风电-制氢并网发电系统的控制方法
【专利摘要】本发明是一种风电-制氢并网发电系统的控制方法，包括建立基于双馈感应发电机的风电机组模型、建立电解槽模型和对并网发电系统进行控制等内容，能够充分反应对风电-制氢并网发电系统建模与控制的有效性；提高了电网对新能源的接纳能力，适应性强，具有较高的实际应用价值。
【专利说明】风电-制氢并网发电系统的控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明是一种风电-制氢并网发电系统的控制方法，应用于风电-制氢并网发电 系统建模仿真、并网控制策略研究、及其与电网相互作用机理研究与应用。
【背景技术】
[0002] 由于风电功率输出具有随机性、间歇性和波动性，对电网安全稳定运行造成不利 的影响。为有效解决这一问题，提高风电输出功率品质，许多科研工作者积极研究和探索风 电-制氢并网发电系统的理论意义和工程应用价值。通过采用科学创新的技术手段，实现 了风力发电系统与电解槽协调优化控制策略达到输出功率平稳，进而解决了风力发电系统 并网运行所产生的功率波动等技术难题，为风电大规模开发利用提供了有力的理论支撑和 技术指导。风电-制氢并网发电系统对提高了风能利用率，推进我国风能、氢资源的大规模 开发利用，实现能源可持续发展有着非常重要的实际意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是，提供一种电网对新能源吸纳能力强、适应性好、具有较高实用价 值的风电-制氢并网发电系统的控制方法。
[0004] 本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种风电-制氢并网发电系统的控制 方法，其特征是，它包括以下步骤：
[0005] 1)建立基于双馈感应发电机的风电机组模型
[0006] 风电机组空气动力学数学模型为：
[0007]
【权利要求】
1. 一种风电-制氢并网发电系统的控制方法，其特征是，它包括以下步骤： 1)建立基于双馈感应发电机的风电机组模型 风电机组空气动力学数学模型为： 其中：PM为风轮机捕获的风能转化成风电机组的机械功率，为风电接入点的空气 密度，Cp为叶片的风能转换效率系数，是风轮机叶尖速比和桨距控制角的函数，λ为风轮机 的叶尖速比，β为风电机组的桨距控制角，π为圆周率，一般取3. 1415926, R为风轮机叶 轮半径，Vw为风电接入点的时时风速； 风轮机与发电机的两质块轴系数学模型方程为：
(2) 其中：Ητ为风轮机的惯性常数，ωτ为风轮机的电角速度，TM为风轮机的机械转矩，K s为 风轮机和发电机轴的刚度系数，9S为两质块之间相对角位移，DT为风轮机转子阻尼系数， He为发电机的惯性常数，为感应发电机的电角速度，TE为发电机的电磁转矩，De为发电 机转子阻尼系数，为电网的同步角速度，dc〇 T/dt为风轮机角速度对时间的导数，do^/dt 为感应发电机电角速度对时间的导数，d Θ s/dt为两质块之间相对角位移对时间的导数； 同步旋转坐标系下双馈感应发电机的电压方程为：
(3) 磁链方程为
(4) 其中：usd与usq分别为发电机定子d轴和q轴绕组电压，uri与分别为发电机转子d 轴和q轴绕组电压，￥sd与￥sq分别为发电机定子d轴和q轴绕组磁链，与Ψμ分别为 发电机转子d轴和q轴绕组磁链，i sd与isq分别为发电机定子d轴和q轴绕组电流，iri与 分别为发电机转子d轴和q轴绕组电流，〇^为坐标系旋转角速度，&为发电机定子绕 组的电阻，艮为发电机转子绕组的电阻，s为发电机的滑差率，L s为发电机定子绕组的自感 抗山为发电机转子绕组的自感抗，Lm为发电机转子与定子绕组之间的互感抗，d￥ sd/dt与 d Vsq/dt分别为发电机定子d轴和q轴绕组磁链对时间的导数，d il^d/dt与d Vni/dt分别 为发电机转子d轴和q轴绕组磁链对时间的导数； 发电机定子电压矢量方向设定为d轴，故发电机定子d轴绕组电压等于发电机定子电 压矢量，发电机定子q轴绕组电压等于〇,因此，双馈感应发电机输出的有功功率与无功功 率为：
(5) 其中：PS与Qs分别为双馈感应发电机输出的有功功率与无功功率，us为发电机定子电 压矢量，Lm为发电机转子与定子绕组之间的互感抗，iri与分别为发电机转子d轴和q轴 绕组电流，L s为发电机定子绕组的自感抗，c〇s为坐标系旋转角速度； 2)建立电解槽模型 电解槽阳极和阴极电极反应为：
(6) 其中：Η20为水，02为氧气，Η2为氢气，Η+为氢离子，e为电子； 阳极平衡方程式为
(7) 其中：与分别为阳极氧气和水的摩尔量，
分别为阳极流入和流出 氧气的摩尔流速，
分别为阳极流入和流出水的摩尔流速，
为阳极产生的氧 气的流速，
为电迁移与扩散流速，
分别为阳极氧气和水的摩尔流速； 阴极平衡方程式为：
(8) 其中：NH2与NH20c分别为阴极氢气和水的摩尔量，
：分别为阴极流入和流出 氧气的摩尔流速，
分别为阴极流入和流出水的摩尔流速，Λ「丨f: n为阴极产生的氢 气的流速，
为电迁移与扩散流速，
分别为阴极氢气和水的摩尔流速； 电解槽整体电压为： (9) (10) 其中：为电解槽整体电压，E+为开路电压，PT为活化极化电压，--1?为欧姆极化 电压，F为法拉第常数，Λ G+为电化学反应过程的Gibbs自由能变，R为气体常数，Τ+为电 解槽温度，Ρ?为阴极氢气分压，P泣为阳极氧气分压，《孟〇为阳极和电解质之间的水活度， β为传递系数，L为电流密度，tteO为交换电流密度，尺t1"为膜电阻； 3)对并网发电系统的控制 风电场标准差功率为：
(11) 其中：PW4为风电场标准差功率，pw为风电场输出功率，Ρ^ΚΜ为经指数平滑法预测出的 风电场输出较平稳的功率，τ为时间间隔； 并网发电系统参考功率为： PrEF - Pw-ESM_Pw- δ (12) 其中：PKEF为并网发电系统上网参考功率，PiESM为经指数平滑法预测出的风电场输出较 平稳的功率，Pw^为风电场标准差功率； 电解槽消耗功率为： Pc 一 Pw_PrEF (13) 其中：P。为电解槽消耗的功率，Pw为风电场输出功率，PKEF为并网发电系统上网参考功 率； 应用"先进先出"算法，进行电解槽优化控制，具体流程为： (A) 初始化电解槽开关序号、AELN和LAEL， (B) TELN大于AELN进入（C)，否则进入（I)， (C) 电解槽开关打开和电解槽打开次数小于电解槽持续打开最大次数，进入（D)，否则 进入（E)， (D) 电解槽打开次数等于上时刻电解槽打开的次数加1，进入（E)， (E) 该电解槽序号达到最大，进入（F)，否则判断下一个电解槽返回（C)， (F) LAEL的下一个电解槽开关是关闭的，进入（G)，否则进入（H)， (G) 将电解槽开关置于开状态将电解槽打开的次数置本时刻AELN，本时刻AELN等于上 时刻AELN加本时刻LAEL，并且等于当前电解槽的序号，进入⑶， (H) AELN达到TELN，结束，否则判断下一个电解槽返回（F)， (I) 寻找打开次数最大的电解槽，进入（J)， (J)该电解槽打开的次数达到电解槽持续打开的最大次数，进入（K)，否则进入（Μ)， (Κ)将电解槽开关置于关状态，将电解槽的打开次数归零AELN等于AELN减1，进入 (L), (Μ)该电解槽序号达到最大，进入（Ν)，否则判断下一个电解槽返回（J)， (Ν)电解槽已打开最大次数等于电解槽已打开最大次数减1，进入（0)， (0) AELN达到TELN，结束，否则判断下一个电解槽返回（J)， 其中：AELN为某一时刻已经激活的电解槽个数，LAEL为上一次打开的电解槽的序号， TELN为制氢装置中需要安装的电解槽个数。
【文档编号】H02J3/38GK104113084SQ201410369925
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】孔令国, 蔡国伟, 刘闯, 杨德友, 刘士利, 潘超, 刘铖, 黄南天, 徐昂翾, 陈冲, 彭龙 申请人:东北电力大学