本發(fā)明涉及氣電一體化綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法。

背景技術(shù)：

1、在“雙碳”目標(biāo)下，配電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，特別是在新能源發(fā)電占比逐漸增加的背景下，電力系統(tǒng)面臨著高效消納、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多挑戰(zhàn)。風(fēng)能、太陽能等可再生能源雖然環(huán)保，但其波動性和隨機(jī)性導(dǎo)致了配電網(wǎng)運(yùn)行中的不穩(wěn)定性。為應(yīng)對新能源接入帶來的波動性問題，現(xiàn)有技術(shù)通常采用電池儲能或負(fù)荷調(diào)整手段來平衡供需。然而，電池儲能存在成本高、存儲時間有限以及能源損耗等問題，無法充分應(yīng)對大規(guī)模長時間的儲能需求。因此，現(xiàn)有的配電網(wǎng)儲能技術(shù)面臨著無法大規(guī)模、高效存儲能源，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光等現(xiàn)象嚴(yán)重的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的諸多問題，本發(fā)明提供一種考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，本發(fā)明利用氫儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能和氫能的雙向轉(zhuǎn)換。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時，通過質(zhì)子交換膜電解槽將電能轉(zhuǎn)換為氫能，并儲存氫氣；在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時，通過氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)換為電能供給電網(wǎng)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定供電。同時，本發(fā)明方法通過優(yōu)化模型最小化建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，提高了能源的利用效率，減少了可再生能源浪費(fèi)。

2、一種考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，包括以下步驟：

3、通過質(zhì)子交換膜電解槽實(shí)現(xiàn)電解制氫，所述質(zhì)子交換膜電解槽模型基于可逆電壓、電極過電壓和歐姆過電壓，以電能制取氫氣；

4、對儲氫裝置進(jìn)行建模，所述儲氫裝置模型設(shè)置儲氫量平衡約束、儲氫容量上下限約束，以及儲氫罐的輸入輸出功率約束；

5、基于質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)建氫燃料電池模型，所述質(zhì)子交換膜燃料電池模型通過氫氣的電化學(xué)反應(yīng)將氫能轉(zhuǎn)換為電能，并考慮工作溫度、轉(zhuǎn)換效率和功率調(diào)節(jié)靈活性，進(jìn)行電能輸出；

6、確保配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的有功功率輸出與輸入保持平衡，所述電網(wǎng)潮流平衡模型綜合考慮本地發(fā)電、可再生能源接入及雙向能量轉(zhuǎn)換的功率；

7、以經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)為目標(biāo)，結(jié)合質(zhì)子交換膜電解槽、儲氫裝置和質(zhì)子交換膜燃料電池的建設(shè)成本、年運(yùn)行維護(hù)成本，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的容量配置。

8、優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜電解槽的兩端電壓通過以下公式計(jì)算：

9、

10、其中，為單個電解槽兩端電壓；是可逆電壓；為電極過電壓；為歐姆過電壓。

11、優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜電解槽的可逆電壓通過以下公式計(jì)算：

12、

13、其中，是質(zhì)子交換膜電解槽的工作溫度，溫度范圍為60~80攝氏度；為理想氣體常數(shù)，取8.314；為法拉第常數(shù)，取96485；表示電解槽陰極的氫氣分壓，取6.9；表示電解槽陽極的氧氣分壓，取1.3。

14、優(yōu)選的，所述儲氫裝置模型的儲氫量平衡約束通過以下公式計(jì)算：

15、

16、其中，為t時刻儲氫罐的儲氫量；和分別為t時刻儲氫罐的輸入、輸出氫功率；和分別為儲氫罐的儲、放氫效率。

17、優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜燃料電池模型的電能輸出功率通過以下公式計(jì)算：

18、

19、式中，是質(zhì)子交換膜燃料電池的開路電壓；是活化損耗電壓，與低電流密度下的活化損耗有關(guān)，用于驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行；是質(zhì)子交換膜燃料電池的歐姆損耗電壓，與接觸電阻等上的電壓損耗有關(guān)；為濃差損耗電壓，與反應(yīng)物快速消耗時產(chǎn)生的濃度不均有關(guān)。

20、優(yōu)選的，所述質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率通過以下公式計(jì)算：

21、

22、其中，是質(zhì)子交換膜燃料電池消耗氫氣的速率；表示有個質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)運(yùn)行，其發(fā)出的總的電功率；是質(zhì)子交換膜燃料電池化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的總的功率。

23、優(yōu)選的，所述優(yōu)化配置模型的經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)函數(shù)通過以下公式計(jì)算：

24、

25、其中，、、和分別為綜合等年值成本、投資成本、維護(hù)成本和運(yùn)行成本；是氫儲能運(yùn)行成本。

26、優(yōu)選的，所述經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)函數(shù)還包含可再生能源棄風(fēng)棄光的懲罰成本。

27、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果在于：

28、本發(fā)明通過引入氫儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電能與氫能的雙向轉(zhuǎn)換，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時利用富余電力制氫，并在負(fù)荷高峰時通過氫燃料電池發(fā)電，解決了現(xiàn)有技術(shù)中電池儲能規(guī)模小、成本高、能源損耗大的問題。

29、本發(fā)明通過質(zhì)子交換膜電解槽、電解制氫、儲氫裝置與氫燃料電池的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了能源的長期、高效存儲，并通過優(yōu)化模型將建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)成本降至最低，進(jìn)一步降低了棄風(fēng)棄光率，提升了新能源的利用率。

技術(shù)特征：

1.一種考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜電解槽的兩端電壓通過以下公式計(jì)算：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜電解槽的可逆電壓通過以下公式計(jì)算：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述儲氫裝置模型的儲氫量平衡約束通過以下公式計(jì)算：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜燃料電池模型的電能輸出功率通過以下公式計(jì)算：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率通過以下公式計(jì)算：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述優(yōu)化配置模型的經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)函數(shù)通過以下公式計(jì)算：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)函數(shù)還包含可再生能源棄風(fēng)棄光的懲罰成本。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及氣電一體化綜合能源系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮能源雙向轉(zhuǎn)換的配電網(wǎng)中長期儲能優(yōu)化配置方法，其方法利用質(zhì)子交換膜電解槽、電解制氫、儲氫裝置和氫燃料電池，實(shí)現(xiàn)了電能和氫能的雙向轉(zhuǎn)換，電解槽在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時制氫并儲存，氫燃料電池在負(fù)荷高峰時發(fā)電供電。本發(fā)明通過建立氫儲能系統(tǒng)的容量配置模型，以經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)為目標(biāo)，綜合考慮了系統(tǒng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本，最大限度提高了可再生能源的利用率，減少了棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，并增強(qiáng)了配電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：張偉,程明漢,湯建東,廖子杰,胡斌,董遠(yuǎn)云
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州鴻晟電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23