一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法及系统与流程

本发明属于风电催化还原二氧化碳一步法制甲醇，具体涉及一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法及系统。

背景技术：

1、风电等可再生能源被越来越多地接入电网，但是，风电等可再生能源具有强烈的波动性和不稳定性，电网在满足用户侧负荷需求的同时，面临大规模风电的波动性带来冲击，造成可再生电力资源的大量浪费，弃风弃光现象严重，大大阻碍了可再生能源产业的持续健康发展。同时由于众多客观原因，导致风电等新能源发电难以有效并入大电网中，故离网型电解电催化成为学术研究及工程应用的关注重点。

2、由于目前氢气的储存、运输、加氢站等基础设施尚很不完善，而甲醇作为液态燃料，相应的基础设施技术发展较为成熟。故相比于电解制氢，一步法电催化制取甲醇作为储能直接应用于工业生产或燃料电池或发动机具有重大的现实意义，能够满足国家减排温室气体和开发清洁能源燃料储能的重大需求。

3、大规模可再生能源耦合电催化还原二氧化碳制甲醇不仅可以有效提升可再生能源的利用效率，还可以完成碳捕集碳吸收的目标，同时能有效解决储能产业“电能从哪里来”的难题，将风电等可再生电能转化为甲醇化学能储存起来，是具有很强竞争力且高效低成本的储能消纳方式。

4、但是，风电等可再生能源存在波动性及不稳定性，风速的波动会引起风力发电功率的波动，功率的波动会导致电位的波动。对于电催化还原二氧化碳制甲醇来说，电位波动会造成产物的变化，使目标产物甲醇的产量减少及副产物的增多，造成甲醇的法拉第效率严重下降，影响工业规模应用。同时风电功率的频繁波动会导致电解槽频繁启动和关闭，降低电解槽的安全性和使用寿命。

5、pem电解槽是可以满足大规模工程应用的电解水制氢设备之一，具有动态响应性强、可调节性高等优势，但存在最大功率上限低、寿命短、成本高等不足。通过技术创新提升整体风电一步法电催化制取甲醇系统在风电波动工况下的适用性已成可再生能源储能技术关注的焦点。但pem电解槽单体的制造水平尚处于kw级，故大规模一步法电催化制甲醇工程应用中一般需要多个单体电解槽通过串并联，形成电解槽阵列。在风电波动一步法电催化制甲醇领域，现有的调控机制研究较少涉及阵列单体间及单体电解槽内部参数的协调优化控制，更多的是从微观催化及设备设计制造维度展开的研究。

6、总之，在推进离网型风电催化还原二氧化碳制甲醇时，如何科学地调控电解槽阵列是当前需要解决的问题。然而，现有的电解槽调控均根据实际风电功率进行调整，被动处理，而pem电解槽启动时耗时较长(随着产氢量的增长其响应需要3至5分钟)。

技术实现思路

1、本发明针对现有的电解槽调控均根据实际风电功率进行调整的不足，提供一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法，预测风电功率，主动调节电解槽，提升利用率，有效提升电解槽阵列的寿命，同时降低运行安全风险。本发明同时提供一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制系统。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法，所述离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法包括：

3、获取调节时段的风电预测功率；

4、根据电解槽单体特性得到电解槽单体稳定工作时长，以该时长为基准将调节时段分成多个周期；

5、根据风电预测功率和电解槽单体额定功率确定各周期内需要工作的电解槽单体的数量，同一周期内同一电解槽单体的运行状态种类不变，不同周期间轮流调整各电解槽单体的运行状态种类，在各周期的结束阶段，提前启动下一周期需要工作的电解槽单体。

6、本发明的离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法，首先获取调节时段的风电预测功率，然后根据电解槽单体特性得到电解槽单体稳定工作时长，以该时长为基准将调节时段分成多个周期，最后，根据风电预测功率和电解槽单体额定功率得到各周期内需要工作的电解槽单体的数量和种类，同一周期内同一电解槽单体的运行状态种类不变，不同周期间轮流调整各电解槽单体的运行状态种类，在各周期的结束阶段，提前启动下一周期需要工作的电解槽单体，即根据风电预测功率提前规划电解槽阵列运行方式，电解槽单体提前启动，可以更高效地消纳风能；采用轮值策略有效提升电解槽阵列的寿命，同时降低运行安全风险。

7、作为改进，获取调节时段的风电预测功率的过程包括：

8、将风电功率历史数据按时间先后分为训练集和测试集；

9、将风电功率历史数据训练集通过小波去噪进行去噪预处理；

10、将预处理后的训练集数据分别通过小波神经网络方法及arima时间序列方法进行训练，得到训练后的两个模型；测试集

11、将风电功率数据测试集通过小波去噪进行风电数据去噪预处理；

12、将预处理后的测试集测试集数据分别输入小波神经网络训练模型及arima时间序列训练模型进行预测，得到风电预测功率；

13、评价两个模型并选择更好的一个。

14、arima(autoregressive integrated moving average model)模型为差分整合移动平均自回归模型。

15、作为改进，利用均方根误差对两种预测方法进行预测效果评价，均方根误差大说明预测值与真实值误差大，所以均方根误差越小，预测效果越好，选取两种预测方法对应结果中最小的进行后续操作；若均方根误差超过1.0，说明预测效果不理想，则对数据进行重新处理。

16、作为改进，电解槽单体的运行状态种类包括额定功率、波动功率和待机三种，处于额定功率状态的电解槽单体按照预设工况参数设定运行。

17、作为改进，对于额定功率和/或波动功率运行的电解槽单体，允许其功率短时超过额定功率。

18、作为改进，将电解槽单体在额定功率下运行时，电催化稳定性大于或等于90％的持续时间设为一个周期。

19、作为改进，不同周期间轮流调整各电解槽单体的运行状态种类具体是：将所有电解槽单体排序，将上一周期的排序依次后移。

20、作为改进，若风电预测功率低于单个电解槽单体的额定功率，则只启动一个电解槽单体，其余处于待机状态；若风电预测功率高于整个电解槽整列的总额定功率，则启动全部电解槽单体，将风电预测功率与总额定功率的功率差值平均分配至每个电解槽单体。

21、作为改进，对于处在波动功率状态的电解槽单体，电解槽单体运行参数的调控为电解液循环量、温度或二氧化碳流速。

22、一种离网型风电制甲醇电解槽阵列控制系统，所述离网型风电制甲醇电解槽阵列控制系统包括：

23、风电功率预测模块，用于获取调节时段的风电预测功率；

24、周期划分模块，用于根据电解槽单体特性得到电解槽单体稳定工作时长，以该时长为基准将调节时段分成多个周期；

25、电解槽轮值控制模块，用于根据风电预测功率和电解槽单体功率确定各周期内电解槽单体工作数量，用于使同一周期内同一电解槽单体的运行状态种类不变，用于不同周期间轮流调整各电解槽单体的运行状态种类，用于在各周期的结束阶段，提前启动下一周期需要工作的电解槽单体。

26、本发明的离网型风电制甲醇电解槽阵列控制方法的有益效果是：根据风电预测功率提前规划电解槽阵列运行方式，电解槽单体提前启动，可以更高效地消纳风能；采用轮值策略有效提升电解槽阵列的寿命，同时降低运行安全风险。