一种氢-水能源系统及其长短期优化控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种氢

【技术实现步骤摘要】
一种氢
‑
水能源系统及其长短期优化控制方法和装置


[0001]本专利技术属于多能源系统
，具体涉及一种氢
‑
水能源系统及其长短期优化控制方法 和装置。

技术介绍

[0002]以化石燃料为基础的世界经济目前正在面临资源枯竭和环境污染的双重挑战，新能源成为 拯救人类工业文明社会的必然选择。长久以来，整个世界经济几乎都建立在化石燃料的基础上。 经济的快速发展消耗了大量的不可再生能源，比如煤、石油、天然气等。从众多权威能源机构 的研究来看，21世纪上半叶，世界经济的资源载体将几近枯竭，也意味着以化石经济为基础 的工业文明即将终结。
[0003]各种可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、取之不尽、用之不竭等显著优势，已成为发 展最快的可再生能源。近年来全球光伏发电产业快速发展，开发利用太阳能对调整能源结构、 推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设均具有重要意义。但是太阳能受地理、昼夜和季 节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约，能量密度较低，通常每平方米不到一 千瓦。此外，太阳能随着时间和天气的变化呈现不稳定性和不连续性。为了保证太阳能利用稳 定运行,就需要储热装置把太阳能储存起来,在太阳能不足时再释放出来,以满足生产和生活 用能连续和稳定供应的需要。因此，能量存储是调整太阳能供应和能源需求之间不稳定的必要 关键技术。
[0004]当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可 再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化 石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一 种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源，无论从碳达峰碳中和角度还是我国能源现状， 从化石燃料为主的能源体系，转变为高效、可再生的低碳能源体系已经迫在眉睫。目前电解水 制氢因其良好的应用优势，得到了广泛关注。电解水制氢以风、光、水等可再生能源为载体， 以氢气作为二次能源的载体，能与电力在能源转型中互为补充，实现工业、建筑和电力、交通 运输等之间的“产业互联”。
[0005]氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。氢能是全球能源技术革命的 重要发展方向，也是可持续和安全的能源未来重要的组成部分。加快发展氢能产业，不仅可以 应对全球环境危机，还可以保障能源供给，实现国家能源的可持续性发展。根据IEA公布的 《氢能源未来发展趋势报告》，预计到2050年，氢能源的消耗量将会是目前消耗量的10倍。 世界各国都在大力发展制氢技术，占领国际氢能源的制高点。
[0006]利用可再生能源替代化石燃料的制氢是清洁、高效制氢的未来发展趋势，在氢能产业链的 制备
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储运
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加注
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应用四个环节中，制氢是龙头，氢能产业前景可期，要科学合理地选择制氢工 艺路径，必须从源头以满足环保、经济、安全、高效的要求，实现氢能的供给。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供了基于氢能、太阳能等可再生能源和储能设备的多能源系 统的装置和长
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短期调度运行优化方法，能够满足用户的电、冷、热需求并且消纳可再生能源 的波动性与不确定性，降低甚至消除系统的碳排放并实现最小的运行成本。
[0008]为达到上述目的，本专利技术所述一种氢
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水能源系统及其长短期优化控制方法，包括以下步 骤：
[0009]S1、收集当前天气数据及用户需求数据，并根据当前天气数据及用户需求数据预测出用户 需求负载及未来天气数据，根据收集的天气数据以及需求数据建立用户及系统需求情景；
[0010]S2、根据S1预测出的用户需求负载和未来天气数据以及用户及系统需求情景对包含储氢 储热等多种储能设备以及包含季节性储能的多能源系统进行优化，得到季节性储能设备和短期 存储设备之间的最优运行策略集；
[0011]S3、根据S2得到的最优运行策略集对基于氢能与水循环并且包含季节存储的多能源系统 的运行进行控制；
[0012]S2包括以下步骤：
[0013]S201、构建氢
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水能源系统的数学模型，数学模型包括氢
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水能源系统各设备的约束；
[0014]S202、以所有系统需求情景下平均运行成本和实现碳排放最小为目标建立目标函数，构建 氢
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水能源系统约束，系统约束包括系统设备与氢市场以及电网进行交互约束；
[0015]S203、构建样本参数集，样本参数集包括一个需求负载样本，一个天气数据样本、价格参 数与各个设备的参数；
[0016]S204、用长短期调度优化方法利用S203构建的样本参数集，对S201构建的数学模型和 S202确定的约束条件，采用混合整数优化方法对目标函数求解，获得最优运行策略集Ω。
[0017]一种氢
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水能源系统及其长短期优化控制装置，包括信息采集模块、分析处理模块与中央 控制模块；信息采集模块用于采集当前天气数据、用户需求数据以及实时读取存储罐数据，将 预测的用户需求负载、天气数据以及存储罐数据输送到分析处理模块；分析处理模块用于根据 需求负载、天气数据以及实时更新的存储罐数据，得到多能源系统中各设备的最优运行策略集， 并将该最优运行策略集输送到中央控制模块；中央控制模块通过多根数据总线与该多能源系统 中各设备相连，控制各设备的开关机与运行状态。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0019]本专利技术所述的方法，结合可再生能源，在满足用户电、热、冷需求的同时，最小化运行成 本，并通过含氢在内的多种储能设备消纳可再生能源的不确定性，最终实现完全有可再生能源 供给的一个零碳排放的能源系统。
[0020]该方法解决了能源系统中的可再生能源的波动性和不确定性以及用户需求问题，并且实现 了可再生能源的跨季节调度。根据太阳能辐射强度、用户的电需求、热需求以及冷需求的预测 值和偏差，建立关于太阳能发电、燃料电池发电、太阳能产热、燃料电池产热、用户电冷热需 求的预期情景，在该优化问题中，通过季节性储热和季节性储氢，实现可再生能源的跨季节利 用，平抑可再生能源季间波动，最大化的利用可再生能源，以达到降
低及消除碳排放的目标。 保持燃料电池以及吸收式制冷机在所有情景下的运行策略相同，而令电解槽、储氢罐、热水罐 与冷水罐在不同情境下的运行策略可变，以达到消纳可再生能源的目的。
[0021]进一步的，季节性储氢罐约束通过对季节性储氢罐内部的存储动态以及季节性储氢罐每天 的冲放状态进行建模，从而有效地和储氢罐约束进行衔接，更好的实现季节性存储氢气的目的。
[0022]进一步的，季节性储热罐约束通过对季节性储热罐内部的存储动态，以及季节性储热罐与 热水罐和地源热泵之间的交互进行建模，从而有效地和热水罐以及地源热泵约束进行衔接，更 好的实现季节性存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢
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水能源系统及其长短期优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、收集当前天气数据及用户需求数据，并根据当前天气数据及用户需求数据预测出用户需求负载及未来天气数据，根据收集的天气数据以及需求数据建立用户及系统需求情景；S2、根据S1预测出的用户需求负载和未来天气数据以及用户及系统需求情景对包含储氢储热等多种储能设备以及包含季节性储能的多能源系统进行优化，得到季节性储能设备和短期存储设备之间的最优运行策略集；S3、根据S2得到的最优运行策略集对基于氢能与水循环并且包含季节存储的多能源系统的运行进行控制；所述S2包括以下步骤：S201、构建氢
‑
水能源系统的数学模型，所述数学模型包括氢
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水能源系统各设备的约束；S202、以所有系统需求情景下平均运行成本和实现碳排放最小为目标建立目标函数，构建氢
‑
水能源系统约束，系统约束包括系统设备与氢市场以及电网进行交互约束；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，一个天气数据样本、价格参数与各个设备的参数；S204、用长短期调度优化方法利用S203构建的样本参数集，对S201构建的数学模型和S202确定的约束条件，采用混合整数优化方法对目标函数求解，获得最优运行策略集Ω。2.根据权利要求1所述的一种氢
‑
水能源系统及其长短期优化控制方法，其特征在于，所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：所述S201中，数学模型中的季节性储氢罐装置约束为：其中，为第s天中的第k时刻存储进季节性储氢罐的氢气，单位为kg；其中和是用来描述季节性储氢罐存储状态的0
‑
1变量，当在第s天季节性储氢罐为存储氢气时，为1，为0；当在第s天季节性储氢罐在输出氢气时，为0，为1；为第s天中的第k时刻储氢罐的额定容量，它的上限为单位为kg；是第s天中的第k时刻季节性储氢罐中剩
余的氢气质量，单位是kg；是第s天中的第k时刻输入进季节性储氢罐的氢气质量，单位为kg；是第s天中的第k时刻季节性储氢罐输出的氢气质量，单位为kg；为第1天中的第1时刻季节性储氢罐中的氢气质量，即初始状态，单位是kg；为第S天中的第K时刻季节性储氢罐中的氢气质量，即结束状态，单位是kg；α
sht
为季节性储氢罐初始占容比；为第s天中的第k+1时刻季节性储氢罐中的氢气质量，即初始状态，单位是kg；η
loss
为季节性储氢罐的储氢损失系数；为第s天中的第k时刻季节性储氢罐的耗电量，单位为kW；η
sin
为存储氢气进季节性储氢罐的耗电系数；η
out
为季节性储氢罐输出氢气的耗电系数；为第s天中的第k时刻季节性储氢罐的产热量，单位为kwh；β
sin
为存储氢气进季节性储氢罐的耗热数；β
out
为季节性储氢罐输出氢气的耗热系数。3.根据权利要求1所述的一种氢
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水能源系统及其长短期优化控制方法，其特征在于，所述S201中，数学模型中季节性储热罐装置约束为：所述S201中，数学模型中季节性储热罐装置约束为：所述S201中，数学模型中季节性储热罐装置约束为：其中，c为水的比热容，单位为J/(kg
·
K)；ρ
wt
为水的密度，单位kg/m3；V
swt
为季节性热水罐的容积，单位为m3；为第s天中的第k时刻热水罐内部的水温，它的上下限为和T
swt
，单位为K；V
ls
为热水罐...

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