光氢燃料电池热电联供系统、容量配置方法及介质

1.本发明属于光氢燃料电池热电联供领域，特别是一种光氢燃料电池热电联供系统、容量 配置方法及介质。


背景技术：

2.截止2020底，全球光伏装机容量达到750gw，我国分布式发电装机容量达到252gw，随 着分布式电源在大型互联电网中渗透率越来越高，系统应对极端气候条件的能力也越来越弱。 如2020年8月，美国加利福尼亚州受极端高温天气影响，实施分区轮流限电措施以保证加州 电网稳定供能。2020年12月，我国南方地区出现极寒天气，发布有序限电通知；2021年2 月，美国德克萨斯州受极端寒潮影响，出现大范围、长时间的严重电力供应事故，400多万 家庭受到影响。造成停电的主要原因是系统不能灵活应对新能源的波动，远距离输电网架薄 弱落后，这提示我们在关注大型区域电网互联的同时，也应关注分布式电源的“分散式”发 展。
3.利用分布式光伏发电制氢，构建光伏-氢储能-燃料电池的热电综合供能对解决分布式光 伏供能不稳定问题是一个很好的解决方案。燃料电池发电效率可达50％-60％，其余氢能量转 换为热能，若将这部分余热收集利用，则综合效率可达85％-95％，否则，由于质子交换膜不 耐高温，需要专门的散热风扇对燃料电池散热，这将会进一步降低电能效率。实行热电联供 不仅可以节约能源，而且将发电和供热的两次温室气体排放降为一次，已成为分布式发电最 具前景的利用方式之一。


技术实现要素：

4.本发明提供的系统按照“基荷运行”，在光伏发电满足基本负荷的前提下，在电解槽的 低效制氢区间，电加热装置启动利用系统盈余的电能制热；若大于电解槽的最小功率运行点， 电解槽先启动制氢；在电解槽达到最大功率且仍有盈余时电加热装置启动，共同消耗系统盈 余的电能，以免出现弃光现象，造成能源浪费。在此策略下，以经济成本最优为目标函数， 储能装置始末状态相同为约束条件，通过粒子群算法对系统容量配置进行优化。
5.一种光氢燃料电池热电联供系统，包括：控制中心、光伏阵列、燃料电池、电解槽、电 加热装置、逆变器、储氢罐和储热罐；
6.所述控制中心，用于控制调配系统内各个设备的运行；
7.所述光伏阵列，用于将光能转化为电能，提供给系统；
8.所述燃料电池，用于与所述控制中心通信，产生电能辅助地提供给系统；
9.所述电解槽，用于与所述控制中心通信，获取系统的电能，电解出氢气和水；
10.所述电加热装置，用于与与所述控制中心通信，加热系统的冷水，反馈热水给到系统；
11.所述逆变器，用于将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电，同时防止
电流 逆流；
12.所述储氢罐，用于与所述控制中心通信，储存所述电解槽电解出的氢气并提供给所述燃 料电池；
13.所述储热罐，用于与与所述控制中心通信，储存系统热能，并将冷水供给所述电加热装 置。
14.进一步的，所述逆变器，包括第一逆变器、第二逆变器和第三逆变器；所述第一逆变器， 与所述光伏阵列相连接，用于将所述光伏阵列输出的直流电转化为交流电，供给所述系统； 所述第二逆变器，与所述燃料电池相连接，将所述燃料电池输出的交流电转化为直流电，供 给所述系统；所述第三逆变器，与所述电解槽相连接，将所述系统内的交流电转化为直流电， 供给所述电解槽。
15.进一步的，还包括电负荷，所述系统的电能还能供给所述电负荷。
16.进一步的，还包括输热管道，所述输热管道包括供热水管和热回水管；所述输热管道分 别与所述电加热装置、燃料电池、电解槽和储热罐连接。
17.进一步的，还包括热负荷，所述系统的热能还能提供给所述热负荷。
18.一种光氢燃料电池容量配置方法，所述方法是基于上述光氢燃料电池热电联供系统实现 的，所述方法为：
19.微网容量规划以成本最优为目标，同时将弃光量、缺电量及缺热量以惩罚项的形式计 入目标函数以实现稳定供能；
20.经济成本目标函数可表示：
[0021][0022]
式中：si、ci分别表示第i类设备的容量单位成本和容量规模；为第i类设备每年运维 耗资占购买成本比例；r为实际年利率，本发明取10％；n为设备寿命周期；
[0023][0024]
式中，α、β、γ为随弃光量、缺电量、缺热量变化的惩罚单价；wpv tot为弃光量、we tot 为缺电量、wh tot为缺热量。
[0025]
进一步的，
[0026]
电解槽处于平稳运行状态时，温度变化幅度很小，可忽略与环境交换热损耗，电解槽的 热电平衡方程：
[0027]qel
＝(1-η
el
)p
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0028]
式中，p
el
为电解槽输入电功率；q
el
为电解槽产热功率，以热水的形式存储作为热网的热 源；η
el
为电解槽制氢效率；
[0029]
燃料电池处于平稳运行状态时，与电解槽相似，可忽略环境热损耗，燃料电池的热电平 衡公式：
[0030][0031]
式中，p
fc
为燃料电池的输出电功率；q
fc
为燃料电池的产热功率；η
fc
为燃料电池的发电 效率；
[0032]
电解槽制氢模型：
[0033]wel
(t)＝p
el
(t)η
el
/39.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0034]
式中，w
el
(t)为t时刻电解槽制氢的质量；39.2kw
·
h是理想情况下的1kg氢气等效转换 的电能；
[0035]
燃料电池输出功率模型：
[0036]
p
fc
(t)＝39.2w
fc
(t)η
fc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0037]
式中，w
fc
(t)为t时刻储氢罐输出氢气的质量；
[0038]
储氢罐的数学模型：
[0039][0040]
式中，w
sh
(t)为t时刻储氢罐储存的氢气质量；ηh为储氢效率，本发明取值为90％；δt 为时间步长；
[0041]
系统运行中，氢储能系统t时刻的最大输出功率受元件自身容量与储氢罐剩余容量的限 制，其数学表达式：
[0042][0043][0044]
式中，c
el
、c
fc
为电解槽与燃料电池的容量；w
sh,max
、w
sh,min
为储氢罐储氢容量的上限、 下限；本发明取w
sh,max
＝0.9c
sh
、w
sh,min
＝0.2c
sh
；
[0045]
电制热设备将电能转换成热能，其制热方程：
[0046]qeh
(t)＝η
eh
p
eh
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0047]
式中，p
eh
(t)为t时刻电制热装置输入电功率；q
eh
(t)为t时刻电制热装置输出热功率；η
eh
为电制热设备制热效率。
[0048]
进一步的，
[0049]
电功率平衡约束
[0050][0051]
式中，η
pv
(t)是t时刻光伏出力因子，其值在0～1之间；c
pv
为光伏电池容量；η
pv
(t)c
pv
为 光伏t时刻光伏最大出力；
[0052]
热功率平衡约束
[0053]
[0054]
式中，q
st
(t)为t时刻储热罐储热量；ηh为热网效率；
[0055]
各设备容量约束
[0056][0057]
始末状态约束
[0058][0059]
一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码 集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并 执行以实现上述光氢燃料电池容量配置。
[0060]
本发明的有益效果是：
[0061]
本发明与现有技术相比电池的容量配置是一致的，都能满足光伏发电较小或无光照时的 电能供应；
[0062]
现有技术的电解槽容量配置偏高，造成了储氢罐容量末状态较初始升高了6.8％，持续几 个运行周期可能出现制氢量过剩问题；本发明配置了较少容量的电解槽，储氢罐的始末状态 相同，更利于系统长期稳定运行；
[0063]
现有技术配置的光伏功率偏低，电加热装置配置偏高，造成储热罐的末状态相比初始状 态下降了14％，不利于系统长期运行；本发明配置了较高容量的光伏发电功率和电加热功率， 在12:00到13:00时间段内，电解槽和电加热装置都以额定功率运行，较高的制热量减少了储 热罐的后备容量，且保证了储热罐的始末状态相同，利于系统长期稳定运行；
[0064]
本发明的电解槽容量较现有技术减少了89.5kw，减少的这部分热量由电加热装置提供。 由于电加热装置价格仅为电解槽价格的4.5％，所以本发明的综合成本为现有技术的97.8％， 经济性更好。
附图说明
[0065]
图1为本发明系统结构示意图；
[0066]
图2为本发明运行控制策略示意图。
具体实施方式
[0067]
如图1所示，一种光氢燃料电池热电联供系统，包括：控制中心、光伏阵列、燃料电池、 电解槽、电加热装置、逆变器、储氢罐和储热罐；
[0068]
所述控制中心，用于控制调配系统内各个设备的运行；
[0069]
所述光伏阵列，用于将光能转化为电能，提供给系统；
[0070]
所述燃料电池，用于与所述控制中心通信，产生电能辅助地提供给系统；
[0071]
所述电解槽，用于与所述控制中心通信，获取系统的电能，电解出氢气和水；
[0072]
所述电加热装置，用于与与所述控制中心通信，加热系统的冷水，反馈热水给到系统；
[0073]
所述逆变器，用于将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电，同时防止电流 逆流；
[0074]
所述储氢罐，用于与所述控制中心通信，储存所述电解槽电解出的氢气并提供给所述燃 料电池；
[0075]
所述储热罐，用于与与所述控制中心通信，储存系统热能，并将冷水供给所述电加热装 置。
[0076]
所述逆变器，包括第一逆变器、第二逆变器和第三逆变器；所述第一逆变器，与所述光 伏阵列相连接，用于将所述光伏阵列输出的直流电转化为交流电，供给所述系统；所述第二 逆变器，与所述燃料电池相连接，将所述燃料电池输出的交流电转化为直流电，供给所述系 统；所述第三逆变器，与所述电解槽相连接，将所述系统内的交流电转化为直流电，供给所 述电解槽。
[0077]
还包括电负荷，所述系统的电能还能供给所述电负荷。
[0078]
还包括输热管道，所述输热管道包括供热水管和热回水管；所述输热管道分别与所述电 加热装置、燃料电池、电解槽和储热罐连接。
[0079]
还包括热负荷，所述系统的热能还能提供给所述热负荷。
[0080]
电解槽处于平稳运行状态时，温度变化幅度很小，可忽略与环境交换热损耗，电解槽的 热电平衡方程：
[0081]qel
＝(1-η
el
)p
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0082]
式中，p
el
为电解槽输入电功率；q
el
为电解槽产热功率，以热水的形式存储作为热网的热 源；η
el
为电解槽制氢效率，本发明取值为60％。
[0083]
燃料电池处于平稳运行状态时，与电解槽相似，可忽略环境热损耗，燃料电池的热电平 衡公式：
[0084][0085]
式中，p
fc
为燃料电池的输出电功率；q
fc
为燃料电池的产热功率；η
fc
为燃料电池的发电 效率，本发明取值为60％。
[0086]
电解槽制氢模型：
[0087]wel
(t)＝p
el
(t)η
el
/39.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0088]
式中，w
el
(t)为t时刻电解槽制氢的质量；39.2kw
·
h是理想情况下的1kg氢气等效转换 的电能。
[0089]
燃料电池输出功率模型：
[0090]
p
fc
(t)＝39.2w
fc
(t)η
fc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0091]
式中，w
fc
(t)为t时刻储氢罐输出氢气的质量。
[0092]
储氢罐的数学模型：
[0093][0094]
式中，w
sh
(t)为t时刻储氢罐储存的氢气质量；ηh为储氢效率，本发明取值为90％；
δt 为时间步长。
[0095]
系
[0096]
统运行中，氢储能系统t时刻的最大输出功率受元件自身容量与储氢罐剩余容量的限制， 其数学表达式：
[0097][0098][0099]
式中，c
el
、c
fc
为电解槽与燃料电池的容量；w
sh,max
、w
sh,min
为储氢罐储氢容量的上限、 下限；本发明取w
sh,max
＝0.9c
sh
、w
sh,min
＝0.2c
sh
。
[0100]
电制热设备将电能转换成热能，其制热方程：
[0101]qeh
(t)＝η
eh
p
eh
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0102]
式中，p
eh
(t)为t时刻电制热装置输入电功率；q
eh
(t)为t时刻电制热装置输出热功率；η
eh
为电制热设备制热效率，本发明取值为95％。
[0103]
微网容量规划以成本最优为目标，同时将弃光量、缺电量及缺热量以惩罚项的形式计 入目标函数以实现稳定供能。
[0104]
经济成本目标函数可表示：
[0105][0106]
式中：si、ci分别表示第i类设备的容量单位成本和容量规模；为第i类设备每年运维 耗资占购买成本比例；r为实际年利率，本发明取10％；n为设备寿命周期。
[0107][0108]
式中，α、β、γ为随弃光量、缺电量、缺热量变化的惩罚单价；wpv tot为弃光量、we tot 为缺电量、wh tot为缺热量。
[0109]
约束条件：
[0110]
(1)电功率平衡约束
[0111][0112]
式中，η
pv
(t)是t时刻光伏出力因子，其值在0～1之间；c
pv
为光伏电池容量；η
pv
(t)c
pv
为 光伏t时刻光伏最大出力。
[0113]
(2)热功率平衡约束
[0114]
[0115]
式中，q
st
(t)为t时刻储热罐储热量；ηh为热网效率，本发明取值为98％。
[0116]
(3)各设备容量约束
[0117][0118]
(4)始末状态约束
[0119][0120]
微电网运行控制策略与求解方法：
[0121]
运行控制策略：
[0122]
系统通过调节各设备的启停顺序与出力多少，使系统稳定运行。本发明所提运行策略如图 2所示。图中p
elmax
(t)、p
fcmax
(t)计算分别对应式(6)、式(7)，字母a～h表示在对应时间 段内的各模块出力顺序及出力大小分配规则，具体如下：
[0123]
a：系统净功率δp(t)小于电解槽的最低运行功率，且小于电加热装置的最大功率，全部 净功率δp(t)用于电加热，p
eh
(t)＝δp(t)，若发热功率大于基本热需求，则将多余热能储存，否 则，与储热罐共同供热；
[0124]
b：系统净功率δp(t)小于电解槽的最低运行功率，但大于电加热装置的最大功率，电加 热装置以最大功率运行，peh(t)＝peh,max，不能消纳的功率记为弃光功率ppvloss(t)＝δp(t)
ꢀ‑
peh(t)，若发热功率大于基本热需求，则将热能储存，否则，与储热罐共同供热；
[0125]
c：系统净功率δp(t)处于电解槽的工作区域，但余热不能满足基本热负荷需求，电解槽 以最低功率运行，pel(t)＝0.1δp(t)，其他功率用于电加热供热，peh(t)＝δp(t)-pel(t)，满足基本 负荷后的剩余热能储存到储热罐；
[0126]
d：系统净功率δp(t)大于电解槽的最低运行功率，同时余热能够满足基本热负荷需求， 全部净功率δp(t)用于电解槽制氢，收集余热进行供热，pel(t)＝δp(t)，满足基本负荷后的热能 储存到储热罐；
[0127]
e：系统净功率δp(t)超出系统总负荷，发生弃光现象。电解槽和电加热设备以最大功率 运行，pel(t)＝pel,max，peh(t)＝peh,max，弃光功率记为ppvloss(t)＝δp(t)-pel,max-peh,max，满 足基本负荷后的热能储存到储热罐；
[0128]
f：电解槽以最大功率运行，pel(t)＝pel,max，其余电能给电加热设备进行供热， peh(t)＝δp(t)-pel(t)；
[0129]
g：系统净功率δp(t)小于0，缺额功率小于燃料电池工作的最大功率，燃料电池功率等 于缺额功率，pfc(t)＝δp(t)，燃料电池与储热罐共同供热；
[0130]
h：燃料电池最大输出功率小于缺额功率δp(t)，燃料电池以最大功率运行，pfc(t)＝pfc,max， 缺电功率记为ploss(t)＝δp(t)-pfc(t)，燃料电池放热和储热罐共同供热；
[0131]
i：燃料电池以最大功率工作，pfc(t)＝pfc,max，但系统供热功率不能满足系统基
本热负荷 需求，将差额热功率记为缺热功率qloss(t)。
[0132]
模型求解方法：
[0133]
在光氢储能系统中，以光伏电池、电解槽、燃料电池、电加热、储氢罐和储热罐的容量 为优化变量，结合本发明运行控制策略，建立优化配置模型。鉴于粒子群算法参数简单、鲁 棒性好等优点，本发明采用粒子群算法求解优化变量的基本步骤如下：
[0134]
(1)先设置基本参数，包括储能罐初始状态系数、设备基本参数等；
[0135]
(2)设定粒子迭代次数、种群大小，在边界范围内初始化粒子速度、位置；
[0136]
(3)将初始化粒子代入控制策略，求取系统弃光量、缺电量和缺热量；
[0137]
(4)对初始粒子求适应度值，并初次筛选局部最优解和全局最优解；
[0138]
(5)根据速度公式更新速度并将速度越限粒子拉回边界内，同样对位置更新，并将越限 粒子拉回边界；
[0139]
(6)将速度和位置更新后的粒子代入第三步，迭代循环至最大迭代次数终止，得到最优 容量配置。
[0140]
算例分析
[0141]
典型仿真场景
[0142]
现有技术曾对光伏制氢系统中各设备容量进行优化配置，本发明对同一案例，在既定控 制策略下，在matlab软件中，采用粒子群算法对其进一步进行容量优化配置，结果电热负荷 的高峰区间基本一致，主要集中在上午8:00到11:00，下午4:00到6:00，在该时间段内，光 辐射相对较低，需要较多的使用到储能装置，所以需要储能容量的配置尽量精确，有一定裕 度空间的前提下能满足系统要求，但不能容量配置过大。
[0143]
本发明设定微电网系统的寿命周期为20年，其他设备参数见表1。
[0144]
表1各设备参数
[0145]
tab.1 individual device parameters
[0146][0147]
光氢储与光蓄储配置结果
[0148]
将光伏氢储能与光伏蓄电池在相同的场景下通过粒子群算法进行容量配置，设置粒子种 群数量为150，迭代次数为170次，得到两种系统的配置方案和函数值，见表2。
[0149]
方案1为本发明所配结果，方案2为熊宇峰等的配置结果，两方案的燃料电池容量配置 一致，差异在于电解槽、电加热和储热罐的配置不同。本发明电解槽配置容量减小了110kw， 相应的储氢罐也减少约7kg，电加热装置容量略高，储热罐减少527kw，下降了18％。两方 案的最大不同在于热能的制取与储存方面，本发明配置电解槽容量低于原方案，相比原文电 解槽少消耗的这部分电能用于供给电加热装置高效制热，充足的热量来源减少了储热罐的备 用容量。
[0150]
表2容量配置结果
[0151]
tab.2 capacity configuration results
[0152][0153]
方案1的功率在10:00到15:00内略高于方案2，其余时间段因为光伏出力因子很小，所 以功率差几乎为零。
[0154]
方案1在10:00到达电解槽的额定功率，方案2由于配置容量大，在11:00到达峰值，一 直持续到15:00。由于方案2的电解槽容量配置较高，所以其制氢量也相应高于方案1。其余 阶段相等，是因为光伏发电量减少，小于方案2电解槽的额定功率。
[0155]
在上午9:00时，方案1功率较低，是由于方案1的光伏容量配置较高，系统功率缺额小 于方案2所致。
[0156]
方案1的制热功率整体高于方案2。方案1电加热从10:00开始启动，正是其电解槽达到 峰值功率的时刻。方案1从12:00到13:00运行在电加热的额定功率370kw，而方案2的电 加热运行在243kw，未达到其额定容量351kw，其容量配置偏大。
[0157]
方案1的始末状态相同，方案2则约高出6.8％，如果累积几个运行周期，将造成储氢罐 的储氢量饱和，导致能源浪费。可以发现，方案2的配置中，电解槽容量配置偏高。
[0158]
方案2的制热量比方案1多187kw
·
h。燃料电池制热功率曲线，两者基本一致。方案1 的制热量约为方案2的1.86倍，多638.6kw
·
h。
[0159]
在11:00时，其能量状态到达最低点，为方案1为储热罐的6％，方案2为储热罐的15.6％， 可以发现方案2的裕量空间更大。但在24:00时，储热罐能量状态相比初始状态下降了14％， 不利于长期运行。方案1则同初始状态相同，满足长期运行的条件。
[0160]
综上，通过对比两种方案下的容量配置结果，并通过matlab软件进行为期一天的仿真运 行，发现两类方案都能较好的满足系统运行要求。
[0161]
(1)两者燃料电池的容量配置是一致的，都能满足光伏发电较小或无光照时的电能供应。
[0162]
(2)原文方案的电解槽容量配置偏高，造成了储氢罐容量末状态较初始升高了6.8％， 持续几个运行周期可能出现制氢量过剩问题。本发明方案配置了较少容量的电解槽，储氢罐 的始末状态相同，更利于系统长期稳定运行。
[0163]
(3)原文方案配置的光伏功率偏低，电加热装置配置偏高，造成储热罐的末状态相比初 始状态下降了14％，不利于系统长期运行。本发明方案配置了较高容量的光伏发电功率和电 加热功率，在12:00到13:00时间段内，电解槽和电加热装置都以额定功率运行，较高的制热 量减少了储热罐的后备容量，且保证了储热罐的始末状态相同，利于系统长期稳定运行。
[0164]
(4)本发明配置方案的电解槽容量较原文减少了89.5kw，减少的这部分热量由电加热 装置提供。由于电加热装置价格仅为电解槽价格的4.5％，所以本发明的综合成本为原文的 97.8％，经济性更好。
[0165]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本 发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。