[發明專利]一種基于動態規劃的燃料電池熱電聯產微網日前調度方法

有效

• 申請號: 202011244230.4
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112510682B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 孫立;金宇暉;周宇杰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/28;H02J3/32;H02J3/38;H02J3/46;G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 郝雅潔

1.一種基于動態規劃的混合燃料電池熱電聯產微網日前調度方法，其特征在于，對混合燃料電池熱電聯產系統中與調度相關的各設備，建立基于設備特性的調度模型，并優化調度模型描述，基于所述調度模型及各設備出力約束特性進行求解；

混合燃料電池熱電聯產系統中與調度相關的各設備包括：質子交換膜氫能燃料電池、熱泵、鋰電池以及基于相變儲能的蓄熱罐，所述燃料電池與所述熱泵所制熱水均先存儲在所述蓄熱罐中，再從所述蓄熱罐中取熱量供給居住房屋的供暖與熱水；

所述調度模型包括：質子交換膜氫能燃料電池的供熱量模型、鋰電池的電量動態特性模型、蓄熱罐儲熱程度模型以及熱泵的耗功量模型；

所述優化調度模型描述包括以最小化運行燃料消耗量為目標的目標函數、安全約束及終端約束的確定，針對鋰電池、蓄熱罐工作在充、放或不工作三種狀態，以及熱泵工作在啟、停兩種狀態，共18種狀態下的情況進行設備的出力約束；

所述調度模型建立方法如下：

質子交換膜氫能燃料電池模型由經驗數據擬合所得，如式(1)所示：

其中η_E和η_T分別為燃料電池的電效率和熱效率，是燃料電池的發電量，下標“r”特指額定工況，則k時刻的燃料電池供熱量由式(2)可得：

進一步，鋰電池的模型包括其輸出功率其表達式為：

其中n₁和n₂分別為電池陣列的行列數，則每個電池單元的電流可由式(4)可得：

其中開環電壓V_OC和電池內阻R_b可視為定值，則鋰電池SOC的動態特性可表述為：

其中Q_B是鋰電池容量，ΔT是步長；

含相變儲能的蓄熱罐模型模仿鋰電池的SOC模型，定義蓄熱罐儲熱程度HSD，其表達式為：

其中H_s,k是充熱(正)或放熱(負)功率，是總儲熱量，0≤HSD≤1，當其取值為0或1時，分別代表了蓄熱罐無熱量和滿熱量的狀態；

熱泵的能效比(COP)由經驗擬合所得，其表達式為：

其中ΔT_HP是熱泵生產熱水溫度T_DHW與k時刻環境溫度的差值，則k時刻熱泵的供熱量為：

其中是熱泵耗功量；

所述目標函數和約束的確定方法如下：

以最小化運行燃料消耗量為目標，折合為氫消耗量，即：

其中Q_H2,LHV是氫氣的低位熱值(LHV)；

鋰電池、蓄熱罐可工作在充、放或不工作狀態，熱泵可工作在啟、停兩種狀態，則設備啟停狀態有3×3×2＝18種情況，得目標函數與約束如下：

SOC₀＝SOC_init (15)

HSD₀＝HSD_init (16)

SOC_min≤SOC_k≤SOC_max (17)

HSD_min≤HSD_k≤HSD_max (18)

SOC_TL≤SOC_N≤SOC_TH (21)

HSD_TL≤HSD_N≤HSD_TH (22)

其中式(10)為目標函數，N是優化時域即調度周期，為k時刻燃料電池供電功率反算所得的氫氣消耗量；

式(11)-(12)是狀態變量x_k＝[SOC_k HSD_k]的狀態轉移方程，由電平衡式(13)和熱平衡式(14)以及設備特性模型式(1)-(8)決定；

式(15)、(16)分別為鋰電池的初始狀態與蓄熱罐的初始狀態；

式(19)、(20)分別約束了燃料電池的發電功率的上下限和熱泵耗電功率的上下限，其中上限即為該設備的額定功率；

式(21)為終端約束，即定義了鋰電池在本調度周期終點時刻N的狀態約束，其上下限為該狀態在初始時刻狀態SOC₀的微小鄰域；通過該約束，儲能設備可以在終點時刻回到其初始狀態附近，從而保證在下一個調度周期開始時具備充足的電能消納能力；

式(22)為終端約束，即定義了蓄熱罐在本調度周期終點時刻N的狀態約束，其上下限為該狀態在初始時刻狀態HSD₀的微小鄰域；通過該約束，儲能設備可以在終點時刻回到其初始狀態附近，從而保證在下一個調度周期開始時具備充足的熱能消納能力。