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申请/专利权人：山东大学

摘要：本发明属于氢能全链路技术领域，本发明提供了一种氢能全链路设备组合选型方法及系统，获取氢能全链路设备的基本技术经济指标参数，基于氢能全链路设备不同类型的性能差异，对基本技术经济指标参数分组；按照分组，对氢能全链路的各个设备的类型进行对比分析；基于对比分析结果，综合考虑设备的性能差异指标和运行特性，建立各设备相应的分组指标的约束；确定其中一个分组指标作为目标函数的一部分，求解不同可再生能源渗透率情景下的最优结果，得到高比例可再生能源系统中氢能全链路设备组合选型规律。本发明充分利用不同技术类型氢能设备间的互补优势，实现高比例可再生能源系统中能源高效、灵活和经济地利用。

主权项：1.一种氢能全链路设备组合选型方法，其特征是，包括以下步骤：获取氢能全链路设备的基本技术经济指标参数，基于氢能全链路设备不同类型的性能差异，对基本技术经济指标参数分组；具体过程包括：将基本技术经济参数分为经济性、灵活性和效率三类指标，其中，所述经济性指标包括投资成本、固定运维成本、启停成本和寿命；所述灵活性指标包括负载运行范围、爬坡率和启停时间；所述效率指标包括热效率、电效率和充放能效率；按照所述分组，对氢能全链路的各个设备的类型进行对比分析；基于对比分析结果，综合考虑设备的性能差异指标和运行特性，建立各设备相应的分组指标的约束；具体过程包括：构建设备经济性指标约束，包括电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备和压缩机的总成本，且其计算过程，考虑高比例可再生能源系统相应设备的总装机容量限制或氢气上限；构建设备灵活性指标约束，包括高比例可再生能源系统各设备的电功率、在线容量、启动容量和停机容量限制，以及最大启停爬坡率和最小启停时间约束；构建设备效率指标约束，包括各设备的电功率、产热功率和充放氢气效率约束；其中，设备经济性指标约束包括： 1 2 3 4 5其中，表示高比例可再生能源系统的总个数，k表示某一个高比例可再生能源系统；、、和分别表示电解槽、燃氢轮机、燃料电池和储氢设备的技术种类数量，i表示某一种设备技术类型；、、、和分别表示电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备和压缩机的总成本；、、、和分别表示第i类电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备及配套压缩机的投资成本；、、、和分别表示第i类电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备及配套压缩机的固定运维成本；和表示高比例可再生能源系统k在t时刻的燃氢轮机产电功率和停机容量；和分别表示第i类燃氢轮机的可变运行成本和启停成本；、和分别表示高比例可再生能源系统k第i类电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备的新增装机容量，、和分别表示高比例可再生能源系统k第i类电解槽、燃氢轮机、燃料电池、储氢设备的总装机容量；和分别表示高比例可再生能源系统k第i类储氢装置及其配套的压缩机的氢气上限；设备灵活性指标约束包括： 6 7 8 9 10 11 12 13 14其中，X表示设备集合，包括电解槽、燃氢轮机和燃料电池；表示高比例可再生能源系统k第i类设备X在t时刻的电功率；、和分别表示高比例可再生能源系统k第i类设备X在t时刻的在线容量、启动容量和停机容量；、和分别表示高比例可再生能源系统k第i类设备X的总容量、新增装机容量和现存容量；和分别表示第i类X设备的最小最大输出比，和分别表示第i类X设备最大向上向下爬坡率，和分别表示第i类X设备最大启停爬坡率；和分别表示第i类X设备的最小启停时间；和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻的第i类储氢设备储存释放的氢气质量；设备效率指标约束包括： 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28电解槽消耗富余的可再生能源发电来生产氢气；表示时间周期，t表示某一时刻；、、和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻的第i类电解槽输入的电功率、第i类燃氢轮机和燃料电池的产电功率和第i类储氢设备配套的压缩机消耗电功率；表示电能转换为氢能的能量转换系数，表示氢能的低热值，、和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻第i类电解槽生产氢能的质量、第i类燃氢轮机和燃料电池消耗的氢能的质量；、和分别表示第i类电解槽、燃氢轮机和燃料电池的电功率，、和分别表示第i类电解槽、燃氢轮机和燃料电池的热功率；、和分别表示第i类电解槽、燃氢轮机和燃料电池的产热功率；和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻的风能和光伏容量因子，和分别表示高比例可再生能源系统k的风机和光伏的总装机容量，和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻的风机和光伏输出功率；表示所有电解槽产生氢气的总量；表示高比例可再生能源系统k在t时刻的第i类储氢装置的储存状态，和分别第i类储氢装置表示充放氢气效率，表示压缩机的耗电系数；确定其中一个分组指标作为目标函数的一部分，其余分组指标为约束条件，且设置不同的可再生能源渗透率，求解不同可再生能源渗透率情景下的最优结果，得到高比例可再生能源系统中氢能全链路设备组合选型规律；具体地，以氢能全链路设备的经济性指标作为目标函数的一部分，考虑灵活性和效率指标约束，并结合可再生能源渗透率约束，利用求解器求解不同可再生能源渗透率下最优的氢能全链路设备组合选型结果，得出高比例可再生能源系统中氢能全链路设备组合选型规律；目标函数除了氢能全链路设备的经济性指标外，还包括高比例可再生能源系统中其他能源设备的成本：传统火电机组成本、风机成本、光伏成本、储能成本、电锅炉成本、储热罐成本和传输线成本； 29 30 31 32 33 34 35 36其中，和分别表示传统火电机组、储能设备的技术种类数量；、、、、、、和分别表示第i类传统火电机组、风机、光伏、第i类储能的功率型与能量型、电锅炉、储热罐和连接高比例可再生能源系统j与k的传输线投资成本；、、、和分别表示第i类传统火电机组、风机、光伏、电锅炉和储热罐的固定运维成本；和分别表示第i类传统火电机组的启停成本，和分别表示第i类储能和储热罐的运行成本；、、、和分别表示第i类传统火电机组、风机、光伏和储热罐的新增装机容量；、、、和分别表示第i类传统火电机组、第i类储能的功率性与能量型、电锅炉和储热罐的总装机容量；、和分别表示高比例可再生能源系统k时刻t第i类传统火电机组输出功率以及第i类储能的充放电功率；表示高比例可再生能源系统k时刻t第i类传统火电机组的停机容量；和分别表示高比例可再生能源系统k时刻t第i类传统火电机组储热罐的充放热功率；表示和高比例可再生能源系统k相连的传输线路集；约束条件包括：可再生能源渗透率约束： 37 38其中，表示高比例可再生能源互联系统的可再生能源渗透率目标，是为高比例可再生能源系统k的储能设备创建的松弛变量，其作用是抵消储能充放电功率同时为正时的“能量损失”对高比例可再生能源系统的影响；、和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻的电负荷、出口的电负荷和电锅炉的耗电功率；系统平衡及备用约束： 39 40 41 42 43其中，表示连接高比例可再生能源系统j与k的传输线在t时刻传输的电功率，、、和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻热电联产机组、电锅炉产热功率以及热负荷和弃热功率；表示t时刻从高比例可再生能源系统j传输到k的氢气量，表示和高比例可再生能源系统k相连的氢能管道集，表示高比例可再生能源系统k在t时刻的氢负荷；表示第i类传统火电机组的最小输出比，表示高比例可再生能源系统k在t时刻第i类传统火电机组的在线容量；和分别表示高比例可再生能源系统k在t时刻第i类储能的备用贡献和系统的功率备用要求；和分别表示风机和光伏的出力预测误差；其他设备约束： 45 46 47 48 49 50 51 52 53除氢能全链路相关设备外，高比例可再生能源系统中还有传统火电机组、风机、光伏、储能、电锅炉、储热罐和电力传输线；传统火电机组相关约束和燃氢轮机类似，储能和储热罐相关约束和储氢设备及压缩机类似；是传统火电机组中热电联产机组的产热约束，和分别表示在高比例可再生能源系统k中t时刻热电联产机组的电功率和热功率；和分别表示热电联产机组的电效率和热效率；和分别表示在高比例可再生能源系统k中的风能和太阳能的现有容量；和分别表示电锅炉最小和最大的电功率比；表示电锅炉的热效率，和分别表示电锅炉的最大向上向下爬坡率；所述氢能全链路设备组合选型规律为：储氢设备和燃氢轮机均优先选择成本最优的储氢设备和燃氢轮机；对于电解槽，当系统的富余可再生能源发电少于设定值、电解槽装机需求量少于预定值时，优先选择效率最优的固体氧化物电解槽；当系统的富余可再生能源发电大于设定值、电解槽装机需求量大于设定量时，优先选择经济性最优的碱性电解槽；对于燃料电池，根据能源供应需求，优先选择效率最优的固体氧化物燃料电池或灵活性和经济性最优的质子交换膜燃料电池；基于所述氢能全链路设备组合选型规律，针对目标高比例可再生能源系统，确定氢能全链路设备组合选型方案。

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