应用于工业园区的低碳耦合能源系统及优化方法与流程

1.本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统及优化方法。


背景技术：

2.目前，园区综合能源系统(integrated energy system,ies)是适应分布式发展，开发和消纳清洁能源，满足工业园区多元用能需求的新型能源系统，是未来工业园区能源系统的主流发展形式。由于清洁能源及电热负荷具有高度的不确定性，现有的园区综合能源系统常常采用配置储能设备的手段，提升园区综合能源系统的经济性和综合能效。对于园区综合能源系统，目前的常规储能由于能量转化形式单一，在减少燃煤燃气使用、降低碳排放方面的作用较为有限。相比之下，氢储能作为一类零碳排放、具备多能联储联供能力的新型储能手段，且对燃煤、燃气等传统能源有一定的替代作用，有望在构建低碳、绿色的园区ies方面发挥更加显著的作用。


技术实现要素：

3.本发明提供一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统，用以解决现有技术中的园区综合能源系统无法满足低碳发展的缺陷，通过提供应用于工业园区的低碳耦合能源系统架构，并结合氢储能无碳排放、多能综合利用的优势，建立了氢储能装置的多能联储联供模型，保护了环境、提升了经济效益。
4.本发明还提供一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统的优化方法，用以解决现有技术中的园区综合能源系统无法满足低碳发展的缺陷，通过提供应用于工业园区的低碳耦合能源系统的配置优化方法，验证了氢储能装置在园区综合能源系统中降低碳排放、提高综合能效的作用，实现最佳经济、环境效益。
5.根据本发明第一方面提供的一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统，包括：电能通路、热能通路和氢储能装置；
6.所述电能通路用于为工业园区内的电负荷供电；
7.所述热能通路用于为工业园区内的热负荷供热；
8.所述氢储能装置分别与所述电能通路和所述热能通路连接；
9.在耗能低谷时，所述电能通路的电能和所述热能通路的热能通过所述氢储能装置实现存储；
10.在耗能高峰时，所述氢储能装置分别向所述电能通路和所述热能通路供能。
11.根据本发明的一种实施方式，所述氢储能装置包括：电解槽、燃料电池和储氢罐；
12.所述电解槽分别与所述电能通路和所述储氢罐连接；
13.所述燃料电池分别与所述电能通路和所述储氢罐连接；
14.其中，所述电解槽将所述电能通路的电能转化为氢能并存储于所述储氢罐；
15.所述储氢罐将氢能传输至所述燃料电池，所述燃料电池将氢能转化为电能，并通
过所述电能通路为工业园区内的电负荷供电。
16.具体来说，本实施例提供了一种氢储能装置的实施方式，通过设置主要包括电解槽、燃料电池和储氢罐的氢储能装置，实现了将电能通路输入的电能转化为氢能进行存储，降低了系统的碳排放，同时在耗能低谷时对能量进行存储，在耗能高峰时，将氢能转化为电能和热能，实现对电负荷和热负荷的能量供给。
17.根据本发明的一种实施方式，所述电解槽和所述燃料电池还分别与所述热能通路连接；
18.所述电解槽将所述热能通路的热能转化为氢能并存储于所述储氢罐；
19.所述储氢罐将氢能传输至所述燃料电池，所述燃料电池将氢能转化为热能，并通过所述热能通路为工业园区内的热负荷供电；
20.其中，所述电解槽和所述燃料电池在能量转化过程中产生的热能流入所述热能通路。
21.具体来说，本实施例提供了一种电解槽和燃料电池的实施方式，电解槽和燃料电池在工作过程中需要用到热能，因此热能通路一方面将热能转化为氢能进行存储，另一方面也满足了电解槽和燃料电池在工作过程中对热能的需要，同时电解槽和燃料电池在工作过程中也会产生热能，该部分热能一同流入热能通路中，为热负荷进行供热或者循环为电解槽和燃料电池在工作中需要的热能进行供应。
22.需要说明的是，通过将热能通路分别与电解槽和燃料电池连接，一方面实现了对电解槽和燃料电池所需热能的供应，另一方面也实现了对电解槽和燃料电池在工作中产生的热能的回收，并且在热负荷所需热能较低时，热能通路还可将热能转化为氢能进行存储，在热能消耗高峰时，再通过燃料电池将氢能转化为热能。
23.还需要说明的是，为了节约篇幅，本发明没有对热能通路分别与电解槽和燃料电池连接的管路具体设置情况进行提供，在实际应用中，参考相关的设计即可。
24.根据本发明的一种实施方式，还包括：本地清洁能源模块和外部电能输入模块；所述本地清洁能源模块和所述外部电能输入模块分别与所述电能通路连接。
25.具体来说，本实施例提供了一种本地清洁能源模块和外部电能输入模块的实施方式，通过本地清洁能源模块实现了从工业园区自身产能，进而满足电能通路对电能供给的需求，外部电能输入模块则从外接电网购入电能等方式，满足电能通路对电能供给的需求。
26.需要说明的是，本地清洁能源模块的发电方式可以采用光伏发电和\或风电发电。
27.根据本发明的一种实施方式，所述本地清洁能源模块包括光伏发电和\或风力发电。
28.具体来说，本实施例提供了一种本地清洁能源模块的实施方式。
29.根据本发明的一种实施方式，还包括：外部气能输入模块、第一气能机组和第二气能机组；
30.所述外部气能输入模块分别与所述第一气能机组和所述第二气能机组连接；
31.所述第一气能机组与所述热能通路连接，用于将所述外部气能输入模块输入的气能转化为热能；
32.所述第二气能机组分别与所述电能通路和所述热能通路连接，用于将所述外部气能输入模块输入的气能转化为电能和热能。
33.具体来说，本实施例提供了一种外部气能输入模块的实施方式，通过设置外部气能输入模块、第一气能机组和第二气能机组，实现了通过气能转化为电能为电负荷供电，以及通过气能转化为热能为热负荷供热。
34.根据本发明的一种实施方式，所述第一气能机组和所述第二气能机组分别与所述氢储能装置连接。
35.具体来说，本实施例提供了一种第一气能机组和所述第二气能机组的实施方式，通过将第一气能机组和第二气能机组分别接入氢储能装置，实现了将气能转化为氢能进行存储。
36.需要说明的是，第一气能机组和第二气能机组分别接入氢储能装置的设置，可以直接设置相应的管路连接，也可以通过第一气能机组和第二气能机组分别接入热能通路后，通过热能通路与氢储能装置实现连接。
37.根据本发明的一种实施方式，所述第一气能机组为燃气锅炉，所述第二气能机组为燃气轮机。
38.具体来说，本实施例提供了另一种第一气能机组和第二气能机组的实施方式。
39.根据本发明第二方面提供的一种上述的应用于工业园区的低碳耦合能源系统的优化方法，包括：
40.获取氢储能装置的单位容量投资成本和配置容量，并构建年氢储能投资成本函数；
41.获取外部购电的实时电价和单位时间内的实时功率，外部购气的实时气价和单位时间内的实时体积速率，并构建基于单位时间的年购能成本函数；
42.获取单位能量的电能排放折算成本、单位体积的气能排放折算成本、碳排放价格和碳排放因子，并构建年碳排放成本函数；
43.获取失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率、失电惩罚单价、失热惩罚单价和弃清洁能源惩罚系数，并构建年运行惩罚成本函数；
44.根据所述年氢储能投资成本函数、所述年购能成本函数、所述年碳排放成本函数和所述年运行惩罚成本函数构建年化总成本目标函数；
45.对所述年化总成本目标函数添加平衡约束条件，并根据所述平衡约束条件对所述年化总成本目标函数进行计算，获得对应的年化投资成本。
46.根据本发明的一种实施方式，所述对所述年化总成本目标函数添加平衡约束条件的步骤中，具体包括：
47.根据低碳耦合能源系统的电能输入功率和电能输出功率构建电能平衡约束；
48.根据低碳耦合能源系统的热能输入功率和热能输出功率构建热能平衡约束；
49.根据外部购气的单位时间内的实时体积速率、氢储能装置的气氢混合功率和耗气量构建气能平衡约束；
50.根据电能平衡约束、热能平衡约束和气能平衡约束构建所述平衡约束条件。
51.具体来说，本实施例提供了一种对所述年化总成本目标函数添加平衡约束条件的实施方式。
52.本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统及优化方法，通过提供氢储能的低碳园区综合
能源系统架构，并结合氢储能无碳排放、多能综合利用的优势，建立了氢储能装置的多能联储联供模型，保护了环境、提升了经济效益。
53.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
54.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
55.图1是本发明提供的应用于工业园区的低碳耦合能源系统的布置关系示意图；
56.图2是本发明提供的应用于工业园区的低碳耦合能源系统的优化方法流程示意图。
57.附图标记：
58.10、电能通路；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20、热能通路；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
30、氢储能装置；
59.31、电解槽；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
32、燃料电池；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
33、储氢罐；
60.40、本地清洁能源模块；
ꢀꢀ
50、外部电能输入模块；
ꢀꢀ
60、外部气能输入模块；
[0061][0062]
70、第一气能机组；
ꢀꢀ
80、第二气能机组。
具体实施方式
[0063]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0065]
在本发明的一些具体实施方案中，如图1所示，本方案提供一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统，包括：电能通路10、热能通路20和氢储能装置30；电能通路10用于为工业园区内的电负荷供电；热能通路20用于为工业园区内的热负荷供热；氢储能装置30分别与电能通路10和热能通路20连接；在耗能低谷时，电能通路10的电能和热能通路20的热能通过氢储能装置30实现存储；在耗能高峰时，氢储能装置30分别向电能通路10和热能通路20供能。
[0066]
详细来说，本发明提供一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统，用以解决现有技术中的园区综合能源系统无法满足低碳发展的缺陷，通过提供应用于工业园区的低碳耦
合能源系统架构，并结合氢储能无碳排放、多能综合利用的优势，建立了氢储能装置30多能联储联供模型，保护了环境、提升了经济效益。
[0067]
在本发明一些可能的实施例中，氢储能装置30包括：电解槽31、燃料电池32和储氢罐33；电解槽31分别与电能通路10和储氢罐33连接；燃料电池32分别与电能通路10和储氢罐33连接；其中，电解槽31将电能通路10的电能转化为氢能并存储于储氢罐33；储氢罐33将氢能传输至燃料电池32，燃料电池32将氢能转化为电能，并通过电能通路10为工业园区内的电负荷供电。
[0068]
具体来说，本实施例提供了一种氢储能装置30的实施方式，通过设置主要包括电解槽31、燃料电池32和储氢罐33的氢储能装置30，实现了将电能通路10输入的电能转化为氢能进行存储，降低了系统的碳排放，同时在耗能低谷时对能量进行存储，在耗能高峰时，将氢能转化为电能和热能，实现对电负荷和热负荷的能量供给。
[0069]
在本发明一些可能的实施例中，电解槽31和燃料电池32还分别与热能通路20连接；电解槽31将热能通路20的热能转化为氢能并存储于储氢罐33；储氢罐33将氢能传输至燃料电池32，燃料电池32将氢能转化为热能，并通过热能通路20为工业园区内的热负荷供电；其中，电解槽31和燃料电池32在能量转化过程中产生的热能流入热能通路20。
[0070]
具体来说，本实施例提供了一种电解槽31和燃料电池32的实施方式，电解槽31和燃料电池32在工作过程中需要用到热能，因此热能通路20一方面将热能转化为氢能进行存储，另一方面也满足了电解槽31和燃料电池32在工作过程中对热能的需要，同时电解槽31和燃料电池32在工作过程中也会产生热能，该部分热能一同流入热能通路20中，为热负荷进行供热或者循环为电解槽31和燃料电池32在工作中需要的热能进行供应。
[0071]
需要说明的是，通过将热能通路20分别与电解槽31和燃料电池32连接，一方面实现了对电解槽31和燃料电池32所需热能的供应，另一方面也实现了对电解槽31和燃料电池32在工作中产生的热能的回收，并且在热负荷所需热能较低时，热能通路20还可将热能转化为氢能进行存储，在热能消耗高峰时，再通过燃料电池32将氢能转化为热能。
[0072]
还需要说明的是，为了节约篇幅，本发明没有对热能通路20分别与电解槽31和燃料电池32连接的管路具体设置情况进行提供，在实际应用中，参考相关的设计即可。
[0073]
在本发明一些可能的实施例中，还包括：本地清洁能源模块40和外部电能输入模块50；本地清洁能源模块40和外部电能输入模块50分别与电能通路10连接。
[0074]
具体来说，本实施例提供了一种本地清洁能源模块40和外部电能输入模块50的实施方式，通过本地清洁能源模块40实现了从工业园区自身产能，进而满足电能通路10对电能供给的需求，外部电能输入模块50则从外接电网购入电能等方式，满足电能通路10对电能供给的需求。
[0075]
需要说明的是，本地清洁能源模块40的发电方式可以采用光伏发电和\或风电发电。
[0076]
在本发明一些可能的实施例中，本地清洁能源模块40包括光伏发电和\或风力发电。
[0077]
具体来说，本实施例提供了一种本地清洁能源模块40的实施方式。
[0078]
在本发明一些可能的实施例中，还包括：外部气能输入模块60、第一气能机组70和第二气能机组80；外部气能输入模块60分别与第一气能机组70和第二气能机组80连接；第
一气能机组70与热能通路20连接，用于将外部气能输入模块60输入的气能转化为热能；第二气能机组80分别与电能通路10和热能通路20连接，用于将外部气能输入模块60输入的气能转化为电能和热能。
[0079]
具体来说，本实施例提供了一种外部气能输入模块60的实施方式，通过设置外部气能输入模块60、第一气能机组70和第二气能机组80，实现了通过气能转化为电能为电负荷供电，以及通过气能转化为热能为热负荷供热。
[0080]
需要说明的是，外部气能输入模块60输入的气能为天然气。
[0081]
在本发明一些可能的实施例中，第一气能机组70和第二气能机组80分别与氢储能装置30连接。
[0082]
具体来说，本实施例提供了一种第一气能机组70和第二气能机组80的实施方式，通过将第一气能机组70和第二气能机组80分别接入氢储能装置30，实现了将气能转化为氢能进行存储。
[0083]
需要说明的是，第一气能机组70和第二气能机组80分别接入氢储能装置30的设置，可以直接设置相应的管路连接，也可以通过第一气能机组70和第二气能机组80分别接入热能通路20后，通过热能通路20与氢储能装置30实现连接。
[0084]
在本发明一些可能的实施例中，第一气能机组70为燃气锅炉，第二气能机组80为燃气轮机。
[0085]
具体来说，本实施例提供了另一种第一气能机组70和第二气能机组80的实施方式。
[0086]
在本发明的一些具体实施方案中，如图1和图2所示，本方案提供一种上述的应用于工业园区的低碳耦合能源系统的优化方法，包括：
[0087]
获取氢储能装置30的单位容量投资成本和配置容量，并构建年氢储能投资成本函数；
[0088]
获取外部购电的实时电价和单位时间内的实时功率，外部购气的实时气价和单位时间内的实时体积速率，并构建基于单位时间的年购能成本函数；
[0089]
获取单位能量的电能排放折算成本、单位体积的气能排放折算成本、碳排放价格和碳排放因子，并构建年碳排放成本函数；
[0090]
获取失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率、失电惩罚单价、失热惩罚单价和弃清洁能源惩罚系数，并构建年运行惩罚成本函数；
[0091]
根据年氢储能投资成本函数、年购能成本函数、年碳排放成本函数和年运行惩罚成本函数构建年化总成本目标函数；
[0092]
对年化总成本目标函数添加平衡约束条件，并根据平衡约束条件对年化总成本目标函数进行计算，获得对应的年化投资成本。
[0093]
详细来说，本发明还提供一种应用于工业园区的低碳耦合能源系统的优化方法，用以解决现有技术中的园区综合能源系统无法满足低碳发展的缺陷，通过提供应用于工业园区的低碳耦合能源系统的配置优化方法，验证了氢储能装置30在园区综合能源系统中降低碳排放、提高综合能效的作用，实现最佳经济、环境效益。
[0094]
需要说明的是，平衡约束条件至少还包括能量平衡和设备特性等约束，获得对应的年化投资成本中至少包括投资成本和最优解，最优解通过根据获取最小投资成本的参数
获得。
[0095]
在获取氢储能装置30的单位容量投资成本和配置容量，并构建年氢储能投资成本函数的步骤中，应用如下公式：
[0096][0097]
式中，ξ
el
、ξ
fc
、ξ
hst
分别为电解槽31、燃料电池32、储氢罐的单位容量投资成本，q
el
、q
fc
、q
hst
分别为电解槽31、燃料电池32、储氢罐的配置容量，m为系统寿命，r为基准折现率。
[0098]
需要说明的是，配置容量是优化变量，根据不同的配置容量，获得不同的年化投资成本，计算数量足够多的年化投资成本后，提取最小年化投资成本对应的配置容量，该配置容量即为最优配置容量。
[0099]
在获取外部购电的实时电价和单位时间内的实时功率，外部购气的实时气价和单位时间内的实时体积速率，并构建基于单位时间的年购能成本函数的步骤中，应用如下公式：
[0100][0101]
式中，c
e
(t)、c
g
(t)为实时电价和气价，p
in
(t)、g
in
(t)为各时刻购电实时功率和购气的实时体积速率，δt为单位时段。
[0102]
需要说明的是，实时功率和实时体积速率是优化变量，根据不同的实时功率和实时体积速率，获得不同的年化投资成本，计算数量足够多的年化投资成本后，提取最小年化投资成本对应的实时功率和实时体积速率，该实时功率和实时体积速率即为最优后的实时功率和实时体积速率。
[0103]
在获取单位能量的电能排放折算成本、单位体积的气能排放折算成本、碳排放价格和碳排放因子，并构建年碳排放成本函数的步骤中，应用如下公式：
[0104][0105]
式中，α
e
、α
g
为单位能量电能、单位体积天然气的排放折算成本，由碳排放价格(单位质量co2的折算成本)和碳排放因子(单位用能排放co2的质量)相乘求得。
[0106]
在获取失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率、失电惩罚单价、失热惩罚单价和弃清洁能源惩罚系数，并构建年运行惩罚成本函数的步骤中，应用如下公式：
[0107][0108]
式中，p
ls
(t)、h
ls
(t)、p
ct
(t)分别为失电负荷、失热负荷和弃风弃光(弃清洁能源)的功率。β
e
(t)、β
h
(t)为失电、失热惩罚单价，可参考实时电价制定；γ
ct
为弃风弃光的惩罚系数，即弃清洁能源惩罚系数。
[0109]
需要说明的是，失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率是优化变量，根据不同
的失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率，获得不同的年化投资成本，计算数量足够多的年化投资成本后，提取最小年化投资成本对应的失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率，该失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率即为最优后的失电负荷功率、失热功率、弃清洁能源功率。
[0110]
在根据年氢储能投资成本函数、年购能成本函数、年碳排放成本函数和年运行惩罚成本函数构建年化总成本目标函数的步骤中，应用如下公式：
[0111]
minc＝c
cstr
c
buy
c
carbon
c
pns
[0112]
在本发明一些可能的实施例中，对年化总成本目标函数添加平衡约束条件的步骤中，具体包括：
[0113]
根据低碳耦合能源系统的电能输入功率和电能输出功率构建电能平衡约束；
[0114]
根据低碳耦合能源系统的热能输入功率和热能输出功率构建热能平衡约束；
[0115]
根据外部购气的单位时间内的实时体积速率、氢储能装置30的气氢混合功率和耗气量构建气能平衡约束；
[0116]
根据电能平衡约束、热能平衡约束和气能平衡约束构建平衡约束条件。
[0117]
具体来说，本实施例提供了一种对年化总成本目标函数添加平衡约束条件的实施方式。
[0118]
在根据低碳耦合能源系统的电能输入功率和电能输出功率构建电能平衡约束的步骤中，应用如下公式：
[0119]
p
pv
(t) p
wd
(t)
‑
p
ct
(t) p
in
(t) p
gt
(t) p
fc
(t)＝
[0120]
p
ld
(t)
‑
p
ls
(t) p
el
(t)
[0121]
式中，p
pv
(t)、p
wd
(t)为光伏和风电实时输入功率，p
ct
(t)为弃风弃光(弃清洁能源)的功率，p
in
(t)为各时刻购电实时功率，p
gt
(t)为燃气轮机发电功率，p
fc
(t)为燃料电池32发电功率，p
ld
(t)为光伏和风电实时输出功率，p
ls
(t)为失电负荷功率，p
el
(t)为电解槽31耗电功率。
[0122]
在根据低碳耦合能源系统的热能输入功率和热能输出功率构建热能平衡约束的步骤中，应用如下公式：
[0123]
h
gt
(t) h
gb
(t) h
fc
(t) h
el
(t)＝h
ld
(t)
‑
h
ls
(t)
[0124]
式中，h
gt
(t)、h
gb
(t)分别为第一气能机组70和第二气能机产热功率，h
fc
(t)为燃料电池32的供热功率，h
el
(t)为电解槽31的供热功率，h
ld
(t)为热能输出功率，h
ls
(t)为失热负荷功率。
[0125]
在根据外部购气的单位时间内的实时体积速率、氢储能装置30的气氢混合功率和耗气量构建气能平衡约束的步骤中，应用如下公式：
[0126]
g
in
(t)l
gas
m
h2g
(t)＝m
gt
(t) m
gb
(t)
[0127]
式中，l
gas
为天然气热值(kwh/m3)，m
h2g
(t)为天然气混氢功率，m
gt
(t)、m
gb
(t)为第一气能机组70、第二气能机组80的用气量(按热值折算为功率)。
[0128]
在根据电能平衡约束、热能平衡约束和气能平衡约束构建平衡约束条件的步骤中，平衡约束条件是指低碳耦合能源系统需满足上述关系式，即在满足上述关系式后，形成了对低碳耦合能源系统的平衡约束。
[0129]
在一个应用场景中，可在模拟仿真软件中输入上述约束条件，进而实现对低碳耦
合能源系统的平衡约束，以及相应年化投资成本的计算。
[0130]
在另一个应用场景中，建立的模型混合整数线性优化模型，可采用matlab与cplex求解器进行求解。
[0131]
进一步地，氢储能装置30在运行中也需满足运行运输，应用如下公式：
[0132]
0≤p
el
(t)≤q
el
[0133]
0≤p
fc
(t)≤q
fc
[0134][0135][0136]
式中，p
el
(t)，和p
fc
(t)为电解槽31、燃料电池32的输出功率需满足上下限约束，分别为两类soc的最小、最大值。
[0137]
在配置过程中，一般还需保证soc在周期始末值不变，如下式所示。
[0138]
m
soc
(0)＝m
soc
(t)
[0139]
h
soc
(0)＝h
soc
(t)
[0140]
考虑到实际能量网络的物理约束，外购电、气应保持在一定范围内，如下式所示。
[0141][0142][0143]
式中，为最大购电量(实时功率)和最大购气量(实时体积速率)。
[0144]
此外，出于天然气管网安全及终端燃具燃烧性能的考虑，天然气混氢体积应在一定范围内，如下式所示。
[0145][0146]
式中，l
h2
为氢气热值，λ
h2g
为最大混氢比例。
[0147]
更进一步地，氢储能装置30的联供模型还包括供电特性、热力学特征和双soc模型等。
[0148]
关于供电特性：电解槽31和燃料电池32分别起耗电制氢和燃氢发电的作用，二者的氢能
‑
电能转换模型如下式所示。
[0149]
m
el
(t)＝η
el
p
el
(t)
[0150]
p
fc
(t)＝η
fc
m
fc
(t)
[0151]
式中，p
el
(t)、p
fc
(t)分别为电解槽31用电和燃料电池32发电的功率，m
el
(t)、m
fc
(t)分别为电解槽31产氢和燃料电池32耗氢的功率，η
el
、η
fc
分别为电解槽31电制氢、燃料电池32氢发电的能量转换效率。在氢储能装置30配置的研究中，为简化考虑，效率通常按常数考虑。
[0152]
为便于说明和分析，氢储能装置30的电热氢三类形式统一采用功率(kw)或能量(kwh)来描述。实际氢气的体积或质量可根据氢能的能量或功率、结合氢气的热值等常数换算得到。
[0153]
关于热力学特征：根据能量守恒方程，电解槽31、燃料电池32的基本热力学方程如
下式所示。
[0154][0155][0156]
式中，c
el
、r
el
、t
el
(t)为电解槽31的热容、热阻、工作温度(即电解质温度)；c
fc
、r
fc
、t
fc
(t)为燃料电池32的热容、热阻、工作温度，ta(t)为环境温度，h
el
(t)、h
fc
(t)为电解槽31和燃料电池32的冷却循环水吸热功率。
[0157]
以电解槽31为例，式中左侧为电解槽31的电解质吸热功率，右侧各项依次为耗电，产氢、环境热损失和冷却循环水吸热功率。园区ies的热网工质主要为热水，而电解槽31和燃料电池32的冷却循环水通过换热器传递热能，以热水的形式参与到园区ies的热网循环中。冷却循环水吸热功率h
el
(t)、h
fc
(t)即电解槽31、燃料电池32对外供热功率。可采用适当的方式控制冷却循环水的吸/放热功率，从而控制电解质的温度升降，进而起到一定程度上储存热能的效果。
[0158]
关于双soc(state of charge)模型：在氢储能装置30中，主要存在以下两类储能形式：
[0159]
(1)电能转化为氢能，以压缩气体的形式存储于储氢罐。
[0160]
(2)热能以电解质内能的形式存储于电解槽31和燃料电池32。
[0161]
本发明提供如下的双soc模型。
[0162][0163]
上述公式为储氢soc——m
soc
(t)的定义式及其变化率表达式。在m
soc
(t)的定义式中，m
ht
(t)和q
ht
分别为储氢罐的实时储氢量和最大储氢量(kwh)。m
soc
(t)的变化率取决于各项氢功率：输入项即电解槽31制氢功率m
el
(t)，输出则存在燃料电池32耗氢m
fc
(t)和天然气管网混氢m
h2g
(t)两项。考虑到天然气管网的安全和终端燃具的燃烧性能，仅有少量氢气可混入天然气，混氢天然气经两类燃气设备直接利用转化为电能和热能。
[0164][0165]
上述公式为储热soc——h
soc
(t)的定义式。右端分母为电解质最大可储热能量，t
max
、t
min
即为电解槽31、燃料电池32的电解质温度的上下限。
[0166]
需要说明的是，两类soc——m
soc
(t)和h
soc
(t)，均为无量纲变量。
[0167]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
[0168]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。
[0169]
最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。