掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，所述制氢储氢装置优化容量配置方法包括：(1)：建立所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型；(2)：在满足系统基础安全运行的约束条件基础上，考虑储氢设备的跨季节性存储能力，以系统年运行成本与系统设备投资等年值成本之和最低为目标函数，建立掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型；(3)：采用混合整数线性规划，求解制氢/储氢设备的最佳容量配置；(4)：通过修改系统模型与目标函数，求解电储能设备的最佳容量配置；(5)：利用二分法遍历的方法，确定在何种价格区间下，掺氢天然气的加入将优于传统电储能设备，实现储能方式升级。

【技术实现步骤摘要】
掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法
本专利技术属于电能源系统设备容量配置优化
，特别涉及一种掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法。
技术介绍
随着社会的发展，能源消费结构、利用方式都有着长足的进步，随着终端用户对于能源需求的进一步提高，冷、热、电一站式的能源服务正在逐步替代传统的单一能源供应，综合能源系统(integratedenergysystem，IES)，通过电力、冷热等多种能源形式，实现多能耦合的统一规划，在满足系统用户对多种能源需求的基础上，可以有效达到提高能源利用率，是未来能源网络的重要研究方向之一。随着用户用能需求的提升，用户用能的峰谷特性差异更加凸显，而随着具有反调峰特性的可再生能源的大量接入能源系统，对于用能低谷时段多余能源的利用问题进一步突出。传统解决策略通常采用安装电储能装置来存储谷时富余电能，但随着电储能技术逐渐进入瓶颈，技术突破逐渐放缓，寻找新的储能方式变得迫在眉睫。近年来，电转气(powertogas，P2G)技术的不断发展，利用电能制取存储容量更大，存储时间更长的气体燃料，成为了一种重要的储能方式。P2G技术主要通过电能制取氢气或甲烷，一方面，电制甲烷的效率较低，在制取过程中存在大量的能量损耗，经济性较低；而另一方面，电制氢气虽然是一种清洁能源，且制取效率相对较高，但是现阶段对于纯氢能源的利用还存在着不小的缺陷，纯氢燃机技术的不纯熟，氢气运输的困难，都限制了氢能的直接使用。因此，将电制氢气掺入天然气中，制成掺氢天然气供系统使用，将会是一种P2G技术实际运用的重要分支。掺氢天然气，相比于纯天然气有着更高的燃烧速率，更少的污染物排放，是一种更为清洁的燃料，与此同时，在一定的浓度限制下，掺氢天然气可以通过投资安装制取存储设备在现有系统中，直接利用现有系统设备进行使用，这将会是一种向未来能源使用过渡的可行方式。因此研究掺氢天然气综合能源系统中的制氢储氢设备容量配置问题将会是未来综合能源系统的重要发展方向。虽然已有文献提出了关于利用掺氢天然气来提高综合能源系统的可再生能源消纳能力，但是对于系统中制氢储氢设备的容量配置优化，以及投资成本对于设备选择的影响还处于探索阶段，因此问题的关键在于提出一种掺氢天然气综合能源系统中的制氢储氢装置优化容量配置方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，为今后输变电设备迈入全面复合化奠定了基础。本专利技术具体为一种掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，所述制氢储氢装置优化容量配置方法包括以下步骤：步骤(1)：建立所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型；步骤(2)：在满足系统基础安全运行的约束条件基础上，考虑储氢设备的跨季节性存储能力，以系统年运行成本与系统设备投资等年值成本之和最低为目标函数，建立掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型；步骤(3)：采用混合整数线性规划，求解制氢/储氢设备的最佳容量配置；步骤(4)：通过修改系统模型与目标函数，求解电储能设备的最佳容量配置；步骤(5)：利用二分法遍历的方法，确定在何种价格区间下，掺氢天然气的加入将优于传统电储能设备，实现储能方式升级。所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型包括：使用掺氢天然气的热电联产CHP燃气机组运行模型，掺氢天然气系统的制氢/储氢模型，吸附式制冷机、锅炉等能量转换装置模型。所述使用掺氢天然气的热电联产CHP燃气机组运行模型：PCHP为所述CHP燃气机组电功率，为所述CHP燃气机组热水回收功率，为所述CHP燃气机组烟气回收功率，和νng分别表示注入所述CHP燃气机组中燃料的氢气与天然气的注入速率，其单位为Nm3/h。所述掺氢天然气系统的制氢/储氢模型包括制氢设备模型和储氢设备模型，所述制氢设备模型采用电解制氢设备模型：电解槽的输入电功率与氢气输出速率之间的关系为Pae为所述电解制氢设备输入电功率，ηae为所述电解制氢设备的运行效率，设为70％，GHV为氢气的高位热值，设为12740kJ/Nm3，为输出氢气输出速率；所述储氢设备模型，定义所述储氢设备在结束t时刻调度动作之后的实际状态为当前整个时段的存储状态，所述储氢设备中当前时段存储的氢气量与所述储氢设备上一时刻储氢量以及当前时刻氢气计划输入与输出量有关：和分别为当前时刻与上一时刻的所述储氢设备储氢量，为当前时刻注入所述CHP燃气机组的氢气速率，为当前时刻电解设备的制氢速率。所述吸附式制冷机、锅炉等能量转换装置模型包括电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机，所述电制冷机模型为为电制冷机的输入电功率，单位为kW；为电制冷机的输出冷功率，单位为kW；COPec为电制冷机的制热能效比，设为4；所述电锅炉模型为为电锅炉的输入电功率，单位为kW；为所述电锅炉的输出热功率，单位为kW；ηeb为所述电锅炉的电热转换效率，设为95％；所述燃气锅炉模型为为所述燃气锅炉的输入燃料速率，单位为Nm3/h；为所述燃气锅炉的输出热功率，单位为kW；LHVgb为所述燃气锅炉燃料的低位热值，设为35880kJ/Nm3；ηgb为所述燃气锅炉效率，设为60％；Δt表示调度时间间隔；所述吸收式制冷机采用溴化锂吸收式冷温水机，模型为为所述吸收式制冷机的输入电功率，单位为kW；为所述吸收式制冷机的输出热功率，单位为kW；COPac为吸收式制冷机的制热能效比，设为1.3。步骤(2)中建立所述掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型的过程为：首先，建立所述目标函数，使所述掺氢天然气综合能源系统的年运行维护费用以及新增设备的投资年值成本之和最小，包括以下内容：(1)计算所述综合能源系统年运行维护成本：为所述综合能源系统的一整年总的运行维护成本，为所述综合能源系统与主电网交互功率造成的成本，包括购电成本与弃风弃光惩罚成本；为所述CHP燃气机组燃料成本；为所述燃气锅炉燃料成本；为可再生能源运维成本，包括光伏运维成本和风电运维成本；为所述制氢/储氢设备运行维护成本；Di表示为4个季节的天数；i表示4个季节的典型日，i＝spr，sum，aut，win；分别为所述综合能源系统在t时刻的购电价格与弃风弃光惩罚价格，根据市场分时电价确定，设为0.1元/kW·h；分别为所述综合能源系统在t时刻从主电网购买电功率以及向主电网输送的电功率；cng为天然气销售价格，设为3.45元/Nm3；νng·CHP(t)为t时刻注入所述CHP燃气机组的天然气速率；νng·gb(t)为t时刻注入燃气锅炉的天然气速率；分别为光伏、风电出力的单位运维成本，设为0.01元/kW·h；PPV(t)、PWT(t)分别为t时刻光伏、风电出力；为所述制氢/储氢设备的单位运维成本，设为0.01元/kW·h；与分别为t时刻为所述制氢/储氢设备的输入、输出氢气速率；(2)计算新增设备投资成本：Cinv为所述新增设备投资成本；IR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述制氢储氢装置优化容量配置方法包括以下步骤：/n步骤(1)：建立所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型；/n步骤(2)：在满足系统基础安全运行的约束条件基础上，考虑储氢设备的跨季节性存储能力，以系统年运行成本与系统设备投资等年值成本之和最低为目标函数，建立所述掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型；/n步骤(3)：采用混合整数线性规划，求解所述制氢/储氢设备的最佳容量配置；/n步骤(4)：通过修改系统模型与目标函数，求解电储能设备的最佳容量配置；/n步骤(5)：利用二分法遍历的方法，确定在何种价格区间下，掺氢天然气的加入将优于传统电储能设备，实现储能方式升级。/n

【技术特征摘要】
1.掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述制氢储氢装置优化容量配置方法包括以下步骤：
步骤(1)：建立所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型；
步骤(2)：在满足系统基础安全运行的约束条件基础上，考虑储氢设备的跨季节性存储能力，以系统年运行成本与系统设备投资等年值成本之和最低为目标函数，建立所述掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型；
步骤(3)：采用混合整数线性规划，求解所述制氢/储氢设备的最佳容量配置；
步骤(4)：通过修改系统模型与目标函数，求解电储能设备的最佳容量配置；
步骤(5)：利用二分法遍历的方法，确定在何种价格区间下，掺氢天然气的加入将优于传统电储能设备，实现储能方式升级。


2.根据权利要求1所述的掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述掺氢天然气综合能源系统的设备物理模型包括：使用掺氢天然气的热电联产CHP燃气机组运行模型，掺氢天然气系统的制氢/储氢模型，吸附式制冷机、锅炉等能量转换装置模型。


3.根据权利要求2所述的掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述使用掺氢天然气的热电联产CHP燃气机组运行模型：

PCHP为所述CHP燃气机组电功率，为所述CHP燃气机组热水回收功率，为所述CHP燃气机组烟气回收功率，和νng分别表示注入所述CHP燃气机组中燃料的氢气与天然气的注入速率，其单位为Nm3/h。


4.根据权利要求3所述的掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述掺氢天然气系统的制氢/储氢模型包括制氢设备模型和储氢设备模型，
所述制氢设备模型采用电解制氢设备模型：电解槽的输入电功率与氢气输出速率之间的关系为Pae为所述电解制氢设备输入电功率，ηae为所述电解制氢设备的运行效率，设为70％，GHV为氢气的高位热值，设为12740kJ/Nm3，为输出氢气输出速率；
所述储氢设备模型，定义所述储氢设备在结束t时刻调度动作之后的实际状态为当前整个时段的存储状态，所述储氢设备中当前时段存储的氢气量与所述储氢设备上一时刻储氢量以及当前时刻氢气计划输入与输出量有关：和分别为当前时刻与上一时刻的所述储氢设备储氢量，为当前时刻注入所述CHP燃气机组的氢气速率，为当前时刻所述电解制氢设备的制氢速率。


5.根据权利要求4所述的掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，所述吸附式制冷机、锅炉等能量转换装置模型包括电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、吸收式制冷机，
所述电制冷机模型为为所述电制冷机的输入电功率，单位为kW；为所述电制冷机的输出冷功率，单位为kW；COPec为所述电制冷机的制热能效比，设为4；
所述电锅炉模型为为所述电锅炉的输入电功率，单位为kW；为所述电锅炉的输出热功率，单位为kW；ηeb为所述电锅炉的电热转换效率，设为95％；
所述燃气锅炉模型为为所述燃气锅炉的输入燃料速率，单位为Nm3/h；为所述燃气锅炉的输出热功率，单位为kW；LHVgb为所述燃气锅炉燃料的低位热值，设为35880kJ/Nm3；ηgb为所述燃气锅炉效率，设为60％；Δt表示调度时间间隔；
所述吸收式制冷机采用溴化锂吸收式冷温水机，模型为为所述吸收式制冷机的输入电功率，单位为kW；为所述吸收式制冷机的输出热功率，单位为kW；COPac为吸收式制冷机的制热能效比，设为1.3。


6.根据权利要求5所述的掺氢天然气综合能源系统制氢储氢装置优化容量配置方法，其特征在于，步骤(2)中建立所述掺氢天然气综合能源系统的制氢/储氢设备的容量优化模型的过程为：
首先，建立所述目标函数，使所述掺氢天然气综合能源系统的年运行维护费用以及新增设备的投资年值成本之和最小，包括以下内容：
(1)计算所述综合能源系统年运行维护成本：为所述综合能源系统的一整年总的运行维护成本，为所述综合能源系统与主电网交互功率造成的成本，包括购电成本与弃风弃光惩罚成本；为所述CHP燃气机组燃料成本；为所述燃气锅炉燃料成本；为可再生能源运维成本，包括光伏运维成本和风电运维成本；为所述制氢/储氢设备运行维护成本；Di表示为4个季节的天数；i表示4个季节的典型日，i＝spr,sum,aut,win；


分别为所述综合能源系统在t时刻的购电价格与弃风弃光惩罚价格，根据市场分时电价确定，设为0.1元/kW·h；分别为所述综合能源系统在t时刻从主电网购买电功率以及向主电网输送的电功率；cng为天然气销售价格，设为3.45元/Nm3；νng·CHP(t)为t时刻注入所述CHP燃气机组的天然气速率；νng·gb(t)为t时刻注入燃气锅炉的天然气速率；分别为光伏、风电出力的单位运维成本，设为0.01元/kW·h；PPV(t)、PWT(t)分别为t时刻光伏、风电出力；为所述制氢/储氢设备的单位运维成本，设为0.01元/kW·h；与分别为t时刻为所述制氢/储氢设备的输入、输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秋实，洪叶，李子萌，张立东，王小烨，杨彬，张连花，江和和，朱晓奇，夏子轩，陆坚，王崎婧，周苏洋，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南通供电分公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32