一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统及其运行调控方法

本发明属于热电储能，尤其涉及一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统及其运行调控方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏等可再生能源装机规模不断提升，电力系统中源侧出力波动加剧，迫切需要兼具大规模、长时效、低成本和高效率特征的新型储能技术，同时，氢能作为重要的二次能源载体，在跨时段、跨场景能量调节中具有重要作用，因此，围绕高温电化学制氢、燃料电池发电与长时热电储能之间的耦合集成，已成为综合能源领域的重要发展方向。

2、热泵储电系统（pumped thermal energy storage，简称ptes），又称卡诺电池，是一种新型热电储能技术，其基本原理是在储能阶段利用逆循环将电能转化为高温热能和低温冷能分别储存，在释能阶段再通过热机循环将所储存的热能和冷能转化为电能输出，该类技术具有储能时长长、规模适应性强、储热储冷介质成本较低、适合大规模长时储能等优点，近年来已成为新型储能的重要发展方向，现有相关方案多围绕卡诺电池与风光发电、多联供系统或其他储能方式集成展开，例如已有方案提出将卡诺电池接入风光互补联供系统，用于将多余电能转化为热能并在需要时再发电，也有方案提出将卡诺电池与电解制氢、燃料电池组合形成物理-化学耦合储能系统。

3、固体氧化物电池是一类高温电化学能量转换装置，其中，固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell，简称soec）在高温条件下吸收热量和电能，将水蒸气电解制取氢气，固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）则利用氢气等燃料在高温下进行电化学反应发电，并放出较高品位热量，该类技术具有能量转换效率高、燃料适应性较强、可实现电氢双向转换等优点。

4、现有技术中，热泵储电系统、固体氧化物电解制氢系统以及固体氧化物燃料电池发电系统多采用单独运行方式配置，其中，热泵储电系统通常需同时设置高温储热单元和低温储冷单元，高温储热部分体积较大、保温要求高，导致系统设备庞大、管路复杂、投资成本和热管理难度较高，同时，高温侧在压缩热储存、传递及再利用过程中存在温差损失和热损失，易造成释能阶段可利用温度下降，进而影响循环效率与输出功率，此外，高温热量在储能与释能阶段均需依赖独立储热介质进行跨时转移，而固体蓄热材料又存在较强热惯性，使系统在输入功率快速波动或输出功率快速变化时动态响应能力受限，尤其面对风电、光伏等可再生能源出力剧烈波动场景，现有热泵储电系统难以单独实现秒级或分钟级快速调节，启停及工况切换灵活性不足，高温热量利用损失较大。

5、固体氧化物电池系统在现有技术中仍存在一定不足：1）固体氧化物电解制氢系统在soec模式下通常需要稳定电功率输入，并依赖700~850℃甚至更高温度等级的高温热量将水转化为高温蒸汽并维持电堆运行，若直接接入风电、光伏等波动性可再生能源，电解电流、电堆温度和气体流量易发生较大波动，导致电堆热应力增加，影响运行稳定性和寿命，若外部高温热源不足，则需额外电加热、燃料补热或独立储热设备，进而增加供热负担、热源配置复杂性并降低系统综合能效；2）固体氧化物燃料电池发电系统在sofc模式下虽可高效输出电能并释放高品位热量，但其输出功率受燃料供给、电堆温度及热平衡状态影响，作为长时储能释能单元时运行灵活性不足；3）固体氧化物燃料电池的高温余热若不能与匹配的高温用热环节直接耦合，往往只能通过余热锅炉、散热器或其他换热装置降温排放或用于常规余热回收，造成高品位热能利用不充分。

6、已有方案提出sofc联供系统、rsoc与外部热源耦合系统，以及电解制氢/燃料电池与卡诺电池并联组合的长时储能方案，上述方案大多仍将二者作为相对独立的物理储能单元和化学储能单元处理，主要关注电能分流存储、尾气燃烧补热或多能联供，尚未充分利用soec吸热与sofc放热在温区上的内在互补关系。

7、因此，现有热泵储电系统、固体氧化物电解制氢系统和固体氧化物燃料电池发电系统之间缺乏有效的耦合机制，各系统单独运行时，存在高温热源重复配置、余热利用不充分、可再生能源波动适应能力差、氢能储放与热泵储电运行过程缺少协同、源-网-荷-储能量调度不统一等问题，如何将热泵储电系统的冷热储能特性、固体氧化物电解制氢系统的吸热制氢特性以及固体氧化物燃料电池系统的发电放热特性进行耦合集成，并通过能源综合管理平台实现源、网、荷、储协调运行，是目前长时储能及多能互补领域亟待解决的问题，现有方案虽公开了卡诺电池集成、多能互补、sofc/rsoc供能及物理化学储能耦合等思路，但尚未见到一种以热泵储电高温侧与soec/sofc高温吸放热过程直接互补耦合、并据此弱化传统储热单元配置的系统方案。

8、从热能利用机理看，热泵储电系统在储能阶段产生高温热，在释能阶段又需要高温热输入后方可提高膨胀做功能力，而固体氧化物电池在soec模式下恰好需要高温吸热以降低电解电耗，在sofc模式下又可释放高温热，二者在储能和释能两个阶段均呈现产热与用热的时空互补关系。

9、综上，现有技术中尚缺乏一种将热泵储电系统与可逆固体氧化物电池进行深度耦合的系统方案，因此，亟需提出了一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统及其运行调控方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统及其运行调控方法，以解决现有技术中热泵储电系统高温储热损失大、固体氧化物电池系统热能利用不充分、以及二者缺乏协同耦合机制的问题。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统，包括：

4、热泵储电储能回路，包括驱动风机、工质预处理装置、热泵储电驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷器；

5、热泵储电释能回路，包括驱动风机、工质预处理装置、低温蓄冷器、释能压缩机组、释能膨胀机组、热泵储电发电单元；

6、固体氧化物电解制氢回路，包括固体氧化物电池、储水罐、水泵、多股流回热器、气液分离器、氢气压缩机、氢气储气罐；

7、固体氧化物燃料电池发电回路，包括固体氧化物电池、氢气储气罐、多股流回热器、空气风机、空气预处理装置、后燃烧室、sofc发电单元；

8、高温热耦合回路，包括多股流高温换热器、高温辅助蓄热器；

9、电能交互回路，包括可再生能源发电单元、电网侧接口、用户负荷单元、能源综合管理平台、soec驱动单元、sofc发电单元及双向变流器；

10、热泵储电储能回路和热泵储电释能回路分别通过多股流高温换热器与固体氧化物电池耦合；高温辅助蓄热器的容量小于热泵储电系统独立运行所需的高温储热容量，固体氧化物电池为可逆高温电化学装置，能够在soec模式和sofc模式之间切换运行；

11、储能系统具有储能工作状态和释能工作状态，在储能工作状态，热泵储电储能回路的高温压缩热经多股流高温换热器供给固体氧化物电池进行soec模式制氢；在释能工作状态，固体氧化物电池以sofc模式发电产生的余热经多股流高温换热器供给热泵储电释能回路。

12、进一步地，在储能阶段，热泵储电储能回路的储能压缩机组产生高温压缩热，高温压缩热通过多股流高温换热器传递至固体氧化物电解制氢回路，为soec进口水蒸气和空气提供高温热量；固体氧化物电池以soec模式运行，利用可再生能源电力和高温热量进行电解水制氢，产生的氢气经气液分离器和氢气压缩机后存入氢气储气罐；经多股流高温换热器换热后的热泵储电工质进入储能膨胀机组膨胀降温，形成的低温工质将冷能储存于低温蓄冷器。

13、进一步地，在释能阶段，氢气储气罐释放氢气，经多股流回热器预热后送入固体氧化物电池阳极，空气经预处理后送入固体氧化物电池阴极；固体氧化物电池以sofc模式运行，将氢气化学能转化为电能输出；sofc阳极尾气和阴极尾气进入后燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气进入多股流高温换热器，将高品位热量传递给热泵储电释能回路的工质；热泵储电释能回路的工质依次经低温蓄冷器获得低温冷源、经释能压缩机组压缩、经多股流高温换热器吸收高温热量后进入释能膨胀机组做功，带动热泵储电发电单元发电。

14、进一步地，高温辅助蓄热器的容量小于热泵储电系统独立运行所需的高温储热容量；

15、高温辅助蓄热器用于以下至少一种工况的热量缓冲：当soec吸热需求小于热泵储电储能回路释放的高温压缩热时，储存多余高温热量；当soec吸热需求大于热泵储电储能回路释放的高温压缩热时，释放所储存的高温热量进行补热；当sofc放热量与热泵储电释能回路吸热需求不匹配时，进行辅助热量调节。

16、进一步地，能源综合管理平台分别与可再生能源发电单元、电网侧接口、用户负荷单元、热泵储电驱动单元、热泵储电发电单元、soec驱动单元、sofc发电单元及双向变流器电连接；能源综合管理平台用于接收可再生能源实时出力信息、电网调度信息、用户负荷需求信息、氢气储气罐储氢状态、低温蓄冷器储冷状态及固体氧化物电池温度状态，并根据上述信息确定系统运行模式及功率分配。

17、进一步地，热泵储电储能回路和热泵储电释能回路中的循环气体工质为空气、氮气、氩气、氦气或二氧化碳中的一种或多种混合工质；低温蓄冷器为填充床式蓄冷器，其内部填充固体蓄冷介质；高温辅助蓄热器为填充床式蓄热器、蜂窝陶瓷蓄热器、固体颗粒蓄热器或相变蓄热器。

18、进一步地，固体氧化物电池在soec模式下的反应为：

19、阴极：h2o+2e-= h2+o²-；

20、阳极：2o²-=o2+4e-；

21、在sofc模式下的反应为：

22、阴极：o2+4e-=2o²-；

23、阳极：h2+o²-=h2o+2e-。

24、进一步地，还包括阀门调节控制系统，阀门调节控制系统包括多个调节阀，各调节阀分别与能源综合管理平台连接；阀门调节控制系统用于根据储能工况、释能工况、soec制氢工况和sofc发电工况，对热泵储电工质流向、soec及sofc反应物及尾气走向、高温烟气分配比例进行调节。

25、一种热泵储电与固体氧化物电池耦合储能系统的运行调控方法，对上述储能系统进行运行调控，包括如下步骤：

26、s1、获取可再生能源出力信息、用户负荷需求信息、氢气储气罐储氢状态及低温蓄冷器储冷状态；

27、s2、当可再生能源出力大于用户负荷需求且氢气储气罐未达储氢上限时，控制系统进入储能制氢模式：将富余电能分配至热泵储电驱动单元和soec驱动单元，热泵储电储能回路产生的高温压缩热经多股流高温换热器供给固体氧化物电池进行soec模式制氢，热泵储电储能回路产生的低温冷能储存于低温蓄冷器，高温压缩热过剩时由高温辅助蓄热器进行热量缓冲；

28、s3、当可再生能源出力不足或用户负荷需求较高且氢气储气罐具备储氢量时，控制系统进入释能发电模式：氢气储气罐释放氢气供固体氧化物电池以sofc模式发电，sofc尾气经后燃烧室燃烧产生高温烟气，高温烟气经多股流高温换热器供给热泵储电释能回路，驱动热泵储电发电单元联合发电；

29、s4、能源综合管理平台根据可再生能源出力波动、电网调度指令和用户负荷需求，动态调节热泵储电储能功率、soec制氢功率、sofc发电功率和热泵储电释能功率的分配。

30、进一步地，s2还包括如下调控步骤：

31、当可再生能源出力短时波动时，能源综合管理平台优先保持固体氧化物电池的温度和电流变化率在允许范围内，通过调节热泵储电驱动单元的功率吸收波动电能；

32、当可再生能源持续富余时，逐步提高soec制氢负荷，提高氢气储气罐储氢量；

33、当用户负荷出现短时高峰时，优先调用sofc发电单元和热泵储电发电单元联合供电；

34、当soec吸热需求与热泵储电储能回路释放热量不匹配时，优先通过调节进入多股流高温换热器的工质流量进行匹配，不足部分由高温辅助蓄热器进行热量调节。

35、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

36、1、降低高温储热配置与热损失：本发明以soec吸热模块部分替代ptes独立高温储热单元，减少大容量高温蓄热器配置，降低设备体积、保温要求和高温储热损失。

37、2、提高系统综合能效：本发明通过多股流高温换热器和回热器实现ptes压缩热-soec供热、sofc余热-ptes供热的高温热量梯级利用，减少各系统独立配置造成的能量浪费和不可逆换热损失，与现有参考系统相比，系统往返效率可获显著提升，能大大提高系统综合能效。

38、3、降低soec外部热源依赖，提高制氢效率：本发明能在储能阶段ptes压缩热为soec提供稳定高温热源，使soec电解水过程获得稳定热源，减少额外电加热或燃料补热需求，提高波动性可再生能源条件下的制氢稳定性。

39、4、实现源-网-荷-储协同运行：本发明通过能源综合管理平台统一协调ptes储能/释能与soec/sofc模式切换，能实现电源侧、电网侧、负荷侧和储能侧之间的动态平衡，将电能分别转化为冷热能和氢气进行存储或联合输出，能提高波动性可再生能源消纳能力，同时，热泵储电系统可对可再生能源电力波动进行缓冲，避免soec电解电流和sofc输出功率频繁大幅波动，降低固体氧化物电池的热冲击和电化学冲击，提高电堆稳定性和使用寿命。