一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置，该系统由燃料电池热电联产单元、供氢系统、热水罐储热单元、吸收式制冷机、需求预测器、运行控制器、热能输配控制器以及能量计量装置组成。该系统运行控制的方法结合用能预测制定系统中各设备运行策略，在实际运行中对系统中各设备实际出力及状态进行实时监控，并及时调整运行策略，实现燃料电池冷热电联产系统的协同供电、热、冷。该装置由需求预测器、运行控制器、热能输配控制器组成，以实现上述方法。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置
本专利技术属于多能源系统
，具体涉及一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置。
技术介绍
人类历史上每一次能源利用的里程碑式发展，都会开启一个新的时代。从木柴到煤炭再到石油，人类文明也随之飞速进步，同时也越来越离不开能源。而目前煤炭和石油等石化能源正面临着枯竭，碳排放带来的环境问题和全球气候变暖正在不断吞噬人类的生存环境，人类文明又将面临一个重大的转折。未来能源的选择，高效、清洁和可持续是要素，其中高效是必要条件。高效就意味着能量密度高，寻踪能源发展史不难发现每次能源的更迭都是在向更高的能量密度发展。氢气是常见燃料中热值最高的，约是石油的三倍，煤炭的5倍。同时氢气的供能方式主要是和氧气反应生成水释放化学能，其产物除了水，无其他中间产物，整个功能过程无浪费、零污染，供能过程非常清洁。此外，氢元素是宇宙储量最丰富的，大储量保证其作为能源供给的可持续性。因此高效、清洁、可持续的氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，并且将极大概率的成为人类的终极能源。燃料电池与普通电池一样，将化学能转化成电能。但与普通电池不同，它借助燃料和氧化剂可以持续产生直流电。因此，燃料电池并非储能电池，而是一个小型“发电厂”。燃料电池是是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。燃料电池可以持续发电，且生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保。目前燃料电池的运用主要有便携式领域、固定电源领域和汽车三个方面。便携式燃料电池是可随身携带的发电装置，这种装置可以内嵌在设备中，也可以作为移动电源携带，与目前电子设备中所用的电池具有相似的功能，但能够提供的能量范围更广。而固定电源燃料电池则不可移动，与发电站或发电机功能类似。这种燃料电池可以采用各种燃料电池技术，并且可以提供的能量范围更广。固定电源应用是氢能应用目前最大的市场，它包括所有的在固定的位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。固定电源燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电，它还可以作为动力源可以安装在片源远位置，如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带，对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大，其中美国市场目渗透率略高，大型企业的数据中心使用量呈较明显的上升趋势。除用于发电之外，热电联产燃料电池系统还可以同时为工业或家庭供电和供热，其中日本已经将热电联产的家用燃料电池系统推广进千家万户。自2009年上市以来，到2016年底已累计销售19.6万台。市场销售目标到2020年达到140万台，2030年达到530万台。基于燃料电池的固定电源应用，基于水冷式燃料电池的热电联产系统也有所应用，以满足用户的热需求。考虑到季节原因，热需求在炎热季节并不明显，而冷需求则较为突出。为在全季节充分利用燃料电池所产生的热能，将燃料电池热电联产系统与吸收式制冷机整合而成的燃料电池冷热电联产系统也应运而生。由于吸收式制冷机需要利用燃料电池所产生的热能制冷，而燃料电池与吸收式制冷机所需的开关机时间差距较大，该冷热电联产系统的协同运行产能存在一定困难。需要对二者的开关机及运行进行协同控制。此外，由于该系统中包含氢、电、热、冷多种能源以及包括储能设备在内的多种设备，对该系统的运行进行优化控制是必要的。因此，需要提出一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置，对燃料电池与吸收式制冷机进行协同控制，对燃料电池冷热电联产系统的运行进行优化控制，以在满足用户用能需求的基础上实现经济效益最大化。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法及装置，对燃料电池与吸收式制冷机的开关机与运行状态进行协同控制，优化控制燃料电池冷热电联产系统的运行，在满足用户的电、冷、热需求的基础上，提高系统效率并达到最小的运行成本。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，包括以下步骤：S1、结合用户用能需求历史数据与天气数据，预测一个调度周期T用户用能需求，其中用户用能需求数据包括用户电需求、冷需求和热需求；S2、根据S1预测出的用户用能需求，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的运行策略，根据运行策略进行日前优化调度，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集；S3、根据S2得到的最优运行策略集对所述燃料电池冷热电联产系统的启停与运行状态进行控制；S4、在燃料电池冷热电联产系统各设备按S2得到的运行策略集运行时，根据燃料电池冷热电联产系统中各设备实际出力以及热水罐实际状态实时调整各设备的运行状态。其中，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集的过程包括以下步骤：S201、构建燃料电池冷热电联产系统的数学模型，包括燃料电池热电联产单元数学模型、吸收式制冷机数学模型以及热水罐储热单元数学模型；S202、确定目标函数及约束条件，目标函数使得该系统运行成本最小，约束条件包括电平衡约束条件、氢平衡约束条件、热平衡约束条件和冷平衡约束条件；S203、构建样本参数集，所述样本参数集包括一个需求负载样本，氢气价格参数与系统中各个设备的参数；S204、基于S203构建的样本参数集，对S201构建的数学模型和S202确定的目标函数和约束条件，采用混合整数优化方法对所述目标函数求解，获得最优运行策略集Ω，所述最优运行策略集包括燃料电池热电联产单元运行策略、吸收式制冷机运行策略、热水罐储热单元运行策略。进一步的，S202中的目标函数为：其中，T为调度周期，下标t为第t个时段，为第t个时段的买氢量，λB为从市场中买入氢的价格。进一步的，S203中，所述需求负载样本包括各时段用户电、冷和热需求，所述价格参数为氢价，所述设备参数包括燃料电池冷热电联产系统中设备的容量、额定功率和能效比。进一步的，S4中，各设备实际出力包括燃料电池热电联产单元所产出电力，燃料电池热电联产单元所产出热能，吸收式制冷机所产出冷量，以及热水罐实际状态指热水罐中热水实际所储存热能。一种燃料电池冷热电联产系统运行控制装置，包括需求预测器，运行控制器和热能输配控制器；所述需求预测器的输出端和运行控制器的输入端连接，所述运行控制器的输出端和热能输配控制器的输入端连接；所述需求预测器用于收集用户历史需求数据与天气数据，对用户用能需求进行预测，并将预测的用户用能需求数据输送到运行控制器；所述运行控制器根据需求预测器所提供的用户用能需求数据，计算出所述燃料电池冷热电联产系统中各设备的运行策略，通过数据线与所述多能源系统中各设备相连，控制各设备开关机与运行状态，并根据各设备实际出力以及热水罐实际状态调整各设备的运行状态；所述热能输配控制器根据运行控制器所确定的运行策略调控热水罐储热单元的热能输出，吸收式制冷机与热水罐储热单元的热能输入，以及供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、结合用户用能需求历史数据与天气数据，预测一个调度周期T用户用能需求，其中用户用能需求数据包括用户电需求、冷需求和热需求；/nS2、根据S1预测出的用户用能需求，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的运行策略，根据运行策略进行日前优化调度，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集；/nS3、根据S2得到的最优运行策略集对所述燃料电池冷热电联产系统的启停与运行状态进行控制；/nS4、在燃料电池冷热电联产系统各设备按S2得到的运行策略集运行时，根据燃料电池冷热电联产系统中各设备实际出力以及热水罐实际状态实时调整各设备的运行状态；/n其中，S2中，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集的过程包括以下步骤：/nS201、构建燃料电池冷热电联产系统的数学模型，包括燃料电池热电联产单元数学模型、吸收式制冷机数学模型以及热水罐储热单元数学模型；/nS202、确定目标函数及约束条件，目标函数使得该系统运行成本最小，约束条件包括电平衡约束条件、氢平衡约束条件、热平衡约束条件和冷平衡约束条件；/nS203、构建样本参数集，所述样本参数集包括一个需求负载样本，氢气价格参数与系统中各个设备的参数；/nS204、基于S203构建的样本参数集，对S201构建的数学模型和S202确定的目标函数和约束条件，采用混合整数优化方法对所述目标函数求解，获得最优运行策略集Ω，所述最优运行策略集包括燃料电池热电联产单元运行策略、吸收式制冷机运行策略、热水罐储热单元运行策略。/n...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结合用户用能需求历史数据与天气数据，预测一个调度周期T用户用能需求，其中用户用能需求数据包括用户电需求、冷需求和热需求；
S2、根据S1预测出的用户用能需求，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的运行策略，根据运行策略进行日前优化调度，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集；
S3、根据S2得到的最优运行策略集对所述燃料电池冷热电联产系统的启停与运行状态进行控制；
S4、在燃料电池冷热电联产系统各设备按S2得到的运行策略集运行时，根据燃料电池冷热电联产系统中各设备实际出力以及热水罐实际状态实时调整各设备的运行状态；
其中，S2中，得到燃料电池冷热电联产系统中各设备的最优运行策略集的过程包括以下步骤：
S201、构建燃料电池冷热电联产系统的数学模型，包括燃料电池热电联产单元数学模型、吸收式制冷机数学模型以及热水罐储热单元数学模型；
S202、确定目标函数及约束条件，目标函数使得该系统运行成本最小，约束条件包括电平衡约束条件、氢平衡约束条件、热平衡约束条件和冷平衡约束条件；
S203、构建样本参数集，所述样本参数集包括一个需求负载样本，氢气价格参数与系统中各个设备的参数；
S204、基于S203构建的样本参数集，对S201构建的数学模型和S202确定的目标函数和约束条件，采用混合整数优化方法对所述目标函数求解，获得最优运行策略集Ω，所述最优运行策略集包括燃料电池热电联产单元运行策略、吸收式制冷机运行策略、热水罐储热单元运行策略。


2.根据权利要求1所述的燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，其特征在于，S202中的目标函数为：
其中，T为调度周期，下标t为第t个时段，为第t个时段的买氢量，λB为从市场中买入氢的价格。


3.根据权利要求1所述的燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，其特征在于，所述S203中，所述需求负载样本包括各时段用户电、冷和热需求，所述价格参数为氢价，所述设备参数包括燃料电池冷热电联产系统中设备的容量、额定功率和能效比。


4.根据权利要求1所述的燃料电池冷热电联产系统运行控制方法，其特征在于，所述S4中，各设备实际出力包括燃料电池热电联产单元所产出电力，燃料电池热电联产单元所产出热能，吸收式制冷机所产出冷量，以及热水罐实际状态指热水罐中热水实际所储存热能。


5.一种燃料电池冷热电联产系统运行控制装置，其特征在于，包括需求预测器，运行控制器和热能输配控制器；
所述需求预测器的输出端和运行控制器的输入端连接，所述运行控制器的输出端和热能输配控制器的输入端连接；
所述需求预测器用于收集用户历史需求数据与天气数据，对用户用能需求进行预测，并将预测的用户用能需求数据输送到运行控制器；所述运行控制器根据需求预测器所提供的用户用能需求数据，计算出所述燃料电池冷热电联产系统中各设备的运行策略，通过数据线与所述多能源系统中各设备相连，控制各设备开关机与运行状态，并根据各设备实际出力以及热水罐实际状态调整各设备的运行状态；所述热能输配控制器根据运行控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐占伯，董翔翔，吴江，管晓宏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61