基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法

摘要

一种基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法，以电力网络为主体架构，计及氢燃料电池在综合能源系统中的储能功能，建立包含“源‑网‑荷‑储”的综合能源体系，分析其内部能量流动；基于大数据采集方法，采用智能分类的方法，对电、气、热、冷、氢等多类型负荷分布及用能需求进行预测；分别建立光伏输出模型、冷热电联供能源转换模型、氢燃料电池输出模型；建立综合能源系统的电、热、气等能量流动模型；以系统运行成本最低为优化目标，建立优化目标函数，实现系统优化运行。本发明能够灵活调整能源供应、能源消费和能源存储，从而实现综合能源柔性互动以及供需储的纵向一体化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法。

背景技术

伴随我国电力改革的不断深入，能源、电力、用户三者之间的关系日益紧密。能够打通电、气、热、冷等多种能源系统的壁垒，实现能源效率大幅提升的综合能源系统成为了近年来我国能源发展的一个重要领域。

综合能源系统中，终端能源热能占比高达50％，电力的占比只有25％左右，基于氢燃料电池的综合能源系统，通过光伏机组和冷热电联供机组可实现发电、供蒸汽、供热、供冷等多能源供应需求，同时搭配相对电储能更为廉价的蓄热技术，完全可以满足偏热需求的用户需求。同时配套制氢储能、氢气储运以及氢燃料电池机组，可用于热电联供，满足用户电能、热能需求，促进电网与热/冷网互联，实现了清洁电力到清洁气体能源的大规模存储，是解决可再生能源消纳、平抑波动性和间歇性的重要手段之一。基于氢燃料电池的综合能源系统，可实现电网与冷/热网、气网、交通网等多类型能源网络互联互动，对于进一步满足用户负荷需求，推进能源综合高效利用和“清洁替代”，促进可再生能源消纳具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法，该方法综合考虑电王购入电量约束、冷热电联供机组和氢燃料电池热电输出占比，以总体运行成本最低为目标，实现可再生能源耦合电解水制氢、储氢和燃料电池热电联产的综合能源系统的安全经济优化运行。

为实现上述目的，本发明采用如下步骤：

1、采用大数据信息采集方法，收集以往负荷信息，通过智能分类的方法，将负荷信息分为电、热、冷、气等单一类型负荷信息，并对负荷需求和用能分布进行预测，得到相应负荷曲线；

2、建立光伏输出模型、冷热电联供能源转换模型、燃料电池输出模型；

3、建立综合能源系统中的气、电、热能量流动模型；

4、综合考虑从电网购入电量约束、热电联供系统和氢燃料电池储能系统热电输出占比约束，以总体运行成本最低建立优化目标函数，实现综合能源系统的优化运行。

所述步骤1中，将大数据信息采集方法采集的负荷信息分为电、气、冷、热四类，通过智能分类模型，对用能需求及其分布进行分类和趋势预测，得到四类负荷随时间变化的曲线

其中，

所述步骤2建立的光伏机组输出模型为：

其中，

所述步骤2建立的冷热电联供能源转换模型为：

其中，P

所述步骤2建立的氢燃料电池输出模型为：

其中，E

所述步骤3建立综合能源系统中的电、气、热能量流动模型分别如下：

电能流动模型：

热能流动模型：

冷能流动方程：

氢气流动模型：

其中，

所述步骤4中，以系统总体运行成本最低建立的优化目标函数M为：

I

I

I

C

C

其中，ξ

进一步地，步骤4中，所述的优化目标函数M受从电网购入电量约束、冷热电联供系统热电输出占比和氢燃料电池储能系统热电输出占比的约束：

从电网购电的成本C

其中，

消耗天然气的成本

冷热电联供系统发电功率可达到70％，热电比或冷电比为0.2-0.5。

其中，

光伏机组制得氢气用于售卖和供氢燃料电池使用，氢燃料电池放电前的储电量E

其中，

本发明基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法，在原有由冷热电联供机组、电网、可再生能源机组组成的综合能源系统的基础上，加入了制氢储能、氢气储运以及氢燃料电池机组，既可解决可再生能源消纳、平抑波动性和间歇性问题，又可实现电网与冷/热网、气网、交通网等多类型能源网络互联互动，进一步满足用户负荷需求。在优化运行求解中，将电力网络、冷热电联供机组、氢燃料电池机组的热电输出比例作为约束条件，充分考虑各部分的互补特性，实现基于氢燃料电池的综合能源系统的经济安全运行，对实际工程中包含制氢储能、氢气储运以及氢燃料电池机组的综合能源系统的经济安全运行具有指导意义。

附图说明

图1为本发明基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法流程图；

图2为基于氢燃料电池的综合能源系统的拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明基于氢燃料电池的综合能源系统运行方法包括以下步骤：

1、采用大数据信息采集方法，收集以往负荷信息，通过智能分类的方法，将负荷信息分为电、热、冷、气四类类型负荷信息，并对负荷需求和用能分布进行预测，得到相应负荷曲线；

所述大数据信息采集方法以物联网为基础，连接用户的设备及装置，各个设备中的传感器将数据不断上传至系统，通过对这些数据进行整合，得到用户的需求信息。

所述智能分类为将获得的用户汇总信息作为输入，经过分类模型处理后，将输入数据分为电、热、冷、气四类负荷的过程，以此对用户负荷需求和用能分布进行预测，得到四类负荷随时间变化的曲线

其中，

2、建立光伏输出模型、冷热电联供能源转换模型、燃料电池输出模型；

所述基于氢燃料电池的综合能源系统包括以天然气为燃料的冷热电联供机组、光伏机组、氢燃料电池机组，此外还包含电解槽、储氢装置、吸收式制冷机、压缩式制冷机、热泵、储热装置等设备。对综合能源系统的能源输出设备分别进行建模：

光伏机组输出模型：

其中，

冷热电联供能源转换模型：

其中，P

氢燃料电池输出模型：

其中，E

3、图2所示为基于氢燃料电池的综合能源系统拓扑结构，图中给出了各种设备间的能量流动关系，建立综合能源系统中的气、电、热能量流动模型：

电能流动模型：

热能流动模型：

冷能流动方程：

氢气流动模型：

其中，

4、综合考虑从电网购入电量约束、热电联供系统热电输出占比约束和氢燃料电池储能系统热电输出占比约束，以总体运行成本最低建立优化目标函数，实现综合能源系统的优化运行。

以系统总体运行成本最低，建立优化目标函数M，包括售电、售热、售氢以及参与电网响应四种收益，设备投资、购电、天然气消耗三种成本：

I

I

I

C

C

其中，ξ

所述从电网购入电量约束、冷热电联供系统热电输出占比约束和氢燃料电池储能系统热电输出占比约束如下：

电力系统输出占比约束：

其中，

冷热电联供系统热电输出占比约束：

冷热电联供系统发电功率可达到70％，热电比或冷电比为0.2-0.5。

其中，

氢燃料电池系统热电输出占比约束：

氢燃料电池运行功率为10％～100％的额定功率，发电功率在30％-70％，其余是热。

其中，