一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法和系统

本发明涉及加氢站设备优化，特别是涉及一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法和系统。

背景技术：

1、氢能因其高效、无污染被认为是未来理想的替代燃料。随着燃料电池技术的发展，氢燃料电池汽车被认为是未来具有应用前景的替代能源汽车之一。加氢站是给氢燃料电池汽车提供氢气的燃气站，因此，加氢站是氢燃料电池汽车必不可少的基础设施，加氢站的发展在世界范围内受到了越来越多的关注。

2、目前，加氢站主要采用高压压缩储氢方法进行加氢，有利于提供加氢站的加注利用率并降低加氢站运行功耗。加注利用率反映了加氢站连续加注的能力，提高加注利用率可以降低储氢罐的加注频率，降低维护运营成本。加氢站运行总功耗主要由压缩机的压缩功耗和冷却系统的冷却功耗组成，减少加氢站运行总功耗有利于降低加氢站运行电力成本，节约能源。因此，加注利用率和运行功耗是加氢站综合优化的重要组成部分。

3、然而，针对加注利用率和运行功耗的研究大部分是对两者分别进行优化，现有技术暂无同时考虑加注利用率和运行功耗进行加氢站优化的方案，而无论是对加注利用率还是对运行功耗进行单独优化，都存在考虑不全面、优化效果差的问题。因此，如何提供一种兼顾加注利用率和运行功耗进行优化的加氢站充放氢气优化方法，以提升优化效果，成为了本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法和系统，从加注利用率和运行功耗两方面进行考虑，研究储氢罐的压力级和体积与加注利用率和运行功耗之间的关联关系，兼顾加注利用率和运行功耗两方面对加氢站的储氢罐设备进行优化，从而有效提升加氢站充放氢气的优化效果，填补了现有技术缺少同时考虑加注利用率和运行功耗进行加氢站优化的空白。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提出了一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法，所述加氢站包括管式拖车、压缩机、级联储氢系统和冷却系统；所述级联储氢系统包括若干储氢罐，所述储氢罐包括低压储氢罐、中压储氢罐和高压储氢罐；所述加氢站充入氢气时，氢气从所述管式拖车吸入所述压缩机，经过所述压缩机增压后储存到所述储氢罐中；所述加氢站向待加氢的目标车辆注入氢气时，氢气从所述储氢罐运输至所述冷却系统，经所述冷却系统冷却后注入至所述目标车辆的车载储氢瓶中；所述加氢站充放氢气优化方法包括：

4、获取加氢站基础参数；所述加氢站基础参数包括储氢罐基础参数、压缩机基础参数和冷却系统基础参数；所述储氢罐基础参数包括多个个体；每个个体至少包括储氢罐内剩余压力范围和储氢罐内体积范围。

5、根据所述储氢罐基础参数，计算每个个体对应的所述储氢罐的加注氢气质量和加注利用率。

6、根据所述压缩机基础参数，计算所述压缩机的压缩功耗。

7、根据所述冷却系统基础参数，计算所述冷却系统的冷却功耗。

8、将所述冷却系统的冷却功耗、所述压缩机的压缩功耗以及所述储氢罐的加注氢气质量和加注利用率输入至加氢站利润目标函数，得到每个个体对应的加氢站利润。

9、基于每个个体对应的加氢站利润，对所述储氢罐的剩余压力和体积进行迭代优化，当达到迭代次数后得到储氢罐优化结果，所述储氢罐优化结果用于确定所述储氢罐的最佳压力级值和最佳体积值。

10、可选地，根据所述储氢罐基础参数，计算每个个体对应的所述储氢罐的加注氢气质量和加注利用率，具体包括：

11、根据所述储氢罐基础参数，计算每个个体对应的所述储氢罐的加注氢气质量。

12、根据每个个体对应的所述储氢罐的加注氢气质量和所述储氢罐基础参数，计算每个个体对应的所述储氢罐的加注利用率。

13、可选地，所述储氢罐的加注氢气质量的计算公式为：

14、

15、

16、

17、其中，a＝pfαrg，b＝rgtmmc+pfvm+mxpfαrg-mlpfαrg；

18、c＝mxpfvm-pfαrgmxmm-mcmmrgtm，a＝pfαrg；

19、b＝rgthmc+pfvh+pfαr(mx+my-mh)，c＝(mx+my)(pfvh-pfαrgmh)-mcmhrgth；

20、所述储氢罐的加注利用率的计算公式为：

21、

22、其中，mx、my、mz分别表示低压储氢罐加氢质量、中压储氢罐加氢质量、高压储氢罐加氢质量；pl、pm、ph分别表示低压储氢罐内剩余压力、中压储氢罐内剩余压力、高压储氢罐内剩余压力；ml、mm、mh分别表示低压储氢罐内剩余质量、中压储氢罐内剩余质量、高压储氢罐内剩余质量；tl、tm、th分别表示低压储氢罐氢气经冷却系统冷却后的温度、中压储氢罐氢气经冷却系统冷却后的温度、高压储氢罐氢气经冷却系统冷却后的温度；vl、vm、vh分别表示低压储氢罐体积、中压储氢罐体积、高压储氢罐体积；rg为氢气气体常数；α为系数；mc为目标填充质量；η表示加注利用率；pf为车载储氢瓶加注填满后的压力。

23、可选地，根据所述压缩机基础参数，计算所述压缩机的压缩功耗，具体包括：

24、根据所述压缩机基础参数，计算压缩机出口质量流量和压缩机容积效率。

25、根据所述压缩机容积效率，计算压缩机等熵效率。

26、根据所述压缩机等熵效率，计算压缩机排气比焓。

27、根据所述压缩机排气比焓和所述压缩机出口质量流量，计算所述压缩机的压缩功耗。

28、可选地，所述压缩机出口质量流量的计算公式为：

29、

30、所述压缩机容积效率的计算公式为：

31、

32、所述压缩机等熵效率的计算公式为：

33、

34、所述压缩机排气比焓的计算公式为：

35、

36、所述压缩机的压缩功耗的计算公式为：

37、

38、其中，为压缩机出口质量流量，ρin为压缩机进口气体密度；vcyl为压缩气缸的容积；n为电机转速；ηv为容积效率；pout为排气压力；pin为进气压力；为压缩机的压缩功耗；hin为进气比焓；hout为排气比焓；hout,is为等熵压缩时的焓；ηis为压缩机等熵效率。

39、可选地，根据所述冷却系统基础参数，计算所述冷却系统的冷却功耗，具体包括：

40、根据所述冷却系统基础参数，计算所述加氢站的氢气冷却需求。

41、根据环境温度，计算所述冷却系统的性能系数。

42、根据所述冷却系统的性能系数和所述加氢站的氢气冷却需求，计算所述冷却系统的冷却功耗。

43、可选地，所述加氢站的氢气冷却需求的计算公式为：

44、

45、所述冷却系统的性能系数的计算公式为：

46、

47、所述冷却系统的冷却功耗的计算公式为：

48、

49、其中，为氢气冷却需求；hco1为排出冷却系统的氢气比焓；hco2为进入冷却系统的氢气比焓；为车载储氢瓶入口质量流量；为冷却功耗；ta为环境温度；cop为冷却系统性能系数。

50、可选地，所述加氢站利润目标函数的表达式为：

51、d＝d1-d2-d3-d4-d5；

52、d1＝mac1；

53、

54、

55、d4＝n2c4；

56、其中，d表示加氢站年均利润；d1表示加氢站年均收入；d2表示氢气年均成本；d3表示加氢站年均运行功耗成本；d4表示加氢站运营和维护年均成本；d5表示加氢站年均固定资本成本；n1为加氢站年均加注车辆数量；ma为加氢站年均加注需求氢气质量；c1为加氢价格，单位为元/kg；c2为制氢成本，单位为元/kg；为加氢站运行总功耗；ta为加氢站年均工作时间；c3为加氢站电价，单位为元/kw；m为级联储氢系统所有储氢罐充满时内部氢气总质量；n2为加氢站年均工作周期次数；c4为加氢站一次工作周期的运营和维护成本。

57、可选地，遗传算法的决策变量包括p1、p2、p3、vl、vm、vh，约束条件包括p1、p2、p3的取值范围和vl、vm、vh的取值范围；p1、p2、p3的取值范围为35mpa～95mpa，且p1<p2<p3，vl、vm、vh的取值范围为200l～1100l。

58、其中，p1表示低压储氢罐的压力级；p2表示中压储氢罐的压力级；p3表示高压储氢罐的压力级；vl表示低压储氢罐体积；vm表示中压储氢罐体积；vh表示高压储氢罐体积。

59、第二方面，本发明提出了一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化系统，所述系统在被计算机运行时，执行如上文所述的一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法。

60、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

61、本发明提供了一种基于优化算法的加氢站充放氢气优化方法及系统，相对于现有技术只考虑单一的加注利用率或运行功耗的传统方案，本发明研究储氢罐的压力级和体积与加注利用率和运行功耗(包括压缩功耗和冷却功耗)之间的关系，同时考虑了加注利用率和运行功耗的优化，采用遗传算法对储氢罐设备的压力级和体积参数进行优化，从而得到优化后的储氢罐的最佳压力级和最佳体积，使得储氢罐在该最佳压力级值和最佳体积值的前提下，能够实现加氢站年利润最高、加注利用率最大化、运行功耗最小化，具有更全面，更好指导加氢站充放决策的优点。并且，本发明简便易用、简化多目标优化过程，准确高效，对实际营运的加氢站的充放决策优化具有指导意义。