一種IES調度方法、系統及介質

本發明涉及綜合能源系統自動化，尤其涉及一種基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度方法、系統及介質。

背景技術：

1、近年來，能源領域的技術創新和制度變革已經滲透到人類社會發展的全過程。然而，社會生產力的快速發展導致能源需求急劇上升。傳統化石能源面臨著嚴重的過度開采和枯竭問題，由此引發的環境污染問題日益嚴重。傳統能源系統的轉型升級迫在眉睫。因此，綜合能源系統(integrated?energy?system，ies)被廣泛認為是解決這一問題的重要手段。同時，因為固體氧化物燃料電池(solid?oxygen?fuel?cell，sofc)具有污染小、效率高、能量密度高等優點，將其集成到ies中具有巨大的潛力。在ies中sofc可通過控制輔助設備與外界進行熱交換，從而靈活地滿足ies中不同用戶的用電和制熱需求。如何對sofc在不同工況的運行和退化表現進行建模是保證sofc健康，經濟運行的關鍵技術，已成為當前研究關注的熱點。

2、在現有的ies優化調度研究當中，一些采用恒定效率模型對sofc進行建模，認為sofc始終以恒定的效率輸出電功率和熱功率，另一些研究將sofc效率視為對輸出電功率的一元函數，使用多項式函數對其特性進行擬合。這些研究均未從運行機理上把握sofc的運行特征，忽略了如溫度等環境因素以及輸入氫氣的量等工作狀態對其能量轉換效率的顯著影響，恒定的電熱產出比例也不利于sofc的靈活運行。同時，大多數研究簡單地視sofc退化成本與運行時間成正比，實際上sofc的電化學性能退化過程背后有著錯綜復雜的退化機制，并非以恒定速度退化。因此，一種適用于ies優化調度的sofc電化學-熱力耦合模型的提出對于sofc的經濟、健康運行具有積極的意義和重要的實用價值。

技術實現思路

1、本發明的主要目的在于提供一種基于sofo電化學-熱力耦合模型的sofc運行策略制定方法、系統及介質，特別設計一種針對sofc電化學過程和熱力過程耦合導致的復雜運行和衰減特性的建模與調度方法，旨在便于ies的調度人員制定安全、經濟的sofc運行策略。

2、為了達到上述目的，本發明提出一種基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度方法，該方法包括以下步驟：

3、步驟s10，對sofc中的電池單元及sofc附加設備的電化學過程和熱力過程分別進行建模，聯立得到sofc非線性輸出特性模型用以表示sofc輸出電功率、熱功率和工作狀態的關系；

4、步驟s20，基于sofc在不同工作狀態下的退化效應，建立sofc非線性退化成本模型用以將退化過程造成的資產損耗計入成本；

5、步驟s30，根據所述sofc非線性輸出特性模型和所述sofc非線性退化成本模型構建etc模型，全面地描述sofc的運行與退化效應；

6、步驟s40，采用分段線性化方法對所述etc模型進行線性化，以便于ies優化調度問題求解。

7、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s10包括：

8、步驟s110，由sofc單電池輸出電壓半經驗公式推導sofc產生的電功率和氫氣消耗速率以及運行溫度的非線性關系；

9、步驟s120，推導sofc產生的熱功率和氫氣消耗速率以及運行溫度的非線性關系；

10、步驟s130，計及輔助設備的熱交換作用和向外界散熱，采用傳熱學微分方程描述sofc運行溫度的變化情況。

11、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s110中，由sofc單電池輸出電壓半經驗公式推導sofc產生的電功率的步驟包括：

12、首先采用半經驗公式間接計算sofc中單個電池單元的輸出電壓采用標準狀態電壓和由各種運行參數偏離標準狀態導致的多個偏差電壓之和來評估實際輸出電壓vsofc，假設sofc的工作壓強、正負極成分均被控制在標準狀態，只考慮運行溫度偏離標準溫度產生所的偏差電壓基于這一假設，在所提出的metc模型中，sofc中單個電池單元的輸出電壓的具體公式簡化如式(1)：

13、

14、其中，isofc是sofc的電流密度；tsofc是sofc的實際工作溫度；是sofc的標準工作溫度，為850℃；sofc的電流密度由sofc消耗氫氣的速率決定，如式(2)：

15、

16、其中，f為法拉第常數，取96485c/mol；nsofc為sofc氫氣消耗速率，即單位時間流入sofc的氫氣的量；為sofc的燃料利用率；nsofc為sofc中電池單元的個數；asofc為sofc的橫截面積；

17、最后，聯立式(1)和式(2)，可得sofc輸出電功率的表達式：

18、psofc(nsofc，tsofc)＝nsofc·vsofc(nsofc，tsofc)·isofc(nsofc)???(3)

19、其中，psofc是sofc的輸出電功率，是關于sofc氫氣消耗速率nsofc和sofc的實際工作溫度tsofc的二元非線性函數。

20、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s110中，sofc中氫能部分地被轉化為電能后剩余大部分被轉化為可供利用熱能，sofc輸出電功率同時產生的可供利用的熱功率，可由式(4)計算：

21、

22、其中，hsofc是sofc產生的熱功率，是關于sofc氫氣消耗速率nsofc和sofc的實際工作溫度tsofc的二元非線性函數；是氫氣的低熱值；是sofc的熱能利用效率。通過有機朗肯循環(0rganic?rankine?cycle，0rc)可以控制sofc與外界的熱交換過程，進而控制sofc的運行溫度；根據傳熱學定理，sofc溫度變化可以由式(5)描述：

23、

24、其中，csofc為sofc的熱容；hsofc，re為與sofc交換的熱量，hsofc，re＞0時，sofc向外輸出熱功率，hsofc，re＜0時，sofc從外界吸收熱功率，hsofc，re＝0時，sofc不與外界發生熱交換；hloss為耗散熱功率，滿足hloss＝(tsofc-text)/rsofc，text為外界溫度；式(5)可以離散化為：

25、

26、其中，δt為調度步長。

27、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s20包括：

28、步驟s210，由sofc輸出電壓退化率公式推導sofc運行在不同氫氣消耗速率和溫度下sofc的退化成本。

29、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s210包括：

30、采用局部退化模型計算電壓衰減率，如式(7)：

31、

32、其中，rsofc，de為sofc的電壓衰減率，單位為100％/kh；進一步得到sofc的退化成本，如式(8)：

33、

34、其中，為sofc的退化成本，也可以看作關于sofc氫氣消耗速率nsofc和sofc的實際工作溫度tsofc的二元非線性函數；rsofc，p·u.為sofc正常工作允許的最低輸出電壓；capsofc為sofc設備的一次性投資成本。

35、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s40中采用分段線性化方法對所述etc模型進行線性化的步驟包括：

36、為線性化sofc的非線性運行特性，將sofc運行的可行域劃分為k個三角形子域，分別在每個子域上用線性特性近似非線性特性；具體公式如式(9)：

37、

38、其中，和分別為子域k上近似輸出電功率非線性特性的線性系數；和分別為子域k上近似衰減成本非線性特性的線性系數；矩陣ak和向量bk所確定的多面體akx≤bk決定了子域k；nsofc，和tsofc分別為sofc耗氫速率和運行溫度的上限和下限；出于優化調度實現的需要將其進一步轉換為混合線性約束，如式(10)：

39、

40、其中，和xsofc為引入的輔助變量；psofc，和csofc，de分別為sofc輸出電功率的上、下限以及sofc衰減成本的上、下限；m為每個分量都為足夠大正數的向量，用于松弛運行點所在子域之外其他子域約束條件。

41、本發明進一步地技術方案是，所述步驟s40中制定ies調度策略的步驟中包括通過ies的調度人員制定安全、經濟的sofc運行策略。

42、為實現上述目的，本發明還提出一種基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度系統，所述系統包括存儲器、處理器，以及存儲在所述處理器上的基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度程序，所述基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度程序被所述處理器運行時執行如上所述的方法的步驟。

43、為實現上述目的，本發明還提出一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質存儲有基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度程序，所述基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度程序被處理器運行時執行如上所述的方法的步驟。

44、本發明基于sofc電化學-熱力耦合模型的ies調度方法、系統及介質的有益效果是：

45、1)本發明建立了etc模型，用以描述sofc在不同工作狀態(氫氣流速和溫度)下的輸出和退化特性。采用半經驗的代數公式集總地揭示了不同工作狀態(氫氣流速和溫度)對sofc單電池電壓和電壓退化率的影響，保證足夠精確度的同時，避免了對電化學和退化過程復雜的機理建模。

46、2)本發明將非線性甚至非凸的etc模型分段線性化，通過引入輔助變量，將sofc輸出功率、退化成本和工作狀態之間的非線性約束轉化為可供系統級調度使用的一組混合線性約束。使得sofc相關的優化調度問題能夠被商用求解器快速、準確地求解。