电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法及设备

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统设计及运行集成优化方法及设备。

背景技术

风光发电的随机性、波动性、不确定性特性，给电网的稳定运行带来巨大挑战，造成弃风、弃光问题严重。大力发展储能技术，对提升风光利用效率、降低弃风弃光率意义重大。包含电化学储能、电解水制氢、二氧化碳加氢制甲醇的电-氢-甲醇耦合系统，可提供短-中-长期的储能解决方案，有望提高风光发电系统的能源消纳率，并解决氢能的就地消纳难题。然而，电-氢-甲醇耦合系统涉及电能、氢能、化学能等多种能源形式，包含电化学储能模块、电解水制氢模块、甲醇合成模块等多种装置，如何对电-氢-甲醇耦合系统中各模块的设计方案及运行调度策略进行优选，以提升系统整体经济性和新能源消纳比例，目前仍是挑战。现有技术中仅有如专利申请CN115392702A公开的考虑甲醇储运的跨区电-氢耦合系统优化调度方法等，只考虑部分融合或仅考虑运行过程优化的方法，无法满足实际需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高风光发电系统的能源消纳率、实现设计运行集成优化的面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统设计及运行集成优化方法及设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法，所述电-氢-甲醇耦合系统包括风力发电装置、光伏发电装置、碱性电解水制氢装置、质子交换膜电解水制氢装置、甲醇合成装置、电化学储能装置和储氢装置，所述方法包括以下步骤：

获取电-氢-甲醇耦合系统的风光发电功率曲线及各装置的技术经济参数；

构建面向风光消纳的系统设计运行集成优化模型，该系统设计运行集成优化模型以全生命周期系统净现值最大化为优化目标，并满足各装置输出特性方程和约束条件；

基于所述风光发电功率曲线及各装置的技术经济参数，对所述系统设计运行集成优化模型进行求解，获得各装置的最优容量配置方案和最优运行调度方案。

进一步地，所述风光发电功率曲线为基于风力发电装置和光伏发电装置典型年全年的输出功率数据建立的风力发电功率曲线和光伏发电功率曲线。

进一步地，所述技术经济参数包括技术参数和经济参数；

所述经济参数包括装置投资成本、装置维护成本、能源买入售出单价、系统贴现率和生命周期；

所述技术参数包括碱性和质子交换膜电解水制氢单位耗电量、氢气压缩单位耗电量、甲醇合成单位耗电量、甲醇合成收率、电化学储能充/放电效率、电化学储能最大充/放电倍率以及电化学储能最大和最小能量状态。

进一步地，所述系统设计运行集成优化模型的优化目标表示为：

式中，C

进一步地，所述输出特性方程包括风光发电特性方程、直流母线的电量平衡方程、电化学储能装置的电量平衡方程、电解水制氢装置的产氢特性方程、储氢装置的氢气平衡方程和甲醇合成装置的甲醇产量方程。

进一步地，所述电解水制氢装置的产氢特性方程表示为：

式中，

所述甲醇合成装置的甲醇产量方程表示为：

式中，

进一步地，所述约束条件包括电化学储能装置的充放电功率及电量约束、电解水制氢装置的操作负荷区间约束、弃电率约束和外售氢气与甲醇产品波动约束。

进一步地，构建所述约束条件时，对非线性约束进行线性化处理。

进一步地，对所述电解水制氢装置的操作负荷区间约束进行线性化处理，线性化处理后的电解水制氢装置的操作负荷区间约束表示为：

式中，M为超过碱性和质子交换膜电解水制氢装置设计容量的极大值，

本发明还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；和

被存储在存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法的指令。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明构建面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统，并通过优化方法设计其各装置的最优容量，为风光消纳提供了短-中-长期的综合储能解决方案，可以提高风光发电系统的能源消纳率以及系统全生命周期经济性，并解决氢能的就地消纳难题。

2、本发明考虑电-氢-甲醇耦合系统中各装置运行特性，基此开展设计与运行集成优化，所得系统设计和运行方案可行性高。

3、本发明可实现电-氢-甲醇耦合系统在不同资源禀赋和产品需求条件下的快速、精准设计，有助于电-氢-甲醇耦合系统的快速推广应用。

附图说明

图1为面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统架构示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3为光伏电站和风电场的逐时发电数据；

图4为系统各装置及电化学储能装置的日内逐时平均功率变化情况，其中，(a)为系统中各装置日内逐时平均功率变化情况，(b)为电化学储能装置日内逐时平均储能量变化情况；

图5为碱性和质子交换膜电解水制氢装置的逐时平均产氢量；

图6为系统中甲醇逐日的产量变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法，该方法根据系统各装置功率特性，以风光发电功率曲线和各装置技术经济参数为输入，构建电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化模型，利用优化方法求解集成优化模型，获得系统中各装置的容量配置方案与运行调度策略，为风光消纳提供了短-中-长期的综合储能解决方案，可以提高风光发电系统的能源消纳率，并解决氢能的就地消纳难题。

本实施例所应用的面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统架构示意图如图1所示，包括风力发电装置(Wind turbine，WT)、光伏发电装置(Photovoltaics，PV)、碱性电解水制氢装置(Alkaline water electrolysis，AEL)、质子交换膜电解水制氢装置(Protonexchange membrane water electrolysis，PEMEL)、甲醇合成装置(Methanol synthesisunit，MSU)、电化学储能装置(Battery energy storage system，BESS)和储氢装置(Hydrogen storage tank，HST)。

在该系统中，风力发电装置和光伏发电装置产生电能均输送至直流母线，一部分电能通过DC/AC变换后输送到主电网，另一部分电能用于电解水制氢。

在该系统中，由于风光发电具有较大的波动性，且为降低气体穿越造成的安全风险，电解水制氢装置的操作负荷应维持在一定合适区间，因此本系统在风光发电高峰时段通过对电化学储能装置充电临时存储富余电能，在风光发电不足时放电以满足电解水制氢装置的电能需求。

在该系统中，电解水制氢装置包含碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢两种路线，两种路线的产氢电耗、操作负荷等技术指标，以及投资成本、运维成本等经济指标存在一定的互补性，两种路线联用可有效提升系统的整体制氢效率及经济性。两种路线生产的氢气一部分直接外供，另一部分输送到甲醇合成系统用于甲醇生产。此外，系统设置一定容量的储氢装置，用于保证后续外供用氢及合成甲醇用氢的平稳性。

在该系统中，甲醇合成装置利用电解水制氢模块所得氢气以及外购二氧化碳合成甲醇，所得甲醇产品被暂存至甲醇储罐中等待外输卖出。

参考图1所示，本实施例提供的电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法包括以下步骤：

S1、获取电-氢-甲醇耦合系统的风光发电功率曲线及各装置的技术经济参数。

本实施例中，风光发电功率曲线为基于风力发电装置和光伏发电装置典型年全年的输出功率数据建立的风力发电功率曲线和光伏发电功率曲线，其中输出功率数据的时间间隔不超过1小时。

本实施例中，技术经济参数包括技术参数和经济参数，具体地：

(1)经济参数：包括但不限于装置投资成本、装置维护成本、能源买入售出单价、系统贴现率和生命周期，其中，能源买入售出单价包括从电网买电的分时电价、氢气售出价格、甲醇售出价格、二氧化碳买入价格、去离子水买入价格等；

(2)技术参数：包括但不限于碱性和质子交换膜电解水制氢单位耗电量、氢气压缩单位耗电量、甲醇合成单位耗电量、甲醇合成收率、电化学储能充/放电效率、电化学储能最大充/放电倍率以及电化学储能最大和最小能量状态等。

S2、构建面向风光消纳的系统设计运行集成优化模型，该系统设计运行集成优化模型以全生命周期系统净现值最大化为优化目标，并满足各装置输出特性方程和约束条件。

本实施例中，面向风光消纳的系统设计运行集成优化模型的优化目标表示为：

式中，C

其中，总建设投资成本C

q∈[PV,WT,AEL,PEMEL,MSU,BESS,HST,MST]

式中，W

所述年度运营利润C

式中，Δt是系统运行优化的步长，

本实施例中，各装置输出特性方程和约束条件根据电-氢-甲醇耦合系统电/氢/甲醇产品需求与各装置运行特性构建。输出特性方程包括风光发电特性方程、直流母线的电量平衡方程、电化学储能装置的电量平衡方程、电解水制氢装置的产氢特性方程、储氢装置的氢气平衡方程和甲醇合成装置的甲醇产量方程。约束条件包括电化学储能装置的充放电功率及电量约束、电解水制氢装置的操作负荷区间约束、弃电率约束和外售氢气与甲醇产品波动约束。

其中，风光发电特性方程可表示为：

式中，P

直流母线的电量平衡方程可表示为：

式中，P

电化学储能装置的电量平衡方程可表示为：

式中，

电化学储能装置的充放电功率及电量约束可表示为：

式中，γ

电解水制氢装置的操作负荷区间约束可表示为：

式中，

由于上述两个约束条件为非线性约束，故采用线性化转化方法将其转化为线性约束，以降低计算复杂度，即：

式中，M为超过碱性和质子交换膜电解水制氢装置设计容量的极大值。

电解水制氢装置的产氢特性方程可表示为：

式中，

储氢装置中的氢气平衡方程可表示为：

式中，

甲醇合成装置中的甲醇产量方程可表示为：

式中，

弃电率约束可表示为：

式中，η

外售外售氢气和甲醇波动约束可描述为：

式中，

S3、基于所述风光发电功率曲线及各装置的技术经济参数，对所述系统设计运行集成优化模型进行求解，获得各装置的最优容量配置方案和最优运行调度方案。

本实施例面向某清洁能源发电基地的实际工况，开展案例计算。在该案例中不考虑电力上网和外售氢气，只考虑甲醇收益。其中，风光发电数据采用某光伏电站和风电场的逐时发电数据，如图3所示，两者设计容量分别为6500kW和15290kW，图中容量因子为实时发电功率与设计容量的比值。分时电价参照2023年峰谷平电价体系，如表1所示。该案例采用的主要经济参数如表2所示。电化学储能装置、电解水制氢装置和甲醇合成装置的相关技术参数如表3所示。该案例中，系统寿命设置为20年，折现率为4.3％，单位运行调度时间为1小时。模型优化是基于GAMS平台实施，选用优化算法为Gurobi。

表1峰谷平电价一览

表2主要经济参数

表3主要技术参数

基于上述参数，通过求解面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化模型，其优化结果如表4所示。从表可见，经优化，碱性电解水制氢装置、质子交换膜电解水制氢装置、甲醇合成装置、电化学储能装置和储氢装置的最优容量分别为13853.17kW、690.12kW、1110.97kg、688.54kWh和1171.18kg。系统全生命周期净现值约为1789.32万元，初始投资成本约为15743.17亿元，投资回收期约为11.19年，年均甲醇产量约7401.88吨。

表4面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统优化设计结果

图4的(a)所示为优化所得面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统中各装置日内逐时平均功率变化情况。从图可见，系统从电网买电主要集中在凌晨，白天电能主要依靠风力和光伏发电供应，碱性电解水制氢装置在夜晚需求电能较高，而在白天需求电能较低；而质子交换膜电解水制氢装置全天电能需求量较平均。图4的(b)所示为电化学储能装置日内逐时平均储能量变化情况。从图可见，电化学储能装置充电主要在夜晚23点至次日7点，在下午14点至18点的充电深度较低；电化学储能装置放电主要在上午7点至12点，以及傍晚18点至23点，这两个时段风光发电能力较低，且处于峰时段电价，电化学储能装置放电以满足制氢功率需求。

图5所示为碱性和质子交换膜电解水制氢装置的逐时平均产氢量。从图可见，在该系统中，碱性电解水制氢装置是主要的产氢设备，约占总产氢量的91.04％，碱性电解水制氢装置的产氢量随时间变化而变化的幅度比较大，质子交换膜电解水制氢装置随时间变化而变化的幅度比较小。

图6所示为系统中甲醇逐日的产量变化情况。从图可见，春季和冬季甲醇的整体产量较高，夏季和秋季甲醇的产量较低，这可能是因为夏季和秋季风力发电能力较低，需要从电网买电弥补制氢电力缺口，导致甲醇成本较高。

进一步地，本发明考虑了碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢两种技术路线，表5比较了仅考虑碱性电解水制氢路线，仅考虑质子交换膜电解水制氢路线，以及本发明方法的优化结果。从表可见，仅考虑碱性电解水制氢路线，仅考虑质子交换膜电解水制氢路线，和本发明的系统全生命周期净现值分别为1727.77万元、392.62万元和1789.32万元。本项目所提的面向风光消纳的电-氢-甲醇耦合系统设计与运行集成优化方法具有显著的经济优越性。

表5不同技术路线下的优化设计结果比较

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。