢燃料电池N的温度；TN,max和TN,min分别表示氢燃料电池N的温度上下限。
7.如权利要求6所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤4)中，电解槽寿命衰减模型如下：
考虑3种典型工况下电解槽的寿命衰减，包括正常运行、波动运行和启停；
其中：表示电解槽M效率衰减；/>和/>分别为正常运行、波动运行和启停时的电解槽M寿命衰减系数，/>代表电解槽M额定使用时间；/>和/>分别代表电解槽M的额定效率和极限效率。
8.如权利要求7所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤4)中，氢燃料电池寿命衰减模型如下：
考虑3种典型工况下氢燃料电池的寿命衰减，包括正常运行、波动运行和启停；
其中：表示氢燃料电池N的寿命衰减；/>和/>分别为正常运行、波动运行和启停时的氢燃料电池N寿命衰减系数，/>代表氢燃料电池N额定使用小时数；/>和/>分别代表氢燃料电池N的额定效率和极限效率。
9.如权利要求8所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤4)中，蓄电池寿命衰减模型如下：
其中，ΓR表示蓄电池的额定使用安培小时；LR为额定循环寿命；DR为额定放电深度；CR为额定安培小时容量；SOCt为在t时刻蓄电池的荷电状态；deff表示使用一次蓄电池所消耗的安培小时；dR为单次放电所消耗的额定安培小时；k0、k1和k2是常数；u0、u1为仿真过程中测试得到的参数。
10.如权利要求9所述的电热氢系统优化运行方法，其特征在于，所述步骤5)，考虑可再生能源出力和电、热负荷不确定性的电热氢系统优化调度模型如下：
(1)目标函数
Friqian＝min(f1+f2+f3-f4-f5-f6-f7+f8+f9+f10)
其中：f1表示与上级电网的交易成本，代表t时刻系统购电的单价；Pbuy,t代表在时间t购买的电力；f2表示系统碳排放成本：Kin代表电-碳的转换系数；λin代表二氧化碳排放的环境惩罚因数；f3代表弃风、弃光以及切电、热负荷的成本，/>和/>分别为弃风弃光和切负荷惩罚系数；/>和/>分别为弃光和弃风功率；/>和/>分别为切电负荷和热负荷功率；f4代表售热收益，ρheat代表出售热的单价；Qsell,t代表系统在t时刻售出的热能；f5代表售氢收益，/>代表出售氢的单价；/>代表系统在t时刻售出的氢气；f6代表售氧收益，/>代表出售氧的单价；/>代表系统在t时刻售出的氧气；f7代表电解水制氢补贴，ρP2H代表出电解水制氢补贴价格；/>代表电解槽产氢质量，f8代表电解槽寿命损耗；/>为M电解槽的投资成本；f9代表氢燃料电池寿命损耗；/>为氢燃料电池N的投资成本；f10代表蓄电池寿命损耗；Cs为EES投资成本；
(2)约束条件
风机光伏及负荷功率约束：
其中，Ppv,t和Pwt,t分别代表t时刻光伏和风机预测出力；Pload,t和Qload,t分别代表t时刻的电负荷和热负荷预测值；εpv,t和εwt,t分别为光伏与风机的出力波动，εload,t和分别为电负荷和热负荷的预测误差功率；
电功率平衡机会约束：
其中，Pgl,t代表t时刻电锅炉消耗的电功率；β为置信水平参数，为标准正态分布的α分位点，σpv,t、σwt,t、σload,t为光伏、风机以及电负荷在正态分布下的预测误差值；Pdis,t为t时刻蓄电池的放电功率；Pch,t为t时刻蓄电池的充电功率；
热功率平衡机会约束：
其中，Qgl,t代表t时刻电锅炉产生的热能；Qch,t代表t时刻的充热量；Qdis,t代表t时刻的放热量；Qload,t为t时刻热负荷；为热负荷在正态分布下的预测误差值；
氢气平衡约束：
其中，代表t时刻的氢负荷；/>表示燃料电池N消耗的氢气，/>和/>分别表示t时刻向储氢罐中充进的氢气或者放出的氢气质量；
购电功率约束：
其中，代表最大购电电量；
电锅炉运行约束：
其中，ηgl代表电锅炉电热转换效率；Qgl,max/Qgl,min代表电锅炉最小/最大热出力；Ugl,t代表电锅炉在t时刻的启停状态，为0-1变量；Ngl代表电锅炉日最大启停次数；
蓄电池运行约束：
其中，Et为t时刻的蓄电池的电量；ηch、ηdis分别为充、放电效率； 分别是蓄电池充、放电最大功率限值，Emax、Emin分别为电池电量的上、下限；Bch,t、Bdis,t分别表示充、放电标志位；
储氢罐运行约束：
其中：为储氢罐中氢气质量；/>和/>分别表示t时刻向储氢罐中充进的氢气或者放出的氢气质量，/>和/>分别表示注入氢气和释放氢气的状态变量，/>和/>分别为储氢罐储存氢气质量上、下限；/> 分别表示单位时间注入氢气和释放氢气的上限；
热储能约束：
其中：Ht为t时刻的蓄热池的热量；Qdis,t为t时刻蓄热池的放热功率；Qch,t为t时刻蓄热池的蓄热功率；Δt为时间间隔；分别为蓄放热效率；/>分别是蓄热池蓄放热最大功率限值，Hmax、Hmin分别为蓄热池容量的上、下限；Ach,t、Adis,t分别表示蓄、放热标志位；
其他约束：
电解槽运行约束：(1)-(15)；
氢燃料电池运行约束：(16)-(29)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117408091A (zh) * 2023-12-14 2024-01-16 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 考虑安全性风险的电-氢储能系统优化设计方法及系统
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