一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，主要步骤为：1)获取电转气系统的设备结构和参数。2)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型。3)建立电转气系统运行约束条件。4)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，并得到最优运行收益。5)根据日前预测风电出力场景和考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，求解不同时段电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力。本发明专利技术可以合理制定调度周期各时刻电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力计划，实现P2G系统的最优利用。

An Optimal Scheduling Method for Electric Transfer Gas System Considering the Operational Characteristics of Electrolytic Water and Methanation

The invention discloses an optimal dispatching method of an electro-pneumatic system considering the operation characteristics of electrolytic water and methanation. The main steps are as follows: 1) acquiring the equipment structure and parameters of the electro-pneumatic system. 2) Establishment of an electro-gas conversion system model considering the operation characteristics of electrolytic water and methanation. 3) Constraints on the operation of the electro-pneumatic conversion system are established. 4) Establish the optimal dispatching model of the electrolytic water and methanation system, and obtain the optimal operating benefits. 5) According to the forecasting of wind power output scenario and the optimal dispatching model of electrolytic water and methanation operation, the output of electrolytic water module, methanation module and hydrogen storage device in different time periods are solved. The invention can reasonably formulate the output plan of electrolytic water module, methanation module and hydrogen storage device at each time of dispatching cycle, and realize the optimal utilization of P2G system.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法
本专利技术涉及综合能源系统调度领域，具体是一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法。
技术介绍
目前新能源装机比例不断提升，弃风弃光问题十分严峻。为避免资源的浪费，电转气(P2G)系统可利用新能源盈余电量通过电解水模块将水H2O分解为氧气O2和氢气H2。当H2缺少大规模直接存储或其他消纳途径时，进一步利用甲烷化模块将其与CO2反应合成CH4注入天然气管道，以此促进新能源的消纳。随着技术的成熟发展，电转气系统应用规模不断扩大。电转气系统作为电力系统与天然气系统间的耦合元件，已有大量研究分析其参与综合能源系统调度对消纳风光新能源、削峰填谷、提供调频备用辅助服务和增强供电供气可靠性等方面的作用。上述文献中电转气系统模型较为粗略，均简单假设系统运行效率固定、即刻启停。然而，电解水模块产氢流量和耗电功率成非线性关系，运行效率随着负荷的增加而降低，假设运行效率固定将导致计算产氢流量与实际偏差大，影响最终调度结果。同时甲烷化模块长/短期停车、冷/热启动过程具有一定操作步骤，包括多个相互转化的过渡状态，启停过程耗时较长，反应器启停升降温耗电和启动耗氢使得启停成本在调度过程中不可忽略。另外若电解水和甲烷化模块直接相连，二者必须同时运行或关停，甲烷化较高的最低负荷和小时级启停时间将制约电解水模块运行范围和运行时间，系统利用率低，必须在两模块间配置一定容量的高压储氢装置，在满足经济性的前提下，通过氢气充放调节各时段甲烷化耗氢量，实现电解水与甲烷化模块的部分解耦运行。因此，亟需计及电解水和甲烷化模块运行特性并考虑储氢装置调节作用，提出一种更为精细化的电转气系统调度方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，主要包括以下步骤：1)获取电转气系统的设备结构和参数，并构建日前预测风电出力场景。所述设备结构主要包括电解水模块、甲烷化模块和储氢装置。所述电解水模块包括若干并联的电解槽。所述电解槽包括若干串联的电解室。电解室包括电源、双极板、集电器、催化层和质子膜。甲烷化模块具有固定床反应器。所述参数主要包括电流、电阻和耗氢流量。2)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型。建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型的主要步骤如下：2.1)建立考虑耗电功率与产氢流量非线性关系的电解水模型。t时刻电解室运行电压如下所示：式中，t为任意时刻。t＝1,2,…,Td。Td为时段总数。Vrev为t时刻电解室可逆电压。T为运行温度。和分别为H2分压与O2分压。为H2O活度。Rcell为电解室内部电阻和。ian和icat分别为电解室运行电流密度、阳极交换电流密度和阴极交换电流密度。αan和αcat分别为阳极电荷转移系数与阴极电荷转移系数。r和F分别为理想气体常数与法拉第常数。电解水模块耗电功率如下所示：式中，为电解室运行电流。Acell为有效反应面积。为表征第i个电解槽是否运行的变量。时，第i个电解槽不运行。时，第i个电解槽运行。Ncell和Nstack分别为电解槽串联电解室个数与电解水模块中并联电解槽个数。k1为单位转换系数。电解水模块产氢流量如下所示：式中，ηf为法拉第效率。k2为单位转换系数。2.2)建立考虑启停多状态转换耗时耗能特性的甲烷化模型甲烷化模块启停多状态转换耗时约束分别如公式4至7所示：式中，k＝1,2,…,Nstate，Nstate为状态总数。Nstate＝7。k＝1表示冷启动床层升温过渡状态，k＝2表示热启动投原料气过渡状态，k＝3表示短时停车保温保压过渡状态，k＝4表示长期停车循环降温过渡状态，k＝5表示长期停车降压置换过渡状态，k＝6表示关停状态，k＝7表示运行状态。为表征甲烷化模块是否处于状态k的0-1变量。式中，为表征状态k持续时间是否达到Tm,k的0-1变量。p(k)为状态k持续时间达到Tm,k前转入状态的集合。式中，q(k)为状态k持续时间达到Tm,k后转入状态的集合。Tm,k为状态k持续时间。甲烷化模块各状态耗电耗氢情况如下所示：式中，为正常运行时甲烷化模块压缩机额定循环功率。为甲烷化模块处于任意状态时的耗氢流量。为甲烷化模块处于状态k的耗氢流量。甲烷化模块总耗电耗氢情况如下所示：甲烷化模块耗氢流量如下所示：3)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，并得到最优运行收益。建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型的主要步骤如下：3.1)确定考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型目标函数，即最大调度周期运行总收益maxSP2G：式中，SP2G为电转气系统调度周期运行总收益。和分别为氧气、甲烷和二氧化碳的流量。分别为氧气、甲烷和二氧化碳价格。P1t、分别为减少的并网新能源功率、额外购入的电网功率。λe1、λe2分别为新能源并网和电网售电价格。Δt为调度间隔时间。3.2)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型约束条件。电解水模块运行上下限约束分别如公式12和公式13所示：式中，为表征电解水模块运行与否的0-1变量。分别为电流密度上限和下限。甲烷化模块运行上下限约束如下所示：式中，分别为甲烷化耗氢流量上限和下限。储氢装置连接电解水和甲烷化模块的调节约束和运行上下限约束分别如公式15至公式21所示。电解水模块产氢流量如下所示：式中，为电解水模块通入甲烷化模块的氢气流量。为储氢装置充氢流量。甲烷化模块处于任意状态时的耗氢流量如下所示：式中，为储氢装置放氢流量。储氢装置储氢量如下所示：储氢装置储氢量范围如下所示：式中，为储氢装置储氢量下限。为储氢装置储氢量上限。储氢装置放氢流量范围如下所示：式中，和分别为储氢装置放氢流量下限和上限。储氢装置充氢流量范围如下所示：式中，和分别为储氢装置充氢流量下限和上限。调度周期初始时储氢装置储氢量如下所示：式中，为调度周期结束时储氢装置储氢量。电转气系统运行总耗电功率约束如下所示：式中，为电转气系统压缩功率。电转气系统压缩功率如下所示：式中，分别为气体h压缩功率及上限。h为H2、O2或CH4。为气体h压缩流量。为气体h压缩流量上限电转气系统与新能源电厂、电网的功率关系约束分别如公式24至公式26所示：式中，Pt、ΔPt分别为预测新能源功率、实际并网新能源功率、最大并网新能源功率及实际新能源盈余功率。氧气流量化学计量比约束如下所示：式中，为氧气和氢气间的化学反应计量比。二氧化碳流量化学计量比约束如下所示：式中，为二氧化碳和氢气间的化学反应计量比。甲烷流量化学计量比约束如下所示：式中，为甲烷和氢气间的化学反应计量比。为甲烷化反应转换率。4)根据日前预测风电出力场景和考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，求解不同时段电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力。求解不同时段电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力的方法为利用非线性整数规划算法求解考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的。本专利技术提出了一种考虑电解水和甲烷化运行特性的P2G系统调度方法，可以准确制定各模块出力计划，保证风电消纳和系统收益。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)获取所述电转气系统的设备结构和参数，并构建日前预测风电出力场景；2)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型；3)建立电转气系统运行约束条件。4)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，并得到最优运行收益；5)根据日前预测风电出力场景和考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，求解不同时段电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力。

【技术特征摘要】
1.一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)获取所述电转气系统的设备结构和参数，并构建日前预测风电出力场景；2)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型；3)建立电转气系统运行约束条件。4)建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，并得到最优运行收益；5)根据日前预测风电出力场景和考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统优化调度模型，求解不同时段电解水模块、甲烷化模块和储氢装置出力。2.根据权利要求1所述的一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，其特征在于，所述设备结构主要包括电解水模块、甲烷化模块和储氢装置；所述电解水模块包括若干并联的电解槽；所述电解槽包括若干串联的电解室；电解室包括电源、双极板、集电器、催化层和质子膜；甲烷化模块具有固定床反应器；所述参数主要包括电流、电阻和耗氢流量。3.根据权利要求1或2所述的一种考虑电解水与甲烷化运行特性的电转气系统优化调度方法，其特征在于，建立考虑电解水和甲烷化运行特性的电转气系统模型的主要步骤如下：1)建立考虑耗电功率与产氢流量非线性关系的电解水模型；t时刻电解室运行电压如下所示：式中，t为任意时刻；t＝1,2,…,Td；Td为时段总数；Vrev为t时刻电解室可逆电压；T为运行温度；和分别为H2分压与O2分压；为H2O活度；Rcell为电解室内部电阻和；ian和icat分别为电解室运行电流密度、阳极交换电流密度和阴极交换电流密度；αan和αcat分别为阳极电荷转移系数与阴极电荷转移系数；r和F分别为理想气体常数与法拉第常数；电解水模块耗电功率如下所示：式中，为电解室运行电流；Acell为有效反应面积；为表征第i个电解槽是否运行的变量；时，第i个电解槽不运行；时，第i个电解槽运行；Ncell和Nstack分别为电解槽串联电解室个数与电解水模块中并联电解槽个数；k1为单位转换系数；电解水模块产氢流量如下所示：式中，ηf为法拉第效率；k2为单位转换系数；2)建立考虑启停多状态转换耗时耗能特性的甲烷化模型甲烷化模块启停多状态转换耗时约束分别如公式4至7所示：式中，k＝1,2,…,Nstate，Nstate为状态总数；Nstate＝7；k＝1表示冷启动床层升温过渡状态，k＝2表示热启动投原料气过渡状态，k＝3表示短时停车保温保压过渡状态，k＝4表示长期停车循环降温过渡状态，k＝5表示长期停车降压置换过渡状态，k＝6表示关停状态，k＝7表示运行状态；为表征甲烷化模块是否处于状态k的0-1变量；式中，为表征状态k持续时间是否达到Tm,k的0-1变量；p(k)为状态k持续时间达到Tm,k前转入状态的集合；式中，q(k)为状态k持续时间达到Tm,k后转入状态的集合；Tm,k为状态k持续时间；甲烷化模块各状态耗电耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：余娟，时权妍，杨知方，代伟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50