论文总字数：21236字

摘 要

能源互联网（Energy Internet，EI）是依照互联网模式从而构建气网、电网等多种能源互通的综合能源系统。而可逆固体氧化物电池（Reversible Solid Oxide Cells，rSOC）由于其允许可逆操作，同时具有高发电效率和电解效率而受到高度关注。本文建立了一个数学模型，将可逆固体氧化物电池管道化，将电力市场与天然气市场耦合，凭借其优点并结合能源互联网的发展理念和要求参与电力和天然气的市场分配。并且以六节点电网和六节点天然气网为例求解了电力和天然气市场清算问题，找到一个具有不同特征的平衡，从而最大化社会福利。

关键词：可逆固体氧化物电池；能源互联网；管道化；市场出清

ABSTRACT

Energy Internet (EI) is a comprehensive energy system based on the Internet mode to build a variety of energy interconnection such as gas network and power system. Reversible solid oxide cells (rSOC) have attracted much attention due to their reversible operation, high power generation efficiency and electrolytic efficiency. In this paper, a mathematical model is established to pipeline the reversible solid oxide cell and coupling electricity market with natural gas market. By virtue of its advantages and combined with the development concept and requirements of energy Internet, the reversible solid oxide cell participates in the market distribution of electricity and natural gas. Taking six node power system and six node natural gas system as examples, this paper solves the electricity and natural gas market clearing problem to find a balance with different characteristics and maximize producer profits.

Keywords: Reversible solid oxide cells; Energy Internet; Pipelining; Market clearing

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 管道化原理 1

1.3 国内外研究现状 1

第二章 基本原理分析 3

2.1 可逆固体氧化物电池 3

2.2 市场原理 5

2.2.1 消费者 5

2.2.2 生产者 6

2.2.3 供需平衡 6

2.2.4 现货市场运作模式 7

2.3 节点电价 8

第三章 市场出清 9

3.1 市场特点 9

3.2 出清模型 9

第四章 案例计算 12

4.1 六节点系统 12

4.2 出清结果分析 15

4.3 本章小结 16

第五章 总结 17

谢辞 18

参考文献 19

附录 21

绪论

选题背景

可逆固体氧化物电池可以实现能量在电网和气网间的双向流动，可以成为连接电网和气网的关键环节，真正实现统一能源系统运行，在当前能源互联网研究和建设阶段具有重要的理论及现实意义。例如：电转气（Power to Gas，P2G）技术能源转化效率高，地理位置不受限，近乎零污染，在电价低的时候，只要保持电解运行即可不断地将新能源转化成天然气等化学能加以储存利用。待到电价升高，再逆向运作将化学能转化为电能，参与电力传输。

近年来，中国的能源结构进行了较大调整，可再生能源在能源结构中的比重不断上升，已成为世界最大的可再生能源生产国和消费国。能源互联网是当前电力能源发展和建设的重要课题，通过能源互联实现能源的是未来较长时间内的研究和发展热点。以能源互联网为核心的第三次工业革命将给人类社会的经济发展模式与生活方式带来深远影响。

管道化原理

在综合能源系统(Integrated Energy System，IES)，尽管电力市场和天然气市场是不同能源载体系统。但是比如燃气发电机，或者P2G设备等耦合装置，能将一个载体转换为另一个载体即作为传输设施。类似于将电能从一个电压等级变为另一个电压等级的变压器，即为管道化。本文研究的是将可逆固体氧化物电池管道化，将电力市场与天然气市场耦合，共同参与市场。

国内外研究现状

目前，允许可逆运行的固体氧化物电池商业化进程正在不断加快。两种不同的工作方式分别为固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC），和固体氧化物电解池（Solid Oxide electrolysis cell，SOEC）。固体氧化物燃料电池作为新一代的燃料电池，是一种在高温（500~1000℃）下可以将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态能量转换装置，有着诸多优点。文献[1]介绍了固体氧化物燃料电池工作原理技术特点和发展历史。文献[2]中利用流体力学描述SOFC多物理运输过程、水汽反应（WGS）和电化学反应，并且建立数值模型，研究某些因素对电流密度、WGS反应速率和燃料利用率等性能的影响，从而了解可逆固体氧化物电池的宏观性能。传统SOFC工作环境的高温促使电池内部的反应动力学，能够减小其对贵金属催化剂的需求。由于电池的化学性能会随着工作温度下降而下降，传统工作环境的高温要求是降低成本的难点。文献[3]提出了“热电固体氧化物燃料电池”的概念，通过重新设计和制作各个部件使得消耗电池产生的废热来获得额外电量。由于可再生能源具有随机性和波动性，储能是被认为最有效的消纳可再生能源，从而达到供需平衡的方法。电转气（P2G）技术是储能技术中有诸多优点的新兴技术[4]。文献[5]研究了以天然气为燃料的热电联合发电的固体氧化物燃料电池，从使用纯氢气到氢气甲烷混合物到纯甲烷，通过仿真软件研究电气效率。文献[6]围绕固体氧化物电池在能源系统的应用前景，从技术优势和潜在问题两方面，分别总结了固体氧化物电池在微网、输配网层面应用现状和研究进展。

能源需求上升、化石能源资源有限和传输系统拥挤的激烈冲突不断挑战现有能源系统的运行。多个能源载体之间的协同作用，如电力、天然气和地区热，正在被探索，以更新现有的能源系统。文献[7]中的工作定义了能量中心的概念，其中多个能量载流子可以转换、条件和存储。在此基础上，提出了广泛的理论扩展和应用，如多载波系统[8]的集成建模和优化。综合能源系统是一个很有前途的可持续和高效的多载波系统，因此有望在未来数年内显著发展。在[9]中提出了具有有限信息交换的电力和天然气系统的运行平衡。而且，天然气系统的运行对提高电力系统的可靠性起着重要作用。[10]的工作提出了一个多状态模型，以实现综合天然气和电力系统的可靠评估。

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