一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法

1.本发明涉及电力领域，尤其是一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法。


背景技术：

2.氢能被誉为21世纪最具有发展前景的二次能源。风力发电和光伏发电符合国家能源发展战略和环保理念，越来越受到国内外学者的重视。但由于风力发电与光伏发电具有间隙性、无规律性等特点，严重影响电网运行，与储能装协置调配合是解决上诉问题的手段之一。传统储能装置存在容量小、寿命短、维修费用高、污染环境等缺点，与长期可持续发展理念相违背。氢能源清洁、能量密度大、储量丰富、便于储存和运输。因此，通过电解制氢储能，平抑风电光伏上网波动功率，保证风电光伏上网电能品质，是未来全球能源利用重要的发展方向之一。
3.氢能由于其高热值、高能量密度、清洁燃烧、多相储存等特点，逐渐成为清洁能源阶段的关键和重要载体。氢能的生产、储存和应用技术也受到世界各国的关注。构建可再生能源互补制氢可以充分利用可再生能源，有效减少风能和太阳能的废弃现象。通过多种能源互补，可显著提高整体经济效益，因此，氢能成为各国能源发展战略中的重要一环。
4.目前看来，可再生能源与氢能的整合仍存在一定的不足。具体来说，制氢的风电/光伏互补系统通常采用交流接入方式，需要大量不必要的电力电子转换环节，导致系统效率和可靠性较低，控制复杂。此外，现有的制氢方法由于其自身的物理特性受制氢和纯度的限制，无法与可再生能源有效协调，在大功率波动下灵活调整。这使得在多能源互补中难以发挥灵活监管的优势。对可再生能源和用户采用直流接入方式，可以减少电力电子转换环节，有效提高系统效率。通过风/光发电技术制氢可实现绿色发电和用电的完美结合，在提高风/光利用率的同时可达到碳零排放的目的。
5.可再生能源直流微网结构如图1所示，电网通过能量路由器接入直流母线，风机通过ac/dc变流器接入直流母线，光伏通过dc/dc变换器接入直流母线，储能电池通过dc/dc变换器接入直流母线，交流负荷通过ac/dc变流器接入直流母线，制氢电解槽通过dc/dc变换器接入直流母线。
6.直流微网电压是系统运行的重要参数，只有保证直流微网电压稳定才能提供可靠和高质量的电能。直流微网电压受多种因素的影响，如系统中可再生能源出力的不稳定性、制氢负荷的波动以及储能电池的充放电操作带来的扰动等，需要对这些影响因素进行合理的调度与管理以维持直流微网的实时功率平衡和电压稳定。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提出一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法，在可再生能源直流微网系统中，针对直流微网电压提出了分区控制方式，在5％的电压波动下将系统划分为3个工作模态，控制风机、光伏和储能端口切换模式，得出制氢功率指令，方便制氢装置及时做出调整，以此来保证制氢的高效和直流微网功率的实时平衡。
8.本发明的技术方案为：一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.步骤一：监测运行数据，当各单元运行时，由能量管理系统获取当前直流微网电压值、风机端口功率值、光伏端口功率值、储能端口功率值、交流负荷功率值，制氢功率值，并作为步骤二的输入；
10.步骤二：基于设定值和预设值判定工作分区并结合预测信息计算下一时刻制氢功率，具体包括：设定直流微网电压稳态值为u
ref
，以及设定最大波动范围，预先设置每个工作模态的工作电压阈值，直流微网电压改变时直流微网的工作模态随之变换；将步骤一的输出作为步骤二的输入，结合预设值，判定分区工作区域；结合下一时刻t2的功率预测信息，包括下一时刻风机端口功率预测值，下一时刻光伏端口功率预测值，下一时刻储能端口功率预测值以及下一时刻交流负荷功率预测值，并计算出各端口的下一时刻制氢功率值，作为步骤三的输入；
11.步骤三：执行控制指令，把步骤二输出的制氢功率值作为系统的动作信号，并执行对应的控制指令，作出跟踪调整，完成系统运行优化。
12.进一步的，所述步骤一具体为：监测运行数据，当各单元运行时，由能量管理系统获取当前时刻t1直流微网电压值u
dc
‑
t1
、风机端口功率值p
w
‑
t1
、光伏端口功率值p
v
‑
t1
、储能端口功率值p
c
‑
t1
、交流负荷功率值p
l
‑
t1
，制氢功率值p
h
‑
t1
。
13.进一步的，所述步骤二基于设定值和预设值判定工作分区并结合预测信息计算下一时刻制氢功率具体包括：
14.可再生能源直流微网能量管理系统将步骤一的输出作为输入，结合直流微网电压的预设值u
ref
，进行工作区域划分，以及结合下一时刻t2的功率预测信息，包括下一时刻风机端口功率预测值p
w
‑
t2
，下一时刻光伏端口功率预测值 p
v
‑
t2
，下一时刻储能端口功率预测值p
c
‑
t2
以及下一时刻交流负荷功率预测值 p
l
‑
t2
，并计算出各端口的下一时刻制氢功率值p
h
‑
t2
。
15.具体包括如下步骤：
16.步骤3.1、如果0.95u
ref
≤u
dc
‑
t1
≤1.05u
ref
，且时，判断：
17.当u
dc
‑
t1
>1.02u
ref
：
18.|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且
19.系统此时工作与iii区，功率冗余，由电解槽消纳，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0020][0021]
当u
dc
‑
t1
<1.02u
ref
：
[0022]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且p
c
‑
t2
＝0
[0023]
系统此时工作于ii区，可再生能源与负荷功率平衡，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0024]
p
h
‑
t2
＝(|p
w
‑
t2
+p
v
‑
t2
|
‑
|p
l
‑
t2
|)(b2|1.02u
ref
‑
u
dc
‑
t1
|+b3)
[0025]
步骤3.2、如果0.95u
ref
≤u
dc
‑
t1
≤1.05u
ref
且时，判断：
[0026]
当u
dc
‑
t1
>0.98u
ref
：
[0027]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且p
c
‑
t2
＝0
[0028]
系统此时工作于ii区，可再生能源与负荷功率平衡，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0029]
p
h
‑
t2
＝(|p
w
‑
t2
+p
v
‑
t2
|
‑
|p
l
‑
t2
|)(b2|u
dc
‑
t1
‑
0.98u
ref
|+b3)
[0030]
当u
dc
‑
t1
<0.98u
ref
：
[0031]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且
[0032]
系统此时工作于i区，可再生能源与负荷功率不平衡，出现功率缺额，储能电池作为补充，此时对应的t2时刻的制氢功率为：
[0033][0034]
当u
dc
‑
t1
<0.95u
ref
时，系统可提供功率不能满足当前负荷要求，需减小负载：
[0035]
p
l
‑
t2
＝p
l
‑
t1
·
k
soci
，其中k
soci
<1；
[0036]
当u
dc
‑
t1
>1.05u
ref
时，为维持直流微网电压，风机和光伏均处于恒压模式，系统无动作。
[0037]
经过计算在各个工作模态下输出制氢功率值p
h
‑
t2
和交流负载功率值p
l
‑
t2
；
[0038]
其中，δ
h
，k1，k
i
，ξ，b1，b2，b3，k
soci
分别是直流微网电压的增量变化阈值、mppt电压跟随系数、储能电池下垂系数、固定电压跟随阈值、第一功率增量因子、第二功率增量因子、功率下限系数和储能soc切换负载阈值系数。
[0039]
有益效果：
[0040]
本发明在可再生能源直流微网系统中，针对直流微网电压提出了分区控制方式，在5％的电压波动下将系统划分为3个工作模态，控制风机、光伏和储能端口切换模式，得出制氢功率指令，方便制氢装置及时做出调整，以此来保证制氢的高效和直流微网功率的实时平衡。
附图说明
[0041]
图1为可再生能源直流微网制氢系统框图；
[0042]
图2为本发明的一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法流程图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0044]
根据本发明的实施例，提出一种可再生能源直流微网制氢的分区控制方法，如图2所以，包括如下步骤：
[0045]
步骤一：监测运行数据，当各单元运行时，由能量管理系统获取当前直流微网电压值、风机端口功率值、光伏端口功率值、储能端口功率值、交流负荷功率值，制氢功率值，并作为步骤二的输入。
[0046]
步骤二：基于设定值和预设值判定工作分区并结合预测信息计算制氢功率，具体包括：设定直流微网电压稳态值为u
ref
，最大波动范围为5％。，预先设置每个工作模态的工作电压阈值，直流微网电压改变时直流微网的工作模态随之变换。综合考虑各分布式单元之间的协调控制和直流微网电压波动和传感器的影响，各端口的各个工作模态如下表1所示：
[0047]
表1
[0048][0049]
系统将步骤一的输出作为步骤二的输入，结合预设值，判定分区工作区域；结合下一时刻t2的功率预测信息，包括下一时刻风机端口功率预测值，下一时刻光伏端口功率预测值，下一时刻储能端口功率预测值以及下一时刻交流负荷功率预测值，并计算出各端口的下一时刻制氢功率值，作为步骤三的输入。
[0050]
步骤三：执行控制指令：把步骤二输出的功率值作为系统的动作信号，并执行对应的控制指令，作出跟踪调整，完成系统运行优化。
[0051]
具体的，各个步骤详细如下，
[0052]
所述步骤一：监测运行数据，当各单元运行时，由能量管理系统获取当前时刻t1直流微网电压值u
dc
‑
t1
、风机端口功率值p
w
‑
t1
、光伏端口功率值p
v
‑
t1
、储能端口功率值p
c
‑
t1
、交流负荷功率值p
l
‑
t1
，制氢功率值p
h
‑
t1
。
[0053]
所述步骤二：基于设定值和预设值判定工作分区并结合预测信息计算下一时刻制氢功率具体包括：
[0054]
可再生能源直流微网能量管理系统将步骤一的输出作为输入，结合直流微网电压的预设值u
ref
，进行工作区域划分以及结合下一时刻t2的功率预测信息，包括下一时刻风机端口功率预测值p
w
‑
t2
，下一时刻光伏端口功率预测值pv
‑
t2，下一时刻储能端口功率预测值pc
‑
t2以及下一时刻交流负荷功率预测值pl
‑
t2，并计算出各端口的下一时刻制氢功率值ph
‑
t2。
[0055]
上述步骤二的判断过程具体如下，分为情况1、2：
[0056]
1、如果0.95u
ref
≤u
dc
‑
t1
≤1.05u
ref
，且时，判断：
[0057]
当u
dc
‑
t1
>1.02u
ref
：
[0058]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且
[0059]
系统此时工作与iii区，功率冗余，由电解槽消纳，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0060][0061]
当u
dc
‑
t1
<1.02u
ref
：
[0062]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且p
c
‑
t2
＝0
[0063]
系统此时工作于ii区，可再生能源与负荷功率平衡，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0064]
p
h
‑
t2
＝(|p
w
‑
t2
+p
v
‑
t2
|
‑
|p
l
‑
t2
|)(b2|1.02u
ref
‑
u
dc
‑
t1
|+b3)
[0065]
2、如果0.95u
ref
≤u
dc
‑
t1
≤1.05u
ref
且时，判断：
[0066]
当u
dc
‑
t1
>0.98u
ref
：
[0067]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且p
c
‑
t2
＝0，系统此时工作于ii区，可再生能源与负荷功率平衡，对应的t2时刻的制氢功率为：
[0068]
p
h
‑
t2
＝(|p
w
‑
t2
+p
v
‑
t2
|
‑
|p
l
‑
t2
|)(b2|u
dc
‑
t1
‑
0.98u
ref
|+b3)
[0069]
当u
dc
‑
t1
<0.98u
ref
：
[0070]
|u
ref
‑
k1u
dc
‑
t1
|≤ξ且
[0071]
系统此时工作于i区，可再生能源与负荷功率不平衡，出现功率缺额，储能电池作为补充，此时对应的t2时刻的制氢功率为：
[0072][0073]
当u
dc
‑
t1
<0.95u
ref
时，系统可提供功率不能满足当前负荷要求，需减小负载：
[0074]
p
l
‑
t2
＝p
l
‑
t1
·
k
soci
，其中k
soci
<1；
[0075]
当u
dc
‑
t1
>1.05u
ref
时，为维持直流微网电压，风机和光伏均处于恒压模式，系统无动作。
[0076]
经过计算在各个工作模态下输出制氢功率值p
h
‑
t2
和交流负载功率值p
l
‑
t2
。
[0077]
其中，δ
h
，k1，k
i
，ξ，b1，b2，b3，k
soci
分别是直流微网电压的增量变化阈值、mppt电压跟随系数、储能电池下垂系数、固定电压跟随阈值、第一功率增量因子、第二功率增量因子、功率下限系数和储能soc切换负载阈值系数。
[0078]
综上，本发明在可再生能源直流微网系统中，针对直流微网电压提出了分区控制方式，在5％的电压波动下将系统划分为3个工作模态，控制风机、光伏和储能端口切换模式，得出制氢功率指令，方便制氢装置及时做出调整，以此来保证制氢的高效和直流微网功率的实时平衡。
[0079]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。