【技术实现步骤摘要】
考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置装置及方法
[0001]本专利技术属于综合能源系统容量配置
，尤其涉及一种考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置装置及方法。
技术介绍
[0002]不同于传统的电力系统，综合能源系统将电、氢、热等多种能源系统相互耦合起来，使各种能源的转化、储存、消费等环节相互关联，更高效的利用可再生能源，减少资源浪费，构建新的能源供应系统。
[0003]目前，提高清洁能源的占比成为综合能源系统发展的重要目标，大力发展清洁能源不仅能够减低碳排放而且能够增强系统的可靠性和经济性。在综合能源系统中加入电制氢技术能够实现电能和氢能的相互转化，有利于能量存储及绿色应用。进一步将电制氢技术与可再生能源消纳相结合，在可再生能源出力高于用电负荷时将多余的可再生能源转化为氢能储存起来，在满足社会用氢的同时，在用可再生能源不能满足用电负荷时将氢能转化为电能以满足需求，减少可再生能源的浪费达到削峰填谷的目的。
技术实现思路
[0004]针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种考...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1.在电制氢系统中引入外部热源，使电解槽工作在适宜温度下；步骤2.进行电解槽建模，使电解槽设备在电制氢系统中进行电、热、氢耦合；步骤3.进行储能装置建模，建立储氢罐、储热罐和蓄电池的数学模型，得到电解槽输入功率、输出功率及热功率关系，将电解水技术与储能相结合，实现削风填谷；步骤4.利用电解槽模型和储能装置模型对电制氢综合能源系统的容量配置进行容量约束和运行约束；步骤5.满足约束后，最小化系统投资成本，建立目标函数，运用cplex求解器进行求解。2.根据权利要求1所述的考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：所述电制氢系统包含：风力发电、电解槽、电锅炉、换热器和储氢罐，电解槽(4)、储氢罐(8)与电网节点相连；其中，O2气液分离器(1)分别通过管路与电锅炉(2)、换热器(3)及电解槽(4)相连接，电锅炉(2)还通过管路与换热器(3)相连接，换热器(3)的输出端通过管路，经加碱罐(5)与电解槽(4)相连接，电解槽(4)的另一端出口经管路与H2气液分离器(6)相连接，气液分离器(6)的输出端通过管路与洗涤罐(7)相连接，洗涤罐(7)的出口端通过管路与储氢罐(8)相连接；所述综合能源系统包含：电解槽(4)、储氢罐(8)与电网节点相连，储氢罐(8)、电解槽(4)、燃料电池接入氢气网络；所述电解槽(4)和储氢罐(8)设置在靠近氢负荷的位置；所述电解槽为碱性电解槽,当电解温度较低时，电锅炉(2)产生的热量送往电解槽(4)。3.根据权利要求1所述的考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：所述电解槽输入功率、输出功率及热功率关系，包括：步骤2.1电解槽输入功率、输出功率及热功率关系，如下式所示：其中，P
ted,in
t时刻电解槽输入电功率，kW；i
cell
为电解槽工作电流，A；T
ed
电解槽的工作温度，℃；P
ted,out
为t时刻电解槽输出氢功率，kW；U
tn
为电解反应所需要的最小电压；为t时刻电解槽产生的热功率，kW；步骤2.2引入参数将公式线性化，如下式所示：其中a1、b1、a2、b2为近似参数，分别为0.62、0.50、0.28、
‑
0.49；步骤2.3改变电解槽的工作温度以此来改变输出的氢功率和热功率，电解槽工作温度受电解槽输出热功率、电锅炉产生的热功率和电解槽散热功率影响；当电解温度小于70℃时电解槽温度变化受电解槽输出热功率、电锅炉产生的热功率和电解槽散热功率影响；当电解温度大于80℃时电解槽温度变化仅受电解槽输出热功率和电解槽散热功率影响，如下式所示：
其中和分别为t+1时刻和t时刻温度，℃；C
ed
为电解槽的热容量，kJ/℃；为t时刻电解槽产生的热功率，kW；为t时刻电锅炉产生的热功率，kW；为t时刻电解槽散热功率；其中和分别为电解反应温度上、下限，℃；步骤2.4输入电功率和工作温度对电解槽自身产生的加热功率产生影响，如下式所示：电解槽散热功率与温度关系可表示为：其中，为t时刻室外温度；为t时刻温度，℃；R
ed
为电解槽比热阻，(K
·
m)/W；Q
tloss
为t时刻电解槽散热功率，kW；步骤2.5通过组合公式(3)
‑
(6)，得到公式(7)，其中工作温度的变化与输入的电功率和电锅炉的热功率有关，温度与各热功率的关系，如下式所示：其中，为t+1时刻温度，℃；为t时刻温度，℃；为t时刻室外温度；C
ed
为电解槽的热容量；P
ted,in
为t时刻电解槽输入电功率，kW；为t时刻电解槽产生的热功率，kW；R
ed
为电解槽比热阻，(K
·
m)/W。4.根据权利要求1所述的考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：所述将电解水技术与储能相结合，实现削风填谷，包括：步骤3.1.电解装置工作过程中产生的氢气由储氢罐储存，用于燃料电池发电；储氢罐中的氢气用于氢负荷或售卖；储氢罐中的能量波动为：其中，和分别为t时刻和t
‑
1时刻储氢罐存储的氢能，kWh；为储氢罐的自放电率；和分别为t时刻储氢罐充、放氢功率，kW；η
hs+
和η
hs
‑
分别为储氢罐的充、放氢效率；步骤3.2.当电解槽无需热量供给时，电锅炉产生的热量由储热罐储存起来，同时储热罐中的能量直接用于热负荷；储热罐中的能量波动为：其中，和分别为t时刻和t
‑
1时刻储热罐存储的热能，kWh；为储热罐的自放电
率；η
tt+
和η
tt
‑
分别为储热罐的充、放热效率；为t时刻热负荷，kW；为t时刻电锅炉产生的热功率，为t时刻电解槽产生的热功率，kW步骤3.3.蓄电池用于储存燃料电池及风光发电产生的电能，并将电能输送给电解槽，在满足电负荷需求的条件下将富余电能售卖给电网；蓄电池中的能量波动为：其中，和分别为t时刻和t
‑
1时刻蓄电池存储的电能，kWh；为蓄电池的自放电率；和分别为蓄电池的充、放电功率，kW；η
bt+
和η
bt
‑
分别为蓄电池的充、放电效率。5.根据权利要求1所述的考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：所述电制氢综合能源系统的容量约束为：其中，P
ted,in
为t时刻电解槽输入电功率，kW；Cap
ed
为电解槽装机容量，kW；P
tfuel,in
为t时刻燃料电池消耗的氢功率，kW；Cap
fuel
为燃料电池装机容量，kW；W
hs
为储氢罐装机容量，kWh；为t时刻储氢罐存储的氢能，kWh；在系统运行过程中需要保持实时的氢功率、热功率和电功率平衡，其中系统氢功率平衡为：P
ted,out
+P
ths
‑
＝P
tfuel,in
+P
tH,load
+P
ths+
+P
tH,s
ꢀꢀꢀꢀ
(12)其中,为t时刻氢功率负载，kW；为t时刻电解槽输出氢功率，kW；P
tfuel,in
为t时刻燃料电池消耗的氢功率，kW；P
tH,s
为t时刻售卖给电网的氢功率，kW；和分别为t时刻储氢罐充、放氢功率，kW；系统运行热功率平衡为：其中，为t时刻电锅炉产生的热功率；为t时刻电解槽产生的热功率，kW；和分别为t时刻储热罐输出和出入的热功率，kW；为t时刻电解槽散热功率；为t时刻热负荷，kW；系统运行电功率平衡为：P
tgrid+
+P
twt
+P
tfuel,out
+P
tbt
‑
＝P
tgrid
‑
+P
tbt+
+P
ted,in
+P
te,load
ꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，和分别为t时刻系统从电网购买购买和向电网售卖的电功率，kW；和分别为蓄电池的充、放电功率，kW；P
twt
为t时刻风电机组产生的电功率，kW；P
tfuel,out
为t时刻燃料电池向外输出的电功率，kW；P
ted,in
为t时刻电解槽输入电功率，kW；P
te,load
为t时刻电功率负载，kW。6.根据权利要求1所述的考虑热能耦合的电制氢综合能源系统容量配置方法，其特征是：所述最小化系统投资成本，建立目标函数，运用cplex求解器进行求解，包括：步骤5.1.在现有的设备装机容量的基础上，优化综合能源系统中的电解槽、储氢罐、燃料电池的容量，以系统总投资成本最小为目标，构建目标函数，如式(15)所示：
其中：F为系统投资成本，元；c
ed
为电解槽的投资成本系数，元/kW；c
fuel
为燃料电池的投资成本系数，元/kW；c
技术研发人员：韩子娇，董鹤楠，戈阳阳，芦思晨，李峰，屈超，杜波，李家珏，李胜辉，马少华，孔令国，刘莉，闫世成，迟军，宁晨，董雁楠，唱一鸣，张稼楠，马卓，高磊，白雪，李明珠，
申请(专利权)人：沈阳工业大学中国科学院大连化学物理研究所沈阳工程学院吉林东北电力大学科技开发有限公司南京大学朝阳燕山湖发电有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：
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