一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法与流程

本发明涉及气电一体化综合能源系统领域，尤其涉及一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法。

背景技术：

1、在“双碳”目标下，配电网的能源结构转型迫在眉睫，特别是在新能源发电占比逐渐增加的背景下，电力系统面临着高效消纳、运行稳定等诸多挑战。风能、太阳能等可再生能源虽然环保，但其波动性和随机性导致了配电网运行中的不稳定性。为应对新能源接入带来的波动性问题，现有技术通常采用电池储能或负荷调整手段来平衡供需。然而，电池储能存在成本高、存储时间有限以及能源损耗等问题，无法充分应对大规模长时间的储能需求。因此，现有的配电网储能技术面临着无法大规模、高效存储能源，导致弃风弃光等现象严重的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的诸多问题，本发明提供一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，本发明利用氢储能系统实现电能和氢能的双向转换。在电网负荷低谷时，通过质子交换膜电解槽将电能转换为氢能，并储存氢气；在电网负荷高峰时，通过氢燃料电池将氢能转换为电能供给电网，保证电网的稳定供电。同时，本发明方法通过优化模型最小化建设和运行维护成本，提高了能源的利用效率，减少了可再生能源浪费。

2、一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，包括以下步骤：

3、通过质子交换膜电解槽实现电解制氢，所述质子交换膜电解槽模型基于可逆电压、电极过电压和欧姆过电压，以电能制取氢气；

4、对储氢装置进行建模，所述储氢装置模型设置储氢量平衡约束、储氢容量上下限约束，以及储氢罐的输入输出功率约束；

5、基于质子交换膜燃料电池构建氢燃料电池模型，所述质子交换膜燃料电池模型通过氢气的电化学反应将氢能转换为电能，并考虑工作温度、转换效率和功率调节灵活性，进行电能输出；

6、确保配电网各节点的有功功率输出与输入保持平衡，所述电网潮流平衡模型综合考虑本地发电、可再生能源接入及双向能量转换的功率；

7、以经济成本最优为目标，结合质子交换膜电解槽、储氢装置和质子交换膜燃料电池的建设成本、年运行维护成本，优化储能系统的容量配置。

8、优选的，所述质子交换膜电解槽的两端电压通过以下公式计算：

9、

10、其中，为单个电解槽两端电压；是可逆电压；为电极过电压；为欧姆过电压。

11、优选的，所述质子交换膜电解槽的可逆电压通过以下公式计算：

12、

13、其中，是质子交换膜电解槽的工作温度，温度范围为60~80摄氏度；为理想气体常数，取8.314；为法拉第常数，取96485；表示电解槽阴极的氢气分压，取6.9；表示电解槽阳极的氧气分压，取1.3。

14、优选的，所述储氢装置模型的储氢量平衡约束通过以下公式计算：

15、

16、其中，为t时刻储氢罐的储氢量；和分别为t时刻储氢罐的输入、输出氢功率；和分别为储氢罐的储、放氢效率。

17、优选的，所述质子交换膜燃料电池模型的电能输出功率通过以下公式计算：

18、

19、式中，是质子交换膜燃料电池的开路电压；是活化损耗电压，与低电流密度下的活化损耗有关，用于驱动电化学反应进行；是质子交换膜燃料电池的欧姆损耗电压，与接触电阻等上的电压损耗有关；为浓差损耗电压，与反应物快速消耗时产生的浓度不均有关。

20、优选的，所述质子交换膜燃料电池的能量转换效率通过以下公式计算：

21、

22、其中，是质子交换膜燃料电池消耗氢气的速率；表示有个质子交换膜燃料电池串联运行，其发出的总的电功率；是质子交换膜燃料电池化学反应产生的总的功率。

23、优选的，所述优化配置模型的经济成本目标函数通过以下公式计算：

24、

25、其中，、、和分别为综合等年值成本、投资成本、维护成本和运行成本；是氢储能运行成本。

26、优选的，所述经济成本目标函数还包含可再生能源弃风弃光的惩罚成本。

27、相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：

28、本发明通过引入氢储能系统，实现了电能与氢能的双向转换，在电网负荷低谷时利用富余电力制氢，并在负荷高峰时通过氢燃料电池发电，解决了现有技术中电池储能规模小、成本高、能源损耗大的问题。

29、本发明通过质子交换膜电解槽、电解制氢、储氢装置与氢燃料电池的技术手段，实现了能源的长期、高效存储，并通过优化模型将建设与运行维护成本降至最低，进一步降低了弃风弃光率，提升了新能源的利用率。

技术特征：

1.一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述质子交换膜电解槽的两端电压通过以下公式计算：

3.根据权利要求2所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述质子交换膜电解槽的可逆电压通过以下公式计算：

4.根据权利要求1所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述储氢装置模型的储氢量平衡约束通过以下公式计算：

5.根据权利要求1所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池模型的电能输出功率通过以下公式计算：

6.根据权利要求1所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的能量转换效率通过以下公式计算：

7.根据权利要求1所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述优化配置模型的经济成本目标函数通过以下公式计算：

8.根据权利要求7所述的考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其特征在于，所述经济成本目标函数还包含可再生能源弃风弃光的惩罚成本。

技术总结本发明涉及气电一体化综合能源系统领域，尤其涉及一种考虑能源双向转换的配电网中长期储能优化配置方法，其方法利用质子交换膜电解槽、电解制氢、储氢装置和氢燃料电池，实现了电能和氢能的双向转换，电解槽在电网负荷低谷时制氢并储存，氢燃料电池在负荷高峰时发电供电。本发明通过建立氢储能系统的容量配置模型，以经济成本最优为目标，综合考虑了系统的建设成本和运行维护成本，最大限度提高了可再生能源的利用率，减少了弃风弃光现象，并增强了配电网的灵活性和稳定性。技术研发人员：张伟,程明汉,汤建东,廖子杰,胡斌,董远云受保护的技术使用者：杭州鸿晟电力设计咨询有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/23