一种混合储能可再生能源离网制氢系统容量优化配置方法

本发明涉及混合储能可再生能源领域，具体涉及一种混合储能可再生能源离网制氢系统容量优化配置方法。

背景技术：

1、氢气作为一种来源丰富、利用高效、应用广泛的清洁能源，有望成为21世纪实现全球“双碳”的“终极能源”。目前氢能的制取方式主要以灰氢为主，灰氢占全球产氢量的95％。但灰氢在制备过程中会产生大量的二氧化碳，对环境造成污染。针对我国风光消纳能力不足、灰氢制取对环境污染大的问题，可以利用风光发出的电直接采用碱性电解槽进行电解水制氢，即绿电制氢。采用绿电制氢不仅可以增加对风光的消纳能力，也可以做到在整个制氢过程中的清洁、无污染。而采用离网制氢方式，可以避免绿电制氢系统与主网的交互，以此避免并网造成的主网波动。

2、制约绿电制氢发展的原因主要是制氢成本过高以及电解槽运行状态不够稳定。因此，可以在绿电制氢系统中加入储能系统并对整个绿电制氢系统进行容量优化配置，以此降低绿电制氢的成本并提高电解槽运行的稳定性。然而，目前现有制氢场景的研究成果中，鲜有致力于提高储能系统性能而提升电解槽运行稳定性以及系统经济性的，而侧重于精确预测风光出力或建立更加符合实际的电解槽模型的居多。此外，在有关氢能应用的研究中，大部分都将氢能作为一种储能形式以平抑风光并网的波动性，而以绿电制氢为目的的研究较少。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种混合储能可再生能源离网制氢系统容量优化配置方法，其采用由蓄电池和超级电容器组组成的混合储能系统，蓄电池和超级电容优势互补，可以提高电解槽工作的稳定性。蓄电池功率密度低、能量密度大、具有持续性，可以抑制电解槽的长时波动；超级电容功率密度大、瞬态释放能量高、但不具有持续性，可以抑制电解槽的短时波动。然后对混合储能可再生能源离网制氢系统进行容量优化配置，合理配置发电设备、制氢设备、储氢设备以及储能设备的容量比例，可以避免冗余建设，从而降低制氢成本。此方法还可以提升风光消纳比例，为实现“双碳”目标助力。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种混合储能可再生能源离网制氢系统，包括发电单元、制氢储氢单元、混合储能系统；发电单元包括风力发电机、光伏发电机；制氢储氢单元包括电解槽、储氢罐；混合储能系统包括蓄电池、超级电容器组；

4、发电单元发电供给电解槽制氢，当发出的电能够满足电解槽以额定功率工作外仍有富裕电量时，混合储能系统在满足容量约束的前提下进行充电储能，仍然剩下的能量作为弃风弃光能量；相反，若发电单元发出的电能不能满足电解槽以额定功率运行的要求时，混合储能系统在容量约束的限制内进行放电给电解槽补充供电，仍不能满足电解槽需求的部分作为电解槽切除负荷的能量；系统制取的氢气短时储存在储氢罐中定时利用。

5、本发明还提供一种所述系统的容量优化配置方法，包括以下步骤：

6、步骤1.逐时采集发电单元的输出功率以及混合储能系统的实时容量；(用什么去采集和传输)

7、步骤2.建立系统的数学模型并制定各设备间的耦合关系；

8、步骤3.根据系统的实时状态，按照混合储能系统的能量管理策略控制混合储能系统中蓄电池与超级电容器组的充/放电状态以及充/放电时间(超级电容器组中超级电容器的工作状态、工作时间保持一致)；

9、步骤4.以系统的单位制氢成本为目标函数，加入电解槽切负荷惩罚成本以及弃能惩罚成本；

10、步骤5.制定符合实际的约束条件；

11、步骤6.将发电单元、制氢储氢单元以及混合储能系统的容量作为决策变量，并求解系统中各设备的容量；

12、步骤7.根据求解结果，分析售氢单价、单位制氢成本对于系统的经济性的影响。

13、优选地，步骤2中，按照系统运行的工作原理以及能量流动的优先级顺序，根据系统中各个设备的数学模型，建立系统的数学模型并制定各个设备之间的耦合关系。

14、优选地，步骤3中按照能量管理策略具体包括以下步骤：

15、步骤31.计算出系统的实时不平衡功率，根据不平衡功率以及系统实时采集的混合储能系统的容量判断混合储能系统应该充电或放电亦或不充电也不放电；

16、步骤32.根据不平衡功率、蓄电池的额定充放电功率、超级电容器组的最大充放电功率的大小关系，分别确定在某一时刻初始时蓄电池的充/放电功率以及超级电容器组的充/放电功率(超级电容器组中超级电容器的工作功率保持一致)；

17、步骤33.计算蓄电池、超级电容器组以恒功率工作一个单位时间后的容量，与各自的容量限制比较，判断混合储能系统是否能在一个单位时间内持续恒功率工作；

18、步骤34.当混合储能系统能够在一个单位时间内恒功率工作时，使其按照步骤32中确定的功率充/放电一个完整的单位时间；

19、当混合储能系统不能在一个单位时间内恒功率工作时，计算蓄电池、超级电容器组满足容量约束的充/放电时间(超级电容器组中超级电容器的充/放电时间保持一致)；

20、当一种储能元件即蓄电池或所有的超级电容工作完成后，再根据不平衡功率的大小以及储能元件的功率约束确定在单位时间内的后半段另一种储能元件的充/放电功率。

21、优选地，步骤4中，在对系统中各设备的容量进行优化配置的过程中，以系统的单位制氢成本最小化作为目标，并考虑降低年弃风弃光惩罚成本以及电解槽切负荷的年惩罚成本，最终以年综合成本最小化为目标函数；其中，年单位制氢成本包括年化投资成本、年运行维护成本、年替换成本。

22、优选地，步骤5中，制定符合实际的约束条件，包括：功率平衡约束、蓄电池充放电功率约束、超级电容器组充放电功率约束、蓄电池荷电状态约束、超级电容器组荷电状态约束。

23、优选地，步骤6中，在为系统中的各个设备进行容量配置时，确定电解槽的容量，将发电单元中风力发电机、光伏发电机的容量、制氢储氢单元中储氢罐的容量以及混合储能系统中蓄电池的容量、超级电容器组中超级电容器的数量作为决策变量，为电解槽配置发电单元和混合储能系统；

24、决策变量的不同会导致年制氢单位成本、弃风弃光年惩罚成本、电解槽切负荷年惩罚成本的不同；采用改进的粒子群算法(现有技术中的算法)在约束条件下，求解系统最优的容量配置方案，并计算得到最优方案下的年单位制氢成本、年弃风弃光率、电解槽年切负荷率。

25、本发明的有益效果在于：

26、1、在可再生能源离网制氢系统中加入由蓄电池和超级电容器组组成的混合储能系统，并制定混合储能系统的能量管理策略，能够使蓄电池能量密度大、具有持续性与超级电容器功率密度大、短时能量高的优势互补，能够较好的抑制电解槽功率的短时、长时波动，提升电解槽的工作稳定性，并且能够促进风光消纳。此外，超级电容器组的加入能避免蓄电池频繁无规律充放电，延长蓄电池寿命的同时能降低单位制氢成本。

27、2、采用改进的粒子群算法对混合储能可再生能源离网制氢系统中发电单元、制氢储氢单元、混合储能系统进行容量优化配置，能够降低制氢成本、提升电解槽的工作稳定性、增强我国的风光消纳能力，促进“双碳”目标的实现。

28、3、根据容量优化配置结果以及单位制氢成本结果，结合目前售氢单价情况分析可再生能源离网制氢系统的经济性。