一种光伏电站直流制氢优化配置方法技术

本发明专利技术提供一种光伏电站直流制氢优化配置方法，包括：建立光伏电站直流制氢系统，建立光伏与电解制氢设备、锂电池储能设备的设备模型，利用DC/DC变换器实现电能输送；提出了考虑固定成本、可变成本与收益的目标函数与考虑静态和时序下动态约束的系统约束条件，在三种运行策略：最大化制氢利用、最小化调节次数、动态跟踪下，实现系统的经济型优化配置。本发明专利技术针对含电解制氢的微电网，基于光伏电站配置制氢场景，一定程度上兼顾了电解制氢动态性能，考虑几种简化模型下的配置问题，探究电解制氢设备配置在不同运行策略下的经济型最优配置，能在不同运行策略中实现系统经济性最优，具有实用推广价值。用推广价值。用推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏电站直流制氢优化配置方法


[0001]本专利技术属于光伏电解制氢
，尤其是涉及一种光伏电站直流制氢优化配置方法。

技术介绍

[0002]由于锂电池储能价格居高不下，其相关核心技术已有相当一段时间未曾突破。而分布式能源为主的清洁微电网由于其波动性及电压支撑问题，或需要大量配置价格高昂的储能，或需要大规模的弃风弃光，其能效和经济性难以兼顾。
[0003]为此，大量学者和研究团队均在研究其有效的替代技术。目前提出的替代储能技术中，应用最为成熟的是抽水蓄能。然而，抽蓄电站价格高，需求容量不大时没有经济优势，并且对于地形有极强的依赖性，难以推广到各个需求场景。而飞轮储能、储热、压缩空气储能等技术，或不同程度的对环境有一定依赖、或能效并不理想。随着“双碳”计划的提出和推行，电解制氢配合新能源在微电网中的应用由于氢气的清洁性成为了研究热点，《我国新能源风光发电制氢成本动态测算》计算了我国新能源风光发电制氢成本及其影响因素。
[0004]由于碱性电解液电解制氢工艺技术极为成熟，同时价格较为低廉，尤其是作为储能元件的氢气储罐价格尤为低廉，具有较好的规模经济效益。为了在新能源微电网中使得电解制氢设备充分发挥其优势，需要对含制氢的微电网进行优化配置，《平抑风电波动的电
‑
氢混合储能容量优化配置》以综合成本最小为目标，建立了平抑风能波动的制氢系统，《光伏制氢工程项目经济性影响因素分析》分析了光伏制氢工程的项目经济性。

技术实现思路

[0005]针对光伏电站直流制氢系统动态性能难以评估及经济性不高的问题，本专利技术提出一种光伏电站直流制氢优化配置方法。
[0006]为此，本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：
[0007]一种光伏电站直流制氢优化配置方法，其特征在于：所述光伏电站直流制氢优化配置方法包括：利用光伏发出的电能经过DC/DC变换器，进行电解制氢，同时利用蓄电池对电解槽运行功率进行实时调节；基于光伏电站配置制氢场景，建立各设备模型，提出经济性目标函数与静态动态性能约束条件，一定程度上兼顾了电解制氢动态性能，考虑几种简化模型下的配置问题：
[0008]探究电解制氢设备配置在不同运行策略下，如何配置才能实现电解槽经济性最优，具体考虑的三种运行策略如下：
[0009]1)、最大化制氢利用
[0010]考虑电解制氢设备始终工作在最高点，以最小化能耗、弃风弃光为约束，最大化收益为目的，进行优化配置；
[0011]2)、有一定调节能力，最小化调节次数
[0012]由于制氢设备需要最减少调节次数以优化其运行寿命，每日仅允许两次调节，同
时不允许制氢设备停机，以收益作为优化目标函数，内层采用动态规划算法对运行调节时间点及调节运行点进行搜索，外层对制氢设备配置容量进行搜索，求取经济性最优解；
[0013]3)、动态跟踪
[0014]考虑到电解槽一般工作在控制恒定的温度和压力下，求取使得系统各参数不越限的电流控制响应模型，根据上述模型进行数值近似，然后，以能效最优为约束，经济性最优为目标函数，进行优化配置；
[0015]具体地，包括以下步骤：
[0016]S1、建立系统设备元件模型，包括：电解制氢设备模型，储罐模型，锂电池储能模型以及光伏模型；
[0017]S2、建立目标函数与约束条件，其中约束条件包括静态约束条件与动态约束条件；
[0018]S3、计算最大化制氢利用、最小化调节次数、动态跟踪三种运行策略下的优化配置结果。
[0019]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0020]作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤S1中：首先，选择母线为直流母线；其次，建立电解制氢设备模型，制氢设备模型需要考虑制氢设备运行方式，在最大化制氢利用时，为一个不可调节且不随时间变化的负荷，最小化调节次数的时候为形如一个脉冲的矩形曲线，而在动态跟踪模式下，则为按调节特性尽量跟踪剩余功率曲线；
[0021]1)、电解槽消耗电功率：
[0022]假设电解槽规模为Q，则电解槽运行功率P
Hydrogen
如下式(1)所示，式中：I
N
为电解槽额定电流，R为电解槽各时刻运行功率点，R计算方式为电解槽实际功率/电解槽额定功率，V为电解槽电压，与额定电流、额定功率点和电解槽温度有关；
[0023]P
Hydrogen
＝I
N
·
R
·
V(I
N
·
R,T)(1)
[0024][0025]式(2)给出了电解槽电压V与电流、温度T有关的公式，A
ele
为电解槽极板面积，q1、q2、r1、r2、s1、s2、s3、t1、t2、t3、α均为参数，可用实测数据进行拟合得到；
[0026]2)、电解槽成本：
[0027]电解槽成本如式(3)所示，考虑采用弃风弃光电解的情况，式中：price
elec
电价为0，price
Hydrogen_SOC
为氢气储罐每标方价格，Q为电解槽规模，C
F
为期初50Nm3/h规模碱性电解液电解槽的单位产量固定投资，r为利率，取5％，d为每年的天数按365计，电解槽寿命n按20年计算；
[0028][0029]其中，S1与S2分别为电消耗与水消耗；
[0030]电消耗S1：
[0031]考虑电解槽理论单位标方耗电量W
elec_theory
，电解槽效率η，取0.6，以及电价从元/kWh至元/Nm3的转换，计算电消耗S1：
[0032][0033]因此，价部分可变成本为：
[0034][0035]式中：W
elec_theory
为分解获得1Nm3氢气所需要的理论电能，price
elec
为每千瓦时电价，η为电解槽综合效率；
[0036]水消耗S2：
[0037]考虑到1摩尔水产生1摩尔氢气，而1摩尔氢气在标准状态下为22.4L，转换为标准状态下每立方米1000L/m3，水的质量分数为18g/mol，而密度为106g/m3，按以上分析计算制取单位标方氢气的用水价格与立方米水价的转换系数S2如下：
[0038][0039]因此，水消耗价格可表示为：
[0040][0041]式中：price
water
为水价，单位为：元每立方米，M
water
为水的摩尔质量，单位为：克每摩尔，ρ
water
为水的密度，单位为：克每立方米，v1为标方和立方米间的体积换算系数，v2为标况下氢气的摩尔体积；
[0042]3)、电解槽运行点R：
[0043]对于最大化制氢利用时，R始终为1；
[0044]对于最小化调节次数，采用动态规划进行策略求解，R有0.2和h两个值，由动态规划本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏电站直流制氢优化配置方法，其特征在于：所述光伏电站直流制氢优化配置方法包括：利用光伏发出的电能经过DC/DC变换器，进行电解制氢，同时利用蓄电池对电解槽运行功率进行实时调节；基于光伏电站配置制氢场景，建立各设备模型，提出经济性目标函数与静态动态性能约束条件，一定程度上兼顾了电解制氢动态性能，考虑几种简化模型下的配置问题：探究电解制氢设备配置在不同运行策略下，如何配置才能实现电解槽经济性最优，具体考虑的三种运行策略如下：1)、最大化制氢利用考虑电解制氢设备始终工作在最高点，以最小化能耗、弃风弃光为约束，最大化收益为目的，进行优化配置；2)、有一定调节能力，最小化调节次数由于制氢设备需要最减少调节次数以优化其运行寿命，每日仅允许两次调节，同时不允许制氢设备停机，以收益作为优化目标函数，内层采用动态规划算法对运行调节时间点及调节运行点进行搜索，外层对制氢设备配置容量进行搜索，求取经济性最优解；3)、动态跟踪考虑到电解槽一般工作在控制恒定的温度和压力下，求取使得系统各参数不越限的电流控制响应模型，根据上述模型进行数值近似，然后，以能效最优为约束，经济性最优为目标函数，进行优化配置；具体地，包括以下步骤：S1、建立系统设备元件模型，包括：电解制氢设备模型，储罐模型，锂电池储能模型以及光伏模型；S2、建立目标函数与约束条件，其中约束条件包括静态约束条件与动态约束条件；S3、计算最大化制氢利用、最小化调节次数、动态跟踪三种运行策略下的优化配置结果。2.根据权利要求1所述的光伏电站直流制氢优化配置方法，其特征在于：步骤S1中：首先，选择母线为直流母线；其次，建立电解制氢设备模型，制氢设备模型需要考虑制氢设备运行方式，在最大化制氢利用时，为一个不可调节且不随时间变化的负荷，最小化调节次数的时候为形如一个脉冲的矩形曲线，而在动态跟踪模式下，则为按调节特性尽量跟踪剩余功率曲线；1)、电解槽消耗电功率：假设电解槽规模为Q，则电解槽运行功率P
Hydrogen
如下式(1)所示，式中：I
N
为电解槽额定电流，R为电解槽各时刻运行功率点，R计算方式为电解槽实际功率/电解槽额定功率，V为电解槽电压，与额定电流、额定功率点和电解槽温度有关；P
Hydrogen
＝I
N
·
R
·
V(I
N
·
R,T)(1)式(2)给出了电解槽电压V与电流、温度T有关的公式，A
ele
为电解槽极板面积，q1、q2、r1、r2、s1、s2、s3、t1、t2、t3、α均为参数，可用实测数据进行拟合得到；2)、电解槽成本：
电解槽成本如式(3)所示，考虑采用弃风弃光电解的情况，式中：price
elec
电价为0，price
Hydrogen_SOC
为氢气储罐每标方价格，Q为电解槽规模，C
F
为期初50Nm3/h规模碱性电解液电解槽的单位产量固定投资，r为利率，取5％，d为每年的天数按365计，电解槽寿命n按20年计算；其中，S1与S2分别为电消耗与水消耗；电消耗S1：考虑电解槽理论单位标方耗电量W
elec_theory
，电解槽效率η，取0.6，以及电价从元/kWh至元/Nm3的转换，计算电消耗S1：因此，价部分可变成本为：式中：W
elec_theory
为分解获得1Nm3氢气所需要的理论电能，price
elec
为每千瓦时电价，η为电解槽综合效率；水消耗S2：考虑到1摩尔水产生1摩尔氢气，而1摩尔氢气在标准状态下为22.4L，转换为标准状态下每立方米1000L/m3，水的质量分数为18g/mol，而密度为106g/m3，按以上分析计算制取单位标方氢气的用水价格与立方米水价的转换系数S2如下：因此，水消耗价格可表示为：式中：price
water
为水价，单位为：元每立方米，M
water
为水的摩尔质量，单位为：克每摩尔，ρ
water
为水的密度，单位为：克每立方米，v1为标方和立方米间的体积换算系数，v2为标况下氢气的摩尔体积；3)、电解槽运行点R：对于最大化制氢利用时，R始终为1；对于最小化调节次数，采用动态规划进行策略求解，R有0.2和h两个值，由动态规划求出，与当地光照辐射曲线等情况有关，对于本次选取的光伏曲线，R有0.2和1两种取值；对于动态跟踪情况，R与电解槽动态特性及剩余功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢迪，陆萍，吴瑜燕，彭勇刚，朱梦颖，孙静，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：