一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法与流程

1.本发明属于涉及综合能源系统应用技术领域，具体涉及一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法。


背景技术：

2.可再生能源电解制氢作为消纳高比例波动性可再生能源的重要手段，一方面解决高比例新能源并网带来的海量新能源发电量，另一方面有效促进零碳氢能的普及与发展，可再生能源电解制氢已成为氢能的重要来源之一。目前采用新能源电解制氢存在以下三个问题：1、由于可再生能源的间歇性和波动性导致氢能无法稳定供应，同时电解槽投资高昂，制氢成本较高；2、不同地区风光等资源差异性显著，导致各地之间制氢成本差异极大，不利于氢能的全面发展，3、部分地区拥有庞大体量的新能源制氢潜力，但由于当地氢需求有限，缺乏对新能源的高效利用。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
5.一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，包括以下步骤：
6.针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，模拟特高压传输线路的真实利用情况，建立省级电能传输模型；
7.针对不同类型电解槽工作特性的差异性，建立考虑功率特性和爬坡特性的多类型电解槽模型，模型不同电解槽的真实工作状态，建立多类型电解槽模型；
8.针对模型中包括风力涡轮机、光伏电池、水电、压缩机、储氢罐、储能设备进行建模，建立省级协同供应链模型；
9.以及以系统总运行成本最小为目标，建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型。
10.进一步的，所述省级电能传输模型的建立方法包括：
11.对省级电能传输功率进行约束和省级电能传输功率利用小时数进行约束。
12.进一步的，所述建立多类型电解槽模型的功率特性和爬坡特性包括：
13.确定碱性水电解槽的功率特性和爬坡特性、质子交换膜电解槽的功率特性和爬坡特性以及高温固体氧化物电解槽的功率特性和爬坡特性。
14.进一步的，所述省级协同供应链模型的建立方法包括：
15.在省级协同供应链系统电功率平衡条件下，对省级协同供应链系统备用功率、省级协同供应链系统新能源发电量以及省级协同供应链系统设备容量进行约束。
16.进一步的，所述省级协同供应链系统电功率平衡具体如下
[0017][0018]
其中，和分别为第s个地区光伏电池(pv)、风力涡轮机(wt)和水电站(hg)在t时刻的输出功率，为第s个地区第k个火力发电机机组(tg)在t时刻的输出功率，和分别为第s个地区蓄电池储能在t时刻的充放电功率，为第s个地区在t时刻的净电负荷(不考虑省际电能传输下的电负荷)，为第s个地区在t时刻的压缩机的输入电功率。
[0019]
进一步的，所述应取负号，表示电能输出，对于受电方，应取正号，表示电能输入。
[0020]
进一步的，所述省级协同供应链模型的建立方法还包括：
[0021]
对省级协同供应链风光设备运行、省级协同供应链水电站运行、省级协同供应链火力发电机组运行、省级协同供应链蓄电池储能运行、省级协同供应链压缩机运行、省级协同供应链储氢罐运行以及省级协同供应链氢负荷进行约束。
[0022]
进一步的，所述考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型的建立方法包括：
[0023]
建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型的目标函数，所述目标函数为：
[0024][0025]
其中，cost为省级协同地区的系统总成本，c
inv,s
、c
om,s
和c
op,s
分别为第s个地区的系统年投资成本、年固定运维成本和年变动运维成本。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
为此本发明在省级协同供应链模型的基础上，进一步考虑省际电能传输和多类型电解槽技术。建立省级电能传输模型，该模型针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，充分模拟了特高压传输线路的真实利用情况，其次，针对不同类型电解槽工作特性的差异性，建立了考虑功率特性和爬坡特性的多类型电解槽模型，有效模拟了不同电解槽的真实工作状态。然后针对模型中其余如风机、光伏、水电、压缩机、储氢罐、储能设备等进行建模，建立省级协同供应链模型，最后以系统总运行成本最小为目标，建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢系统，实现省级协同以降低整体制氢成本。
[0028]
可再生能源电解制氢作为消纳高比例波动性可再生能源的重要手段，一方面解决高比例新能源并网带来的海量新能源发电量，另一方面有效促进零碳氢能的普及与发展，可再生能源电解制氢已成为氢能的重要来源之一
[0029]
本发明考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢技术有效模拟了省级电能传输和多类型电解槽的真实运行状况并实现了省级协同以降低整体制氢成本。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来
讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1是本发明考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢系统结构图；
[0032]
图2是本发明方法步骤流程图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
本发明在省级协同供应链模型的基础上，进一步考虑省际电能传输和多类型电解槽技术。另外，考虑到中国具有成熟的特高压输电技术，可实现大规模的电力传输。因此，本发明建立省级电能传输模型，该模型针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，充分模拟了特高压传输线路的真实利用情况。
[0035]
如图1所示，考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢系统，包括光伏电池、风力涡轮机、水电站、多类型电解槽、压缩机、储氢罐、蓄电池、特高压传输线路，其中，光伏电池、风力涡轮机和水电站产生电能，多类型电解槽将电能转化为氢能，压缩机将转换的氢能进行压缩后由储氢罐进行存储，剩余电能采用蓄电池进行存储，用于实时电功率平衡，特高压传输线路作为省际电能传输，实现富余电能消纳。
[0036]
如图2所示，一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，具体包括以下步骤：
[0037]
(1)建立省级电能传输模型；
[0038]
省级电能传输功率约束为：
[0039][0040]
其中，为第s个地区第l条特高压传输线路在t时刻的传输功率，为第s个地区第l条特高压传输线路的最大传输功率上限。
[0041]
省级电能传输功率利用小时数约束为：
[0042][0043]
其中，t
max
为系统调度结束时刻，为第s个地区第l条特高压传输线路的年剩余利用小时数(排除该特高压线路已利用小时数)。
[0044]
(2)建立多类型电解槽模型；
[0045]
碱性水电解槽(awe)的功率特性和爬坡特性为：
[0046][0047][0048][0049]
其中，和为第s个地区在t时刻和t-1时刻awe的输入电功率，为第s个
地区的awe的配置容量，为第s个地区在t时刻awe的工作状态，其值为1表示对应类型电解槽运行，其值为0表示对应类型电解槽不运行；
[0050]
质子交换膜电解槽(pem)的功率特性和爬坡特性为：
[0051][0052][0053][0054]
其中，和为第s个地区在t时刻和t-1时刻pem的输入电功率，为第s个地区的pem的配置容量，为第s个地区在t时刻pem的工作状态，其值为1表示对应类型电解槽运行，其值为0表示对应类型电解槽不运行；
[0055]
高温固体氧化物电解槽(soe)的功率特性和爬坡特性为：
[0056][0057][0058][0059]
其中，和为第s个地区在t时刻和t-1时刻soe的输入电功率，为第s个地区的soe的配置容量，为第s个地区在t时刻soe的工作状态，其值为1表示对应类型电解槽运行，其值为0表示对应类型电解槽不运行。
[0060]
(3)建立省级协同供应链模型；
[0061]
省级协同供应链系统电功率平衡：
[0062][0063]
其中，和分别为第s个地区光伏电池(pv)、风力涡轮机(wt)和水电站(hg)在t时刻的输出功率，为第s个地区第k个火力发电机机组(tg)在t时刻的输出功率，和分别为第s个地区蓄电池储能在t时刻的充放电功率，为第s个地区在t时刻的净电负荷(不考虑省际电能传输下的电负荷)，为第s个地区在t时刻的压缩机的输入电功率，需要注意的是，对于输电方，应取负号，表示电能输出，对于受电方，应取正号，表示电能输入；
[0064]
省级协同供应链系统备用功率约束：
[0065][0066]
其中，和分别为第s个地区光伏电池和风力涡轮机在t时刻的单位输出功率，和分别为第s个地区新配置和已配置的光伏电池容量，和分别为第s个
地区新配置和已配置的风力涡轮机容量，为第s个地区第k个火力发电机机组在t时刻的在线容量，和分别为第s个地区在t时刻的蓄电池储能备用功率和水电站备用功率；
[0067]
省级协同供应链系统新能源发电量约束：
[0068][0069]
其中，β为可再生能源发电量最低占比；
[0070]
省级协同供应链系统设备容量约束：
[0071][0072]
其中，和分别为第s个地区的光伏电池pv、风力涡轮机wt、碱性水电解槽awe、质子交换膜电解槽pem、高温固体氧化物电解槽soe、压缩机(hc)、储氢罐(hs)、蓄电池充放(eps)和蓄电池存储(ees)的配置容量；
[0073]
省级协同供应链风光设备运行约束：
[0074][0075][0076]
省级协同供应链水电站运行约束：
[0077][0078][0079][0080]
其中，为第s个地区的水电站的现有装机容量，为第s个地区的径流式水电站年利用小时数；
[0081]
省级协同供应链火力发电机组运行约束：
[0082][0083][0084][0085][0086][0087][0088]
其中，和分别为第s个地区第k个火力发电机机组在t时刻的启动容量和停机容量，t
su,k
和t
sd,k
分别为第k个火力发电机机组的启动时间和停机时间，为第s个地
区的火力发电机机组的现有装机容量，和分别为第k个火力发电机机组的输出功率比例下限和上限，δ
rp,k
为第k个火力发电机机组的爬坡率；
[0089]
省级协同供应链蓄电池储能运行约束：
[0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096]
其中，和分别为第s个地区在t时刻和t-1时刻的蓄电池存储容量，η
es+
和η
es-分别为蓄电池的充放电效率，和分别为第s个地区在调度起始时刻和调度结束时刻的蓄电池存储容量；
[0097]
省级协同供应链压缩机运行约束：
[0098][0099][0100][0101]
其中，为第s个地区在t时刻压缩机输入氢气流量，η
awe
、η
pem
和η
soe
分别为awe、pem和soe的转化效率，lhv为氢燃烧的低位热值，ω为压缩机的单位耗电量；
[0102]
省级协同供应链储氢罐运行约束：
[0103][0104][0105][0106][0107][0108]
其中，为第s个地区在t时刻储氢罐输入氢气流量，为第s个地区在t时刻的氢负荷量，σ
hc
为储氢罐氢气充放损失率，和分别为第s个地区在t时刻和t-1时刻的储氢罐存储容量，和分别为第s个地区在调度起始时刻和调度结束时刻的储氢
罐存储容量；
[0109]
省级协同供应链氢负荷约束：
[0110][0111][0112]
其中，为第s个地区的年氢需求量。
[0113]
(4)建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型。
[0114]
考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型的目标函数为：
[0115][0116][0117][0118][0119]
其中，cost为省级协同地区的系统总成本，c
inv,s
、c
om,s
和c
op,s
分别为第s个地区的系统年投资成本、年固定运维成本和年变动运维成本，为第i种设备的年投资成本，即和分别表示pv、wt、awe、pem、soe、hc、hs、eps和ees的年投资成本；为第i种设备的年固定运维成本，即和分别表示pv、wt、awe、pem、soe、hc、hs、eps和ees的年固定运维成本；表示第k个火力发电机组的年固定运维成本，表示水电的年固定运维成本，和分别表示第k个火力发电机组的年变动运维成本和单位启动成本，表示水电的年变动运维成本。
[0120]
第i种设备的资本回收系数为κi，即κ
pv
、κ
wt
、κ
awe
、κ
pem
、κ
soe
、κ
hc
、κ
hs
、κ
eps
和κ
ees
分别表示pv、wt、awe、pem、soe、hc、hs、eps和ees的资本回收系数，其值计算如下：
[0121][0122]
其中，r为折现率，ni为对应的第i种设备的寿命。
[0123]
本发明的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，包括建立省级电能传输模型，该模型针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，充分模拟了特高压传输线路的真实利用情况，其次，针对不同类型电解槽工作特性的差异性，建立了考虑功率特性和爬坡特性的多类型电解槽模型，有效模拟了不同电解槽的真实工作状态。然后针对模型中其余如风机、光伏、水电、压缩机、储氢罐、储能设备等进行建模，建立省级协同供应链模型，最后以系统总运行成本最小为目标，建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢系统，实现省级协同以降低整体制氢成本。结果表明，本方法有效模拟了省级电能传输
和多类型电解槽的真实运行状况并实现了省级协同以降低整体制氢成本。
[0124]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0125]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，模拟特高压传输线路的真实利用情况，建立省级电能传输模型；针对不同类型电解槽工作特性的差异性，建立考虑功率特性和爬坡特性的多类型电解槽模型，模拟不同电解槽的真实工作状态，建立多类型电解槽模型；针对风力涡轮机、光伏电池、水电、压缩机、储氢罐、发电机及储能设备进行建模，建立省级协同供应链模型；以及以系统总运行成本最小为目标，建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型。2.根据权利要求1所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述省级电能传输模型的建立方法包括：对省级电能传输功率进行约束和省级电能传输功率利用小时数进行约束。3.根据权利要求1所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述建立多类型电解槽模型的功率特性和爬坡特性包括：确定碱性水电解槽的功率特性和爬坡特性、质子交换膜电解槽的功率特性和爬坡特性以及高温固体氧化物电解槽的功率特性和爬坡特性。4.根据权利要求1所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述省级协同供应链模型的建立方法包括：在省级协同供应链系统电功率平衡条件下，对省级协同供应链系统备用功率、省级协同供应链系统新能源发电量以及省级协同供应链系统设备容量进行约束。5.根据权利要求4所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述省级协同供应链系统电功率平衡具体如下其中，和分别为第s个地区光伏电池(pv)、风力涡轮机(wt)和水电站(hg)在t时刻的输出功率，为第s个地区第k个火力发电机机组(tg)在t时刻的输出功率，和分别为第s个地区蓄电池储能在t时刻的充放电功率，为第s个地区在t时刻的净电负荷(不考虑省际电能传输下的电负荷)，为第s个地区在t时刻的压缩机的输入电功率。6.根据权利要求5所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述应取负号，表示电能输出，对于受电方，应取正号，表示电能输入。7.根据权利要求4所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征在于，所述省级协同供应链模型的建立方法还包括：对省级协同供应链风光设备运行、省级协同供应链水电站运行、省级协同供应链火力发电机组运行、省级协同供应链蓄电池储能运行、省级协同供应链压缩机运行、省级协同供应链储氢罐运行以及省级协同供应链氢负荷进行约束。8.根据权利要求1所述的一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，其特征
在于，所述考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型的建立方法包括：建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢模型的目标函数，所述目标函数为：其中，cost为省级协同地区的系统总成本，c
inv,s
、c
om,s
和c
op,s
分别为第s个地区的系统年投资成本、年固定运维成本和年变动运维成本。

技术总结
本发明公开一种考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢方法，涉及综合能源系统应用领域，包括建立省级电能传输模型，该模型针对省级地区通过特高压传输线路进行电能传输建模，充分模拟了特高压传输线路的真实利用情况，其次，针对不同类型电解槽工作特性的差异性，建立了考虑功率特性和爬坡特性的多类型电解槽模型，有效模拟了不同电解槽的真实工作状态。然后针对模型中其余如风机、光伏、水电、压缩机、储氢罐、储能设备等进行建模，建立省级协同供应链模型，最后以系统总运行成本最小为目标，建立考虑电能传输的省级协同多类型电解制氢系统，实现省级协同以降低整体制氢成本。实现省级协同以降低整体制氢成本。实现省级协同以降低整体制氢成本。


技术研发人员：潘光胜 顾钟凡 顾伟 李海峰 冯刚
受保护的技术使用者：国网新疆电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/13