一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法

1.本发明属于电网运行技术领域，特别是涉及到应用于含电氢耦合系统的计及滤波的电氢耦合系统容量配置优化方案。


背景技术：

2.现有技术对电氢耦合系统进行研究，没有考虑光伏发电机组发电功率波动对系统设备尤其是电解槽的不利影响也没有考虑平抑光电功率高频部分的具体措施。因此，需要削弱光电功率的波动以此避免对设备的危害以及设计出合理的容量配置优化方案。该方案对光伏发电制氢系统的开发利用具有重要的指导意义。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法，能够有效进行设备的容量配置、具有较高实际应用价值的计及滤波的电氢耦合系统容量配置优化方案；此方案适用于电氢耦合系统光电波动处理、系统功率调控等研究。
4.一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
5.步骤一、构建电氢耦合系统设备模型，包括光伏发电机组模型、碱性电解槽模型、质子交换膜燃料电池模型、蓄电池模型以及氢储能系统模型；
6.步骤二、通过步骤一光伏发电机组模型获得的功率变化按频率范围可以分为高频区和低频区功率；高频区功率为数字信号中需消除的高频噪声信号，采用数字信号处理中的低通滤波方法消除发电机组输出的高频部分功率；
7.光电过剩的多余电能通入电解槽中电解制氢，通过对光电功率进行滤波，减小高频部分功率对电解槽损害，由蓄电池吸收高频部分功率，提高光电的消纳率和能量的利用率；首先定义净功率p
net
大小为光伏机组输出功率p
wt
和负载需求功率p
load
的差值；然后对净功率进行低通滤波，一阶惯性滤波系统会将功率分成高频和低频两个部分，经过滤波后的低频部分功率通入电解槽/燃料电池中，而高频部分功率则由蓄电池吸收；调整滤波参数，使得相同时间下滤波前后的净功率正负保持一致；
8.步骤三、建立系统容量配置模型
9.以系统投资成本和运维成本之和最小作为目标函数，投资成本分为初始投资成本和辅助投资成本，
10.c
total
＝crf
·cmain
+crf
·caux
+c
o&m
11.式中，crf为资金回收系数，c
main
为初始投资成本、c
aux
为辅助投资成本、c
o&m
为设备运维成本；
12.其中，资金回收系数为，
13.14.式中，r为年利率，y为设备的寿命；
[0015][0016]
式中，为光伏发电机组总容量、为蓄电池总容量、为电解槽总容量、为燃料电池总容量、为储氢罐总容量、c
wt
为光伏发电机组单位容量成本、c
bat
为蓄电池单位容量成本、c
el
为电解槽单位容量成本、c
fc
为燃料电池单位容量成本、c
tank
为储氢罐单位容量成本、k为辅助投资成本和初始投资成本间的比例系数、c
o&m，wt
为光伏发电机组单位时间运维成本、c
o&m，bat
为蓄电池单位时间运维成本、c
o&m，el
为电解槽单位时间运维成本、c
o&m，fc
为燃料电池单位时间运维成本、c
o&m，tank
为储氢罐单位时间运维成本、h
el
(t|t+1)为电解槽运行时间、h
fc
(t|t+1)为燃料电池运行时间；
[0017]
当光伏发电机组出力与负荷消耗功率不匹配时，负荷需求无法得到满足造成缺额功率，负荷失电率定义为任意时刻系统无法满足的负荷功率的需求部分与负荷总需求的比值，其表达式为：
[0018][0019]
式中，lpsp为负荷失电率，pd为负荷缺额功率，p
load
为负荷功率；
[0020]
当光伏发电机组出力与负荷消耗功率不匹配时，储能系统无法吸收部分盈余功率，弃光率定义为任意时刻光伏发电机组的过剩功率与光伏发电机组实际输出功率比值，其表达式为，
[0021][0022]
式中，eer为系统弃光率，p
loss
为光伏发电机组弃光功率，p
wt
为光伏发电机组功率。
[0023]
所述步骤三建立的系统容量配置模型需满足以下约束条件，
[0024]
一、储能状态约束
[0025][0026]
式中，soc为蓄电池荷电状态，soc
min
为蓄电池荷电水平下限，soc
max
为蓄电池荷电水平上限，s
tan
为储氢罐储氢水平，s
tan,min
为储氢罐储氢水平下限，s
tan,max
为储氢罐储氢水平上限；
[0027]
二、功率大小约束
[0028][0029]
式中，p
bat,min
为蓄电池功率下限，p
bat,max
为蓄电池功率上限，p
el,min
为电解槽功率下
限，p
el,max
为电解槽功率上限，p
fc,min
为燃料电池功率下限，p
fc,max
为燃料电池功率上限。
[0030]
三、容量大小约束
[0031][0032]
式中，为光伏发电机组总容量下限，为光伏发电机组总容量上限，为电解槽总容量下限，为电解槽总容量上限，为燃料电池总容量下限，为燃料电池总容量上限，为储氢罐总容量下限，为储氢罐总容量上限，为蓄电池总容量下限，为蓄电池总容量上限。
[0033]
四、功率平衡约束
[0034][0035]
所述步骤一构建的光伏发电机组模型为，
[0036][0037][0038]
式中，v
oc
为其处于标准工作状态下的开路电压值；v
max
为其运行至最大工作状态下的电压的最大值；i
max
为其运行在工作在最大工作状态下的电流的最大值；
[0039]
此外，δi
pout
由式下表示：
[0040]
δi
pout
＝αsi/s
ref
δt+(si/s
ref-1)i
sc
[0041]
式中，s
ref
为该时刻下日照强度基准值；α为上述日照强度电流变化时的温度系数；δv
pout
由下式表示；
[0042]
δv
pout
＝-βδt-rsδi
pout
[0043]
式中，δt可由下式表示：
[0044]
δt＝t
c-t
ref
[0045]
tc由下式表示：
[0046]
tc＝t+tcsi[0047]
式中，t为该时刻下的温度；tc为其温度系数。
[0048]
所述步骤一中构建的碱性电解槽模型为
[0049]
电解槽的u-i方程为：
[0050][0051]
式中：δg为电化学反应过程的gibbs自由能变，z为每次反应电子转移数，f为法拉
第常数96485，r1、r2为电解液欧姆电阻参数，t
el
为电解槽温度，a
cell
为电解模块面积，i
el，cell
为单模块直流电流，sn为电极过电压系数(n＝1
…
3)，tn为电极过电压系数(n＝1
…
3)；
[0052]
碱性电解槽产氢速率为：
[0053][0054]
式中：ηf表达式为：
[0055][0056]
式中：ηf为法拉第效率，n
el
为电解槽串联模块个数，z为每次反应电子转移数，an为法拉第效率系数(n＝1
…
3)。
[0057]
所述步骤一构建的质子交换膜燃料电池模型为
[0058]
质子交换膜燃料电池模块输出电压为：
[0059][0060]
式中：v
cell
为单模块输出电压，e
nernst
为热力学电动势，u
act
为活化过电压，u
ohm
为欧姆过电压，u
conc
为浓差过电压，u
fc
为质子交换膜燃料电池电压，n
fc
为串联电池的数量；
[0061]
质子交换膜燃料电池模块活化过电压为：
[0062]uact
＝[ξ1+ξ2t
fc
in(co2)+ξ4×
t
fc
×
in(i
fc
)]
[0063]
其中，
[0064][0065]
式中：ξ1，ξ2，ξ3和ξ4是经验参数，i
fc
为燃料电池模块电流，c
o2
为阴极气液面的氧气浓度，p
o2
为燃料电池氧界面分压；
[0066]
质子交换膜燃料电池模块欧姆过电压为：
[0067][0068]
其中，
[0069][0070]
式中：l为膜的厚度，rm为膜的电阻率，rc为阻碍质子通过膜的阻抗，a为膜的有效面积；
[0071]
质子交换膜燃料电池模块浓差过电压为：
[0072]uconc
＝-bin(1-j/j
max
)
[0073]
式中：j和j
max
分别为电流密度和最大电流密度，b为方程常数，由电池运行状态决
定。
[0074]
所述步骤一构建的蓄电池模型为
[0075]
蓄电池的荷电状态soc能反应蓄电池储存电量的程度，其定义如下：
[0076][0077]
式中：qn为蓄电池额定容量，i(τ)为充放电电流，soc为蓄电池剩余电量百分比(荷电状态)，n
b-s
与n
b-p
分别为蓄电池中电池串联和并联个数。
[0078]
所述步骤一构建的氢储能系统模型为
[0079]
任意δt时间储氢罐储氢量为:
[0080][0081]
式中：n
h2
(t0)为t0时刻储氢罐储氢量，为储氢罐进氢率，为储氢罐出氢率；
[0082]
氢水平为当前储氢量与最大储氢量的比值：
[0083][0084]
式中：n
h2
(t)为t时刻储氢罐的储氢量，n
h2,max
为储氢罐最大储氢量。
[0085]
所述步骤二净功率大于0的工况包括以下工况，
[0086]
以下，p
net
为净功率，p
el
为电解槽功率，p
fc
为燃料电池功率，p
bat
为蓄电池功率；
[0087]
工况1：储氢罐容量低于上限，在满足负荷功率需求后，光伏发电机组功率一部分用于电解槽电解制氢，一部分用于蓄电池充电，弃光量大小为p
net-p
el-p
bat
；
[0088]
工况2：储氢罐容量低于上限，在满足负荷功率需求后，光伏发电机组功率全部用于电解槽电解制氢，弃光量大小为p
net-p
el
；
[0089]
工况3：储氢罐容量低于上限，在满足负荷功率需求后，光伏发电机组功率无法满足电解槽功率需求，蓄电池放电，缺电量大小为|p
el-p
net
+p
bat
|；
[0090]
工况4：储氢罐容量低于上限，在满足负荷功率需求后，光伏发电机组功率无法满足电解槽功率需求，蓄电池无法放电，缺电量大小为|p
el-p
net
|；
[0091]
工况5：储氢罐容量高于上限，在满足负荷功率需求后，光伏发电机组功率全部用于蓄电池充电，弃光量大小为p
net-p
bat
；
[0092]
工况6：储氢罐容量高于上限，在满足负荷功率需求后，电解槽和蓄电池都无法充电，弃光量大小为p
net
。
[0093]
所述步骤二净功率小于0工况的工况包括以下工况，以下，p
net
为净功率，p
el
为电解槽功率，p
fc
为燃料电池功率，p
bat
为蓄电池功率；
[0094]
工况1：储氢罐容量高于下限，燃料电池无法满足负荷缺额功率需求，蓄电池放电，缺电量大小为|p
net-p
fc-p
bat
|；
[0095]
工况2：储氢罐容量高于下限，燃料电池无法满足负荷缺额功率需求，蓄电池无法放电，缺电量大小为|p
net-p
fc
|；
[0096]
工况3：储氢罐容量高于下限，在满足负荷缺额功率需求后，燃料电池给蓄电池充
电，弃光量大小为|p
fc-p
net-p
bat
|；
[0097]
工况4：储氢罐容量高于下限，在满足负荷缺额功率需求后，蓄电池无法充电，弃光量大小为|p
fc-p
net
|；
[0098]
工况5：储氢罐容量低于下限，燃料电池无法放电，蓄电池放电，缺电量大小为|p
net-p
bat
|；
[0099]
工况6：储氢罐容量低于下限，燃料电池和蓄电池都无法放电，缺电量大小为|p
net
|。
[0100]
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法，能够有效进行设备的容量配置、具有较高实际应用价值的计及滤波的电氢耦合系统容量配置优化方案；此方案适用于电氢耦合系统光电波动处理、系统功率调控等研究。
附图说明
[0101]
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0102]
图1为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法基于滤波的功率分配图。
[0103]
图2为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法原始净功率频谱分析图。
[0104]
图3为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法滤波后净功率频谱分析图。
[0105]
图4为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法电氢耦合系统运行控制策略流程图。
[0106]
图5为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法电氢耦合系统容量优化配置流程图。
[0107]
图6为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法氢储能系统日运行图。
[0108]
图7为本发明一种计及滤波的电氢耦合系统容量优化配置方法蓄电池日运行图。
具体实施方式
[0109]
本发明的一种计及滤波的电氢耦合系统容量配置优化方案，如图1-图7所示，包括以下内容：
[0110]
具体实例：
[0111]
结合电网实际运行参数，利用仿真软件对本发明的计及滤波的电氢耦合系统容量配置优化方法进行分析。设定光伏发电系统装机容量为10kw，单位容量成本为5250元
·
kw-1
，寿命为20年，每小时运维成本为0.037元。氢储能系统方面，包含1kw的pem燃料电池发电系统，单位容量成本为7500元
·
kw-1
，寿命为10年，每小时运维成本为0.07元；容量为1kw的碱性电解槽系统，单位容量成本为6000元
·
kw-1
，寿命为10年，每小时运维成本为0.06元。电储能系统选用总容量为50kw，寿命为5年的蓄电池储能，单位容量成本为1000元
·
kw-1
。图1是基于滤波的功率分配图，由图可知，光电高频部分功率为蓄电池吸收，低频部分功率通入
电解槽中。图2是原始净功率频谱分析图，图3是滤波后净功率频谱分析图，由图2和图3可知，经过一阶低通滤波系统滤波，光电高频部分功率被有效削弱，有利于氢储能系统稳定运行。图4是电氢耦合系统运行控制策略流程图，由图可知，系统运行分为净功率大于0和净功率小于0两种工况，根据不同情况针对弃光和缺电现象进行系统功率调节，保证系统的功率平衡。图5是电氢耦合系统容量优化配置流程图。
[0112]
由图可知，本方案在建立容量配置模型后采用粒子群算法优化求解，得到在经济性和供电可靠性间达到平衡点的容量配置优化方案。图6是氢储能系统日运行图，由图可知，电解槽和燃料电池不同时工作，在1-2h、16-22h、23-24h只有电解槽工作，功率方向为正，此时系统处于弃光状态，多余电能通入电解槽电解制氢，使得储氢罐氢水平显著上升；在3-4h、6.5-9h、11-14h只有燃料电池工作，功率方向为负，此时系统处于缺电状态，燃料电池燃氢发电为负载供电，储氢罐氢水平也显著下降。图7是蓄电池日运行图，由图可知，蓄电池的功率上下限均不超过其额定功率大小。在1-2h和7-9h蓄电池功率波动幅度较大说明蓄电池不断在充电和放电状态间转变，维持系统的功率平衡。在16.5-17.5h蓄电池的功率大于0，此时蓄电池充电，可以看出蓄电池的荷电状态随着蓄电池充电而显著上升；在2.5-3.5h、6-7h蓄电池的功率小于0，此时蓄电池放电，蓄电池的荷电状态随着蓄电池放电而显著下降。由仿真实验结果可以看出，所提方案对系统内各设备进行了合理的容量配置。当光伏发电机组输出功率大于负荷所需功率时，电解槽优先吸收多余电能进行制氢，剩余电能再通入蓄电池中储存起来；当光伏发电机输出功率小于负荷所需功率时，燃料电池优先放电，为负荷提供电能，若燃料电池发电量不足以满足负荷需求时，由蓄电池放电提供负荷所缺电能。
[0113]
蓄电池和氢储能系统联合工作，减少了弃光带来的能量损失，提高了光电消纳率和能量利用率，同时也提高了系统的供电可靠性，保证系统能够持续可靠地为负荷供电。仿真实验结果也证明了所提运行控制策略的有效性，该策略可以保证系统内各设备稳定有序地运行，消纳过剩功率和弥补缺额功率。