基于氢的近零碳排放综合能源系统及其运行优化方法

技术特征：
1.基于氢的近零碳排放综合能源系统，其特征是，包括：光伏发电机组、风力发电机组、电解槽、储氢罐、燃料电池、热泵、吸收式制冷机和储热装置；所述光伏发电机组和风力发电机组，负责供给电负荷；当电力过剩时，过剩的电负荷向电解槽输入直流电进行电解水来制取氢气，并将氢气储存到储氢罐中；当电力不足时，储氢罐为燃料电池提供氢气，燃料电池产生电力，满足电负荷需求；储热装置为电解槽提供热量；电解槽制取的氢气在压缩过程中释放热量，储热装置将压缩氢气释放的热量回收存储；燃料电池产生电力的过程中释放热量，储热装置将产生电力释放的热量回收存储；吸收式制冷机从储热装置中吸收热能进行制冷操作；热泵从光伏发电机组和风力发电机组中获取电量，产生热能或冷能。2.基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，包括：获取天气数据、负荷数据、设备参数和能源成本数据；获取每个小时的能流需求；构建基于氢的近零碳排放综合能源系统的数学模型；所述基于氢的近零碳排放综合能源系统的数学模型，包括：电解槽数学模型、燃料电池数学模型、吸收式制冷机数学模型、热泵数学模型；构建目标函数和约束条件；对目标函数进行求解，得到各个设备的输入值和输出值。3.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，电解槽数学模型，具体是指：电解槽的产氢率与电流有关：其中，为电解槽产氢率；i
cell
为电解槽的电流；p为电解槽压强；电解槽的温度与供热能流以及电解槽输入功率相关：t
elz
＝t
elz
(q
elz
,p
elz
)；其中，t
elz
表示电解槽工作温度，q
elz
表示储热装置向电解槽输送的热量；p
elz
表示电解槽的输入功率；电解槽效率：式中，η
e
为电解槽效率；hhv of h2表示氢气的高热值；c
e
为电解槽能耗；电解槽中进行反应，该反应需要电能热能的共同作用：h2o
→
h2(g) 1/2o2(g)。4.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，燃料电池数学模型，具体是指：发热量q
fc
：q
fc
＝η
he
p
fc
其中，q
fc
为燃料电池的发热功率；η
he
为燃料电池热-功率比；吸收式制冷机数学模型，具体是指：
制冷量q
c,ac
：q
c,ac
＝cop
ac
q
h,ac
其中，cop
ac
为吸收式制冷机的效率；q
h,ac
为吸收式制冷机进热量；热泵数学模型，具体是指：制热量q
h,hp
：q
h,hp
＝cop
h,hp
p
hp
；制冷量q
c,hp
：q
c,hp
＝cop
c,hp
p
hp
；其中，cop
c,hp
为热泵冷却效率，cop
h,hp
为热泵加热效率；p
hp
为热泵电能输入。5.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，构建基于氢的近零碳排放综合能源系统的数学模型；还包括：构建平衡方程；所述平衡方程，包括：电能平衡方程、热能平衡方程、冷能平衡方程和氢能平衡方程；所述电能平衡方程，是指：p
pv
p
wt-p
elz-p
hp
p
fc
＝p
l
其中，p
pv
为光伏发电量；p
wt
为风力发电量；p
elz
为电解槽耗电量；p
hp
为热泵电能输入；p
fc
为燃料电池发电量；p
l
为电负荷；所述热能平衡方程，是指：其中，q
fc
为燃料电池制热量，q
h,hp
为热泵制热量；q
h,hs
为压缩氢气释热量；q
elz
为储热装置向电解槽的供热量；q
h,ac
为吸收式制冷机进热量；为充热效率；为充热功率；为放热效率；为放热功率；q
h
为热负荷；所述冷能平衡方程，是指：q
c,hp
q
c,ac
＝q
c
q
c,hp
为热泵的制冷量；q
c,ac
为吸收式制冷机制热量；q
c
为冷负荷；所述氢能平衡方程，是指：其中，η
loss
为在压缩氢气过程中的能量消耗和作为热量散失的比例；p
elz
为电解槽输入功率；为储氢罐充氢功率；为储氢罐充氢效率，为季节储氢充氢功率；为季节储氢充氢效率；为储氢罐释氢功率；为储氢罐释氢效率，为季节储氢释氢功率；为季节储氢释氢效率；h
l
为氢负荷。6.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，构建目标函数和约束条件；其中，目标函数是以最小运行成本为优化目标的调度模型：所述运行成本，包括：设备运营成本、氢气售卖成本、弃光弃风惩罚成本。
7.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，约束条件，包括：储氢约束条件、储热约束条件和设备出力约束条件；其中，储氢约束条件，是指：季节性储氢在不同典型日之间实现氢气的充电和释放，储氢实现日内氢气的充电和释放，其中季节性储氢的运行约束如下：式(2)限制了每次充氢和释氢的最大量和最大储氢容量；其中，shs为季节性储氢seasonal hydrogen storage的缩写；为在s场景下t时shs的充电/释放功率；为1表示在s场景下t时，shs处于充电/释放状态；v
shs
为shs的功率容量比；cap
shs
为shs的最大安装容量；式(3)为不同季节的典型天，shs中只有一个状态，充电或释放；式(3)为不同季节的典型天，shs中只有一个状态，充电或释放；式(3)为不同季节的典型天，shs中只有一个状态，充电或释放；式(3)为不同季节的典型天，shs中只有一个状态，充电或释放；式(4)-(6)，c为储氢罐剩余容量，c的初始值在第一个典型天是装机容量的一半,其他典型天数为减去自放电能量损失后上一季充放电功率的累积；其中，为第一典型天的剩余容量；为在s场景下t时的剩余容量；为shs的自释放效率；为shs的充电效率；为shs的释放效率；ω(s)为s的场景概率；式(6)规定s场景的概率和为1；其中，储热约束条件，是指：其中，储热约束条件，是指：
为在s场景下t时储热装置的充热功率；为在s场景下t时储热装置的放热功率；为储热装置的最大充热功率；为储热装置的最大放热功率；为1表示在s场景下t时储热装置处于充热状态；为1表示在s场景下t时储热装置处于放热状态；式(8)限制了每次充热和放热的最大功率且充热和放热不能同时发生；式(9)-(11)中e为储热装置的剩余容量；式(9)为储热装置容量的上下限；为储热装置的自释放效率；为储热装置的充热效率；为储热装置的放热效率；式(10)表示t时刻储热装置的剩余容量；其中，设备出力约束条件，是指：式(12)表示在运行中各个设备的额定功率约束，θ代表各种设备包括：热泵、电解槽、燃料电池、吸收式制冷机、光伏、风电；表示设备的最小运行功率；表示各个设备的运行功率；表示各个设备的最大运行功率式(13)表示在运行中各个设备的爬坡约束，r为爬坡效率；式(13)表示在运行中各个设备的爬坡约束，r为爬坡效率；为1表示在s场景下t时，电解槽/燃料电池工作，式(14)表示电解槽和燃料电池不能同时工作。8.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，所述对目标函数进行求解，得到各个设备的输入值和输出值；所采用的求解算法，是：ngsa
‑ⅱ
优化算法。9.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，所述对目标函数进行求解，得到各个设备的输入值和输出值；这里的各个设备，具体包括：热泵、电解槽、燃料电池、吸收式制冷机、光伏、风电，储氢装置、储热装置。10.如权利要求2所述的基于氢的近零碳排放综合能源系统的运行优化方法，其特征是，所述方法，还包括：判断优化调度时间t是否等于设定数值，如果是就结束，如果否就对t
进行加一处理，更新储能设备，返回获取每个小时的能流需求的步骤。

技术总结
本发明公开了基于氢的近零碳排放综合能源系统及其运行优化方法，光伏和风力发电机组负责供给电负荷；当电力过剩时，过剩电负荷向电解槽输入直流电进行电解水来制取氢气，并将氢气储存到储氢罐中；当电力不足时，储氢罐为燃料电池提供氢气，燃料电池产生电力，满足电负荷需求；储热装置为电解槽提供热量；电解槽制取的氢气在压缩过程中释放热量，储热装置将压缩氢气释放的热量回收存储；燃料电池产生电力的过程中释放热量，储热装置将产生电力释放的热量回收存储；吸收式制冷机从储热装置中吸收热能进行制冷操作；热泵从光伏和风力发电机组中获取电量，产生热能或冷能。具有零碳经济、促进可再生能源消纳、源荷削峰填谷和跨季节储能调度的优点。能调度的优点。能调度的优点。


技术研发人员：孙波 张月 张承慧 李浩然 陈晶
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.02.25
技术公布日：2022/6/4