工业园区氢能综合利用站的能量管理方法与流程

技术特征：
1.一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征包括以下步骤：1)，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构，包括：制氢过程设备：电解槽；储氢设备：储氢罐，用于为燃料电池提供氢能，同时作为加氢站为氢燃料汽车提供燃料；用氢设备：燃料电池，包括：固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池；燃气锅炉：用于提供热能；由光伏风电和外电网提供电功率；2)，基于工业园区氢能综合利用站的系统结构，建立氢能综合利用站的精细化数学模型，包括：电解槽、燃料电池、储氢罐、燃气锅炉和光伏风电的数学模型；3)，考虑风光出力不同时段的氢能综合利用站的工作状态，制定能量管理方案。2.根据权利要求1所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1、建立电解槽的数学模型：步骤2.1.1利用式(1)得到电解槽的电压特性：式(1)中，u
el
(t)是t时刻电解槽的电压；u
rev
是电解槽的开路电压；r1、r2分别为电解槽的欧姆特性参数，s1、s2、s3、s4、s5和s6分别为电解槽的电极过电压参数；t
el
为电解槽的工作温度；a
el
为电解槽的面积；i
el
(t)为t时刻电解槽的直流电流；步骤2.1.2利用式(2)和式(3)分别建立电解槽的效率和功率数学模型：式(2)中，a1～a5为五个法拉第效率系数；i
el
为直流电流；p
el_h2
＝p
el
η
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，p
el
为电解槽从电母线电解制氢所需的输入功率；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；η
el
为电解槽的效率；步骤2.1.2利用式(4)建立电解槽的产氢速率模型：式(4)中，n
el
为产氢的速率；hhv为氢气的高热值；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；步骤2.2建立质子交换膜燃料电池的数学模型；步骤2.2.1利用式(5)建立单电池的输出电压v
cell
的数学模型：v
cell
＝v
n-v
act-v
ohm-v
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中，v
n
、v
act
、v
ohm
、v
con
分别为能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压和浓差极化过电压；步骤2.2.2利用式(6)～式(9)建立能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压损耗
和浓差极化过电压的数学模型：利用式(6)建立燃料电池能斯特电压的数学模型：式(6)中，v
n
为能斯特电压；t
fc
、分别为燃料电池的工作温度、氢气分压、氧气分压和水蒸气分压；利用式(7)建立活化极化过电压的数学模型：式(7)中，v
act
为活化极化电压；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4分别为四个经验参数；j分别为电池的电流密度和气液界面的氧溶解浓度；为输入的氧气分压；利用式(8)建立欧姆极化过电压的数学模型：式(8)中，v
ohm
为欧姆极化过电压；r
m
为质子通过膜电极的等效阻抗；r
c
电子通过极板的等效阻抗；ρ为膜阻率；β为膜的厚度；a为膜的有效面积；利用式(9)建立浓差极化过电压的数学模型：式(9)中，v
con
为浓差极化过电压；λ为温度相关系数；
ω
为气体在催化层中的增长率；步骤2.2.3建立质子交换膜燃料电池的输出功率模型：利用式(10)得到燃料电池的工作效率η
fc
：式(10)中，μ为燃料利用率；v
cell
为电池的输出电压；利用式(11)建立燃料电池的输出电功率和热功率数学模型：式(11)中，p
fc
为燃料电池输出的电功率；为储氢罐输出的功率；q
fc
为燃料电池输出的热功率；利用式(12)建立燃料电池的耗氢速率数学模型：式(12)中，n
fc
为燃料电池的耗氢速率；lhv为氢气的低热值；为储氢罐输出的功
率；步骤2.3建立光伏风电以及燃气锅炉的数学模型；步骤2.3.1利用式(13)建立光伏系统的数学模型：式(13)中，c
pv
为光伏系统的额定功率；s(t)为t时刻的辐照度；s
std
为标准辐照度；k为功率温度系数；t
c
(t)为t时刻的光伏发电板表面温度；t
ref
为参考温度；步骤2.3.2利用式(14)建立风电的数学模型：式(14)中，p
wt
(t)为风电在t时刻的出力；p
n
为风机的额定功率；v(t)为t时刻的风速；v
in
(t)为t时刻风机的切入风速；v
n
为额定功率时的风速；v
out
风机的切出风速；步骤2.3.3通过式(15)得到燃气锅炉的出力模型：q
gb
(t)＝η
gb
v(t)lv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式(15)中，η
gb
为燃气锅炉的效率；v(t)为t时刻消耗的天然气的体积；lv为天然气的低热值；q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的输出功率；步骤2.4利用式(16)建立储氢罐的数学模型：式(16)中，p
ht
(t)为t时刻储氢罐的压强；e
ht
(t)为t时刻的储氢量；r为阿伏伽德罗常数；为标准开氏温度；v
ht
为储氢罐的体积；n
el
(t)为t时刻电解槽的产氢量；n
fc
(t)为t时刻燃料电池的耗氢量；e
ht
(t-1)为t-1时刻的储氢量；δt为时间间隔；p
n
为额定压强；步骤2.5利用式(17)建立氢能综合利用站的碳排放数学模型：式(17)中，β
e
、β
h
分别表示单位电量、天然气量对应的碳排放；p
e,graid
(t)表示t时刻向电网购买的电量；v(t)表示t时刻消耗的天然气体积；lv表示天然气的低热值；步骤2.6在氢能综合利用站中，当电解槽工作时，风光发电和市电向电解槽供电，从而利用式(18)得到电母线t时刻的功率平衡约束：p
pv
(t) p
wt
(t) δp
grid
(t)-p
load
(t)＝p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)式(18)中，p
pv
(t)为t时刻的光伏出力；p
wt
(t)为t时刻的风机出力；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率；p
load
(t)为t时刻的负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入功率；δ表示0-1变量；
利用式(19)得到热母线的平衡约束：q
gb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)式(19)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；步骤2.7在氢能综合利用站中，当电解槽不工作，由燃料电池、风光发电和市电向电负荷供能；由燃气锅炉和燃料电池向热负荷供能，从而利用式(20)得到电母线功率平衡约束：p
pv
(t) p
wt
(t) δp
grid
(t) p
fc
(t)＝p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)式(20)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；利用式(23)得到热母线平衡约束：δq
gb
(t) q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)式(23)中，q
fc
(t)为燃料电池输出的热功率；步骤2.8，利用式(22)建立以碳排量最小为约束的目标函数：3.根据权利要求2所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，当风光处于出力较大时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：步骤3.1a，利用式(23)判断氢能综合利用站的工作状态，若满足式(23)，则执行步骤3.2a-步骤3.5a，否则，执行步骤4.1；p
pv
(t) p
wt
(t)≥p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)步骤3.2a，利用式(24)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.3a，否则，电解槽不工作：soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)式(24)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢状态量；步骤3.3a，利用式(25)得到t时刻电解槽的输入功率p
el
(t)：式(25)中，c
el
为电解槽的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；步骤3.4a，利用式(26)得到满足热负荷的t时刻燃气锅炉出力q
gb
(t)：q
gb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)式(26)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；步骤3.5a，利用式(27)得到工业园区与外电网购电的交互功率p
grid
(t)：p
grid
(t) p
pv
(t) p
wt
(t)＝p
load
(t) p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)。4.根据权利要求2中所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，当风光出力处于较小时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：步骤3.1b，利用式(28)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.2b，否则，燃料电池不工作；soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)式(29)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢量；
步骤3.2b，利用式(29)得到t时刻燃料电池输出的电功率p
fc
(t)：式(30)中，c
fc
为燃料电池的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；η
fc
为燃料电池的工作效率；步骤3.3b，利用式(30)得到t时刻燃料电池的输出热功率q
fc
(t)：式(31)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；步骤3.4b，利用式(31)得到t时刻燃气锅炉输出热功率q
gb
(t)：式(32)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率；步骤3.5b，利用式(32)得到t时刻工业园区与外电网的交互功率p
grid
(t)：p
grid
(t)＝max{p
load
(t)-p
pv
(t)-p
wt
(t)-p
fc
(t),0}
ꢀꢀꢀꢀ
(32)步骤3.6b，利用式(33)得到工业园区所需要的热能：δq
gb
(t) q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)式(33)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率。

技术总结
本发明公开了一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其步骤包括，1，确定工业园区综合利用电站的主要设备，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构图；2，建立电解槽、储氢罐、燃料电池、燃气锅炉和风光的数学模型，以及电母线和热母线的功率平衡约束方程；3，以工业园区碳排放量最小为约束，计及风光在不同时段的出力，考虑氢能综合利用站的工作状态和能量管理方案。本发明能够更加合理的对氢能综合利用站的能流进行控制，在保持供能可靠性的条件下，优化能量流动和充分实现能量的梯级利用，使工业园区处于可靠经济的供能运行状态，从而能够提高能量的利用效率。能够提高能量的利用效率。能够提高能量的利用效率。


技术研发人员：毕锐 王孝淦 袁华凯 朱正轩 吴红斌 王磊
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.01.11
技术公布日：2022/3/8