基于RSOC的风光氢能源系统功率分配策略研究_李菁.pdf

第 45 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.45 No.7Jul.2023基于RSOC的风光氢能源系统功率分配策略研究Research on power distribution strategy of an RSOC-based wind-photovoltaic-hydrogen energy system李菁1，窦真兰2*，王加祥1，张春雁2，鲁涛1，倪耀兵1LI Jing1，DOU Zhenlan2*，WANG Jiaxiang1，ZHANG Chunyan2，LU Tao1，NI Yaobing1（1.国网上海长兴供电公司，上海 201913；2.国网上海市电力公司，上海 200122）（1.State Grid Shanghai Changxing Power Supply Company，Shanghai 201913，China；2.State Grid Shanghai Power Supply Company，Shanghai 200122，China）摘 要：可逆固体氧化物电池（RSOC）作为新型氢能储技术在可再生综合能源系统中具有广泛的应用前景。然而，与低温氢储能技术以堆功率代表系统功率进行功率分配策略研究相比，RSOC电堆外围需配置高功耗辅助系统（BOP）来维持其高温运行，且系统功率调控速率受温度安全限制。因此，RSOC氢电转化系统的BOP功耗和功率调控速率约束对系统功率分配有着显著的影响。为此，建立了基于RSOC的风光氢综合能源系统模型，着重开发了考虑BOP功耗的RSOC氢电转化系统功率模型。同时，提出一种基于RSOC的风光氢综合能源系统功率分配优化方法，考虑RSOC功率调控速率、各系统容量等约束条件，建立以系统日运行成本最小化、风光消纳最大化为目标的功率分配优化策略，并通过多目标粒子群优化算法求解该问题。优化结果显示，该算法能够获得优越的功率分配策略，与一般的功率分配策略相比，优化后的功率分配策略能够获得更高的系统收益。此外，电网和蓄电池的参与增加了系统的功率调节的灵活性，降低了系统整体运行功率。关键词：氢储能技术；可逆固体氧化物电池；可再生综合能源；功率分配优化；多目标粒子群优化中图分类号：TK 01 文献标志码：A 文章编号：2097-0706（2023）07-0078-09Abstract：As a new hydrogen storage technology，a reversible solid oxide cell（RSOC）has a promising application prospects in renewable integrated energy systems.Low-temperature hydrogen storage technologies take stack power as system power in power allocation strategy making.A RSOC system is equipped with a large power consumption auxiliary system，Balance of Plant（BOP），to maintain its high-temperature operation，and the power control rate is limited by the safety temperature.Therefore，the power allocation strategy for the RSOC is decided by the power consumption of the BOP and power control rate of the RSOC hydrogen-water energy conversion system.The modelling of an RSOC-based wind-photovoltaic-hydrogen integrated energy system should make developing the power model for the RSOC hydrogen-water energy conversion system with BOP the priority.To optimize the power distribution in the RSOC-based wind-photovoltaic-hydrogen integrated energy system，a power distribution strategy considering the constraints of the RSOC power control rate and the capacities of subsystems is established，with the goals of minimizing the system daily operating cost and maximizing the consumption of the wind and photovoltaic power.The optimization is solved by multi-objective particle swarm optimization（MOPSO）algorithm.Compared with the general operation strategies，the optimization strategy proposed provides the system with more benefits.Moreover，the participation of the power grid and the storage battery increases the flexibility of the power regulation and reduces the overall operating power of the system.Keywords：hydrogen storage technology；reversible solid oxide cell；renewable integrated energy system；power distribution optimization；multi-objective particle swarm optimization0 引言 太阳能、风能具有易获得、零排放、数量巨大等特性，是目前可再生能源应用的研究热点。然而，由于光伏、风电机组发电具有间歇性、随机性等特性，造成弃风弃光、资源利用率低等现象1。接入储能能够有效地平抑风光发电的间歇性和随机性，提高资源利用率。近年来，燃料电池与电解水装置结合的氢储能技术受到广泛的关注，与其他储能技术DOI：10.3969/j.issn.2097-0706.2023.07.009基金项目：国家电网有限公司科技项目（5209KZ21N003）Science and Technology of SGCC（5209KZ21N003）第 7 期李菁，等：基于RSOC的风光氢能源系统功率分配策略研究相比，氢储能技术具有安静、清洁无污染、寿命长、可实现大规模储能等优点，能够有效地解决新能源发展的瓶颈问题，因此成为一个很有前景的储能方式2。目前，主要的氢储能技术包括碱性电解水（Alkaline Electrolytic Cell，AEC）技术3、质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）技术4和可逆固体氧化物电池（Reversible Solid Oxide Cell，RSOC）技术5。相比于RSOC技术，AEC和PEM技术较为成熟，已经成功在商业领域进行推广和应用，成为风光氢综合能源系统中氢电转化的主要应用技术，因此相关研究也主要以AEC和PEM技术为主，重点在风光氢综合能源系统配置优化和运行调控两方面。在系统配置优化研究方向，文献 6-7 基于AEC电解技术搭建了风光氢储综合能源系统模型，并从系统整体效益出发对系统开展了配置优化研究。文献 8-9 构建了基于AEC电解和PEM发电技术的风光氢综合能源系统，以年综合成本和年碳排放量最小、效益最大化为目标，对系统进行了容量配置优化。文献 10 基于PEM电解和发电技术，建立了考虑海上负荷功能和输电成本的风电氢能综合能源系统配置优化模型。在系统运行调控方向，文献11 研究了包含电制氢装置的不同控制方式，提出了含电制氢装置的综合能源系统运行优化模型。文献 12 基于AEC电解和PEM发电技术构建了风光氢综合能源系统拓扑结构，提出了系统在线能量调控策略，并搭建实验平台进行验证。文献 13 以日运行成本为目标，构建了考虑光伏出力不确定性的氢能综合能源系统经济运行策略。文献 14 基于电热氢混合储能的综合能源系统，以运行经济性及环境成本最小为目标开展系统能量管理优化研究。文献 15 构建风光氢综合能源系统设计及运行集成优化模型，对典型的优化策略进行了优选。RSOC是基于固体氧化物电池的电解与制氢技术，与低温技术AEC和PEM相比，高温运行环境导致其具有更高的电解和发电效率。其次，在风光氢综合能源系统中，基于AEC和PEM技术实现氢电可逆转化必须配备制氢与发电两套系统，而RSOC单个装置可以实现制氢与发电的可逆转化，因此能够有效减小风光氢综合能源系统装置规模，降低成本16。目前，基于RSOC的综合能源系统配置优化已经受到一些学者的研究。文献 17 以最小化系统的投资成本为目标，提出了包含光热、RSOC和热回收装置的系统容量配置优化策略。文献 18 提出了包含光伏阵列、风力发电机组、蓄电池、RSOC的综合能源系统，以系统成本、系统缺额和冗余电力为目标，开展系统容量规划研究。文献 19 提出基于RSOC的电氢一体化能源站设想，并对能源站内的RSOC系统和储氢库进行容量规划。目前，基于RSOC的风光氢综合能源系统运行优化方向的相关研究内容较少。为此，本文建立了基于RSOC的风光氢综合能源系统运行调控模型，考虑系统运行成本以及电网价格波动，以系统运行成本最小化、风光电力消纳最大化为目标，对基于RSOC的风光氢综合能源系统开展运行优化研究。1 风光氢综合能源系统 1.1风光氢综合能源系统拓扑结构基于RSOC的风光氢综合能源系统结构如图1所示，系统主要包括光伏阵列、风力发电机组、RSOC氢电转化系统、储氢系统和蓄电池。光伏阵列和风力发电机组作为系统电力来源，为负载提供电力。RSOC与储氢系统作为系统氢电转化装置，用于稳定风光发电功率波动。蓄电池作为备用储能设备，用于快速响应负载需求变化。1.2基于RSOC技术的电氢转换系统RSOC氢电转化系统的核心是固体氧化物电池（Solid Oxide Cell，SOC），其可以在制氢与发电可逆模式下运行。在固体氧化物电解制氢（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）模式下，RSOC通过电解将水蒸气分解为氢气和氧气。在固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）模式下，RSOC能够通过将氢气氧化进行发电。RSOC氢电转化系统在SOEC模式和SOFC模式下的系统工艺流程如图2所示。由图2a可知，系统在SOEC模式下，纯水通过蒸汽发生器产生蒸汽，经过与电堆阴极出口的高温气体换热后，进入电加热器进一步加热至 750，最后进入电堆阴极电解。阴极电解出来的氢气和蒸汽混合气经过与入口气图1风光氢综合能源系统拓扑结构Fig.1Topological structure of a wind-photovoltaic-hydrogen integrated energy system79第 45 卷 体换热、水冷后，进入汽水分离器除去气体中水分，最后进入压缩系统。在阳极侧，空气经过压