本發(fā)明涉及容量配置，特別涉及一種考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置方法。

背景技術(shù)：

1、目前，清潔低碳、安全高效的能源體系已成為當(dāng)前研究的重點方向。氫能作為一種理想的二次能源載體，因其能量密度高、燃燒產(chǎn)物零污染、可與電能高效互轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，被認(rèn)為是實現(xiàn)深度脫碳的關(guān)鍵技術(shù)。特別是在可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，通過電解水制氫技術(shù)可實現(xiàn)可再生能源的時空轉(zhuǎn)移，有效解決風(fēng)光發(fā)電的間歇性和波動性問題。然而，氫能系統(tǒng)的高投資成本制約了其大規(guī)模應(yīng)用，因此開展電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置研究具有重要意義。

2、然而，現(xiàn)有研究在系統(tǒng)容量配置方面上仍存在不足?，F(xiàn)有容量優(yōu)化配置研究多采用線性化或集總參數(shù)模型，特別是氫能設(shè)備的變工況特性被過度簡化，無法反映不同情況下的能量轉(zhuǎn)換效率，忽略了設(shè)備在實際運行中輸出功率受多種因素影響，因而得到的仿真實驗數(shù)據(jù)與實際運行數(shù)據(jù)之間存在著偏差，導(dǎo)致電熱氫綜合能源系統(tǒng)的運行成本較高。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述技術(shù)問題，提供一種考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置方法。

2、本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置方法，包括：

4、根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)中電解槽和氫燃料電池的機理模型，分別確定氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，以及電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系；

5、根據(jù)氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，確定氫燃料電池的功率約束條件，以及根據(jù)電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系，確定電解槽的功率約束條件；

6、以投資成本、購能成本、棄風(fēng)成本、運行成本和碳交易成本最小為目標(biāo)，建立電熱氫綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)；

7、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和功率約束條件，構(gòu)建電熱氫綜合能源系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型，并對容量優(yōu)化配置模型進行求解，得到電熱氫綜合能源系統(tǒng)的容量配置方案。

8、可選地，根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)中氫燃料電池的機理模型，確定氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，包括：

9、根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)的氫燃料電池的機理模型，對氫燃料電池進行仿真，得到在不同溫度下氫燃料電池的輸出熱功率隨電流密度變化的曲線，以及輸出電功率隨電流密度變化的曲線；

10、分別對同一溫度下輸出熱功率隨電流密度變化的曲線，以及輸出電功率隨電流密度變化的曲線進行整合，得到在不同溫度下氫燃料電池的輸出電功率隨輸出熱功率變化的曲線；輸出電功率隨輸出熱功率變化的曲線用于表示氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系。

11、可選地，根據(jù)氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，確定氫燃料電池的功率約束條件，包括：

12、針對任一溫度，對輸出電功率隨輸出熱功率變化的曲線進行分段，得到多個區(qū)間的輸出電功率隨輸出熱功率變化的曲線；

13、分別對每一個區(qū)間曲線上的輸出熱功率和對應(yīng)的輸出電功率進行擬合，得到多個區(qū)間的輸出電功率隨輸出熱功率變化的非線性關(guān)系式；

14、根據(jù)不同溫度下多個區(qū)間的輸出電功率隨輸出熱功率變化的非線性關(guān)系式，確定氫燃料電池的輸出電功率的上下界函數(shù)關(guān)系式；

15、根據(jù)氫燃料電池的輸出電功率的上下界函數(shù)關(guān)系式，確定氫燃料電池的功率約束條件。

16、可選地，氫燃料電池的功率約束條件為：

17、；

18、其中，表示氫燃料電池在時刻的輸出電功率，為氫燃料電池的輸出電功率的下界函數(shù)關(guān)系式，即氫燃料電池在時刻的輸出電功率的下界，為氫燃料電池的輸出電功率的上界函數(shù)關(guān)系式，表示氫燃料電池在時刻的輸出電功率的上界，表示氫燃料電池在時刻的輸出熱功率，和均為氫燃料電池的輸出電功率的下界函數(shù)關(guān)系式中的參數(shù)、和均為氫燃料電池的輸出電功率的上界函數(shù)關(guān)系式中的參數(shù)。

19、可選地，根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)中電解槽的機理模型，確定電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系，包括：

20、根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)中電解槽的機理模型，對電解槽進行仿真，得到在不同溫度下電解槽的耗電功率隨時間變化的曲線，以及產(chǎn)氫功率隨時間變化的曲線；

21、分別對同一溫度下耗電功率隨時間變化的曲線，以及產(chǎn)氫功率隨時間變化的曲線進行整合，得到在不同溫度下電解槽的產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的曲線；產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的曲線用于表示電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系。

22、可選地，根據(jù)電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系，確定電解槽的功率約束條件，包括：

23、將在所有溫度下電解槽的耗電功率的最大值和最小值分別確定為電解槽的最大耗電功率和最小耗電功率；

24、針對任一溫度，對產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的曲線進行分段，得到多個區(qū)間的產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的曲線；

25、分別對每一個區(qū)間曲線上的產(chǎn)氫功率和對應(yīng)的耗電功率進行擬合，得到多個區(qū)間的產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的非線性關(guān)系式；

26、根據(jù)不同溫度下多個區(qū)間的產(chǎn)氫功率隨耗電功率變化的非線性關(guān)系式，確定電解槽的產(chǎn)氫功率的上下界函數(shù)關(guān)系式；

27、根據(jù)電解槽的產(chǎn)氫功率的上下界函數(shù)關(guān)系式以及最大耗電功率和最小耗電功率，確定電解槽的功率約束條件。

28、可選地，電解槽的功率約束條件為：

29、；

30、其中，表示電解槽在時刻的產(chǎn)氫功率，表示電解槽的產(chǎn)氫功率的下界函數(shù)關(guān)系式，即電解槽在時刻的產(chǎn)氫功率的下界，表示電解槽的產(chǎn)氫功率的上界函數(shù)關(guān)系式，即電解槽在時刻的產(chǎn)氫功率的上界，表示電解槽在時刻的耗電功率，表示電解槽的最小耗電功率，表示電解槽的最大耗電功率。

31、可選地，容量優(yōu)化配置模型的約束條件還包括：容量約束、熱電聯(lián)產(chǎn)約束、風(fēng)電約束、電解槽約束、氫燃料電池約束、甲烷發(fā)生器約束、燃氣鍋爐約束、儲能設(shè)備約束、電功率平衡約束、熱功率平衡約束、氣功率平衡約束和氫功率平衡約束；

32、容量約束：

33、；

34、其中，、和分別表示儲氫設(shè)備、電解槽和氫燃料電池的容量，和分別表示儲氫設(shè)備的小容量和最大容量，和分別表示電解槽的最小容量和最大容量，和分別表示氫燃料電池的最小容量和最大容量；

35、熱電聯(lián)產(chǎn)約束：

36、；

37、其中，表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組的能量轉(zhuǎn)換效率，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最小耗氣功率和最大耗氣功率，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最小爬坡功率和最大爬坡功率，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最小熱電比和最大熱電比，表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組在時刻的耗氣功率，和分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組在時刻的輸出電功率和輸出熱功率，表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組在時刻的耗氣功率，表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組在時刻的耗氣功率；

38、風(fēng)電約束：

39、；

40、其中，和分別表示時刻的風(fēng)電實際出力和風(fēng)電預(yù)測出力；

41、電解槽約束：

42、；

43、其中，和分別表示電解槽在時刻和時刻的耗電功率，和表示電解槽的最小爬坡功率和最大爬坡功率；

44、氫燃料電池約束：

45、；

46、其中，表示氫燃料電池在時刻的耗氫功率，和分別表示氫燃料電池的最小耗氫功率和最大耗氫功率，和分別表示最小爬坡功率和最大爬坡功率，表示氫燃料電池在時刻的耗氫功率；

47、甲烷發(fā)生器約束：

48、；

49、其中，表示甲烷發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換效率，和表示甲烷發(fā)生器在時刻的產(chǎn)氣功率和耗氫功率，和分別表示甲烷發(fā)生器的最小耗氫功率和最大耗氫功率，表示甲烷發(fā)生器在時刻的耗氫功率，和分別表示甲烷發(fā)生器的最小爬坡功率和最大爬坡功率；

50、燃氣鍋爐約束：

51、；

52、其中，表示燃氣鍋爐的能量轉(zhuǎn)換效率，和分別表示燃氣鍋爐在時刻的耗氣功率和輸出熱功率，和分別表示燃氣鍋爐的最小耗氣功率和最大耗氣功率，表示燃氣鍋爐在時刻的耗氣功率，和分別表示燃氣鍋爐的最小爬坡功率和最大爬坡功率；

53、儲能設(shè)備約束：

54、；

55、其中，和分別表示儲能設(shè)備在時刻的充能功率和放能功率， x分別表示儲電設(shè)備、儲熱設(shè)備、儲氣設(shè)備和儲氫設(shè)備，和分別表示時刻的充能標(biāo)志和放能標(biāo)志，和分別表示充能效率和放能效率，表示儲能設(shè)備最大充放能功率，表示時刻的儲能功率，表示儲能設(shè)備的額定功率，表示時刻儲能設(shè)備的容量，表示時刻儲能設(shè)備的容量，表示儲能設(shè)備的額定容量，表示儲能設(shè)備的初始容量，表示儲能設(shè)備在 t時刻的容量，表示儲能設(shè)備的最小容量，表示儲能設(shè)備的最大容量；

56、電功率平衡約束：

57、；

58、其中，表示時刻的購電功率，表示最大購電功率，表示時刻的電負(fù)荷，表示時刻儲電設(shè)備的充能功率，表示氫燃料電池在時刻的輸出電功率；

59、熱功率平衡約束：

60、；

61、其中，表示氫燃料電池在時刻的輸出熱功率，表示時刻的熱負(fù)荷，表示時刻儲熱設(shè)備的充能功率；

62、氣功率平衡約束：

63、；

64、其中，表示時刻的購氣功率，表示最大購氣功率，表示時刻的氣負(fù)荷，表示時刻儲氣設(shè)備的充能功率；

65、氫功率平衡約束：

66、；

67、其中，表示電解槽在時刻的產(chǎn)氫功率，表示時刻儲氫設(shè)備的充能功率。

68、可選地，目標(biāo)函數(shù)為：

69、；

70、其中，表示投資成本，表示設(shè)備運行成本，表示購能成本，表示棄風(fēng)成本，表示階梯式碳交易成本；

71、；

72、；

73、；

74、；

75、；

76、；

77、；

78、；

79、其中，分別表示為氫儲能投資成本、電解槽投資成本和氫燃料電池投資成本、表示為設(shè)備折現(xiàn)率，表示儲氫設(shè)備的使用年限，表示儲氫設(shè)備的單位容量投資成本，表示儲氫設(shè)備的容量，表示電解槽的使用年限，表示電解槽的單位容量投資成本，表示電解槽的容量，表示氫燃料電池的使用年限，表示氫燃料電池的單位容量投資成本，表示氫燃料電池的容量，表示氫能設(shè)備的運行成本系數(shù)，表示氫能設(shè)備在時刻的運行功率，和分別表示購電單位價格和購氣單位價格，和分別表示在時刻的購電功率和購氣功率，表示單位棄風(fēng)成本，表示在時刻的風(fēng)電實際功率，表示在時刻的風(fēng)電預(yù)測功率，表示碳交易的基準(zhǔn)價格，表示碳排放間隔的長度，表示價格增長率，表示碳交易量。

80、可選地，氫燃料電池的機理模型為：

81、；

82、；

83、；

84、；

85、；

86、；

87、；

88、其中，表示單個氫燃料電池的輸出電功率，表示單個氫燃料電池的輸出熱功率，表示氫燃料電池的輸出電壓，表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)電動勢，表示氫燃料電池的活化/電化學(xué)極化電壓，表示氫燃料電池的歐姆極化電壓，表示氫燃料電池的濃差極化電壓；和分別是法拉第常數(shù)和氣體常數(shù)，和分別是工作溫度和參考溫度，和分別是陽極通道中的氫分壓和陰極通道中的氧分壓；和分別是在陰極催化劑界面處的氧濃度和氫燃料電池的外部電流，是基于實驗數(shù)據(jù)的模型系數(shù)，和分別是電阻率和膜厚度，是膜的有效面積，是工作系數(shù)，是電流密度，表示最大電流密度；

89、電解槽的機理模型為：

90、；

91、；

92、；

93、；

94、；

95、；

96、其中，表示電解槽的產(chǎn)氫速率，表示法拉第效率，是法拉第效率系數(shù)，為電解槽個數(shù)；是電解槽的外部電流，表示反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，和是電解液歐姆電阻系數(shù)，是膜的有效面積，是電極過電壓系數(shù)，是電解槽的運行溫度；表示電解槽的工作電壓，表示電解槽的可逆電壓，表示電解槽的歐姆電壓，表示電解槽的極化電壓；表示吉布斯自由能，表示經(jīng)驗系數(shù)。

97、本發(fā)明提供了一種考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置裝置，包括：

98、第一確定模塊，用于根據(jù)電熱氫綜合能源系統(tǒng)中電解槽和氫燃料電池的機理模型，分別確定氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，以及電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系；

99、第二確定模塊，用于根據(jù)氫燃料電池的輸出熱功率和輸出電功率之間的非線性關(guān)系，確定氫燃料電池的功率約束條件，以及根據(jù)電解槽的產(chǎn)氫功率和耗電功率之間的非線性關(guān)系，確定電解槽的功率約束條件；

100、建立模塊，用于以投資成本、購能成本、棄風(fēng)成本、運行成本和碳交易成本最小為目標(biāo)，建立電熱氫綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)；

101、求解模塊，用于根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和功率約束條件，構(gòu)建電熱氫綜合能源系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型，并對容量優(yōu)化配置模型進行求解，得到電熱氫綜合能源系統(tǒng)的容量配置方案。

102、本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置方法。

103、本發(fā)明提供了一種計算機設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)上述考慮氫能設(shè)備的電熱氫綜合能源系統(tǒng)容量配置方法。

104、本發(fā)明采用的上述至少一個技術(shù)方案能夠達到以下有益效果：

105、基于電熱氫綜合能源系統(tǒng)基本架構(gòu)，對電熱氫綜合能源系統(tǒng)的氫燃料電池和電解槽的機理模型展開詳細分析，從機理模型出發(fā)分別梳理氫燃料電池輸出熱電功率和電解槽輸入輸出功率的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而確定氫燃料電池的功率約束條件和電解槽的功率約束條件，為后續(xù)優(yōu)化配置建模以及運行策略的研究奠定理論基礎(chǔ)，從而得到較為精準(zhǔn)的電熱氫綜合能源系統(tǒng)的容量配置方案。