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摘 要

综合能源系统是电力、燃气、热能等各类能源可以统一进行规划调度的综合性能源系统，有利于构建安全高效、清洁低碳的能源体系。可逆固体氧化物电池（RSOC）因具有极高的发电和电解效率而在能源系统中有广阔的应用前景。虽然固体氧化物燃料电池的应用变得越来越广泛，但对于可逆固体氧化物电池还缺乏相应的研究，其在能源系统中的应用尚处于起步阶段。本文将可逆固体氧化物电池运用到园区能源设施中，对包含电转气设备、水泵设备、配电网络在内的综合能源设施系统进行统一耦合建模，以系统运行总费用最少为目标，采用粒子群的方法进行编程，对系统的最佳运行优化策略进行了求解。算例表明，将可逆固体氧化物电池运用到园区综合能源设施中，可以减少天然气的消耗，提高了系统的运行效益。

关键词：可逆固体氧化物电池（RSOC）；综合能源系统；电转气（P2G）；建模；优化运行

Optimal Operation Of Park Energy Facilities Considering Reversible Solid Oxide Cell

Abstract

Comprehensive energy system is a comprehensive energy system with unified planning and scheduling of electricity, gas and heat, which is conducive to building a safe, efficient, clean and low-carbon energy system. Reversible solid oxide cell (RSOC) has a wide application prospect in energy system because of its high power generation and electrolysis efficiency. Although the application of solid oxide fuel cells is becoming more and more extensive, there is still a lack of corresponding research for reversible solid oxide cell, and its application in energy system is still in its initial stage. In this paper, reversible solid oxide fuel cell is applied to the energy facilities in the park. Unified coupling modeling of integrated energy facilities system including gas transfer equipment, water pump equipment and distribution network is carried out. With the goal of minimizing the total operating cost of the system, particle swarm optimization method is used to program, and the optimal operation optimization strategy of the system is solved. The example shows that the application of reversible solid oxide cell to the comprehensive energy facilities in the park can reduce the consumption of natural gas and improve the operating efficiency of the system.

Keywords: Reversible Solid Oxide Cell (RSOC), Integrated Energy System, Electricity To Gas (P2G), Modeling, Optimized Operation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2内容简述 1

第二章 电转气技术及可逆固体氧化物电池 2

2.1电转气（P2G）技术 2

2.1.1电转气技术简介 2

2.1.2电转气技术的特点 2

2.1.3电转气技术的发展及应用 3

2.2可逆固体氧化物电池 4

2.2.1可逆固体氧化物电池的结构及工作原理 4

2.2.2可逆固体氧化物电池在微电网中的应用 5

第三章 园区级综合能源系统的优化运行 6

3.1园区级综合能源系统简介 6

3.2园区级综合能源系统结构 6

3.3园区级综合能源系统的优化方法 7

3.3.1优化模型 7

3.3.2多目标优化方法 8

第四章 优化模型的构建及求解 9

4.1含可逆固体氧化物电池的园区综合能源系统 9

4.2目标函数 9

4.3约束条件 9

4.4算例分析 11

4.5本章小结 11

第五章 结论与展望 12

谢辞 13

参考文献 14

第一章 引言

1.1研究背景及意义

由于全球变暖和化石燃料短缺等问题，可再生能源（风能、太阳能、水能、生物质能等）在世界各地变得越来越受欢迎。例如，英国政府计划在2050年将所有温室气体排放降至净零。中国的能源结构也进行了较大的调整，可再生能源得到越来越多的应用。可再生能源存在不稳定性，如何有效消纳可再生能源是一项不小的挑战，储能是消纳可再生能源的最好方式[1]。目前电网中应用较多的几项储能方式有抽水蓄能、蓄电池储能、压缩空气储能和电转气（P2G）技术等。其中，电转气技术由于转化效率高、污染小等优点在综合能源系统中拥有广阔的应用前景[2]。

可逆固体氧化物电池（RSOC）因其极高的电解和发电性能而在众多电解设备中脱颖而出。RSOC具有固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）两种功能，当其处于SOFC状态时，可以将储存在燃料中的化学能转化为电能，发电效率高达80%，具有高效率的特点[3]；当其处于SOEC状态时，发生共电解反应，产生氢气或者合成甲烷，用电高峰时可以用存储的燃料发电，SOEC技术具有高效、环保、可靠等一系列优点。目前，RSOC还没有得到大规模的应用，随着研究的深入，各项技术难题将逐步解决，RSOC也将在能源系统中发挥更大的作用。

随着分布式能源、柔性负荷和其他新兴技术的日益整合，现代电力和能源系统的复杂性和不确定性日益增加，这给系统的操作和控制带来了巨大的挑战。为了提高综合能源系统的性能，必须用合适的优化方法来优化和控制现代电力和能源系统[4]。本文讨论的综合能源系统的优化主要是面对园区的综合能源系统，通过建模求解实现了园区综合能源系统在经济性方面的效益最优。

1.2内容简述

本文的第一章阐述了研究的背景及意义，对研究的主要对象电转气（P2G）技术、可逆固体氧化物电池（RSOC）以及综合能源系统进行了简要的介绍。第二章具体介绍了电转气技术以及可逆固体氧化物电池，电转气技术从原理、特点以及发展应用三个方面进行详细的论述，突出电转气技术在现代电力系统中的重要作用。另一部分介绍可逆固体氧化物电池的结构、工作原理以及其在微电网中的应用，RSOC除了可以实现电转气，还可以逆向实现气转电，相较于电转气技术具有更大的优势，可以将其视为一种特殊的电转气装置应用到综合能源系统中。第三章从园区级综合能源系统的结构及优化设计方法两方面进行了论述，使读者对园区级综合能源系统有大致的概念，了解其优化运行的方法。第四章则建立目标函数，确定约束条件，并采用粒子群法编程，实现目标为系统运行总费用最少的园区综合能源设施运行优化。

第二章 电转气技术及可逆固体氧化物电池

2.1电转气（P2G）技术

2.1.1电转气技术简介

在当前能源革命不断深入推进的背景下，电力在能源系统中的作用越来越重要，这也导致电能与其他能源之间的转换变得更为频繁。电转气是将水电解产生氢气的过程，还可以将氢气与二氧化碳反应，从而合成甲烷等气体，这样电力系统与天然气系统之间就产生了能量的传输。大规模能量的长时间储存需要借助现有的天然气网络完成，致使电力系统和天然气系统之间的耦合程度越来越深[5]。

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