[发明专利]一种风电制氢经济容量配置计算方法

权利要求书

1.一种风电制氢经济容量配置计算方法,其特征是，它包括以下内容：

1)风电制氢系统的模型基础

风电的容量标准化为1kW，在连续时间模型中，t在0到m＝24×365＝8760h之间变化，m为每年总小时数，每个时间点，风电既可按分时电价上网，也可用来电解制氢；

氢气的转换价值为：

CV_h＝η(p_h-w_h) (1)

其中：CV_h为氢气的转换价值，η为电解制氢的转换率，即1kWh的电能够产生的氢气量，p_h为每千克氢气的价格，w_h为每千克氢气的可变运行成本，下标h表示氢气；

氢气的转换溢价为：

CP_h(t)≡max{CV_h-p_e(t),0} (2)

其中：t为计算时段，CP_h(t)为t时段氢气转换溢价，即制氢相对于发电的溢价，CV_h为氢气的转换价值，p_e(t)为t时段的风电上网电价，下标h表示氢气，下标e表示发电；

系统容量的最大值为：

z(t|k_h)≡min{CF(t),k_h} (3)

其中：t为计算时段，k_h为电解制氢容量，z(t|k_h)为t时段系统制氢容量的最大值，CF(t)为t时段的容量因数，即t时段已用容量的百分比，下标h表示氢气；

系统的最优边际贡献为：

CM(t|k_h)＝p_e(t)CF(t)+CP_h(t)z(t|k_h) (4)

其中：t为计算时段，k_h为电解制氢容量，CM(t|k_h)为风电制氢系统t时段的最优边际贡献，p_e(t)为t时段的风电上网电价，CF(t)为t时段的容量因数，即t时段已用容量的百分比，CP_h(t)为t时段氢气转换溢价，即制氢相对于发电的溢价，z(t|k_h)为t时段系统制氢容量的最大值，下标h表示氢气，下标e表示发电；

成本由平准化度电成本和平准化氢气成本两部分构成：

平准化度电成本的计算公式为：

LCOE＝f_e+Δc_e (5)

其中：LCOE为平准化度电成本，即风机发出每千瓦时电量的成本，f_e为每千瓦时风力发电系统的平准化固定运行成本，Δ是包含企业所得税和折旧的系数，c_e为每千瓦时风力发电系统的平准化容量成本，下标e表示发电；

系统在其生命周期内生产的总折现小时数为：

其中：L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，m为每年总小时数，T为设备的经济寿命，x为设备退化率，(1-x)^i-1为设备在第i年仍在运行的初始容量百分比，γ为折现率；

每千瓦时风力发电系统的平准化容量成本为：

其中：c_e为每千瓦时风力发电系统的平准化容量成本，SP_e为每千瓦风力发电系统的成本，CF为容量因数的年平均值，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，下标e表示发电；

每千瓦时风力发电系统的平准化固定运行成本为：

其中：f_e为每千瓦时风力发电系统的平准化固定运行成本，T为设备的经济寿命，F_ei为每千瓦风力发电系统第i年的固定运行成本，γ为折现率，CF为容量因数的年平均值，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，下标e表示发电；

税收系数为：

其中：Δ为包含企业所得税和折旧的系数，α为企业所得税税率，T为设备的经济寿命，d_i为第i年的设备折旧率，γ为折现率；

平准化氢气成本的计算公式为：

LFCH＝f_h+Δc_h (10)

其中：LFCH为平准化氢气成本，f_h为每千瓦时电解制氢系统的平准化固定运行成本，Δ为包含企业所得税和折旧的系数，c_h为每千瓦时电解制氢系统的平准化容量成本，下标h表示氢气；

每千瓦时电解制氢系统的平准化容量成本为：

其中：c_h为每千瓦时电解制氢系统的平准化容量成本，SP_h为每千瓦电解制氢系统的成本，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，下标h表示氢气；

每千瓦时电解制氢系统的平准化固定运行成本为：

其中：f_h为每千瓦时电解制氢系统的平准化固定运行成本，T为设备的经济寿命，F_hi为每千瓦电解制氢系统第i年的固定运行成本，γ为折现率，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，下标h表示氢气；

平准化度电成本和平准化氢气成本是每千瓦时的标准单位成本衡量标准，其中考虑了初始系统投资成本、固定运行成本、企业所得税和资金时间价值；

风机容量为k_e＝1kW和电解制氢容量为k_hkW的风电制氢系统的净现值用NPV(1,k_h)表示，当NPV(1,k_h)为正值时，则风电制氢被认为是经济可行的；

2)构建风电制氢系统的经济模型

风电制氢系统的净现值为：

其中：k_e为风机容量，k_h为电解制氢容量，NPV(k_e,k_h)为风电制氢系统的净现值，T为设备的经济寿命，CFL_i(k_e,k_h)为第i年的税后现金流，γ为折现率，SP_e为每千瓦风力发电系统的成本，SP_h为每千瓦电解制氢系统的成本，下标e表示发电，下标h表示氢气；

第i年的税后现金流为：

其中：k_e为风机容量，k_h为电解制氢容量，CFL_i(k_e,k_h)为第i年的税后现金流，为第i年的税前现金流，α为企业所得税税率，I_i(k_e,k_h)为第i年的应纳税所得额，下标e表示发电，下标h表示氢气；

第i年的税前现金流为：

其中：k_e为风机容量，k_h为电解制氢容量，为第i年的税前现金流，x为设备退化率，m为每年总小时数，t为计算时段，CM(t|k_e,k_h)为风电制氢系统t时段的最优边际贡献，F_ei为每千瓦风力发电系统第i年的固定运行成本，F_hi为每千瓦电解制氢系统第i年的固定运行成本，下标e表示发电，下标h表示氢气；

第i年的应纳税所得额为：

其中：k_e为风机容量，k_h为电解制氢容量，I_i(k_e,k_h)为第i年的应纳税所得额，为第i年的税前现金流，SP_e为每千瓦风力发电系统的成本，SP_h为每千瓦电解制氢系统的成本，d_i为第i年的设备折旧率，下标e表示发电，下标h表示氢气；

将(4)、(5)、(6)、(9)、(10)、(14)、(15)、(16)式代入(13)式，得到：

其中：k_e为风机容量，k_h为电解制氢容量，NPV(k_e,k_h)为风电制氢系统的净现值，α为企业所得税税率，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，m为每年总小时数，t为计算时段，p_e(t)为t时段的风电上网电价，CF(t)为t时段的容量因数，即t时段已用容量的百分比，CP_h(t)为t时段氢气转换溢价，即制氢相对于发电的溢价，z(t|k_e,k_h)为t时段系统制氢容量的最大值，CF为容量因数的年平均值，LCOE为平准化度电成本，LFCH为平准化氢气成本，下标e表示发电，下标h表示氢气；

考虑到风电的间歇性以及电价的波动性，令ε(t)表示CF(t)与其平均值CF的商，μ(t)表示p_e(t)与平均电价p_e的商：

其中：t为计算时段，CF(t)为t时段的容量因数，CF为容量因数的年平均值，ε(t)为t时段容量因数CF(t)与其年平均值CF的商，p_e(t)为t时段的风电上网电价，p_e为风电上网电价的年平均值，μ(t)为t时段风电上网电价p_e(t)与其年平均值p_e的商，下标e表示发电；

则容量因数与电价之间的共变用共变系数来表示：

其中：Γ为容量因数与电价的共变系数，m为每年总小时数，t为计算时段，ε(t)为t时段容量因数CF(t)与其年平均值CF的商，μ(t)为t时段风电上网电价p_e(t)与其年平均值p_e的商；

令：

其中：t为计算时段，CP_h(t)为t时段氢气转换溢价，即制氢相对于发电的溢价，CP_h为氢气转换溢价的年平均值，δ(t)为t时段氢气转换溢价CP_h(t)与其年平均值CP_h的商，下标h表示氢气；

令：

其中：k_h为电解制氢容量，z(k_h)为平均制氢容量，m为每年总小时数，t为计算时段，z(t|k_h)为t时段系统制氢容量的最大值，δ(t)为t时段氢气转换溢价CP_h(t)与其年平均值CP_h的商，下标h表示氢气；

风电制氢系统的平均边际贡献为：

其中：k_h为电解制氢容量，CM(k_h)为风电制氢系统的平均边际贡献，m为每年总小时数，t为计算时段，CM(t|k_h)为风电制氢系统t时段的最优边际贡献，Γ为容量因数与电价的共变系数，p_e为风电上网电价的年平均值，CF为容量因数的年平均值，CP_h为氢气转换溢价的年平均值，z(k_h)为平均制氢容量，下标h表示氢气，下标e表示发电；

则风电制氢系统的净现值可以简化为：

NPV(1,k_h)＝(1-α)L[CM(k_h)-LCOE×CF-LFCH×k_h] (23)

其中：k_h为电解制氢容量，NPV(1,k_h)为风机容量标准化为1kW电解制氢容量为k_h时的净现值，α为企业所得税为税率，L为风电制氢系统在其生命周期内生产的总折现小时数，CM(k_h)为风电制氢系统的平均边际贡献，LCOE为平准化度电成本，CF为容量因数的年平均值，LFCH为平准化氢气成本，下标h表示氢气。