本发明涉及氢储能配置技术领域，尤其涉及一种氢储能综合能源配置系统及方法。
背景技术：
我国西北例如青海省份等，光伏资源丰富，但是农牧民等用户分布极为分散，采用大电网供电缺乏可靠性和经济性，宜采用独立供能系统为当地农牧民用户供电。且当地高寒的自然条件造成了用户较高的用热需求。
过高的用热需求对于一般蓄电池等设备的效率和使用寿命造成很大影响，所以蓄电池等设备并不适用高用热需求，且太阳能波动性和随机性很大，如此很难满足当地可靠稳定的供能需求。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种氢储能综合能源配置系统，用以解决现有技术中太阳能稳定性不高进而导致用户无法获得稳定供能需求的技术问题。
本发明实施例提供一种氢储能综合能源配置系统，包括：用于提供能源供电的能源生产机构、用于储蓄能源的氢储能机构以及用于消耗能源的负荷机构；
所述负荷机构包括电负荷机构和热负荷机构，所述能源生产机构与所述电负荷机构通过电能输送线相连通，所述氢储能机构用于接收所述电能输送线的电能并将电能转换为热能以及氢能，热能传输至热能输送线，进而所述氢储能机构与所述电负荷机构和所述热负荷机构之间进行电、热、氢的能源联供。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，所述能源生产机构包括光伏板，所述光伏板用于将光能转换为电能以传输至所述电能输送线；
所述能源生产机构还包括风力发电机构，用于接收风能，并将风能转换为电能且传输至所述电能输送线。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，所所述氢储能机构包括电解槽、储氢罐以及燃料电池，所述电解槽与所述电能输送线连通，所述燃料电池分别与热能输送线和所述电能输送线相连通，所述储氢罐分别与所述电解槽以及所述燃料电池相连通。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，还包括储热机构，与热能输送线相连通。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，还包括电制热机构，与所述电能输送线以及热能输送线相连通，用于接收所述电能输送线的电能进而将电能转换为热能以传输至所述热能输送线。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，还包括氢储能优化系统，根据设定逻辑对所述氢储能机构中的水、电、热信息进行管理，实现所述氢储能优化系统与所述能源生产机构和所述负荷机构之间能源的交互。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置系统，所述负荷机构包括工业负载、农业负载以及生活负载。
本发明实施例还提供一种氢储能综合能源配置方法，包括：通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能；
利用所述氢储能机构对电能进行转化，以实现电能、热能以及氢能之间的交互；
获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，进而构建电能、热能、氢能联供系统，以优化系统能源生产机构、所述氢储能机构以及负荷机构之间的能源配置。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置方法，所述获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，包括：
获取电解槽电制热的转化数据、获取电解槽电制氢的转化数据以及获取燃料电池制热和制氢的转化数据。
根据本发明一个实施例的氢储能综合能源配置方法，在所述通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能之前，还包括：
设定能源管理系统，所述能源管理系统包括电制热机构所耗费的电能管理单元以及氢储能机构耗费的电能管理单元，根据所述能源管理系统自动根据逻辑判断进行分配所述电制热机构以及所述氢储能机构所分配的电能。
本发明提供的氢储能综合能源配置系统及方法，包括能源生产机构、氢储能机构以及负荷机构，氢储能机构的设置可以对能源生产机构输送的电能进行存储和转化，当电负荷机构需要更多电的时候可以将氢能转为电能，当热负荷机构需要更多热的时候，可以将氢能转换为更多的热以供需求。由此设置，可以调节综合能源配置系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例氢储能综合能源配置系统的结构视图；
图2为本发明实施例氢储能综合能源配置方法的流程图；
图3为本发明实施例氢储能综合能源配置系统冬季和夏季当日电热负荷示意图；
图4为本发明实施例氢储能综合能源配置系统冬季和夏季当日光伏出力示意图；
图5为本发明氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的冬季与夏季电热平衡示意图；
图6为本发明实施例氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的不同热电比例下的成本示意图；
图7为本发明实施例氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的不同新能源成本下总成本示意图。
附图标记：
10、能源生产机构；
20、氢储能机构；210、电解槽；220、储氢罐；230、燃料电池；
30、负荷机构；310、电负荷机构；320、热负荷机构；
40、电能输送线；
50、热能输送线；
60、储热机构；
70、电制热机构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例氢储能综合能源配置系统的结构视图。本发明提供一种氢储能综合能源配置系统，包括：用于提供能源供电的能源生产机构10、用于储蓄能源的氢储能机构20以及用于消耗能源的负荷机构30。负荷机构30包括电负荷机构310和热负荷机构320，能源生产机构10与电负荷机构310通过电能输送线40相连通，氢储能机构20用于接收电能输送线40的电能并将电能转换为热能以及氢能，热能传输至热能输送线50，进而氢储能机构20与电负荷机构310和热负荷机构320之间进行电、热、氢的能源联供。
需要说明的是，本发明用于光伏资源丰富而用户分布较分散的地区。且当地处于高寒的自然条件，用热需求比较高。具体地，在本发明一实施例中，能源生产机构10可以包括光伏板，光伏板用于将光能转换为电能以传输至电能输送线40。也可以包括风力发电机构，用于接收风能，并将风能转换为电能且传输至电能输送线40。此处以光伏板为例进行阐述。风力发电机构与光伏板原理一致，在此不做过多阐述。
还包括储热机构60，与热能输送线50相连通。氢储能机构20包括电解槽210、储氢罐220以及燃料电池230，电解槽210与电能输送线40连通，燃料电池230分别与热能输送线50和电能输送线40相连通，储氢罐220分别与电解槽210以及燃料电池230相连通。电解槽210和燃料电池230用于实现电能和氢能的相互转化，并可以通过换热器将产生的热能以热水的形式存储在储热机构60中。进而电能输送线40和热能输送线50将电能和热能传输至负荷机构30，负荷机构30可以包括但不限于工业负载、农业负载以及生活负载。还包括电制热机构70，与电能输送线40以及热能输送线50相连通，用于接收电能输送线40的电能进而将电能转换为热能以传输至热能输送线50。
在本发明一实施例中，还包括氢储能优化系统，根据设定逻辑对氢储能机构20中的水、电、热信息进行管理，实现氢储能优化系统与能源生产机构10和负荷机构30之间能源的交互。
需要说明的是，请参照图2，图2为本发明实施例氢储能综合能源配置方法的流程图。
本发明还提供一种氢储能综合能源配置方法，包括：
s110、通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能。
需要说明的是，在通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能之前，还包括：设定能源管理系统，能源管理系统包括电制热机构所耗费的电能管理单元以及氢储能机构耗费的电能管理单元，根据能源管理系统自动根据逻辑判断进行分配电制热机构以及氢储能机构所分配的电能。
s120、利用氢储能机构对电能进行转化，以实现电能、热能以及氢能之间的交互。
获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，包括：获取电解槽电制热的转化数据、获取电解槽电制氢的转化数据以及获取燃料电池制热和制氢的转化数据。进而可以根据电解槽、燃料电池的热电之间的转化优化能源配置系统中的能量的利用。
s130、获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，进而构建电、热、氢联供系统，以优化能源生产机构、氢储能机构以及负荷机构之间的能源配置。
以下对现有技术进行阐述，现有技术中，以光伏发电为例，需要配置光伏发电、蓄电池以及电制热、储热装置容量。需要考虑满足电负荷需求时各类设备的成本。且需要考虑太阳能、负荷波动等因素造成的弃光或者失负荷现象。因此容量配置分为两部分，如下所示：
minc＝ci co；
其中，c为系统年化总成本，ci为各类设备的年投资成本。co为系统年运行成本，由弃光和失负荷的惩罚费用组成。
具体地：
其中，qj和sj分别表示第j类设备的规划容量和单位容量建设成本。ξj为设备年运维成本占建设成本比例。m为系统寿命、r为基准折现率。
ee(24)＝ee(0)；
其中，ηpv(t)是第t个小时内光伏出力因子，其值在0～1之间，qpv为光伏电池规划容量。ηpv(t)qpv和
进一步地，
eh(24)＝eh(0)。
其中，eh(t)为储热装置实时储热量。heh(t)分别指在第t个小时内电制热装置产热功率。hld(t)和hloss(t)分别为预测热负荷和失热负荷功率。ηh为热网效率。
需要说明的是，电制热机构的特性约束如下：
ηehpeh(t)＝heh(t)；0≤peh(t)≤qeh。
其中，ηeh为电制热效率，qeh为电制热设备规划容量。具体可以采用matlab和cplex联合求解此光伏蓄电池独立供能系统容量优化配置模型。
而本发明一实施例中，设置了氢储能机构以调节能源配置的不平衡度。在本发明一实施例中，氢储能综合能源配置系统包括电解槽热电平衡系统以及燃料电池热电平衡系统。
电解槽热电平衡系统如下：
电解槽主要通过电解水将电能转化为氢气进行贮存，其制氢效率如下：
其中，ηel、vel、iel和pel分别为电解槽的制氢效率、端电压、输入电流和输入电功率，vel为电解槽制氢的摩尔速率，δg为电解水的吉布斯自由能变。电解槽的效率可通过调节电流等因素予以控制，但在容量配置时效率通常按常数简化考虑。
电解槽的热电平衡方程如下所示：
其中，
其中，hel为电解槽产热功率。进一步地，燃料电池主要完成氢能向电能的转化，其发电效率如下所示：
其中，ηfc、vfc、ifc和pfc分别为燃料电池的发电效率、端电压、输入电流和输出电功率，vfc为燃料电池耗氢的摩尔速率。燃料电池的效率在容量配置通常也按常数简化考虑。
燃料电池的热电平衡关系如下：
其中，
综上可得，燃料电池的热电平衡系统如下：
其中，hfc为燃料电池产热功率。
所以，相比于现有技术，本申请将蓄电池换为储氢罐、电解槽以及燃料电池三部分，进而氢储能机构形成的热电系统具有如下约束条件：
其中，ηpv(t)是第t个小时内光伏出力因子，其值在0～1之间，qpv为光伏电池规划容量。ηpv(t)qpv和
以及：
其中，eh(t)为储热装置实时储热量。hel(t)、hfc(t)、heh(t)分别指在第t个小时内电解槽、电制热装置、燃料电池产热功率。hld(t)和hloss(t)分别为预测热负荷和失热负荷功率。ηh为热网效率。
综上，氢储能所对应的热电系统中电解槽、燃料电池以及储氢罐的约束如下：
0≤pel(t)≤qel；
0≤pfc(t)≤qfc；
mst(24)＝mst(0)；
其中，qel、qfc为电解槽和燃料电池规划容量，
以下例举一实施例对上述具体场景进行阐述说明，如下：
如图3所示，图3为一农牧区氢储能综合能源配置系统冬季和夏季当日电热负荷示意图。该地区在冬季和夏季的光伏出力情况如图4所示。图4为本发明实施例氢储能综合能源配置系统冬季和夏季当日光伏出力示意图。各类装置的建设成本、运维成本占建设成本比例和效率常数如表1所示。表1如下。
表1：
需要说明的是，高寒气候会导致蓄电池寿命显著减少，由之前可以使用10年变为在高寒气候大多可以按5年考虑。其他所有设备的使用寿命统一按20年考虑。失负荷惩罚可按当地用户电价的10倍进行取值，弃光惩罚取为0.1元/kwh。
进而得出：本发明所提出的氢储能机构在相同场景下，与蓄电池相比结果如表2，如下：
表2：
如上，氢储能机构对应的光伏储氢系统和蓄电池对应的光伏蓄电池系统容量相同，但是电制热和储热容量方面，光伏蓄电池独立供能系统高于光伏储氢独立供能系统。且光伏蓄电池独立供能系统只能依靠电制热装置作为热源，为满足夜间的电、热负荷需求，小配置大容量光伏、蓄电池和储热装置，如此会造成总成本远高于光伏储氢系统，且蓄电池的寿命较短，可靠性低，这也使得光伏蓄电池独立供能总成本更高。
请参照图5，图5为本发明氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的冬季与夏季电热平衡示意图，可以得知，对于满足电负荷需求之外的电能，光伏储氢独立供能系统约有75％用于电解制氢、储氢，25％用于电制热。而光伏蓄电池独立供能系统70％用于电制热，30％用于蓄电。两类系统则分别由燃料电池和蓄电池来满足夜间用电负荷。光伏储氢独立供能系统白天总产热量和总储热量相对较低，其中50％产热量来自电解槽，40％来自电制热装置。而光伏蓄电池系统约88％的热负荷均由电制热供应，总储热量也比光伏储氢系统高45％。光伏储氢独立供能系统的夜间用热由储热装置和燃料电池提供，各占约70％和30％；而光伏蓄电池独立供能系统的夜间用热则完全依赖储热装置。因此，光伏储氢系统由于电解槽和燃料电池具备热电联供能力，电制热和储热的需求较低，相对于光伏蓄电池系统有更高的经济效益。
进一步地，为分析不同热电负荷比下，两类系统的配置结果和成本差异如下：具体可以参照图6，图6为本发明实施例氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的不同热电比例下的成本示意图。可以得知，热电负荷比较低时，如0.5～1，本发明所提系统的光伏配置容量高于现有光伏蓄电池独立供能系统；由于储氢系统寿命相对较长，年化成本明显低于蓄电池。在此范围内，光伏储氢独立供能系统容量配置结果无明显变化，表明低热电负荷比下光伏储氢独立供能系统在供热方面的潜力未能充分利用。而随着热电负荷比例进一步增大至1～4，两类系统的光伏容量因总负荷需求增加均显著增加，储氢系统和蓄电池的容量和成本因夜间电负荷不变而基本不变。由于自身具备热电联供、储能系统寿命长等优点，相对于蓄电池系统，光伏储氢独立供能系统的光伏配置成本略低，储能成本下降了30％～40％，在总成本上显现出较大优势。为定量比较二者经济效益差距，在每种场景下，以光伏蓄电池独立供能系统为标准，比较两类系统的总成本之比，亦如图6所示。结果表明，两类系统的总成本之比随着热电比例增加呈先快速下降后缓慢上升的趋势。最佳热电负荷比例优选为1.3。
无论光伏储氢独立供能系统还是光伏蓄电池独立供能系统，光伏板均为系统的能源来源，因此其建设成本直接影响两类系统的配置结果和经济效益。请参照图7，图7为本发明实施例氢储能综合能源配置系统与现有技术中采用蓄电池系统的不同新能源成本下总成本示意图。在不同的热电负荷比例和不同的光伏电池建设成本下，最终配置容量和总成本会有较大差异。为方便说明和分析，本发明以每种场景中两类系统总成本之比作为指标予以分析，其结果如图7所示。由图7可知，光伏电池成本在-50％至 50％的变化范围内时，两类系统成本之比随热电负荷比的变化趋势基本不变。光伏储氢独立供能系统的最佳热电负荷比始终在1.3左右。当新能源成本上升时，在每一热电负荷比例下光伏储氢独立供能系统相对于现有的光伏蓄电池独立供能系统的成本整体上升。反之，当新能源成本下降时，光伏储氢独立供能系统的经济优势则会更加显著。
因为在高寒条件下蓄电池寿命、效率下降，蓄电池的成本明显高于储氢系统，因而光伏成本在光伏储氢独立供能系统总成本中所占比例相对更高，其总成本更易受光伏成本的变化而变化。由此可知，氢储能机构的设置便于提高高寒条件下综合能源配置系统的稳定性且可以降低对应地区用户清洁供能成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种氢储能综合能源配置系统，其特征在于，包括：用于提供能源供电的能源生产机构、用于储蓄能源的氢储能机构以及用于消耗能源的负荷机构；
所述负荷机构包括电负荷机构和热负荷机构，所述能源生产机构与所述电负荷机构通过电能输送线相连通，所述氢储能机构用于接收所述电能输送线的电能并将电能转换为热能以及氢能，热能传输至热能输送线，进而所述氢储能机构与所述电负荷机构和所述热负荷机构之间进行电、热、氢的能源联供。
2.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，所述能源生产机构包括光伏板，所述光伏板用于将光能转换为电能以传输至所述电能输送线；
所述能源生产机构还包括风力发电机构，用于接收风能，并将风能转换为电能且传输至所述电能输送线。
3.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，所述氢储能机构包括电解槽、储氢罐以及燃料电池，所述电解槽与所述电能输送线连通，所述燃料电池分别与热能输送线和所述电能输送线相连通，所述储氢罐分别与所述电解槽以及所述燃料电池相连通。
4.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，还包括储热机构，与热能输送线相连通。
5.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，还包括电制热机构，与所述电能输送线以及热能输送线相连通，用于接收所述电能输送线的电能进而将电能转换为热能以传输至所述热能输送线。
6.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，还包括氢储能优化系统，根据设定逻辑对所述氢储能机构中的水、电、热信息进行管理，实现所述氢储能优化系统与所述能源生产机构和所述负荷机构之间能源的交互。
7.根据权利要求1所述的氢储能综合能源配置系统，其特征在于，所述负荷机构包括工业负载、农业负载以及生活负载。
8.一种氢储能综合能源配置方法，其特征在于，包括：
通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能；
利用所述氢储能机构对电能进行转化，以实现电能、热能以及氢能之间的交互；
获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，进而构建电能、热能、氢能联供系统，以优化系统能源生产机构、所述氢储能机构以及负荷机构之间的能源配置。
9.根据权利要求8所述的氢储能综合能源配置方法，其特征在于，所述获取热能、氢能以及电能之间的转化数据，包括：
获取电解槽电制热的转化数据、获取电解槽电制氢的转化数据以及获取燃料电池制热和制氢的转化数据。
10.根据权利要求8所述的氢储能综合能源配置方法，其特征在于，在所述通过氢储能机构接收电能输送线传输的电能之前，还包括：
设定能源管理系统，所述能源管理系统包括电制热机构所耗费的电能管理单元以及氢储能机构耗费的电能管理单元，根据所述能源管理系统自动根据逻辑判断进行分配所述电制热机构以及所述氢储能机构所分配的电能。
技术总结