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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的一些具体实施方案中，如图1所示，本方案提供一种热-氢双SOC氢储能系统，包括：电能输入通路10、电能输出通路20、储氢罐30、电解槽40和燃料电池50；电能输入通路10与电解槽40的输入端连接；电解槽40的输出端与储氢罐30的输入端连接；储氢罐30的输出端与燃料电池50的输入端连接；燃料电池50的输出端与电能输出通路20连接；其中，电解槽40将电能输入通路10输送的电能转化为氢能，并存储于储氢罐30；燃料电池50将储氢罐30存储的氢能转化为电能，并通过电能输出通路20实现向电负荷供电。

详细来说，本发明提供一种热-氢双SOC氢储能系统，用以解决现有技术中稳定性、安全性问题已成为制约高比例新能源电网进一步发展的瓶颈的缺陷，通过利用氢储能作为完全清洁的储能方式，既具备响应速度快、储能容量大和跨季节储能的优势，又能够适应气候干旱寒冷，昼夜温差大的运行环境的优势，配置电解槽40和燃料电池50实现对能量在电能、热能和氢能之间的转化，保证了混合系统运行的稳定性和和可靠性。

在本发明可能的实施方式中，还包括：热能循环回路60，热能循环回路60分别与电解槽40和燃料电池50连接，用于实现热能在电解槽40和燃料电池50之间的循环传递。

具体来说，本实施例提供了一种热能循环回路60的实施方式，通过设置热能循环回路60实现了对热能的循环利用，提高氢储能系统运行的效率和可靠性，并且维持系统温度的稳定。

在本发明可能的实施方式中，还包括：供水通路70，供水通路70分别与电解槽40的输入端和燃料电池50的输出端连接，用于将燃料电池50形成的水输送至电解槽40。

具体来说，本实施例提供了一种供水通路70的实施方式，供水通路70的设置，实现了将燃料电池50处生成的水导流至电解槽40，供给电解槽40，以便电解槽40利用电能对水进行分解，生成氢气最终将电能转化为氢能进行存储。

在本发明可能的实施方式中，供水通路70与热能循环回路60耦合，用于通过热能循环回路60内的热能对供水通路70内的水进行预热。

具体来说，本实施例提供了一种供水通路70与热能循环回路60耦合的实施方式，通过将供水通路70与热能循环回路60进行耦合，使得从燃料电池50流向电解槽40的水得到预热，提升工作效率。

在可能的实施方式中，供水通路70与热能循环回路40通过热交换器100实现热能循环回路40中的热能对供水通路70内水的预热。

在本发明可能的实施方式中，还包括：换热器80和储热罐90；换热器80与热能循环回路60耦合；储热罐90与换热器80连接，用于通过换热器80实现对热能循环回路60内热能的存储。

具体来说，本实施例提供了一种换热器80和储热罐90的实施方式，通过设置换热器80和储热罐90，实现了对热能循环回路60中热能的存储，对热能循环回路60中的热能进行调节，维持系统温度的稳定。

在可能的实施方式中，储热罐90还为热负荷供热。

在本发明的一些具体实施方案中，如图1和图2所示，本方案提供一种上述的热-氢双SOC氢储能系统的优化方法，包括：

获取电能输入通路10的实际输出功率和输出功率影响因子，并构建电能输入通路10的输出功率简化模型，通过输出功率简化模型得到电能输入通路10的装机功率；

获取电能输入通路10的预测输出功率影响因子，并根据电能输入通路10的装机功率构建电能输入通路10的预测功率模型，通过预测功率模型得到电能输入通路10的预测功率；

获取电能输入通路10的可用系数，并根据电能输入通路10的预测功率构建电能输入通路10的可调度功率模型，通过可调度功率模型得到电能输入通路10的可调度功率；

根据电能输入通路10的实际输出功率和电能输入通路10的可调度功率得到电能输入通路10在设定时间内的总偏差功率；

获取电网火电机组的输出功率、电网火电机组的运行成本系数、上网电价、惩罚系数、电网母线标号和电网母线数据集，并根据电能输入通路10的装机功率和总偏差功率构建热-氢双SOC氢储能系统的运行成本函数；

对运行成本函数添加约束条件，并根据约束条件对运行成本函数进行计算，获得对应的最小运行成本。

详细来说，本发明还提供一种热-氢双SOC氢储能系统的优化方法，用以解决现有技术中风电场与储能构成混合系统成为保证高比例风电电力系统运行成本高、运行效率低的缺陷，通过对氢储能系统的配置优化，降低常规机组运行成本、提高风电场并网功率、优化储能系统运行效率。

需要说明的是，建立运行成本函数目的是提电能输入通路10(例如风电场)并网功率，降低电网常规机组运行成本，减少碳排放，约束条件包括含热平衡和氢平衡双SOC约束，电网运行约束，以及电能输入通路10(例如风电场)输出功率约束，并将非线性调度问题转化为可快速求解的混合整数规划问题。

进一步地，储热系统通过日前调度计划为风电场输出提供正、负备用，以保证联合运行系统能够在日内运行时跟踪调度曲线，将风电场由波动电源等效为可调度电源，实现友好并网。

更进一步地，热-氢双SOC氢储能系统考虑了风电场功率不确定性，最终可转化为一个混合整数线性规划问题快速求解，并可用于定量分析系统散热系数和电网参数对风电场运行经济性的影响。

在可能的实施方式中，电能输入通路10与风电场连接，电能输入通路10的相关参数即为风电场的相关参数，获取电能输入通路10的实际输出功率和输出功率影响因子，并构建电能输入通路10的输出功率简化模型，通过输出功率简化模型得到电能输入通路10的装机功率的步骤中，应用如下公式：

式中，P_W表示风电场装机功率，表示风电场实际输出功率；为输出功率影响因子。

需要说明的是，上述电能输入通路10的输出功率简化模型是根据风电场输出功率可由风速和装机功率，并将风速变化等效为一个输出功率影响因子进行的建模。

在可能的实施方式中，电能输入通路10与风电场连接，电能输入通路10的相关参数即为风电场的相关参数，在实际电网在制定风电场并网调度决策时，通常使用风电场的预测功率来确定可调度功率，从而得到调度曲线，因此，获取电能输入通路10的预测输出功率影响因子，并根据电能输入通路10的装机功率构建电能输入通路10的预测功率模型，通过预测功率模型得到电能输入通路10的预测功率的步骤中，应用如下公式：

式中，表示预测得到的输出功率影响因子，表示电能输入通路10(风电场)的预测功率。

在可能的实施方式中，电能输入通路10与风电场连接，电能输入通路10的相关参数即为风电场的相关参数，在实际电网在制定风电场并网调度决策时，通常使用风电场的预测功率来确定可调度功率，从而得到调度曲线，因此，获取电能输入通路10的可用系数，并根据电能输入通路10的预测功率构建电能输入通路10的可调度功率模型，通过可调度功率模型得到电能输入通路10的可调度功率的步骤中，应用如下公式：

式中，表示电能输入通路10(风电场)的可调度功率。

需要说明的是，表示电网调度对电能输入通路10(风电场)预测功率的可用度。可调度功率表示电能输入通路10(风电场)的调度曲线，是电能输入通路10(风电场)应保证的并网功率。

在可能的实施方式中，电能输入通路10与风电场连接，电能输入通路10的相关参数即为风电场的相关参数，根据电能输入通路10的实际输出功率和电能输入通路10的可调度功率得到电能输入通路10在设定时间内的总偏差功率的步骤中，应用如下公式：

式中，D_W表示时间内的总偏差功率。

在可能的实施方式中，电能输入通路10与风电场连接，电能输入通路10的相关参数即为风电场的相关参数，获取电网火电机组的输出功率、电网火电机组的运行成本系数、上网电价、惩罚系数、电网母线标号和电网母线数据集，并根据电能输入通路10的装机功率和总偏差功率构建热-氢双SOC氢储能系统的运行成本函数的步骤中，应用如下公式：

式中，c_e表示上网电价，c_p表示惩罚系数，表示电网火电机组的输出功率，a_i、b_i和c_i分别表示电网火电机组的运行成本系数，i和N分别表示电网母线标号和母线数据集。

在本发明可能的实施方式中，对运行成本函数添加约束条件的步骤中，具体包括：

获取t时刻电解槽40产生的功率、产氢速率、氢气的高热值和电解槽40效率，并构建电解槽40模型，通过电解槽40模型得到电解槽40消耗的功率；

获取t时刻燃料电池50产生的热功率、燃料电池50消耗氢的速率和燃料电池50效率，并构建燃料电池50模型，通过燃料电池50模型得到燃料电池50产生的电功率；

获取t-1时刻储氢罐30中的总氢能状态量、储氢罐30最大储氢能量和时间间隙，并根据电解槽40消耗的功率、电解槽40效率、燃料电池50产生的电功率和燃料电池50效率构建第一氢平衡SOC模型，并通过第一氢平衡SOC模型计算t时刻储氢罐30中的总氢能状态量；

根据t时刻的储氢罐30中的总氢能状态量构建热-氢平衡双SOC约束。

具体来说，本实施例提供了一种对运行成本函数添加约束条件的实施方式。

在可能的实施方式中，获取t时刻电解槽40产生的功率、产氢速率、氢气的高热值和电解槽40效率，并构建电解槽40模型，通过电解槽40模型得到电解槽40消耗的功率的步骤中，应用如下公式：

式中，分别表示t时刻，电解槽40消耗的电功率和产生的热功率，表示产氢速率，HHV表示氢气的高热值，η_ele表示电解槽40效率。

在可能的实施方式中，获取t时刻燃料电池50产生的热功率、燃料电池50消耗氢的速率和燃料电池50效率，并构建燃料电池50模型，通过燃料电池50模型得到燃料电池50产生的电功率的步骤中，应用如下公式：

式中，分别表示t时刻，燃料电池50产生的电功率和热功率，表示燃料电池50消耗氢的速率。η_fuel表示燃料电池50效率。

在可能的实施方式中，获取t-1时刻储氢罐30中的总氢能状态量、储氢罐30最大储氢能量和时间间隙，并根据电解槽40消耗的功率、电解槽40效率、燃料电池50产生的电功率和燃料电池50效率构建第一氢平衡SOC模型，并通过第一氢平衡SOC模型计算t时刻储氢罐30中的总氢能状态量的步骤中，应用如下公式：

式中，表示当t时刻储氢罐30中的存储的总氢能状态量，表示当t-1时刻储氢罐30中的存储的总氢能状态量，表示储氢罐30最大储氢能量，Δτ表示时间间隙。

需要说明的是，储氢系统和余热回收利用系统分别采用热平衡SOC模型和氢平衡SOC模型建模。储氢系统在电解过程中将电解槽40产生的氢气存储在储氢罐30中，在发电过程中将氢气和氧气供给燃料电池50。同时，通过供水循环为电解槽40供水并回收燃料电池50的发电产物。以储氢罐30存储的总能量作为储氢状态参数。

在可能的实施方式中，根据t时刻的储氢罐30中的总氢能状态量构建热-氢平衡双SOC约束的步骤中，系统氢平衡要求任何时刻系统不需要外界提供氢气来维持运行，同时在经过规定的运行时间T₀后，储氢罐30中的氢气量不低于初始值，其约束表示如下：

在本发明可能的实施方式中，对运行成本函数添加约束条件的步骤中，具体包括：

获取t时刻电解槽40消耗的功率、产氢速率、氢气的高热值和电解槽40效率，并构建电解槽40模型，通过电解槽40模型得到电解槽40产生的功率；

获取t时刻燃料电池50产生的电功率、燃料电池50消耗氢的速率和燃料电池50效率，并构建燃料电池50模型，通过燃料电池50模型得到燃料电池50产生的热功率；

获取t-1时刻储氢罐30中的总热能状态量、储氢罐30最大储热能量和时间间隙，并根据电解槽40产生的功率、燃料电池50产生的电功率、电解槽40产生的热能、燃料电池50产生的热能、热-氢双SOC氢储能系统消耗的热能和换热器80效率构建第二氢平衡SOC模型，并通过第二氢平衡SOC模型计算t时刻储氢罐30中的总热能状态量；

根据t时刻储氢罐30中的总热能状态量构建热-氢平衡双SOC约束。

具体来说，本实施例提供了另一种对运行成本函数添加约束条件的实施方式。

在可能的实施方式中，获取t时刻电解槽40消耗的功率、产氢速率、氢气的高热值和电解槽40效率，并构建电解槽40模型，通过电解槽40模型得到电解槽40产生的功率的步骤中，应用如下公式：

式中，分别表示t时刻，电解槽40消耗的电功率和产生的热功率，表示产氢速率，HHV表示氢气的高热值，η_ele表示电解槽40效率。

在可能的实施方式中，获取t时刻燃料电池50产生的电功率、燃料电池50消耗氢的速率和燃料电池50效率，并构建燃料电池50模型，通过燃料电池50模型得到燃料电池50产生的热功率的步骤中，应用如下公式：

式中，分别表示t时刻，燃料电池50产生的电功率和热功率，表示燃料电池50消耗氢的速率。η_fuel表示燃料电池50效率。

在可能的实施方式中，获取t-1时刻储氢罐30中的总热能状态量、储氢罐30最大储热能量和时间间隙，并根据电解槽40产生的功率、燃料电池50产生的电功率、电解槽40产生的热功率、燃料电池50产生的热功率、热-氢双SOC氢储能系统消耗的热功率和换热器80效率构建第二氢平衡SOC模型，并通过第二氢平衡SOC模型计算t时刻储氢罐30中的总热能状态量的步骤中，应用如下公式：

式中，表示t时刻储热罐90中的总热能状态量，表示t-1时刻储热罐90中的总热能状态量，表示储热罐90最大储热能量，分别表示电解槽40和燃料电池50产生的功率， 分别表示系统消耗的热功率和为供热负荷提供的热功率，η_ex表示换热器80效率。

进一步地，由电解槽40散热、燃料电池50散热和供水循环预热三部分损耗组成，其模型如下：

其中，和分别表示电解槽40和燃料电池50的工作温度以及环境温度，P_ele和P_fuel分别为电解槽40和燃料电池50的装机容量，c_p和分别表示进入电解槽40的水的摩尔质量流量、比热容和水温，λ_ele和λ_fuel分别表示单位容量电解槽40和燃料电池50的散热系数，定义为单位容量散热面积A_ele/A_fuel与单位面积热阻R_ele/R_fuel的比值，即：

在可能的实施方式中，根据t时刻储氢罐30中的总热能状态量构建热-氢平衡双SOC约束的步骤中，系统热平衡要求余热回收利用系统可在不借助外部热源的情况下维持系统在规定时间T₀内连续、高效运行，其约束表示如下：

在本发明可能的实施方式中，对运行成本函数添加约束条件的步骤中，具体包括：

获取电解槽40产生的热功率、燃料电池50产生的热功率、热-氢双SOC氢储能系统消耗的热功率、为供热负荷提供的热功率、存入储热罐90的热能和换热器80效率，并构建余热回收运行模型，通过余热回收运行模型构建热-氢平衡双SOC约束。

具体来说，本实施例提供了又一种对运行成本函数添加约束条件的实施方式。

在可能的实施方式中，获取电解槽40产生的热功率、燃料电池50产生的热功率、热-氢双SOC氢储能系统消耗的热功率、为供热负荷提供的热功率、存入储热罐90的热能和换热器80效率，并构建余热回收运行模型，通过余热回收运行模型构建热-氢平衡双SOC约束的步骤中，应用如下公式：

式中，表示存入储热罐90的热能。

在本发明可能的实施方式中，对运行成本函数添加约束条件的步骤中，具体包括：

获取电网线路的有功功率、电网线路的无功功率、母线电压的平方、母线电压的相角、有功潮流误差和无功潮流误差，并构建电网运行约束。

具体来说，本实施例提供了再一种对运行成本函数添加约束条件的实施方式。

在可能的实施方式中，获取电网线路的有功功率、电网线路的无功功率、母线电压的平方、母线电压的相角、有功潮流误差和无功潮流误差，并构建电网运行约束的步骤中，应用如下公式：

式中，和分别表示电网线路l上传输的有功功率和无功功率，和分别表示母线i上电压的平方与相角，和分别为有功和无功潮流误差。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。