一种考虑电解水制氢和氢储能的绿色备用电源方法与流程

本发明涉及一种考虑电解水制氢和氢储能的绿色备用电源方法。更具体地说它是一种考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源方法。

背景技术：

1、氢储能技术是利用了电-氢-电互变性而发展起来的。其基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。在可再生能源发电系统中，电力间歇产生和传输被限的现象常有发生，利用富余的、非高峰的或低质量的电力大规模制氢，将电能转化为氢能储存起来；在电力输出不足时利用氢气通过燃料电池或其它方式转换为电能输送上网。能够有效解决当前模式下的可再生能源发电并网问题，同时也可以将此过程中生产的氢气分配到交通、冶金等其他工业领域中直接利用，提高经济性。氢储能系统主要包括三个部分：制氢系统、储氢系统、氢发电系统。未来随着规模化的氢储能系统的应用，可利用储氢实现跨季调峰等应用。氢气运输方式主要有气态储运(长管拖车、管道)、液氢储运、有机液体储运等，其中管道运输是大规模远距离运输中成本最低、最具发展潜力的一种方式。纯氢管道建设和运营成本高，可考虑利用现有的天然气管网掺入氢气输送，输送至终端分离或直接燃烧，降低氢气运输成本。直接燃烧可改善燃烧特性，减少温室气体排放，是促进氢能产业规模推广的重要途径之一。

2、随着制氢技术的快速发展，其站内的氢气调度方案将对气电联合系统的优化运行带来较大的影响。

3、针对上述背景，开发一种考虑电解水制氢和氢储能协调，能够描述掺氢天然气管道中天然气和氢气的连续变化，并保证由电解水制氢和氢储能组成的绿色备用电源的经济性的绿色备用电源方法很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种考虑电解水制氢和氢储能的绿色备用电源方法，能够描述掺氢天然气管道中天然气和氢气的连续变化，并保证由电解水制氢和氢储能组成的绿色备用电源的经济性。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种考虑电解水制氢和氢储能的绿色备用电源方法，其特征在于：包括如下步骤，

3、步骤一：建立电解水制氢装置的电氢能量转化模型；

4、步骤二：建立对掺氢天然气管道中天然气和氢气的质量流量计算模型；

5、步骤三：基于上述质量流量模型，建立考虑考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源模型；

6、步骤四：建立系统优化运行模型；

7、步骤五：采用基于空间映射的连续时间求解方法对步骤四中的系统优化运行模型进行求解，进而得到考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源方案。

8、在上述技术方案中，在步骤一中，建立的电解水制氢装置的电氢能量转化模型如下：

9、

10、其中，表示考虑电解水制氢装置的电氢能量转化效率、表示消耗电能制得的氢气体积。

11、在上述技术方案中，在步骤二中，建立对掺氢天然气管道中天然气和氢气的质量流量计算模型，具体方法如下：

12、假定管道内天然气和氢气混合均匀，定义管道内天然气掺氢比例如下：

13、

14、其中：rv表示掺氢天然气管道中的掺氢体积比例，即管道内掺入氢气的体积与天然气体积之比；表示掺氢天然气管道内氢气的气体体积；表示掺氢天然气管道内天然气的气体体积；

15、为得到掺氢天然气管道中氢气和天然气质量流量之间的关系，对上式(2)进行如下变换：

16、

17、其中：δt表示时间间隔；和分别表示t时刻掺氢天然气管道中氢气和天然气体积；和分别表示t时刻掺氢天然气管道中某一节点上氢气和天然气的密度；和分别表示t时刻掺氢天然气管道中氢气和天然气质量；和分别表示t时刻掺氢天然气管道中某一节点上的氢气和天然气质量流量；

18、基于上式得到氢气和天然气质量流量之间的关系如下：

19、

20、基于此，掺氢天然气管道中混合气体的质量流量与氢气的质量流量表示为：

21、

22、在上述技术方案中，在步骤三中，基于上述质量流量模型，建立考虑考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源模型，具体方法如下：

23、对于掺氢天然气管道，假设天然气和氢气均匀混合且混氢体积比保持恒定，天然气的传输过程由管道两端的压强所驱动，并与自身的温度、密度因素相关；掺氢天然气管道内的气体流动过程视为状态变量为速度、密度、压强的一维流体运动过程；掺氢天然气管道中气体的质量流量m(x，t)和压力p(x，t)对空间和时间的偏导数mx(x，t)，px(x，t)，mt(x，t)，pt(x，t)四者之间的关系表示为：

24、

25、

26、当天然气管道中气体质量流量和压力的边界条件m(0，t)、m(1，t)、p(0，t)和p(1，t)中的任意两个已知时，上述方程组(6)、(7)的解是唯一的；在天然气网络中，源节点的气体压力保持恒定，负荷节点的气体质量流量是确定值，所以将p(0，t)和m(1，t)可作为已知条件；基于此，任意时间在管道任意位置的气体的质量流量m(x，t)和压力p(x，t)由下式分别计算得到：

27、

28、

29、此外，式(8)、式(9)中连续时间变量的边界条件约束如下式所示：

30、

31、

32、pmin≤p(x，t)≤pmax，mmin≤m(x，t)≤mmax    (12)

33、式(10)表示天然气管道节点流进或流出天然气的质量流量平衡；对于节点m，与其相连接的所有管道流入/流出的天然气质量流量之和等于0；

34、式(11)表示天然气管道中的源节点nsour处的气体压力p不随时间发生变化；ps0表示源节点处在初始时刻的气压；

35、式(12)表示天然气管道两端节点上天然气气体压力和质量流量的上下限约束；pmin和pmax分别表示管道两端节点气压允许的最小值和最大值，mmin和mmax分别表示管道两端节点的气体质量流量允许的最小值和最大值。

36、在上述技术方案中，在步骤四中，建立系统优化运行模型，具体方法如下：

37、考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源的目标函数表示为在某固定时间范围内成本最小，具体如下式(13)所示：

38、

39、式(13)中，第一项cgpkg(t)表示购电成本，第二项cgpkgas(t)/ηgas和第三项分别表示购气成本和售气收益；k表示电力系统节点数目；cg和cg分别为电力价格和天然气价格；和分别表示购入的电能、通过燃气生产的电能和生产氢气消耗的电能；ηgas和ηp2g分别表示通过燃气生产电能装置和生产氢气消耗电能装置的能量转换效率；

40、上述目标函数式(13)满足电解水制氢装置的电氢能量转化约束和掺氢天然气网络的安全约束，且满足下述能量平衡约束和其他装置的生产条件约束；

41、

42、

43、

44、

45、其中，式(14)表示功率平衡约束；式(15)表示燃气机组功率的上下限；式(16)表示燃气机组的能量转换，式(17)计算掺氢天然气网络各节点上注入的能量；和分别表示天然气节点m上的气负荷耗气量、燃气生产电能装置耗气量和电解水制氢装置注入天然气管道的氢气量。

46、在上述技术方案中，在步骤五中，采用基于空间映射的连续时间求解方法对步骤四中的系统优化运行模型进行求解，进而得到考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源方案，具体方法为：

47、连续时间气电综合能源系统优化模型中，优化变量显含时间和空间，需要转换到代数空间才能进行求解。利用基函数逼近连续时空函数，并通过空间映射的方法，可以将难以求解的函数优化模型转化为基函数空间中易于求解的代数优化模型进行求解；bernstein多项式具有的凸包性，所以可以用于重构函数空间上的约束条件；因此，本发明采用基于bernstein多项式的空间映射来求解函数优化问题；

48、bernstein多项式由m+1个m阶多项式组成，具体可表示为：

49、

50、为了对函数f(t)，t∈h进行bernstein多项式空间变换，将调度区间h等分为j个时间间隔；在每个时间间隔里，函数f(t)，t∈h均被映射为一组m阶bernstein多项式：

51、

52、式中，j表示时间间隔的索引，r表示常数矩阵，表示函数f(t)，t∈[tj，tj+1]的bernstein系数矩阵；

53、选择bernstein多项式进行空间变换主要有两个原因。其一是由于bernstein多项式可以保证连续时间决策轨迹在bernstein系数的范围内，此性质又称为凸包性质；具体表现为：

54、

55、其二是由于bernstein多项式可以通过相应的微分算子矩阵dm和积分算子矩阵im/km将其对时间的导数转化为他们自身的线性组合形式，分别如下式所示：

56、τ∈[0，1]，dm∈r(m+1)×(m+1)

57、x∈[0，1]，im∈r(m+1)×(m+1)

58、x∈[0，1]，km∈r(m+1)×(m+1)

59、同时，对于积分求和形式的目标函数，可采用下式进行变换：

60、

61、基于以上bernstein多项式空间变换的基础理论，可以对步骤三中建立的考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源模型进行空间变换如下：

62、

63、

64、

65、

66、

67、

68、

69、

70、

71、

72、其中：公式(18-1)～(18-10)分别对应公式(13)、(6)-(7)、(10)-(12)、(14-17)的转换结果，(*)表示(*)的矩阵形式，下标j表示将总时长分为j段后的时间间隔的索引，m表示bernstain多项式的维数；

73、经上述空间变换后，难以直接求解的函数优化问题被转换为bernstein多项式空间上易于求解的代数优化模型，使用cplex或gurobi这些商业求解器进行求解。

74、本发明具有如下优点：

75、(1)本发明提出的考虑电解水制氢和氢储能协调的绿色备用电源方法，能够描述掺氢天然气管道中天然气和氢气的连续变化，并保证由电解水制氢和氢储能组成的绿色备用电源的经济性，且能实现连续模拟；

76、(2)本发明所述考虑电解水制氢和氢储能的绿色备用电源方法具有能够在增强电力用户的用电可靠性的同时，还能保证备用电源本身的经济性的特点；同时本发明能够准确描述其连续变化过程、进而更准确地实现氢气的调度，能有效解决当前模式下的可再生能源发电并网问题以及解决其站内的氢气调度方案对气电联合系统的优化运行带来的影响。