计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法技术

一种计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法，包括以下步骤：S1在对转换设备分别建立模型之前，研究了电转气模型、储氢罐模型以及固态氧化物燃料电池模型；S2构建电转气模型和储氢罐模型；S3对于固体氧化物燃料电池模型，通过电堆流出的电流I和端口电压U来描述SOFC发电数学模型，然后通过计算储氢罐供给的氢气发生化学反应过程中释放能量与SOFC发电量相减得SOFC发热数学模型；S4最后在构建能量枢纽优化模型时，给出了成本的计算公式同时也建立了单元模型及约束条件，在约束条件中，包含功率平衡约束、联络线约束、弃水约束以及各设备模型约束。本发明专利技术同时提升了系统能源之间的转换效率。

Modeling method of energy junction considering solid oxide fuel cell and electro gas

【技术实现步骤摘要】
计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法
本专利技术提供一种计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法。
技术介绍
近年来，我国逐渐将能源领域的工作重心放在建设经济高效的现代能源体系上，着力提升清洁能源消纳量，促进能源产业健康生态发展。能量枢纽涉及多种能源形式，其核心是实现能源的经济高效利用。由于不同能源形式的特点和发展差异，供能系统常常是独立规划、独立设计、独立运行，相互间缺乏交互，进而无法保证能源的高效利用和安全可靠运行。而能量枢纽可有效的将电-水-气-热等多种能源形式集合起来，在满足供能需求的同时极大的提高能源的利用效率，并实现能源的梯级利用。现阶段对能量枢纽模型结构的研究，基本上都是用燃气轮机将天然气转换为电能，其转换效率相对较低，并缺少将电能转换为天然气的装置，无法真正实现能源之间的循环。
技术实现思路
为了克服现有能量枢纽模型的不足，本专利技术在传统的能量枢纽模型结构上加入了P2G技术以及固体氧化物燃料电池实现了电转气的功能，同时提升了系统能源之间的转换效率。，具体而言，首先基于能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法，其特征在于，模型包含P2G技术、储氢罐、固态氧化物燃料电池、燃气轮机、燃气锅炉、水力发电以及储电/热装置，在建立能量枢纽模型之前，需要对以上所提的设备分别建模，并设立相关约束条件，然后构建计及SOFC和电转气的能量枢纽优化模型，该模型以能量枢纽内调度成本最小为目标，其中包含购电成本、购天然气成本、电转气原料成本以及弃废水成本，同时也设立相关约束条件，所述方法包括以下步骤：/nS1在对转换设备分别建立模型之前，研究了电转气模型、储氢罐模型以及固态氧化物燃料电池模型；/nS2对于电转气模型，从其工作特性出发分别从电网和气网两个角度分析，同时...

【技术特征摘要】
1.一种计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法，其特征在于，模型包含P2G技术、储氢罐、固态氧化物燃料电池、燃气轮机、燃气锅炉、水力发电以及储电/热装置，在建立能量枢纽模型之前，需要对以上所提的设备分别建模，并设立相关约束条件，然后构建计及SOFC和电转气的能量枢纽优化模型，该模型以能量枢纽内调度成本最小为目标，其中包含购电成本、购天然气成本、电转气原料成本以及弃废水成本，同时也设立相关约束条件，所述方法包括以下步骤：
S1在对转换设备分别建立模型之前，研究了电转气模型、储氢罐模型以及固态氧化物燃料电池模型；
S2对于电转气模型，从其工作特性出发分别从电网和气网两个角度分析，同时考虑P2G自身的能量转换特性；
对于储氢罐模型，通过类比储能设备的通用约束对其进行建模，包括充放氢状态、单位时间充放氢的气量和储氢罐本身的容量限制；
S3对于固体氧化物燃料电池模型，通过电堆流出的电流I和端口电压U来描述SOFC发电数学模型，然后通过计算储氢罐供给的氢气发生化学反应过程中释放能量与SOFC发电量相减得SOFC发热数学模型；
S4最后在构建能量枢纽优化模型时，给出了成本的计算公式同时也建立了单元模型及约束条件，在约束条件中，包含功率平衡约束、联络线约束、弃水约束以及各设备模型约束。


2.如权利要求1所述的计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法，其特征在于，所述步骤S2的过程如下：
2.1)电转气模型
分别从电网和气网两个角度进行建模，同时考虑了P2G自身的能量转换特性；
2.1.1)电网侧P2G模型
P2G技术利用电能电解水产生气体，在电网侧可作为储能元件或可调节负荷；P2G作为可调节负荷的功率会存在上下限此外，由于天然气网的压力约束，P2G无法一直向气网输气，因此类比于储能剩余荷电状态得到某一时刻P2G的剩余荷电状态与其作为气源能够输出的气量线性相关，由P2G连接的天然气管道气压决定，其关系为：



其中：表示第s个P2G在t时刻的气压；表示最大气压；表示荷电状态；
2.1.2)气网侧P2G模型
P2G反应产生的氢气一部分进入储氢罐，另一部分继续与碳氧化物反应产生人造天然气注入气网，作为气源并入气网，因此，P2G单位时间的输气功率可分为氢气输气功率和甲烷输气功率该功率直接由P2G的工作状态决定，并假定其产生连续稳定的气体，并在一定范围内可调，其关系如下：






其中：式(2)确保电转气产生的氢气，一部分进入储氢罐，另一部分进入甲烷发生器，并在甲烷发生器内以μSNG的转换效率将氢气转换为人造天然气输入天然气网；式(3)表示供气流量有上下限约束限制，并通过的01变量决定甲烷发生器工作与否；
由于P2G输出的气体需与相邻气网节点满足一定范围的气压差才能流入气网管道，因此P2G装置的气压参数还需满足上下限约束如下：



其中：分别为气网气压上下限约束；
2.2)储氢罐模型
储氢罐是将电转气产生的一部分氢气储存起来，供给固体燃料电池使用，因此，类比于储能设备的通用约束，储氢罐的约束包括充放氢状态、单位时间充放氢的气量和储氢罐本身的容量限制，其数学模型表示如下：
2.2.1)充放氢状态控制



2.2.2)充放气流量限制



2.2.3)储氢罐容量限制



式中：式(5)表示储氢罐不能同时充放氢气，和为储氢罐充氢状态和放氢状态，为0-1变量，1表示工作状态，0表示非工作状态；式(6)表明充放氢量气量受上下限约束，而和分别为储氢罐充放氢量气量上下限，和分别为充氢放氢气量；式(7)表示储氢罐充放氢气前后存储的氢气变化情况，为储氢罐储氢量，为储氢罐所允许的最大、最小储氢量。


3.如权利要求2所述的计及固体氧化物燃料电池和电转气的能量枢纽建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，SOFC数学模型由电堆流出的电流I和端口电压U共同决定实际电能变化，为：



式中：SOFC电堆端口电压通过能斯特电压E和活化极化损失ηact、浓差极化损失ηconc以及欧姆极化损失ηohm三者之和相减而得到；R为理想气体常数；F为法拉第常量；T为电堆温度；pH2O是水蒸汽分压、pH2是氢气分压、是氧气分压；j是电流密度；JH2是氢气量；ΔG表示在SOFC工作过程中吉布斯自由能的变化，即电化学反应过程中SOFC的做功能力；
由储氢罐供给的氢气所含的化学能，通过电化学反应过程中释放的能量，即为焓变，表示为：



其中：为对应气...

【专利技术属性】
技术研发人员：周丹，刘业伟，马骏超，楼伯良，樊印龙，肖修林，汪蕾，童伟，陆承宇，黄晓明，杨涛，黄弘扬，
申请(专利权)人：浙江工业大学，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州意能电力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33