含氢电热冷的多能源系统及其供需协同规划方法和装置与流程

本发明涉及热力设备及其系统技术领域，特别涉及一种含氢电热冷的多能源系统及其供需协同规划方法和装置。

背景技术：

目前煤炭和石油等石化能源正面临着枯竭，碳排放带来的环境问题和全球气候变暖正在不断吞噬人类的生存环境，能源革命正在到来。

氢气是常见燃料中热值最高的，约是石油的三倍，煤炭的五倍。同时，氢气的供能方式主要是和氧气反应生成水释放化学能，其产物除了水无其他中间产物，整个功能过程无浪费、零污染，供能过程非常清洁。此外，氢元素储量非常丰富，大储量保证其作为能源供给的可持续性。因此，氢能因兼具高效、清洁、可持续的特性被视为未来终极能源之一。

燃料电池与普通电池一样，将化学能转化成电能。但与普通电池不同的是，燃料电池并非储能电池，燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，其因无热力学循环从而超越了热机的卡诺循环效率限制，发电效率可以达到50％以上，热电转化效率可以达到85％以上。通过氢燃料电池可以将氢能转换为电能和热能，利用余热回收装置将燃料电池产生的热能以热水的形式用于供热或存储于热水储箱，利用吸收式制冷机可以将热能以冷水的形式用于供冷或存储与冷水储箱。电热冷联产、热水储箱以及冷水储箱显著的提升系统的效率并且可以满足电、热、冷三重需求。

当前，可再生能源，诸如太阳能、风能的利用已日趋普遍，但在可再生能源的利用中，由于天气状况的不确定性，以及用户需求的不确定性，“弃风”、“弃光”现象十分严重。以风电为例，中国风电装机装机容量居世界首位。与此同时，全年弃风电量增长迅速，平均弃风率目前达到21％，弃风限电向常态化、恶性化发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种含氢电热冷的多能源系统及其供需协同规划方法和装置，该系统以氢能源为主要能源供应负载需求侧的电、热、冷需求，解决了弃风、弃光问题，显著的降低了温室气体的排放；储氢、储热、储冷等多种储能设备起到了削峰填谷的作用，极大的提高的能源利用效率，具有极佳的环境效益。该供需协同规划方法和装置同时考虑能源供应侧和能源需求侧的实际情况，动态优化系统最优配置，显著的降低该系统投资和运行成本，具有较高的经济效益。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

含氢电热冷的多能源系统，包括可再生能源利用系统、制氢储氢系统、燃料电池系统、余热利用系统以及并网控制系统；可再生能源利用系统包括太阳能光伏发电装置、风能发电装置，其电输出端连接制氢储氢系统中的电解槽和电需求侧；制氢储氢系统包括电解槽、储氢罐，电解槽的氢气出口连接储氢罐的入口，储氢罐的出口连接燃料电池系统中的质子交换膜燃料电池发电系统的氢气入口；燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池发电系统，质子交换膜燃料电池发电系统的电输出端连接电需求侧；余热利用系统连接质子交换膜燃料电池发电系统，用于吸收利用质子交换膜燃料电池发电系统发电过程中形成的热量；并网控制系统包括并网接口开关，并网接口开关决定含氢电热冷的多能源系统并网运行或独立运行。当该系统能满足需求侧能源需求时独立运行，不能满足需求侧能源需求时与外部电网并网运行，灵活响应需求变化。

进一步的，余热利用系统包括：余热交换装置、吸收式制冷机、热水储箱和冷水储箱；余热交换装置的第一路进水与质子交换膜燃料电池发电系统热交换后进入余热交换装置，与通入余热交换装置的第二路进水进行热交换，热交换后的第二路进水升温存储在热水储箱中，或者直接供给热需求侧；第一路进水在余热交换装置中热交换后进入吸收式制冷机，进一步降温形成冷水存储在冷水储箱中，或者直接供给冷需求侧。

进一步的，所述太阳能发电装置由光伏板和逆变器组成，能够将太阳能转化为电能，供给电需求侧或用于电解槽制取氢气；

所述风能发电装置由若干风力发电机组成，能够将风能转化为电能，供给电需求侧或用于电解槽制取氢气；

所述电解槽由槽体、阳极和阴极组成，能够通过电解水产生氢气；

所述储氢罐采用高压储氢的方式存储氢气，能够在常温下进行充放气；

所述质子交换膜燃料电池发电系统由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极和电解质组成，质子交换膜燃料电池发电系统工作时能够同时产生电能和热能。

进一步的，所述吸收式制冷机为双效溴化锂吸收式制冷机。

含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法，包括以下步骤：

1)、采集一个需求负载样本和若干设备及环境参数构建样本参数集；其中所述需求负载样本包含一个时段内的需求侧电量、热量、冷量需求；其中设备参数包含含氢电热冷的多能源系统中所有设备投资成本、运行成本、替换成本、设备寿命、设备性能参数；环境参数包括：能源价格、可用建设面积、风力、太阳辐射强度；

2)、综合系统约束条件及灵敏度指标，对样本参数集采用优化算法得到n组系统配置备选集；系统约束条件为能量平衡约束条件、储量平衡约束条件、建设空间约束条件、设备状态约束条件；其中能量平衡约束条件包括电量平衡约束条件、热量平衡约束条件、冷量平衡约束条件和氢量平衡约束条件；其中储量平衡约束条件是指热水储箱、冷水储箱及氢储箱在任一时段满足平衡条件；其中建设空间约束条件是太阳能光伏发电装置及风能发电装置的建设面积约束；其中设备状态约束条件是储氢罐充放氢气约束；

3)、通过参数灵敏度和设备优先级分析求得的n组系统配置备选集，确定使含含氢电热冷的多能源系统的年化投资、维护及运行成本最小的最优配置参数集ω；以最优配置参数集ω搭建含含氢电热冷的多能源系统；

所述最优系统配置备选集ω包括太阳能光伏发电装置装机容量、风能发电装置装机容量、电解槽额定功率、储氢罐容量、质子交换膜燃料电池发电系统额定功率、吸收式制冷机额定功率、热水储管容量、冷水储管容量。

进一步的，所述设备性能参数为设备能量转换效率、设备热效率、设备电功率；

所述能源价格为分时电价与氢价。

进一步的，所述系统灵敏度指标为氢能价格的变化情况、设备性能参数的变化情况。

含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置，包括初始化模块、求解模块和数据分析模块；

所述初始化模块，用于构建样本参数集；样本参数集包括一个需求负载样本和若干设备及环境参数；所述需求负载样本包含一个时段内的需求侧电量、热量、冷量需求；设备参数包含含氢电热冷的多能源系统中所有设备投资成本、运行成本、替换成本、设备寿命、设备性能参数；环境参数包括：能源价格、可用建设面积、风力、太阳辐射强度；

所述求解模块，用于综合系统约束条件及灵敏度指标，对样本参数集采用优化算法得到n组系统配置备选集；系统约束条件为能量平衡约束条件、储量平衡约束条件、建设空间约束条件、设备状态约束条件；其中能量平衡约束条件包括电量平衡约束条件、热量平衡约束条件、冷量平衡约束条件和氢量平衡约束条件；其中储量平衡约束条件是指热水储箱、冷水储箱及氢储箱在任一时段满足平衡条件；其中建设空间约束条件是太阳能光伏发电装置及风能发电装置的建设面积约束；其中设备状态约束条件是储氢罐充放氢气约束；

所述数据分析模块，用于通过参数灵敏度和设备优先级分析求得的n组系统配置备选集，确定使该系统的年化投资、维护及运行成本最小的最优配置参数集ω；所述最优系统配置备选集ω包括太阳能光伏发电装置装机容量、风能发电装置装机容量、电解槽额定功率、储氢罐容量、质子交换膜燃料电池发电系统额定功率、吸收式制冷机额定功率、热水储管容量、冷水储管容量。

执行供需协同规划方法的供需协同规划装置，包括处理单元和存储单元；

处理单元，用于支持含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置执行所述步骤1)、2)、3)；

存储单元，用于存储含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法的程序代码和数据。

执行供需协同规划方法的供需协同规划装置，包括：处理器、存储器和总线；处理器通过总线连接存储器；

存储器，用于存储计算机执行指令；

处理器，用于通过总线调用存储器中存储计算机执行指令，执行所述步骤1)、2)、3)。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明提出的多能源系统通过燃料电池以高效率、零碳排放的性能满足需求侧电、热、冷需求；

本发明提出的系统多能源系统通过储氢罐、热水储罐、冷水储罐的结合消纳了可再生能源和用户电、热、冷需求的随机性和不确定性，显著提高系统效率的同时达到了节能减排的目的；

本发明提出的优化方法通过建设样本参数集，综合系统约束条件及灵敏指标，对样本参数集采用优化算法得到系统配置备选集，通过参数灵敏度和设备优先级得到系统的年化投资、维护及运行成本最小的最优配置参数集；

本发明提出的运行优化装置结构灵活多变，可以对应运行优化方法的步骤划分各个功能模块，也可以将两个步骤集成在一个处理模块中，所述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明含氢电热冷的多能源系统的结构示意图；

图2为本发明含氢电热冷的多能源系统的信息流示意图；

图3为本发明含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法流程示意图；

图4为本发明第一种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法装置的结构示意图；

图5为本发明第二种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法装置的结构示意图；

图6为本发明第三种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

下面结合附图，对本发明的实施例进行描述。

请参考图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种含氢电热冷的多能源系统，包括可再生能源利用系统、制氢储氢系统、燃料电池系统、余热利用系统以及并网控制系统；

可再生能源利用系统包括太阳能光伏发电装置、风能发电装置，其电输出端连接制氢储氢系统中的电解槽和电需求侧；

制氢储氢系统包括电解槽、储氢罐，电解槽的氢气出口连接储氢罐的入口，储氢罐的出口连接燃料电池系统中的质子交换膜燃料电池发电系统的氢气入口；

燃料电池系统包括质子交换膜燃料电池发电系统，质子交换膜燃料电池发电系统的电输出端连接电需求侧；

余热利用系统连接质子交换膜燃料电池发电系统，用于吸收利用质子交换膜燃料电池发电系统发电过程中形成的热量；

并网控制系统包括并网接口开关，并网接口开关决定含氢电热冷的多能源系统并网运行或独立运行。当该系统能满足需求侧能源需求时独立运行，不能满足需求侧能源需求时与外部电网并网运行，灵活响应需求变化；

太阳能光伏发电装置和风能发电装置的电输出端连接电解槽和电需求侧；电解槽的氢气出口连接储氢罐的入口，储氢罐的出口连接质子交换膜燃料电池发电系统的氢气入口；质子交换膜燃料电池发电系统的电输出端连接电解槽和电需求侧。余热利用系统连接质子交换膜燃料电池发电系统，用于吸收利用质子交换膜燃料电池发电系统发电过程中形成的热量。

余热利用系统包括：余热交换装置、双效溴化锂吸收式制冷机、热水储箱和冷水储箱。余热交换装置的第一路进水与质子交换膜燃料电池发电系统热交换后进入余热交换装置，与通入余热交换装置的第二路进水进行热交换，热交换后的第二路进水升温存储在热水储箱中，或者直接供给热需求侧；第一路进水在余热交换装置中热交换后进入双效溴化锂吸收式制冷机，进一步降温形成冷水存储在冷水储箱中，或者直接供给冷需求侧。

所述太阳能发电装置由若干光伏板和逆变器组成，能够将太阳能转化为电能，此电能可用于供应需求侧电能需求或用于电解槽制取氢气；

所述风能发电装置由若干风力发电机组成，能够将风能转化为电能，此电能可用于供应需求侧电能需求或用于电解槽制取氢气；

所述电解槽由槽体、阳极和阴极组成，能够通过电解水产生氢气；

所述储氢罐采用高压储氢的方式存储氢气，能够在常温下进行快速的进行充放气，存储由外部购买的氢气或电解槽电解水产生的氢气，供应氢气于质子交换膜燃料电池发电系统；

所述余热交换装置能够以较小的能量损失将一种流体的热量传给另一种流体；

所述双效溴化锂吸收式制冷机由依次连接的高压发生器、冷凝器、低压发生器、蒸发器、吸收器、高温热交换器、低温热交换器、凝水回热器、发生器泵、吸收器泵、蒸发器泵和抽真空装置组成，能够以较高热交换效率完成制冷循环；

所述质子交换膜燃料电池发电系统由若干阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极、电解质组成，其工作时可同时产生电和热。其产生的电能供应需求侧电需求或用于电解槽制取氢气，利用所述余热回收装置将燃料电池产生的热能以热水的形式存储于热水储箱用于供热，利用所述双效溴化锂吸收式制冷机可以将热能以冷水的形式存储于冷水储箱用于供冷。

所述一种含氢电热冷的多能源系统工作时，由太阳能光伏发电装置和风能发电装置将太阳能与风能转化为电能，当其电功率大于需求侧电功率时，通过电解槽将电能以氢能的形式存储于储氢罐内；当太阳能光伏发电装置和风能发电装置产生的电功率小于需求侧电功率时，质子交换膜燃料电池发电系统使用储氢罐中的氢气产生电能供应需求侧电需求，同时利用余热回收装置将燃料电池产生的热能以热水的形式用于供热或存储于热水储箱，利用所述双效溴化锂吸收式制冷机可以将热能以冷水的形式用于供冷或存储与冷水储箱。

所述一种含氢电热冷的多能源系统工作时，当热水储箱和冷水储箱可以满足需求侧热需求和冷需求时，热需求和冷需求由热水储箱和冷水储箱提供；当热水储箱和冷水储箱不能需求侧热需求和冷需求时，质子交换膜燃料电池发电系统使用储氢罐中的氢气供应热需求或冷需求，同时将产生的电供应需求侧电需求，若质子交换膜燃料电池系统产生的电功率大于需求侧电功率，则将富余的电用于电解槽电解水制取氢气并将其存储于储氢罐内。

所述一种含氢电热冷的多能源系统工作时，当电网价格处于谷时电价时，系统从电网购买电能，并利用电解槽将电能转换为氢能存储于储氢罐中；当处于峰时电价时，燃料电池利用储氢罐中的氢进行发电与发热；

本发明一种含氢电热冷的多能源系统，可通过燃料电池以高效率、零碳排放的性能满足需求侧的电、热、冷需求，同时通过储氢罐、热水储罐、冷水储罐的结合消纳了可再生能源和用户电、热、冷需求的随机性和不确定性，显著提高系统效率的同时达到了节能减排的目的。

下面结合附图对本发明提供的技术方案进行介绍。

请参考图3，本发明的实施例提供一种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法，包括如下步骤：

1)、构建样本参数集，所述样本参数集包含一个需求负载样本和若干设备及环境参数，其中所述需求负载样本包含一个时段内的需求侧电量、热量、冷量需求，其中所述设备及物理环境参数包含设备投资成本、运行成本、替换成本、设备寿命、设备性能参数、能源价格、可用建设面积、风力、太阳辐射强度。

在步骤1)中，气候数据的时段应不小于需求负载样本的时段。

在步骤1)中，样本参数集中的能源价格包括分时电价与氢价。

在步骤1)中，样本参数集中的设备性能参数为设备能量转换效率、设备热效率、设备电功率参数。

2)、综合系统约束条件及灵敏度指标，对样本参数集采用优化算法得到n组系统配置备选集；n为正整数，用户根据灵敏度指标设定。

在步骤2)中，系统约束条件为能量平衡约束条件、储量平衡约束条件、建设空间约束条件、设备状态约束条件，其中能量平衡约束条件包括电量平衡约束条件、热量平衡约束条件、冷量平衡约束条件和氢量平衡约束条件；其中储量平衡约束条件是指热水储箱、冷水储箱及氢储箱在任一时段应满足平衡条件；其中建设空间约束条件是太阳能光伏发电装置及风能发电装置的建设面积约束；其中设备状态约束条件是储氢罐充放氢气约束。

在步骤2)中，系统灵敏度指标为氢能价格的变化情况、设备性能参数的变化情况。

3)、通过参数灵敏度和设备优先级分析求得的n组系统配置备选集，确定使该系统的年化投资、维护及运行成本最小的最优配置参数集ω；根据最优配置参数集ω搭建含氢电热冷的多能源系统，完成优化。

在步骤3)中，最优配置参数集包括太阳能光伏发电装置装机容量、风能发电装置装机容量、电解槽额定功率、储氢罐容量、质子交换膜燃料电池发电系统额定功率、双效溴化锂吸收式制冷机额定功率、热水储箱容量、冷水储箱容量。

在上述方案中，构建样本参数集，综合系统约束条件及灵敏度指标，对样本参数集采用优化算法得到n组系统配置备选集，通过参数灵敏度和设备优先级分析求得的n组系统配置备选集，确定使该系统的年化投资、维护及运行成本最小的最优配置参数集ω。由于本发明中使用一个需求负载样本和若干设备及环境参数的参数集，综合系统约束条件及灵敏度指标，能够在满足该系统年化投资、维护和运行成本最小的情形下得到该系统的最优配置参数集，其中最优配置参数集包括太阳能光伏发电装置装机容量、风能发电装置装机容量、电解槽额定功率、储氢罐容量、质子交换膜燃料电池发电系统额定功率、双效溴化锂吸收式制冷机额定功率、热水储箱容量、冷水储箱容量。

请参考图4，本发明的实施例提供一种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置，用于执行上述供需协同规划方法。本发明实施例可以根据上述方法示例对一种含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置进行功能模块的划分，例如，可以对应各个功能划分各个功能模块，也可以将两个功能集成在一个处理模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在采用对应各个功能划分各个功能模块的情况下，图4示出了上述实施例中所涉及的含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置10的一种可能的结构示意图，含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置10包括：初始化模块101、求解模块102和数据分析模块103。初始化模块101用于支持含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置执行上述供需协同规划方法中的步骤1)；求解模块102用于支持含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置执行上述方法中的步骤2)；数据分析模块103用于支持含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置执行上述方法中的步骤3)；其中，上述方法实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到对应功能模块的功能描述，在此不再赘述。

请参考图5，在采用集成的单元的情况下，图4示出了上述实施例中所涉及的含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置11的一种可能的结构示意图。含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置11包括：处理单元111和存储单元112。处理单元111用于对含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置的动作进行控制管理，例如，处理单元111用于支持含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置执行上述供需协同规划方法中的步骤1)、2)、3)；存储单元112，用于存储含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置的程序代码和数据。

其中，处理单元111可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，通用处理器，数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)，专用集成电路(application-specificintegratedcircuit，asic)，现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。所述处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，dsp和微处理器的组合等等。存储单元112可以是存储器。

当处理单元111为处理器，存储单元112为存储器时，本发明实施例所涉及的含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置可以为如下所述的含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置。

请参考图6，本发明又一种含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置12，包括：处理器121、存储器122和总线123；存储器122用于存储计算机执行指令，处理器121与存储器122通过总线123连接，当含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置12运行时，处理器121执行存储器122存储的计算机执行指令，执行如上述的含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法的步骤1)、2)、3)。总线123可以是外设部件互连标准(peripheralcomponentinterconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，eisa)总线等。总线123可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中，总线123中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

本发明实施例还提供一种存储介质，该存储介质可以包括存储器122。

由于本发明实施例提供的含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划装置可用于执行上述含含氢电热冷的多能源系统的供需协同规划方法，因此其所能获得的技术效果可参考上述方法实施例，本发明实施例在此不再赘述。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件程序实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式来实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digitalsubscriberline，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可以用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)，光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solidstatedisk，ssd))等。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。