工业园区氢能综合利用站的能量管理方法

1.本发明涉及工业园区综合能源能量管理技术领域，具体说是一种工业园区氢能综合利用站能量管理策略。


背景技术：

2.随着能源危机的逐渐加剧，在双碳政策大力推广和能源互联网不断发展的背景下，以电能为核心的能源网络结构持续向低碳化转型，分布式能源发电越来越受到重视。但是由于新能源出力的不确定性和随机性，出现严重的可再生能源的弃风弃光现象并且对系统的稳定提出了很大的挑战。氢能作为新一代清洁能源，其对可再生能源的消纳能力提高和实现电力系统向低碳化转型有着不可忽视的作用。工业园区作为低碳化转型的重要对象，对工业园区氢能综合利用站进行能量管理提高能源的利用效率势在必行。
3.目前，工业园区的能量管理主要集中于对分布式电源、储能的能量控制策略，。尽管有研究考虑氢能在工业园区中能量管理的影响，但是其主要考虑燃料电池产电的影响，很少考虑燃料电池产生的余热。目前，由于光伏和风电的边际成本进一步降低，未来工业园区内的供电将主要是光风可再生能源，为了进一步提高风光的消纳能力，未来氢能将会广泛推广应用于工业园区中。然而仅仅利用氢能综合系统的供电能力提高风光的消纳能力，无法将氢能综合利用系统利用最大化。


技术实现要素：

4.本发明为促进工业园区向低碳转型，提供一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，以期能够更加合理的使用氢能和可再生能源，实现工业园区内供能的可靠以及能量的梯级利用，优化工业园区的功率流动和提高能源的利用率，从而使工业园区处于高效经济运行状态。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法的特点包括以下步骤：
7.1)，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构，包括：
8.制氢过程设备：电解槽；
9.储氢设备：储氢罐，用于为燃料电池提供氢能，同时作为加氢站为氢燃料汽车提供燃料；
10.用氢设备：燃料电池，包括：固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池；
11.燃气锅炉：用于提供热能；
12.由光伏风电和外电网提供电功率；
13.2)，基于工业园区氢能综合利用站的系统结构，建立氢能综合利用站的精细化数学模型，包括：电解槽、燃料电池、储氢罐、燃气锅炉和光伏风电的数学模型；
14.3)，考虑风光出力不同时段的氢能综合利用站的工作状态，制定能量管理方案。
15.本发明所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法的特点在于，所述步
骤2包括：
16.步骤2.1、建立电解槽的数学模型：
17.步骤2.1.1利用式(1)得到电解槽的电压特性：
[0018][0019]
式(1)中，u
el
(t)是t时刻电解槽的电压；u
rev
是电解槽的开路电压；r1、r2分别为电解槽的欧姆特性参数，s1、s2、s3、s4、s5和s6分别为电解槽的电极过电压参数；t
el
为电解槽的工作温度；a
el
为电解槽的面积；i
el
(t)为t时刻电解槽的直流电流；
[0020]
步骤2.1.2利用式(2)和式(3)分别建立电解槽的效率和功率数学模型：
[0021][0022]
式(2)中，a1～a5为五个法拉第效率系数；i
el
为直流电流；
[0023]
p
el_h2
＝p
el
η
el
ꢀꢀ
(3)
[0024]
式(3)中，p
el
为电解槽从电母线电解制氢所需的输入功率；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；η
el
为电解槽的效率；
[0025]
步骤2.1.2利用式(4)建立电解槽的产氢速率模型：
[0026][0027]
式(4)中，n
el
为产氢的速率；hhv为氢气的高热值；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；
[0028]
步骤2.2建立质子交换膜燃料电池的数学模型；
[0029]
步骤2.2.1利用式(5)建立单电池的输出电压v
cell
的数学模型：
[0030]vcell
＝v
n-v
act-v
ohm-v
con
ꢀꢀ
(5)
[0031]
式(5)中，vn、v
act
、v
ohm
、v
con
分别为能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压和浓差极化过电压；
[0032]
步骤2.2.2利用式(6)～式(9)建立能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压损耗和浓差极化过电压的数学模型：
[0033]
利用式(6)建立燃料电池能斯特电压的数学模型：
[0034][0035]
式(6)中，vn为能斯特电压；t
fc
、分别为燃料电池的工作温度、氢气分压、氧气分压和水蒸气分压；
[0036]
利用式(7)建立活化极化过电压的数学模型：
[0037]
[0038]
式(7)中，v
act
为活化极化电压；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4分别为四个经验参数；j分别为电池的电流密度和气液界面的氧溶解浓度；为输入的氧气分压；
[0039]
利用式(8)建立欧姆极化过电压的数学模型：
[0040][0041]
式(8)中，v
ohm
为欧姆极化过电压；rm为质子通过膜电极的等效阻抗；rc电子通过极板的等效阻抗；ρ为膜阻率；β为膜的厚度；a为膜的有效面积；
[0042]
利用式(9)建立浓差极化过电压的数学模型：
[0043][0044]
式(9)中，v
con
为浓差极化过电压；λ为温度相关系数；
ω
为气体在催化层中的增长率；
[0045]
步骤2.2.3建立质子交换膜燃料电池的输出功率模型：
[0046]
利用式(10)得到燃料电池的工作效率η
fc
：
[0047][0048]
式(10)中，μ为燃料利用率；v
cell
为电池的输出电压；
[0049]
利用式(11)建立燃料电池的输出电功率和热功率数学模型：
[0050][0051]
式(11)中，p
fc
为燃料电池输出的电功率；为储氢罐输出的功率；q
fc
为燃料电池输出的热功率；
[0052]
利用式(12)建立燃料电池的耗氢速率数学模型：
[0053][0054]
式(12)中，n
fc
为燃料电池的耗氢速率；lhv为氢气的低热值；为储氢罐输出的功率；
[0055]
步骤2.3建立光伏风电以及燃气锅炉的数学模型；
[0056]
步骤2.3.1利用式(13)建立光伏系统的数学模型：
[0057][0058]
式(13)中，c
pv
为光伏系统的额定功率；s(t)为t时刻的辐照度；s
std
为标准辐照度；k为功率温度系数；tc(t)为t时刻的光伏发电板表面温度；t
ref
为参考温度；
[0059]
步骤2.3.2利用式(14)建立风电的数学模型：
[0060][0061]
式(14)中，p
wt
(t)为风电在t时刻的出力；pn为风机的额定功率；v(t)为t时刻的风速；v
in
(t)为t时刻风机的切入风速；vn为额定功率时的风速；v
out
风机的切出风速；
[0062]
步骤2.3.3通过式(15)得到燃气锅炉的出力模型：
[0063]qgb
(t)＝η
gb
v(t)lv
ꢀꢀ
(15)
[0064]
式(15)中，η
gb
为燃气锅炉的效率；v(t)为t时刻消耗的天然气的体积；lv为天然气的低热值；q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的输出功率；
[0065]
步骤2.4利用式(16)建立储氢罐的数学模型：
[0066][0067]
式(16)中，p
ht
(t)为t时刻储氢罐的压强；e
ht
(t)为t时刻的储氢量；r为阿伏伽德罗常数；为标准开氏温度；v
ht
为储氢罐的体积；n
el
(t)为t时刻电解槽的产氢量；n
fc
(t)为t时刻燃料电池的耗氢量；e
ht
(t-1)为t-1时刻的储氢量；δt为时间间隔；pn为额定压强；
[0068]
步骤2.5利用式(17)建立氢能综合利用站的碳排放数学模型：
[0069][0070]
式(17)中，βe、βh分别表示单位电量、天然气量对应的碳排放；p
e,graid
(t)表示t时刻向电网购买的电量；v(t)表示t时刻消耗的天然气体积；lv表示天然气的低热值；
[0071]
步骤2.6在氢能综合利用站中，当电解槽工作时，风光发电和市电向电解槽供电，从而利用式(18)得到电母线t时刻的功率平衡约束：
[0072]
p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)-p
load
(t)＝p
el
(t)
ꢀꢀ
(18)
[0073]
式(18)中，p
pv
(t)为t时刻的光伏出力；p
wt
(t)为t时刻的风机出力；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率；p
load
(t)为t时刻的负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入功率；δ表示0-1变量；
[0074]
利用式(19)得到热母线的平衡约束：
[0075]qgb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀ
(19)
[0076]
式(19)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；
[0077]
步骤2.7在氢能综合利用站中，当电解槽不工作，由燃料电池、风光发电和市电向电负荷供能；由燃气锅炉和燃料电池向热负荷供能，从而利用式(20)得到电母线功率平衡约束：
[0078]
p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)+p
fc
(t)＝p
load
(t)
ꢀꢀ
(20)
[0079]
式(20)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；
[0080]
利用式(23)得到热母线平衡约束：
[0081]
δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0082]
式(23)中，q
fc
(t)为燃料电池输出的热功率；
[0083]
步骤2.8，利用式(22)建立以碳排量最小为约束的目标函数：
[0084][0085]
当风光处于出力较大时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：
[0086]
步骤3.1a，利用式(23)判断氢能综合利用站的工作状态，若满足式(23)，则执行步骤3.2a-步骤3.5a，否则，执行步骤4.1；
[0087]
p
pv
(t)+p
wt
(t)≥p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0088]
步骤3.2a，利用式(24)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.3a，否则，电解槽不工作：
[0089]
soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0090]
式(24)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢状态量；
[0091]
步骤3.3a，利用式(25)得到t时刻电解槽的输入功率p
el
(t)：
[0092][0093]
式(25)中，c
el
为电解槽的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；
[0094]
步骤3.4a，利用式(26)得到满足热负荷的t时刻燃气锅炉出力q
gb
(t)：
[0095]qgb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0096]
式(26)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；
[0097]
步骤3.5a，利用式(27)得到工业园区与外电网购电的交互功率p
grid
(t)：
[0098]
p
grid
(t)+p
pv
(t)+p
wt
(t)＝p
load
(t)+p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)。
[0099]
当风光出力处于较小时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：
[0100]
步骤3.1b，利用式(28)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.2b，否则，燃料电池不工作；
[0101]
soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0102]
式(29)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢量。
[0103]
步骤3.2b，利用式(29)得到t时刻燃料电池输出的电功率p
fc
(t)：
[0104][0105]
式(30)中，c
fc
为燃料电池的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；η
fc
为燃料电池的工作效率；
[0106]
步骤3.3b，利用式(30)得到t时刻燃料电池的输出热功率q
fc
(t)：
[0107]
[0108]
式(31)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；
[0109]
步骤3.4b，利用式(31)得到t时刻燃气锅炉输出热功率q
gb
(t)：
[0110][0111]
式(32)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率；
[0112]
步骤3.5b，利用式(32)得到t时刻工业园区与外电网的交互功率p
grid
(t)：
[0113]
p
grid
(t)＝max{p
load
(t)-p
pv
(t)-p
wt
(t)-p
fc
(t),0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0114]
步骤3.6b，利用式(33)得到工业园区所需要的热能：
[0115]
δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0116]
式(33)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率。
[0117]
与现有技术相比，本发明的有益效果为在于：
[0118]
(1)本发明提出工业园区氢能综合利用站的系统结构，其包括光伏风电单元、燃气锅炉与氢储能系统；在高比例可再生能源渗透的背景下，通过考虑风光出力特性，提出氢能综合利用站的能量管理方案，通过配置氢储能系统有效提高了风光的消纳能力，并在满足工业园区安全、可靠运行的基础上，实现了工业园区内能量的合理流动以及设备的有效运行。
[0119]
(2)本发明的能量管理方法利用燃料电池的热电耦合特性，充分利用其余热满足热负荷的需求，实现了氢能综合利用站的能量梯级利用；在计及风光出力特性的基础上，实现了氢能综合利用站在风光出力不同时段的灵活运行，并通过约束电解槽和燃料电池的运行状态，进一步提高了氢能综合利用站的能源利用效率。
附图说明
[0120]
图1为本发明工业园区氢能综合利用站的系统结构图；
[0121]
图2为本发明工业园区氢能综合利用站的能量管理方法的流程图；
[0122]
图3为本发明工业园区氢能综合利用站的能量管理方法的示意图。
具体实施方式
[0123]
本实施例中，如图2所示，一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法包括以下步骤；
[0124]
1)，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构框图；
[0125]
如图1所示工业园区存在制氢、储氢和用氢为一体的氢能综合能源一体站，制氢过程设备为电解槽，由风光可再生能源和外电网提供电功率，由燃气锅炉提供热能；储氢设备为储氢罐，可以为燃料电池提供氢能亦可以作为加氢站为氢燃料汽车提供燃料；用氢设备为燃料电池，常用的燃料电池主要为固体氧化物燃料电池(sofc)和质子交换膜燃料电池(pemfc)。
[0126]
2)，基于氢能综合利用站的系统结构框图，建立氢能综合利用站设备的精细化数学模型，其中包括电解槽、燃料电池、储氢罐、燃气锅炉和光伏风电的数学模型；
[0127]
步骤2.1、建立电解槽的数学模型：
[0128]
步骤2.1.1利用式(1)得到电解槽的电压特性为：
[0129][0130]
式(1)中，u
el
(t)是t时刻电解槽的电压；u
rev
是电解槽的开路电压；r1、r2分别为电解槽的欧姆特性参数，s1、s2、s3、s4、s5和s6分别为电解槽的电极过电压参数；t
el
为电解槽的工作温度；a
el
为电解槽的面积；i
el
(t)为t时刻电解槽的直流电流；
[0131]
步骤2.1.2利用式(2)、式(3)建立电解槽的效率和功率数学模型：
[0132][0133]
式(2)中，a1～a5为法拉第效率系数；i
el
为直流电流；a
el
为电解槽面积。
[0134]
p
el_h2
＝p
el
η
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0135]
式(3)中，p
el
为电解槽从电母线电解制氢所需的输入功率；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；η
el
为电解槽的效率。
[0136]
步骤2.1.2利用式(4)建立电解槽的产氢速率模型：
[0137][0138]
式(4)中，n
el
为产氢的速率；hhv为氢气的高热值；p
el_h2
为电解槽输出氢功率。
[0139]
步骤2.2建立质子交换膜燃料电池的数学模型；
[0140]
步骤2.2.1利用式(5)建立单电池的输出电压v
cell
的数学模型：
[0141]vcell
＝v
n-v
act-v
ohm-v
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0142]
式(5)中，vn、v
act
、v
ohm
、v
con
分别为能斯特电压、活化极化过电压损耗、欧姆极化过电压损耗和浓差极化过电压损耗。
[0143]
步骤2.2.2利用式(6)～(9)建立能斯特电压、活化极化过电压损耗、欧姆极化过电压损耗和浓差极化过电压损耗数学模型：
[0144]
利用式(6)建立燃料电池能斯特电压的数学模型：
[0145][0146]
式(6)中，vn为能斯特电压；t
fc
、分别为燃料电池工作温度、氢气分压、氧气分压和水蒸气分压，由于氢燃料电池中的产物为液态水，为1.
[0147]
利用式(7)建立活化极化过电压数学模型：
[0148][0149]
式(7)中，v
act
为活化极化电压；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4分别为经验参数；j分别为电池的电流密度和气液界面的氧溶解浓度；为输入的氧气分压；t
fc
为燃料电池工作温度。
[0150]
利用公式(8)建立欧姆极化过电压数学模型：
[0151][0152]
式(8)中，v
ohm
为欧姆极化过电压；rm为质子通过膜电极的等效阻抗；rc电子通过极板的等效阻抗；ρ为膜阻率；β为膜的厚度；a为膜的有效面积。由于rm远远大于rc，因此忽略rc。
[0153]
利用式(9)建立浓差极化过电压数学模型：
[0154]vcon
＝λe
ωj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0155]
式(9)中，v
con
为浓差极化过电压；λ为温度相关系数；ω为气体在催化层中的增长率。
[0156]
步骤2.2.3建立质子交换膜燃料电池的输出功率模型：
[0157]
由于氢燃料电池由多个单电池组合串联而成，利用式(10)可以得到燃料电池的利用效率：
[0158][0159]
式(10)中，η
fc
为燃料电池工作效率；hhv为氢气的高热值；μ为燃料利用率；v
cell
为电池的输出电压。
[0160]
利用式(11)建立燃料电池的输出电功率和热功率数学模型：
[0161][0162]
式(11)中，p
fc
为燃料电池输出的电功率；为储氢罐输出的功率；η
fc
为燃料电池的工作效率；q
fc
为燃料电池输出的热功率。
[0163]
利用式(12)建立燃料电池的耗氢速率数学模型：
[0164][0165]
式(12)中，n
fc
为燃料电池的耗氢速率；lhv为氢气的低热值；为储氢罐输出的功率。
[0166]
步骤2.3建立风光可再生能源以及燃气锅炉的数学模型模型；
[0167]
步骤2.3.1利用式(13)建立光伏的数学模型：
[0168][0169]
式(13)中，c
pv
为光伏系统的额定功率；s(t)为t时刻的辐照度；s
std
标准辐照度；k为功率温度系数；tc(t)为t时刻的光伏发电板表面温度；t
ref
为参考温度。
[0170]
步骤2.3.2利用式(14)建立风电的数学模型：
[0171][0172]
式(14)中，p
wt
(t)为风电在t时刻的出力；pn为风机的额定功率；v(t)为t时刻的风速；v
in
(t)为t时刻风机的切入风速；vn为额定功率时的风速；v
out
风机的切出风速。
[0173]
步骤2.3.3通过式(15)得到燃气锅炉的出力模型：
[0174]qgb
(t)＝η
gb
v(t)lv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0175]
式(15)中，η
gb
为燃气锅炉的效率；v(t)为t时刻消耗的天然气的体积；lv为天然气的低热值；q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉输出功率。
[0176]
步骤2.4利用式(16)建立氢储能的数学模型：
[0177][0178]
式(16)中，p
ht
(t)为t时刻储氢罐压强；e
ht
(t)为t时刻储氢量；r为阿伏伽德罗常数；为标准开氏温度；v
ht
为储氢罐的体积；n
el
(t)为t时刻电解槽的产氢量；n
fc
(t)为燃料电池耗氢量；e
ht
(t-1)为t-1时刻的储氢量；δt为时间间隔；pn为额定压强。
[0179]
步骤2.5利用式(17)建立氢能综合利用站的碳排放数学模型：
[0180][0181]
式(17)中，βe、βh分别表示单位电量、天然气量对应的碳排放；p
e,graid
(t)表示t时刻向电网购买的电量；v(t)表示t时刻消耗的天然气体积；lv表示天然气的低热值；δt表示时间间隔。
[0182]
步骤2.6为避免燃料电池和电解槽同时工作时燃料电池产生的电能制氢降低氢储能系统的工作效率。氢能综合利用站有两种工作方式，一种是当电解槽开始工作时，此时风光发电单元和市电向电解槽供电，利用式(18)可得到电母线此时的功率平衡约束：
[0183]
p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)-p
load
(t)＝p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0184]
式(18)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入功率；δ表示0-1变量。
[0185]
此时，燃料电池不工作，利用式(19)可以得到热母线的平衡约束为：
[0186]qgb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0187]
式(19)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率。
[0188]
步骤2.7另一种为燃料电池供能模式，此时电解槽不工作，此时电负荷由燃料电池、风光发电单元和市电参与供能；即热负荷则由燃气锅炉和燃料电池供能，此时电母线功率平衡约束为：
[0189]
p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)+p
fc
(t)＝p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0190]
式(20)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；δ表示0-1变量。
[0191]
利用式(21)热母线平衡约束为：
[0192]
δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0193]
式(21)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；δ表示0-1变量；q
fc
(t)为燃料电池输出热功率。
[0194]
步骤2.8，在考虑工业园区氢能综合利用站的能量管理方案时，要以碳排量最小为约束，即：
[0195][0196]
3)，考虑风光不同出力情况下的氢能综合利用站的工作状态，其中包括：主要考虑风光出力较大时段、风光出力较小时段的氢能综合利用站工作状态，制定能量管理方案，其过程如图3所示。
[0197]
当风光处于出力较大时段时，考虑氢能综合利用站工作状态的能量管理方案为：
[0198]
步骤3.1，利用式(23)判断氢能综合利用站的工作状态，若满足则执行步骤3.2-步骤3.5，否则执行步骤4.1；
[0199]
p
pv
(t)+p
wt
(t)≥p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0200]
式(23)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
load
(t)为t时刻负荷功率。步骤3.2，利用式(24)判断储氢罐是否满足约束，若满足则继续执行：否则电解槽不工作；
[0201]
soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0202]
式(24)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢状态量。
[0203]
步骤3.3，利用式(25)得到此时电解槽的输入功率：
[0204][0205]
式(25)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入电功率；c
el
为电解槽容量；为储氢罐最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐储氢量；η
el
为电解槽工作效率；δt为时间间隔。
[0206]
步骤3.4，利用式(26)可以得到满足热负荷的燃气锅炉出力为：
[0207]qgb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0208]
式(26)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率。
[0209]
步骤3.5，利用式(27)得到工业园区与外电网购电的交互功率为：
[0210]
p
grid
(t)+p
pv
(t)+p
wt
(t)＝p
load
(t)+p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0211]
式(27)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入电功率；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率。
[0212]
当风光出力处于较小时段时，考虑氢能综合利用站工作状态的能量管理方案为：
[0213]
步骤4.1，利用式(29)判断储氢罐是否满足约束；否则燃料电池不工作；
[0214]
soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0215]
式(28)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢量。
[0216]
步骤4.2，此时燃料电池工作而电解槽不工作，利用式(30)可以得到燃料电池输出电功率为：
[0217][0218]
式(29)中，p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
fc
(t)为t时刻电解槽的输入电功率；c
fc
为燃料电池的容量；为储氢罐最大储氢量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐储氢量；η
fc
为燃料电池工作效率；δt为时间间隔。
[0219]
步骤4.3，利用式(31)可以得到燃料电池的输出热功率为：
[0220][0221]
式(30)中，η
fc
为燃料电池的工作效率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率；p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出电功率。
[0222]
步骤4.3，利用式(31)可以得到燃气锅炉输出热功率：
[0223][0224]
式(31)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率。
[0225]
步骤4.4,利用式(32)可以得到工业园区与外电网的交互功率为：
[0226]
p
grid
(t)＝max{p
load
(t)-p
pv
(t)-p
wt
(t)-p
fc
(t),0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0227]
式(32)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出电功率；p
pv
(t)为t时刻光伏出力；p
wt
(t)为t时刻风机出力；p
load
(t)为t时刻负荷功率；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率。
[0228]
步骤4.5,工业园区所需要的热能由燃气锅炉和燃料电池提供：
[0229]
δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0230]
式(33)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率；δ为0-1变量。

技术特征：
1.一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征包括以下步骤：1)，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构，包括：制氢过程设备：电解槽；储氢设备：储氢罐，用于为燃料电池提供氢能，同时作为加氢站为氢燃料汽车提供燃料；用氢设备：燃料电池，包括：固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池；燃气锅炉：用于提供热能；由光伏风电和外电网提供电功率；2)，基于工业园区氢能综合利用站的系统结构，建立氢能综合利用站的精细化数学模型，包括：电解槽、燃料电池、储氢罐、燃气锅炉和光伏风电的数学模型；3)，考虑风光出力不同时段的氢能综合利用站的工作状态，制定能量管理方案。2.根据权利要求1所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1、建立电解槽的数学模型：步骤2.1.1利用式(1)得到电解槽的电压特性：式(1)中，u
el
(t)是t时刻电解槽的电压；u
rev
是电解槽的开路电压；r1、r2分别为电解槽的欧姆特性参数，s1、s2、s3、s4、s5和s6分别为电解槽的电极过电压参数；t
el
为电解槽的工作温度；a
el
为电解槽的面积；i
el
(t)为t时刻电解槽的直流电流；步骤2.1.2利用式(2)和式(3)分别建立电解槽的效率和功率数学模型：式(2)中，a1～a5为五个法拉第效率系数；i
el
为直流电流；p
el_h2
＝p
el
η
el
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，p
el
为电解槽从电母线电解制氢所需的输入功率；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；η
el
为电解槽的效率；步骤2.1.2利用式(4)建立电解槽的产氢速率模型：式(4)中，n
el
为产氢的速率；hhv为氢气的高热值；p
el_h2
为电解槽输出的氢功率；步骤2.2建立质子交换膜燃料电池的数学模型；步骤2.2.1利用式(5)建立单电池的输出电压v
cell
的数学模型：v
cell
＝v
n-v
act-v
ohm-v
con
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中，v
n
、v
act
、v
ohm
、v
con
分别为能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压和浓差极化过电压；步骤2.2.2利用式(6)～式(9)建立能斯特电压、活化极化过电压、欧姆极化过电压损耗
和浓差极化过电压的数学模型：利用式(6)建立燃料电池能斯特电压的数学模型：式(6)中，v
n
为能斯特电压；t
fc
、分别为燃料电池的工作温度、氢气分压、氧气分压和水蒸气分压；利用式(7)建立活化极化过电压的数学模型：式(7)中，v
act
为活化极化电压；ξ1、ξ2、ξ3、ξ4分别为四个经验参数；j分别为电池的电流密度和气液界面的氧溶解浓度；为输入的氧气分压；利用式(8)建立欧姆极化过电压的数学模型：式(8)中，v
ohm
为欧姆极化过电压；r
m
为质子通过膜电极的等效阻抗；r
c
电子通过极板的等效阻抗；ρ为膜阻率；β为膜的厚度；a为膜的有效面积；利用式(9)建立浓差极化过电压的数学模型：式(9)中，v
con
为浓差极化过电压；λ为温度相关系数；
ω
为气体在催化层中的增长率；步骤2.2.3建立质子交换膜燃料电池的输出功率模型：利用式(10)得到燃料电池的工作效率η
fc
：式(10)中，μ为燃料利用率；v
cell
为电池的输出电压；利用式(11)建立燃料电池的输出电功率和热功率数学模型：式(11)中，p
fc
为燃料电池输出的电功率；为储氢罐输出的功率；q
fc
为燃料电池输出的热功率；利用式(12)建立燃料电池的耗氢速率数学模型：式(12)中，n
fc
为燃料电池的耗氢速率；lhv为氢气的低热值；为储氢罐输出的功
率；步骤2.3建立光伏风电以及燃气锅炉的数学模型；步骤2.3.1利用式(13)建立光伏系统的数学模型：式(13)中，c
pv
为光伏系统的额定功率；s(t)为t时刻的辐照度；s
std
为标准辐照度；k为功率温度系数；t
c
(t)为t时刻的光伏发电板表面温度；t
ref
为参考温度；步骤2.3.2利用式(14)建立风电的数学模型：式(14)中，p
wt
(t)为风电在t时刻的出力；p
n
为风机的额定功率；v(t)为t时刻的风速；v
in
(t)为t时刻风机的切入风速；v
n
为额定功率时的风速；v
out
风机的切出风速；步骤2.3.3通过式(15)得到燃气锅炉的出力模型：q
gb
(t)＝η
gb
v(t)lv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式(15)中，η
gb
为燃气锅炉的效率；v(t)为t时刻消耗的天然气的体积；lv为天然气的低热值；q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的输出功率；步骤2.4利用式(16)建立储氢罐的数学模型：式(16)中，p
ht
(t)为t时刻储氢罐的压强；e
ht
(t)为t时刻的储氢量；r为阿伏伽德罗常数；为标准开氏温度；v
ht
为储氢罐的体积；n
el
(t)为t时刻电解槽的产氢量；n
fc
(t)为t时刻燃料电池的耗氢量；e
ht
(t-1)为t-1时刻的储氢量；δt为时间间隔；p
n
为额定压强；步骤2.5利用式(17)建立氢能综合利用站的碳排放数学模型：式(17)中，β
e
、β
h
分别表示单位电量、天然气量对应的碳排放；p
e,graid
(t)表示t时刻向电网购买的电量；v(t)表示t时刻消耗的天然气体积；lv表示天然气的低热值；步骤2.6在氢能综合利用站中，当电解槽工作时，风光发电和市电向电解槽供电，从而利用式(18)得到电母线t时刻的功率平衡约束：p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)-p
load
(t)＝p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)式(18)中，p
pv
(t)为t时刻的光伏出力；p
wt
(t)为t时刻的风机出力；p
grid
(t)为t时刻与电网交互功率；p
load
(t)为t时刻的负荷功率；p
el
(t)为t时刻电解槽的输入功率；δ表示0-1变量；
利用式(19)得到热母线的平衡约束：q
gb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)式(19)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；步骤2.7在氢能综合利用站中，当电解槽不工作，由燃料电池、风光发电和市电向电负荷供能；由燃气锅炉和燃料电池向热负荷供能，从而利用式(20)得到电母线功率平衡约束：p
pv
(t)+p
wt
(t)+δp
grid
(t)+p
fc
(t)＝p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)式(20)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；利用式(23)得到热母线平衡约束：δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)式(23)中，q
fc
(t)为燃料电池输出的热功率；步骤2.8，利用式(22)建立以碳排量最小为约束的目标函数：3.根据权利要求2所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，当风光处于出力较大时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：步骤3.1a，利用式(23)判断氢能综合利用站的工作状态，若满足式(23)，则执行步骤3.2a-步骤3.5a，否则，执行步骤4.1；p
pv
(t)+p
wt
(t)≥p
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)步骤3.2a，利用式(24)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.3a，否则，电解槽不工作：soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)式(24)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢状态量；步骤3.3a，利用式(25)得到t时刻电解槽的输入功率p
el
(t)：式(25)中，c
el
为电解槽的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；步骤3.4a，利用式(26)得到满足热负荷的t时刻燃气锅炉出力q
gb
(t)：q
gb
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)式(26)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；步骤3.5a，利用式(27)得到工业园区与外电网购电的交互功率p
grid
(t)：p
grid
(t)+p
pv
(t)+p
wt
(t)＝p
load
(t)+p
el
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)。4.根据权利要求2中所述的一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其特征在于，当风光出力处于较小时段时，按如下步骤制定氢能综合利用站工作状态的能量管理方案：步骤3.1b，利用式(28)判断储氢罐是否满足约束，若满足约束，则执行步骤3.2b，否则，燃料电池不工作；soht(t)≤soht
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)式(29)中，soht(t)为t时刻的储氢罐状态；soht
max
表示储氢罐最大储氢量；
步骤3.2b，利用式(29)得到t时刻燃料电池输出的电功率p
fc
(t)：式(30)中，c
fc
为燃料电池的容量；为储氢罐的最大储氢容量；e
ht
(t)为t时刻储氢罐的储氢量；η
fc
为燃料电池的工作效率；步骤3.3b，利用式(30)得到t时刻燃料电池的输出热功率q
fc
(t)：式(31)中，p
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的电功率；步骤3.4b，利用式(31)得到t时刻燃气锅炉输出热功率q
gb
(t)：式(32)中，q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率；步骤3.5b，利用式(32)得到t时刻工业园区与外电网的交互功率p
grid
(t)：p
grid
(t)＝max{p
load
(t)-p
pv
(t)-p
wt
(t)-p
fc
(t),0}
ꢀꢀꢀꢀ
(32)步骤3.6b，利用式(33)得到工业园区所需要的热能：δq
gb
(t)+q
fc
(t)＝q
load
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)式(33)中，q
gb
(t)为t时刻燃气锅炉的出力；q
load
(t)为t时刻热负荷的功率；q
fc
(t)为t时刻燃料电池输出的热功率。

技术总结
本发明公开了一种工业园区氢能综合利用站的能量管理方法，其步骤包括，1，确定工业园区综合利用电站的主要设备，搭建工业园区氢能综合利用站的系统结构图；2，建立电解槽、储氢罐、燃料电池、燃气锅炉和风光的数学模型，以及电母线和热母线的功率平衡约束方程；3，以工业园区碳排放量最小为约束，计及风光在不同时段的出力，考虑氢能综合利用站的工作状态和能量管理方案。本发明能够更加合理的对氢能综合利用站的能流进行控制，在保持供能可靠性的条件下，优化能量流动和充分实现能量的梯级利用，使工业园区处于可靠经济的供能运行状态，从而能够提高能量的利用效率。能够提高能量的利用效率。能够提高能量的利用效率。


技术研发人员：毕锐 王孝淦 袁华凯 朱正轩 吴红斌 王磊
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.01.11
技术公布日：2022/3/8