一种基于电解槽电热特性的系统并网变温优化运行方法

本发明涉及电氢耦合系统经济性优化领域，属于基于设备运行特性的电氢耦合系统日前优化调度技术。

背景技术：

1、新能源接入配电网的比例日益增加，其中光伏和风机为装机比例最大的新能源。相较于风电，光伏的发电特征稳定，更易预测，但仍存在日内发电不平衡，光伏输出不稳定，以及与电能需求时序不匹配的问题。

2、为了解决光伏输出不稳定的问题，储能装置在近年来备受关注，其中常用的包括锂电池储能和氢储能，氢储能不仅能够缓解光伏系统输出的不稳定性，实现光伏消纳，还可以满足工业与居民用氢需求，如氢燃料电池。在众多制氢方法中，碱性电解槽制氢研究较为成熟，已逐步实现商业化，其拥有较稳定的制氢能力以及良好的环保特性。然而，碱性电解槽动态响应较慢，因此常与锂电池等共同用于新能源系统的光伏功率消纳。《面向多能互补的分布式光伏与电氢混合储能规划优化研究》提出氢储能系统结合电池储能系统的电氢混合储能构建区域综合能源系统来对光伏的不稳定输出进行消纳调节。

3、然而，由于电解制氢效率不高，因此光伏-电解槽-锂电池系统需要进行经济性优化调度，降低成本或提高收益，来实现其可持续运作。《基于交替方向乘子法的园区电-氢-热系统低碳优化调度》提出以园区运行总成本最小为目标的优化调度算法，《考虑储氢物理特性的含氢区域综合能源系统中长期优化运行》提出对高压储氢罐与压缩机进行细节建模，实现综合能源系统的优化运行。

4、然而，当前研究往往忽略了电解槽本身的热特性造成的能量损耗，为了维持电解槽在额定运行温度虽然能提高电解效率，提高氢气产量，但也造成了更多的热量耗散，使电解槽始终维持在额定功率需要加热装置提供更多热量，提高了加热装置的功率容量需求，即投资成本有所提高，并且长期维持在额定运行温度下也会导致电解槽设备老化。综上，如何通过调控电解槽温度，在满足氢能与电能的用户需求的情况下，实现光伏-电解槽-锂电池系统经济性最优、系统寿命最长、降低弃光率的日前优化调度是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有光伏-碱性电解槽-锂电池系统运行成本较高，能量利用率低的问题，提出一种基于电解槽电热特性的变温优化运行方法。基于实测数据拟合电解槽的热容热阻参数，拟合电解槽电压电流温度关系式，同时获取电解槽以最大功率运行的温升曲线，拟合电解槽功率上限与温度相关的估计公式。建立考虑运行与投资成本的系统经济性优化的目标函数与考虑温度对功率上下限影响的系统运行约束条件，采用matlab对提出的非线性多变量问题进行求解，获得系统经济性最优的日前运行规划。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于电解槽电热特性的系统并网变温优化运行方法，所述系统为光伏-碱性电解槽-锂电池系统，系统并网提供给用户氢能负荷与电能负荷；包括以下步骤：

4、步骤一：获取光伏预测数据、电力负荷预测数据、氢能负荷预测数据、电网取电价格、电网上电价格及光伏-碱性电解槽-锂电池系统的配置、单位成本、运行上下限以及电解槽热容、热阻参数、电解槽的电压-电流-温度关系式和电解槽功率上限-温度关系式pmax(t)＝k·t+b，其中，k,b为参数，通过数据拟合获得；

5、步骤二：建立光伏-碱性电解槽-锂电池系统经济性优化的目标函数和系统运行约束条件；其中，目标函数为系统运行总成本最低；所述系统运行约束条件包括电解槽的功率约束、电解槽最大制氢输出流速约束、压缩机功率约束、储氢罐压强约束、储氢罐的氢能存储容量约束、锂电池功率约束、锂电池容量约束、加热设备与冷却设备的功率范围约束、光伏设备弃光功率约束、系统电能平衡约束、与电网交换的功率约束、系统热能平衡约束；其中电解槽的功率约束表示为：pelz(t)表示t时刻的电解槽功率，为一天内划分的时间段集合，η为比例系数，pmax(t)表示温度t下的电解槽功率上限；

6、步骤三：将系统运行参数作为待优化变量，基于步骤一获取的数据对步骤二中的目标函数进行求解，获得优化后的运行参数，所述系统依据优化后的运行参数进行运行；所述运行参数包括电解槽功率、锂电池充电和放电功率、加热设备加热功率、冷却设备冷却功率、与电网交换的功率、电解槽制氢速率、压缩机功率、电解槽温度、储氢罐压强及电解槽输入电流。

7、进一步地，光伏-碱性电解槽-锂电池系统的配置包括光伏设备、锂电池、压缩机、储氢罐、电解槽、加热设备、冷却设备的额定容量；光伏-碱性电解槽-锂电池系统的单位成本包括投资成本、运行成本和折旧成本。

8、进一步地，所述目标函数为系统日运行总成本最低，具体为：

9、

10、式中，m为系统建设投资成本在一天的净现值，op(t)为t时刻的运行成本，de(t)为t时刻的折旧成本，egrd(t)为t时刻从电网取电成本，apv(t)为t时刻光伏弃光成本；δt为时间段间隔。

11、进一步地，建设投资成本具体为：

12、

13、其中，cpv,cbs,ccpr,chs，celz，cheat，ccool分别为光伏设备、锂电池、压缩机、储氢罐、电解槽、加热设备、冷却设备的单位建设成本；分别为光伏设备、锂电池、压缩机、储氢罐、电解槽、加热设备、冷却设备的额定容量，ypv，ybs，ycpr，yhs，yelz，yheat，ycool分别为光伏设备、锂电池、压缩机、储氢罐、电解槽、加热设备、冷却设备的预期寿命年限，r为年利率，u(*)为年金因子函数。

14、进一步地，系统在t时刻的运行成本具体为：

15、

16、其中，ohs为储氢罐储入一单位氢气所需成本，oelz，ocpr，opv，oht，ocl分别为电解槽、压缩机、光伏设备、加热设备、冷却设备输入或输出一单位功率所需成本，melz(t)，pelz(t)，pcpr(t)，ppv(t)，pht(t)，pcl(t)分别为t时刻的制氢速率，电解槽功率，压缩机功率，光伏功率，加热功率，冷却功率；

17、t时刻的折旧成本具体为：

18、

19、其中，dbs,delz,dht,dcl分别为锂电池、电解槽、加热设备、冷却设备的单位功率折旧成本，分别为锂电池t时刻充电、放电功率；

20、t时刻从电网取电成本具体为：

21、

22、epr(t)表示t时刻电网售电电价，pgrd(t)表示为t时刻系统与电网交换的功率；

23、t时刻光伏弃光成本具体为：

24、

25、λpv表示单位弃光量惩罚成本，表示t时刻弃光功率。

26、进一步地，所述电解槽热容、热阻参数、电解槽的电压-电流-温度关系式和电解槽功率上限-温度关系式通过如下方法获得：

27、收集电解槽从室温ta开始在额定电压下稳定运行的温度、功率数据；

28、基于收集的温度、功率数据，通过如下公式求解获得电解槽热容celz：

29、

30、telz(t0)＝ta

31、式中：t0为电解槽温度与室温ta相同时的时刻，telz(t0)为t0时刻的电解槽温度，u(t0)、i(t0)分别为电解槽t0时刻的输入电压和电流；为此时温度随时间变化梯度的导数；uth为电解槽热中性电压，n为电解槽小室数量；

32、基于收集的温度、功率数据，通过如下公式拟合获得电解槽热阻rt：

33、

34、δt为温度变化量；

35、基于收集的温度、功率数据拟合获得电解槽功率上限-温度关系式；

36、收集电解槽在不同温度、不同电流下的电压值；基于收集的数据，通过如下公式拟合获得电解槽的电压-电流-温度关系式：

37、

38、urev为可逆电压，s为电解槽极板面积，r1,r2,s1,t1,t2,t3为拟合获得的参数，u(t)、i(t)分别为电解槽t时刻的输入电压和电流。

39、进一步地，电解槽最大制氢输出流速约束具体为：

40、

41、

42、

43、为电解槽最大制氢流速，melz(t)为t时刻的制氢速率；为t时刻电解槽运行效率；ηe,ηf分别为电压效率和电流效率，uth为电解槽热中性电压，u(t)、i(t)分别为电解槽t时刻的输入电压和电流，u(t)通过电解槽的电压-电流-温度关系式获得；

44、储氢罐压强约束具体为：

45、

46、

47、其中，分别为储氢罐最小、最大储氢压强限制；πhs(t)为电解槽t时刻储氢罐压强；

48、ths,qhs分别为储氢罐温度和储氢罐最大储氢量，mld(t)为t时刻氢能需求量，δt为时间段间隔，melz(t)为t时刻的制氢速率，r为理想气体常数，z为与储氢罐有关的参数；

49、压缩机功率约束具体为：

50、

51、

52、g为压缩机参数；pcpr(t)为t时刻的压缩机功率，分别为压缩机的最小、最大功率，πhs(t)分别为电解槽氢气出气口压强与t时刻储氢罐压强，r为理想气体常数，g为压缩机参数；telz(t)表示t时刻电解槽温度，ηcpr为压缩机效率；

53、储氢罐的氢能存储容量约束具体为：

54、

55、

56、soh(t)为t时刻储氢罐储氢量，为储氢罐参数，表示氢能耗散；sohmin,sohmax分别为储氢罐最小、最大储氢容量限制。

57、进一步地，锂电池功率约束具体为：

58、

59、

60、

61、分别为锂电池最小、最大充电功率，分别为锂电池最小、最大放电功率；分别为锂电池t时刻充电、放电功率；

62、锂电池容量约束具体为：

63、

64、

65、soc(t)为锂电池t时刻容量，分别为锂电池充电、放电效率。为锂电池电量耗散率。

66、进一步地，加热设备与冷却设备的功率范围约束具体为：

67、

68、

69、pcl(t)·pht(t)＝0

70、其中，分别为加热设备的最小、最大功率；分别为冷却设备的最小、最大功率；pcl(t),pht(t)分别为冷却设备、加热设备锂电池t时刻的功率；

71、光伏设备弃光功率约束具体为：

72、

73、式中，表示t时刻光伏弃光功率，表示预测的t时刻光伏最大功率，ω表示允许弃光率上限，本发明设置为5％，通过调整ω的大小，可以调整系统的弃光功率约束，系统在满足弃光率小于ω的前提下，实现优化运行。

74、进一步地，与电网交换的功率约束具体为：

75、

76、分别为联络线最小、最大功率，pgrd(t)为t时刻与电网交换的功率；

77、系统电能平衡约束具体为：

78、pld(t)为t时刻的负荷用电功率；表示预测的t时刻光伏最大功率，pelz(t)，pcpr(t)，pht(t)，pcl(t)分别表示t时刻的锂电池放电、充电功率，电解槽功率，压缩机功率，加热功率，冷却功率；

79、系统热能平衡约束具体为：

80、

81、

82、

83、telz(t)表示t时刻电解槽温度，分别为加热设备与冷却设备的电热转换效率，celz,rt分别为电解槽热容和热阻；是电解槽用于自身加热的热效率，t表示室温。

84、本发明的优点有：

85、(1)本发明能够基于实测数据估计电解槽热容和热阻。

86、(2)本发明能够基于实测数据拟合电解槽在不同温度下的功率上下限，提出的电解槽运行温度与功率范围之间的近似关系，可以用于很多其他的电解槽运行相关的模型优化。

87、(3)本发明提出了光伏-电解槽-锂电池系统日前变温运行策略，实现经济性最优调度。

88、(4)本发明提出的变温运行方法，能够降低高温对电解槽的负面影响，降低系统运行温度从而延长系统寿命，避免了无效的通过加热来维持电解效率的能量转换和能量浪费。且利用光伏预测结果优化电解槽运行，有效维持弃光率在限制范围内的同时提高系统经济性。