一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法與流程
2024-04-16 16:09:05
1.本發明屬於綜合新能源技術領域，涉及一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，具體涉及一種固體氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池聯用進行冷熱電聯產的綜合能源系統優化調度方法。
背景技術：
2.綜合能源系統(integrated energy system,ies)可以實現多種能源互補和能量的梯級利用，有效提高能源的綜合利用效率，推動可持續發展。然而傳統ies對於能流密度低、間歇性明顯的風能和太陽能，存在消納能力弱的特點。氫儲能ies將氫氣作為中間能量存儲媒介，通過制氫儲氫過程可實現對可再生能源的大規模消納，引起了研究人員的廣泛關注。
3.將氫儲能技術和燃料電池熱電聯產技術結合滿足區域供能需求，可以進一步提升能源利用效率，發揮對化石能源的替代作用，獲得可觀的碳減排收益和經濟收益。目前，燃料電池已經發展出了多種類型，在不同的場景獲得廣泛的應用。固體氧化物燃料電池(sofc)作為高溫燃料電池不需要貴金屬催化發電反應，結構簡單成本更低，更適合大規模應用。通過燃料改質裝置可以實現對多種燃料的利用，具有較高可靠性和可用性。但是為了保證其內部氧離子導體具有較高電導率，sofc的工作溫度一般在600℃以上，這給其生產和應用帶來了問題。為避免預熱啟動過程的結構失效和密封問題，需控制升溫速率在1～5k/min，電池堆的加熱啟動過程一般需要數小時。因此，針對sofc熱電聯產系統的日前優化調度研究十分重要，根據日前優化調度結果可以確定sofc的預熱時間，實現電堆的安全運行。質子交換膜燃料電池(pemfc)是目前家用領域發展的主流之一，其體積重量小、工作溫度低、啟停能力好,而且運行安全可靠，適用於對熱能需求更高的小型商戶或住宅建築中。但是pemfc只能使用純氫作為燃料，燃料適應性差導致其應用規模小。
4.對於氫儲能綜合能源系統，除了需要滿足常規綜合能源系統的電能平衡、熱能平衡、冷能平衡外，還需要滿足調度周期內的制氫和耗氫的平衡，對於由單一sofc組成的氫儲能綜合能源系統，為了消耗電解槽在可再生能源出力高的白天製備的大量氫氣，同時減少sofc頻繁啟停對電堆安全運行造成不利影響，sofc的運行靈活性會受到限制，降低系統運行的經濟性和能效。
技術實現要素：
5.目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，通過將固體氧化物燃料電池sofc與質子交換膜燃料電池pemfc結合組成雙燃料電池系統，發揮不同類型燃料電池的互補優勢，優化調度方法考慮引入雙燃料電池後系統在規劃設計階段的經濟效益。
6.技術方案：為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
7.第一方面，提供一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，包括：
8.s1：建立雙燃料電池氫儲能綜合能源系統模型；
9.s2：基於所述雙燃料電池氫儲能綜合能源系統模型，構建雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型；
10.s3：獲取當地典型日數據，所述當地典型日數據包括當地典型日的可再生能源出力預測數據和典型用戶的負荷預測數據；
11.s4：基於所述獲取的當地典型日數據，使用gurobi求解器求解雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型，得到優化調度結果；
12.s5：根據所述優化調度結果，對對應的設備進行調度。
13.在一些實施例中，步驟s1中，雙燃料電池氫儲能綜合能源系統包括光伏陣列pv、風電機組wt、電解槽el、儲氫罐hst、質子交換膜燃料電池pemfc、固體氧化物燃料電池sofc、太陽能集熱器fpc、吸收式制冷機ac、空氣源熱泵ashp、儲熱罐tst；
14.雙燃料電池氫儲能綜合能源系統與外部電網和天然氣網相連，由外部電網購電、網管購氣和本地分布式可再生能源共同滿足負荷需求；
15.電解槽和儲氫罐組成的制氫、儲氫單元用於實現對可再生發電的轉化；
16.固體氧化物燃料電池sofc通過消耗管網天然氣和電解氫熱電聯產滿足負荷需求，質子交換膜燃料電池pemfc直接耗氫實現系統內部氫能平衡。
17.在一些實施例中，步驟s1中，雙燃料電池氫儲能綜合能源系統模型包括電解槽數學模型、燃料電池數學模型、吸收式制冷機數學模型、空氣源熱泵數學模型和儲能設備數學模型；
18.電解槽數學模型：電解槽耗電制氫，同時冷卻水回收餘熱通過換熱器將熱能傳遞到ies的熱網循環中，其電能-氫能轉換模型滿足式(1)，餘熱回收滿足式(2)：
19.m
el
(t)＝η
el
·
p
el
(t)#(1)
20.q
el
(t)＝(1-η
el
)
·
η
el，q
·
p
el
(t)#(2)
21.式中，p
el
(t)表示電解槽t時刻的消耗電功率；m
el
(t)表示電解槽t時刻的制氫功率；q
el
(t)表示電解槽t時刻的餘熱回收功率；η
el
為電解槽的電解制氫效率；η
el，q
為電解槽的餘熱回收效率；
22.燃料電池數學模型：燃料電池熱電聯產過程的氫能-電能轉換模型滿足式(3)，餘熱回收滿足式(4)：
23.p
fc
(t)＝η
fc
·mfc
(t)#(3)
24.q
fc
(t)＝η
fc，q
·mfc
(t)#(4)
25.式中，p
fc
(t)表示燃料電池t時刻的產電功率；m
fc
(t)表示燃料電池t時刻的氣體消耗功率；q
fc
(t)表示燃料電池t時刻的產熱功率；η
fc
為燃料電池的電效率；η
fc，q
為燃料電池的熱效率；
26.吸收式制冷機數學模型：吸收式制冷機的製冷量和其能效比cop
ac
有關，滿足能量轉換關係式(5)：
27.r
ac
(t)＝q
ac
(t)
·
cop
ac
#(5)
28.式中，q
ac
(t)表示吸收式制冷機t時刻消耗的熱功率；r
ac
(t)表示吸收式制冷機t時刻的製冷功率；cop
ac
表示吸收式制冷機的能效比；
29.空氣源熱泵數學模型：空氣源熱泵消耗電能將低溫熱源中的熱能轉移到高溫熱源
中，從而達到製冷和供暖的效果；其轉換係數用cop
ashp
表示，輸出熱功率、冷功率與電功率的轉換關係如式(6)和式(7)所示；
30.q
ashp
(t)＝p
ashp
(t)
·
cop
ashp，q
#(6)
31.r
ashp
(t)＝p
ashp
(t)
·
cop
ashp，r
#(7)
32.式中，p
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的耗電功率；q
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的制熱功率；r
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的製冷功率；cop
ashp，q
為空氣源熱泵制熱工況下的能效比；cop
ashp，r
為空氣源熱泵製冷工況下的能效比；
33.儲能設備數學模型：系統中的儲能設備包括儲氫罐和儲熱罐，通過蓄能、放能提升系統能量調度的靈活性，二者的儲能模型如式(8)和式(9)所示：
[0034][0035][0036]
式中，e
hst
(t)和e
tst
(t)分別表示儲氫罐和儲熱罐t時刻的儲能狀況；m
hst，cha
(t)、m
hst，dis
(t)分別表示儲氫罐t時刻的充、放氫功率；m
tst，cha
(t)、m
tst，dis
(t)分別表示儲熱罐t時刻的蓄、放熱功率；η
hst，cha
、η
hst，dis
分別為儲氫罐的充、放氫效率；η
tst，cha
、η
tst，dis
分別為儲熱罐的蓄、放熱效率；z
hst，sta
(t)、z
hst，cha
(t)、z
hst，dis
(t)分別對應儲氫罐的靜置、充氫、放氫三種工作狀態，為0-1變量；z
tst，sta
(t)、z
tst，cha
(t)、z
tst，dis
(t)分別對應儲熱罐的靜置、蓄熱、放熱三種工作狀態，為0-1變量。
[0037]
在一些實施例中，所述步驟s2中，構建雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型，包括：
[0038]
(a)構建目標函數
[0039]
以調度周期內的系統運行總成本最小為目標，綜合考慮設備運維成本c
om
、購能成本c
buy
、碳排放折算成本c
carbon
構成優化調度目標函數f；
[0040]
f：min c
cost
＝c
om
+c
buy
+c
carbon
#(10)
[0041][0042][0043][0044]
式中，pk(t)、qk(t)、rk(t)分別為t時刻設備k的電功率、熱功率、冷功率；p
in
(t)、g
in
(t)分別為t時刻的購電功率和購氣體積速率；c
om
(k)為設備k的單位運維成本；ce(t)為t時刻的電價；cg(t)為t時刻的天然氣價；αe為電能的碳排放折算成本；αg為天然氣的碳排放折
算成本；
[0045]
(b)構建約束條件
[0046]
模型的約束條件包括：能量平衡約束、設備運行功率約束、儲能設備特性約束、管網約束；
[0047]
能量平衡約束：包括電能平衡約束、熱能平衡約束、冷能平衡約束與氣體功率平衡約束；
[0048]
p
pv
(t)+p
wt
(t)-p
ct
(t)+p
pemfc
(t)+p
sofc
(t)+p
in
(t)＝p
ld
(t)+p
el
(t)+p
ashp
(t)#(14)
[0049]qpemfc
(t)+q
sofc
(t)+q
fpc
(t)+q
el
(t)+q
ashp
(t)＝q
ld
(t)+q
ac
(t)+q
tst
(t)/η
tst
#(15)
[0050]rac
(t)+r
ashp
(t)＝r
ld
(t)#(16)
[0051][0052]
式中，p
pv
(t)、p
wt
(t)、p
pemfc
(t)、p
sofc
(t)、p
el
(t)、p
ashp
(t)分別為t時刻光伏陣列、風電機組、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、電解槽、空氣源熱泵的電功率；p
ct
(t)為t時刻系統的棄風棄光功率；q
pemfc
(t)、q
sofc
(t)、q
fpc
(t)、q
el
(t)、q
ashp
(t)、q
ac
(t)分別為t時刻質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、太陽能集熱器、電解槽、空氣源熱泵、吸收式制冷機的熱功率；q
tst
(t)為t時刻儲熱罐的淨輸入熱功率；r
ac
(t)、r
ashp
(t)分別為t時刻吸收式制冷機和空氣源熱泵的製冷功率；p
ld
(t)、q
ld
(t)、r
ld
(t)分別為t時刻的電負荷、熱負荷、冷負荷需求；p
in
(t)、g
in
(t)分別為t時刻的購電功率和購氣體積速率；為天然氣的低位熱值；為t時刻固體氧化物燃料電池的氫氣消耗功率；m
sofc
(t)為固體氧化物燃料電池t時刻的總氣體消耗功率；
[0053]
設備運行功率約束：系統中各設備應在其功率約束範圍內工作，各設備運行時的電功率、熱功率和冷功率滿足約束式(18)：
[0054][0055]
式中，pk(t)、qk(t)、rk(t)分別為t時刻設備k的電功率、熱功率和冷功率；sk為設備k的容量大小；
[0056]
固體氧化物燃料電池運行功率約束：考慮到固體氧化物燃料電池低電量保護，在其大於30％額定工況下啟動：
[0057]
0.3
×ssofc
≤p
sofc
(t)≤s
sofc
#(19)
[0058]
式中，s
sofc
為固體氧化物燃料電池的容量大小；p
sofc
(t)為t時刻固體氧化物燃料電池的電功率；
[0059]
儲能設備特性約束：儲能設備的存儲容量滿足自身的容量上下限約束；同時調度過程還需保證儲能設備在調度周期內的容量始末值相同；儲能設備在操作過程中應保證不存在同時充、放能的過程；儲氫罐和儲熱罐的約束條件分別如式(20)和式(21)所示：
[0060]
[0061][0062]
式中，分別為儲氫罐的最小和最大容量水平；分別為儲熱罐的最小和最大容量水平；m
soc
(t)、q
soc
(t)分別為t時刻儲氫罐和儲熱罐的容量水平；z
hst，dis
(t)、z
hst，cha
(t)分別為t時刻儲氫罐的放氫、儲氫狀態，為0-1變量；z
tst，dis
(t)、z
tst，cha
(t)分別為t時刻儲熱罐的放熱、儲熱狀態，為0-1變量；
[0063]
管網約束：系統從電網和天然氣管網購入的電功率、天然氣體積速率收到管網物理限制，滿足能量約束式(22)和式(23)
[0064][0065][0066]
式中，p
in
(t)為t時刻系統從電網的購電功率；g
in
(t)為t時刻系統從管網的和購氣體積速率；為管網購電的最大功率；為管網購氣的最大體積速率；
[0067]
棄風棄光約束：棄風棄光均需控制在一定範圍內，滿足式(24)
[0068]
0≤p
ct
(t)≤λ
ct
·
(p
pv
(t)+p
wt
(t))#(24)
[0069]
式中，p
ct
(t)為t時刻的棄風棄光功率；λ
ct
為最大棄光棄風比例；p
pv
(t)為t時刻的光伏陣列電功率；p
wt
(t)為t時刻風電機組的電功率。
[0070]
在一些實施例中，步驟s3中，可再生能源出力預測數據包括t時刻的光伏陣列、風電機組的電功率預測數據p
pv
(t)、p
wt
(t)、太陽能集熱器的熱功率預測數據q
fpc
(t)，典型用戶的負荷預測數據包括t時刻的電負荷、熱負荷、冷負荷需求p
ld
(t)、q
ld
(t)、r
ld
(t)。
[0071]
在一些實施例中，所述步驟s4中，基於matlab使用gurobi求解器對雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型進行求解。
[0072]
在一些實施例中，所述優化調度結果包括p
pemfc
(t)、p
sofc
(t)、p
in
(t)、p
el
(t)、p
ashp
(t)、q
pemfc
(t)、q
sofc
(t)、q
el
(t)、q
ashp
(t)、q
ac
(t)、q
tst
(t)、r
ac
(t)、r
ec
(t)、g
in
(t)、m
sofc
(t)。
[0073]
第二方面，本發明提供了一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度裝置，包括處理器及存儲介質；
[0074]
所述存儲介質用於存儲指令；
[0075]
所述處理器用於根據所述指令進行操作以執行根據第一方面所述方法的步驟。
[0076]
第三方面，本發明提供了一種存儲介質，其上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現第一方面所述方法的步驟。
[0077]
有益效果：本發明提供的雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，具有以下優點：
[0078]
1、本發明基於常規單燃料電池氫儲能綜合能源系統，提出了一種pemfc與sofc聯用的雙堆燃料電池氫儲能綜合能源系統，發揮不同類型燃料電池的互補優勢，增強氫儲能綜合能源系統的氫能消耗靈活性，提高系統整體的運行經濟性和能效。
[0079]
2、本發明以經濟性為優化目標，建立了雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型，模型充分考慮了所提雙燃料電池氫儲能綜合能源系統與單堆系統的差異。根據固
體氧化物燃料電池在運行調度過程中存在的預熱時間長、啟停靈活性差的特點，限制其最小運行功率維持電堆穩定運行、減小啟停次數；質子交換膜燃料電池則可以靈活運行，消耗可再生能源電解產生的大量氫能，實現系統內部的氫能平衡。
[0080]
3、本發明使用gurobi求解器對綜合能源系統優化調度模型進行求解，利用gurobi求解器的高效求解算法，提高了優化調度模型求解過程的求解效率。
附圖說明
[0081]
圖1是本發明實施例雙燃料電池氫儲能綜合能源系統架構示意圖；
[0082]
圖2是實施例典型日的可再生能源出力預測曲線；
[0083]
圖3是實施例典型用戶的負荷預測曲線；
[0084]
圖4是實施例單固體氧化物燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度結果；
[0085]
圖5是實施例雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度結果。
具體實施方式
[0086]
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
[0087]
在本發明的描述中，若干的含義是一個以上，多個的含義是兩個以上，大於、小於、超過等理解為不包括本數，以上、以下、以內等理解為包括本數。如果有描述到第一、第二隻是用於區分技術特徵為目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量或者隱含指明所指示的技術特徵的先後關係。
[0088]
本發明的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示意性實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點能夠在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0089]
實施例1
[0090]
一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，包括：
[0091]
s1：建立雙燃料電池氫儲能綜合能源系統模型；
[0092]
s2：基於所述雙燃料電池氫儲能綜合能源系統模型，構建雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型；
[0093]
s3：獲取當地典型日數據，所述當地典型日數據包括當地典型日的可再生能源出力預測數據和典型用戶的負荷預測數據，以及各設備額定容量及運維費用數據、設備特性參數、實時電價；
[0094]
s4：基於所述獲取的當地典型日數據，使用gurobi求解器求解雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型，得到優化調度結果；
[0095]
s5：根據所述優化調度結果，對對應的設備進行調度。
[0096]
在一些實施例中，步驟s3中，可再生能源出力預測數據包括t時刻的光伏陣列、風電機組的電功率預測數據p
pv
(t)、p
wt
(t)、太陽能集熱器的熱功率預測數據q
fpc
(t)，典型用戶的負荷預測數據包括t時刻的電負荷、熱負荷、冷負荷需求p
ld
(t)、q
ld
(t)、r
ld
(t)。各設備
額定容量及運維費用數據、設備特性參數、實時電價為已知固定值，可直接獲取。
[0097]
如圖1所示，一種用於雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度方法，首先，建立了雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的基本結構與設備數學模型；然後，建立了雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的經濟優化調度模型；最後，基於matlab使用gurobi求解器進行模型求解，得到雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度結果，其具體步驟包括：
[0098]
1)建立了雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的基本結構與設備數學模型。雙燃料電池氫儲能綜合能源系統基本結構如圖1所示，雙燃料電池氫儲能綜合能源系統包括光伏陣列(pv)、風電機組(wt)、電解槽(el)、儲氫罐(hst)、質子交換膜燃料電池(pemfc)、固體氧化物燃料電池(sofc)、太陽能集熱器(fpc)、吸收式制冷機(ac)、空氣源熱泵(ashp)、儲熱罐(tst)；雙燃料電池氫儲能綜合能源ies系統與外部電網和天然氣網相連，由外部電網購電、網管購氣和本地分布式可再生能源共同滿足負荷需求。電解槽和儲氫罐組成的制氫、儲氫單元可以有效實現對可再生發電的轉化。系統中的sofc通過消耗管網天然氣和電解氫熱電聯產滿足負荷需求，pemfc直接耗氫實現系統內部氫能平衡。各設備的數學模型構建如下：
[0099]
電解槽數學模型：電解槽耗電制氫，同時冷卻水回收餘熱通過換熱器將熱能傳遞到ies的熱網循環中，其電能-氫能轉換模型滿足式(1)，餘熱回收滿足式(2)
[0100]mel
(t)＝η
el
·
p
el
(t)#(1)
[0101]qel
(t)＝(1-η
el
)
·
η
el，q
·
p
el
(t)#(2)
[0102]
式中，p
el
(t)表示電解槽t時刻的消耗電功率，kw；m
el
(t)表示電解槽t時刻的制氫功率，kw；q
el
(t)表示電解槽t時刻的餘熱回收功率，kw；η
el
為電解槽的電解制氫效率；η
el，q
為電解槽的餘熱回收效率。
[0103]
燃料電池數學模型：燃料電池熱電聯產過程的氫能-電能轉換模型滿足式(3)，餘熱回收滿足式(4)
[0104]
p
fc
(t)＝η
fc
·mfc
(t)#(3)
[0105]qfc
(t)＝η
fc，q
·mfc
(t)#(4)
[0106]
式中，p
fc
(t)表示燃料電池t時刻的產電功率，kw；m
fc
(t)表示燃料電池t時刻的氣體消耗功率，kw；q
fc
(t)表示燃料電池t時刻的產熱功率，kw；η
fc
為燃料電池的電效率；η
fc，q
為燃料電池的熱效率。
[0107]
吸收式制冷機數學模型：吸收式制冷機的製冷量和其能效比cop
ac
有關，滿足能量轉換關係式(5)
[0108]rac
(t)＝q
ac
(t)
·
cop
ac
#(5)
[0109]
式中，q
ac
(t)表示吸收式制冷機t時刻消耗的熱功率，kw；r
ac
(t)表示吸收式制冷機t時刻的製冷功率，kw；cop
ac
表示吸收式制冷機的能效比。
[0110]
空氣源熱泵數學模型：空氣源熱泵消耗電能將低溫熱源中的熱能轉移到高溫熱源中，從而達到製冷和供暖的效果。其轉換係數用cop
ashp
表示，輸出熱功率、冷功率與電功率的轉換關係如式(6)和式(7)所示。
[0111]qashp
(t)＝p
ashp
(t)
·
cop
ashp，q
#(6)
[0112]rashp
(t)＝p
ashp
(t)
·
cop
ashp，r
#(7)
[0113]
式中，p
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的耗電功率，kw；q
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的制熱功率，kw；r
ashp
(t)表示空氣源熱泵t時刻的製冷功率，kw；cop
ashp，q
為空氣源熱泵制
熱工況下的能效比；cop
ashp，r
為空氣源熱泵製冷工況下的能效比。
[0114]
儲能設備數學模型：系統中的儲能設備包括儲氫罐和儲熱罐，通過蓄能、放能提升系統能量調度的靈活性，二者的儲能模型如式(8)和式(9)所示
[0115][0116][0117]
式中，e
hst
(t)和e
tst
(t)分別表示儲氫罐和儲熱罐t時刻的儲能狀況，kw
·
h；m
hst，cha
(t)、m
hst，dis
(t)分別表示儲氫罐t時刻的充、放氫功率，kw；m
tst，cha
(t)、m
tst，dis
(t)分別表示儲熱罐t時刻的蓄、放熱功率，kw；η
hst，cha
、η
hst，dis
分別為儲氫罐的充、放氫效率；η
tst，cha
、η
tst，dis
分別為儲熱罐的蓄、放熱效率；z
hst，sta
(t)、z
hst，cha
(t)、z
hst，dis
(t)分別對應儲氫罐的靜置、充氫、放氫三種工作狀態，為0-1變量；z
tst，sta
(t)、z
tst，cha
(t)、z
tst，dis
(t)分別對應儲熱罐的靜置、蓄熱、放熱三種工作狀態，為0-1變量。
[0118]
2)建立了雙燃料電池氫儲能綜合能源系統的優化調度模型。構建過程為：
[0119]
(a)目標函數構建
[0120]
以調度周期內的系統運行總成本最小為目標，綜合考慮設備運維成本c
om
、購能成本c
buy
、碳排放折算成本c
carbon
構成優化調度目標函數。
[0121]
f：min c
cost
＝c
om
+c
buy
+c
carbon
+c
pns
#(10)
[0122][0123][0124][0125]
式中，p
in
(t)、g
in
(t)分別為t時刻的購電功率和購氣體積速率，kw；c
om
(k)為設備k的單位運維成本，cny/kw；ce(t)為t時刻的電價，cny/kw；cg(t)為t時刻的天然氣價，cny/kw；αe為電能的碳排放折算成本，cny/kw；αg為天然氣的碳排放折算成本，cny/kw。
[0126]
(b)約束條件構建
[0127]
規劃模型的約束條件主要包括：能量平衡約束、設備運行功率約束、儲能設備特性約束、管網約束。
[0128]
能量平衡約束：包括電能平衡約束、熱能平衡約束、冷能平衡約束與氣體功率平衡約束、棄風棄光約束。
[0129]
p
pv
(t)+p
wt
(t)-p
ct
(t)+p
pemfc
(t)+p
sofc
(t)+p
in
(t)＝p
ld
(t)+p
el
(t)+p
ashp
(t)#(14)
[0130]qpemfc
(t)+q
sofc
(t)+q
fpc
(t)+q
el
(t)+q
ashp
(t)＝q
ld
(t)+q
ac
(t)+q
tst
(t)/η
tst
#(15)
[0131]rac
(t)+r
ec
(t)＝r
ld
(t)#(16)
[0132][0133]
式中，p
pv
(t)、p
wt
(t)、p
pemfc
(t)、p
sofc
(t)、p
el
(t)、p
ashp
(t)分別為t時刻光伏陣列、風電機組、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、電解槽、空氣源熱泵的電功率，kw；p
ct
(t)為t時刻系統的棄風棄光功率，kw；q
pemfc
(t)、q
sofc
(t)、q
fpc
(t)、q
el
(t)、q
ashp
(t)、q
ac
(t)分別為t時刻質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、太陽能集熱器、電解槽、空氣源熱泵、吸收式制冷機的熱功率，kw；q
tst
(t)為t時刻儲熱罐的淨輸入熱功率，kw；r
ac
(t)、r
ashp
(t)分別為t時刻吸收式制冷機和空氣源熱泵的製冷功率，kw；p
ld
(t)、q
ld
(t)、r
ld
(t)分別為t時刻的電負荷、熱負荷、冷負荷需求，kw；g
in
(t)為t時刻系統的購氣量，m3；為天然氣的低位熱值，kw
·
h/m3；為t時刻固體氧化物燃料電池的氫氣消耗功率，kw；m
sofc
(t)為固體氧化物燃料電池t時刻的總氣體消耗功率，kw。
[0134]
設備運行功率約束：系統中各設備應在其功率約束範圍內工作，各設備運行時的電功率、熱功率和冷功率滿足約束式(18)
[0135][0136]
式中，pk(t)、qk(t)、rk(t)分別為t時刻設備k的電功率、熱功率和冷功率，kw；sk為設備k的容量大小，kw。
[0137]
固體氧化物燃料電池運行功率約束：考慮到固體氧化物燃料電池低電量保護，在其大於30％額定工況下啟動
[0138]
0.3
×ssofc
≤p
sofc
(t)≤s
sofc
#(19)
[0139]
式中，s
sofc
為固體氧化物燃料電池的容量大小，kw；p
sofc
(t)為t時刻固體氧化物燃料電池的電功率，kw。
[0140]
儲能設備特性約束：儲能設備的存儲容量滿足自身的容量上下限約束；同時調度過程還需保證儲能設備在調度周期內的容量始末值相同；儲能設備在操作過程中應保證不存在同時充、放能的過程。儲氫罐和儲熱罐的約束條件分別如式(20)和式(21)所示
[0141][0142][0143]
式中，分別為儲氫罐的最小和最大容量水平，kw
·
h；分別為儲熱罐的最小和最大容量水平，kw
·
h；m
soc
(t)、q
soc
(t)分別為t時刻儲氫罐和儲熱罐的容量水平，kw
·
h；z
hst，dis
(t)、z
hst，cha
(t)分別為t時刻儲氫罐的放氫、儲氫狀態，為0-1變量；z
tst，dis
(t)、z
tst，cha
(t)分別為t時刻儲熱罐的放熱、儲熱狀態，為0-1變量。
[0144]
管網約束：系統從電網和天然氣管網購入的電功率、天然氣體積速率收到管網物
理限制，滿足能量約束式(22)和式(23)
[0145][0146][0147]
式中，p
in
(t)為t時刻系統從電網的購電功率，kw；g
in
(t)為t時刻系統從管網的購氣體積速率，m3/h；為管網購電的最大功率，kw；為管網購氣的最大體積速率，m3/h。
[0148]
棄風棄光約束：棄風棄光均需控制在一定範圍內，滿足式(24)
[0149]
0≤p
ct
(t)≤λ
ct
·
(p
pv
(t)+p
wt
(t))#(24)
[0150]
式中，p
ct
(t)為t時刻的棄風棄光功率；λ
ct
為最大棄光棄風比例；p
pv
(t)為t時刻的光伏陣列電功率；p
wt
(t)為t時刻風電機組的電功率。
[0151]
3)以南京某賓館、商場區域用能用戶為對象開展實際算例分析，將雙燃料電池氫儲能綜合能源系統與傳統單燃料電池氫儲能綜合能源系統分別應用於實際場景；
[0152]
4)根據特定的案例，輸入初始參數包括：當地典型日的可再生能源出力預測數據、用戶負荷預測數據、各設備額定容量及運維費用數據、設備特性參數、實時電價。
[0153]
5)根據特定的案例，使用gurobi求解器進行模型求解，得到不同方案下的優化調度結果；所述優化調度結果包括p
pemfc
(t)、p
sofc
(t)、p
in
(t)、p
el
(t)、p
ashp
(t)、q
pemfc
(t)、q
sofc
(t)、q
el
(t)、q
ashp
(t)、q
ac
(t)、q
tst
(t)、r
ac
(t)、r
ec
(t)、g
in
(t)、m
sofc
(t)。
[0154]
6)通過對雙燃料電池方案和單sofc方案的優化調度結果進行對比，驗證所提雙燃料電池氫儲能綜合能源系統在經濟性和能效上的優勢。
[0155]
實施例：本發明基於南京市某賓館、商場區域用能用戶為對象，進行了不同方案下的優化調度結果對比分析。
[0156]
方案一：單sofc熱電聯產
[0157]
方案二：sofc與pemfc聯用熱電聯產
[0158]
當地典型日的可再生能源出力預測曲線如圖2所示，典型用戶的負荷預測曲線如圖3所示。各設備參數如表1所示，系統基本數據見表2，實時電價格見表3。
[0159]
表1 ies設備參數
[0160][0161][0162]
表2系統基本數據
[0163][0164]
表3實時電價
[0165][0166]
將效率作為能效的評價指標，比較不同方案的優化調度結果。系統的效率計算如式(25)所示。電熱量冷量和天然氣的化學的計算如式(26)～(29)所示。計算中環境溫度20℃，供熱水溫度60℃，冷水溫度10℃，作為單一燃料時甲烷的化學和低位熱值轉換係數ξ＝1.0227。
[0167][0168]
ex
p
＝p#(26)
[0169]
exq＝q
·
(1-t0/t)#(27)
[0170]
exr＝r
·
(t0/t-1)#(28)
[0171][0172]
經計算，兩種方案下的優化調度結果如圖4和圖5所示。兩種優化方案的經濟性和能效對比如表4所示。
[0173]
表4兩種方案下的優化結果
[0174][0175]
由圖4可知，方案一下sofc在18h至次日8h穩定運行時，但為減小啟停操作，在1～8h需長期維持低工況運行。在此期間，熱電聯產的主要燃氣為管網購入的天然氣，同時在1h、5h和8h儲氫罐中的部分氫氣和天然氣混合參與熱電聯產過程。這意味著為了滿足產氫和耗氫的平衡，系統需要在1～8h啟動sofc，消耗系統白天產生的大量氫氣，但同時，為了減少sofc的啟停操作，需要在此期間購買天然氣維持sofc穩定運行在較低工況。在19～22hsofc以較高功率運行，滿足此時段的較高熱負荷需求，並將部分產熱用於吸收式制冷機製冷。在光伏出力高峰期，電解槽通過電解制氫實現可再生能源的大規模轉換，同時通過將餘熱回收用於吸收式製冷滿足該時段的冷負荷需求。空氣源熱泵在12h制熱，13h、16～18h製冷，這是由於夜間的熱負荷需求基本全由儲熱罐滿足，sofc的產熱大多用於吸收式製冷，因此空氣源熱泵在光伏出力高的12h耗電制熱補充熱水滿足夜間制熱需求，在13h、16～18h
耗電製冷則是由於吸收式制冷機的出力不足以滿足高峰期的冷負荷需求。
[0176]
由圖5可知，方案二下sofc在18h至次日1h連續運行8h，低工況運行時間明顯減少。pemfc在2～8h直接消耗氫氣熱電聯產，實現制氫和耗氫的平衡。這表明，隨著pemfc的引入，系統對於氫氣的消耗更加靈活，不再需要購買天然氣來強制維持sofc運行以消耗白天產生的大量的電解氫。同時，由於使用pemfc的熱電聯產過程中沒有天然氣輸入，導致總供能減少，為滿足電負荷需求該時段的購電量增加。同時，由於方案2下的熱電聯產過程產生的熱量較少，儲熱罐儲存的熱量較少，吸收式制冷機的製冷功率不足，系統在10～13h需要使用空氣源熱泵進行製冷以滿足製冷需求。
[0177]
由表4兩種方案優化結果的對比可知，兩種方案下系統的購能策略明顯不同，方案2下系統的經濟性和能效都好於方案1。從由圖4可知為了消耗可再生能源電解製備的氫氣，滿足系統的氫能平衡關係，單sofc系統需要在1～8h持續低工況運行，同時購入天然氣維持穩定的燃氣供給。而圖5所示的雙燃料電池系統運行策略下，氫氣的消耗更為靈活，系統在1～8h使用pemfc進行熱電聯產實現調度周期內氫能生產和消耗的平衡。但由於pemfc的熱電聯產過程產能量降低，系統需要從電網購入更多的電力滿足用戶的電能需求。從運行經濟性的角度看，方案2的優勢在於系統購電時間正處電價低谷期，此時購電的經濟性優於購入燃料電池熱電聯產所需的天然氣。從運行效率來看，方案2的優勢在於相較於燃料電池熱電聯產的產能過程，直接向電網購電進行能量利用的損失更低。由於用戶側的能量需求固定，系統的整體輸出固定，此時系統的能量效率直接取決於輸入。在方案2中，購電量更多，購氣量更少，因此能源效率高於方案1。
[0178]
實施例2
[0179]
第二方面，本實施例提供了一種雙燃料電池氫儲能綜合能源系統優化調度裝置，包括處理器及存儲介質；
[0180]
所述存儲介質用於存儲指令；
[0181]
所述處理器用於根據所述指令進行操作以執行根據實施例1所述方法的步驟。
[0182]
實施例3
[0183]
第三方面，本實施例提供了一種存儲介質，其上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現實施例1所述方法的步驟。
[0184]
本領域內的技術人員應明白，本技術的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本技術可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本技術可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。
[0185]
本技術是參照根據本技術實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
[0186]
這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特
定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
[0187]
這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0188]
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還能夠做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。