考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法及系统与流程

本发明属于电热氢系统优化，特别是一种考虑多类型电解槽差异化特征的电热氢系统优化方法及系统。

背景技术：

1、目前，电热氢系统在许多领域都得到了广泛应用，例如能源存储、燃料电池、化学工业等。电热氢系统是一种将电能、氢能和热能高效耦合的系统，通过电解水将电能转化为氢气和热能，再通过燃料电池装置将氢气转化为电能和热能，实现能量的高效转换和存储。该系统具有高能效、低碳排放、促进可再生能源利用等优点，被视为未来能源领域的重要发展方向。

2、然而，要实现电热氢系统的高效运行，其优化至关重要。电解槽是电热氢系统中的核心设备之一，可以通过利用富余的可再生能源将水电解为氢气和氧气。不同类型的电解槽在结构、材料、工作原理等方面存在差异，导致其性能和特征不同。当前的研究大多数将电解槽模型简化为一个简单的转换系数，少有研究考虑电解槽的精细化运行约束。

3、另一方面，不同类型的电解槽具有不同的优势和适用范围。例如，传统的碱性电解槽具有成本低、电解效率高的优点；质子交换膜电解槽具有较高操作灵活性；高温固体氧化物电解槽具有较高的电解效率。目前大部分研究只考虑碱性电解槽的应用，较少有研究综合考虑碱性电解槽的差异化特征，在考虑多类型电解槽差异化特征的优化方面的研究还相对不足。因此，针对不同类型的电解槽，需要针对其差异化特征进行优化，以充分发挥它们各自的性能优势。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种考虑多类型电解槽差异化特征的电热氢系统优化方法及系统，旨在通过针对不同类型的电解槽进行特征分析和优化设计，以实现多类型电解槽的协同控制和差别化利用，提高电热氢系统的环保性、安全性和经济性，进一步推动电热氢系统在能源领域的应用。

2、为此，本发明采用的一种技术方案为：考虑多类型电解槽差异化特征的电热氢系统优化方法，其包括步骤：

3、1)分析不同类型电解槽在产出效率、灵活性和经济性方面的差异化特征，并建立多类型的统一通用数学模型；

4、2)建立电热氢系统模型，确定电热氢系统的设计参数；

5、3)考虑不同种类电解槽差异化特征，建立以电热氢系统经济性、环保性和可靠性为优化目标的双层优化设计模型；

6、4)结合粒子群算法和分支定界法求解双层优化设计模型。

7、本发明的电热氢系统优化方法考虑了多类型电解槽，综合利用多类型电解槽的差异化特征，更好地消纳具有波动性的可再生能源。

8、本发明采用的另一种技术方案为：考虑多类型电解槽差异化特征的电热氢系统优化系统，其包括：

9、多类型电解槽建模单元：分析不同类型电解槽在产出效率、灵活性和经济性方面的差异化特征，并建立碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽的统一通用数学模型；

10、电热氢系统建模单元：建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽、氢燃料电池、电锅炉、蓄电池、储氢罐和储热罐的电热氢系统模型，确定电热氢系统的设计参数；

11、优化模型建立单元：考虑不同种类电解槽差异化特征，建立以电热氢系统经济性、环保性和可靠性为优化目标的双层优化设计模型；

12、优化方案求解单元：采用粒子群优化算法求解上层设备容量设计模型，采用分支定界法求解下层系统优化运行模型。

13、本发明的电热氢系统优化系统考虑多类型电解槽的差异化特征，设计出更能灵活消纳具有强波动性的风光出力的分布式电热氢系统容量配置方案，并综合提升系统的经济性、环保性和可靠性。

技术特征：

1.考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤1)，所述的统一通用数学模型如下：

3.如权利要求1所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤2)，所述的电热氢系统模型如下：电热氢系统包括能量供给设备、能量转换设备、能量存储设备和负荷四个部分，通过电-热-氢耦合进行能量转换，以满足不同能源的负荷供给；其中，能量供给设备包括风机、光伏以及上级电网，能量转换设备包括电解槽、氢燃料电池和电锅炉，其中电解槽包括碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽，能量储存设备包括蓄电池、储氢罐和储热罐；电热氢系统的设计参数包括多类型电解槽容量、氢燃料电池容量、蓄电池容量、储氢罐容量、储热罐容量和电锅炉容量。

4.如权利要求3所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，电热氢系统的具体设备模型包括：

5.如权利要求1所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤3)，所述的双层优化设计模型如下：

6.如权利要求5所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，具体的目标函数表达式如下：

7.如权利要求6所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，上层设备容量设计模型约束条件：

8.如权利要求7所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，下层系统优化运行模型目标函数：

9.如权利要求1所述的考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法，其特征在于，所述步骤4)，采用粒子群算法求解上层设备容量设计模型，采用分支定界法求解下层系统优化运行模型，具体步骤如下：

10.考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种考虑多类型电解槽差异化的电热氢系统优化方法及系统。本发明采用的电热氢系统优化方法，包括：首先，分析不同类型电解槽在产出效率、灵活性和经济性方面的差异化特征，并建立多类型的统一通用数学模型；其次，建立电热氢系统模型，确定电热氢系统的设计参数；然后，考虑不同种类电解槽差异化特征，建立以电热氢系统经济性、环保性和可靠性为优化目标的双层优化设计模型；最后，结合粒子群算法和分支定界法求解双层优化设计模型。本发明能够综合利用多类型电解槽的差异化特征，设计出更能灵活消纳具有强波动性的风光出力的分布式电热氢系统容量配置方案，并综合提升分布式电热氢系统的经济性、环保性和可靠性。

技术研发人员：张雪松,赵波,林达,倪筹帷,葛晓慧,唐雅洁,龚迪阳,马瑜涵,章雷其,李志浩,汪湘晋,陈哲
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15