1.本发明属于可再生能源系统与储能系统耦合领域，具体涉及一种风-氢-储系统运行模式设计方法。
背景技术：2.近年来，我国分布式可再生能源迅速增长，装机容量和发电量位居世界前列。利用可再生能源电解水制氢，能够实现电能氢能之间的转化，不仅能有效解决可再生能源消纳的难题，也有利于满足日益增长的氢能需求。同时可再生能源制氢系统与储能系统的深度耦合，能进一步降低制氢成本，实现电-氢储能的优势互补。一种典型的风-氢-储系统结构如图1所示。中配电网通过ac/dc变流器接入直流母线，风机通过ac/dc变流器接入直流母线，储能电池、制氢电解槽通过dc/dc变换器接入直流母线。制氢电解槽通过电解水产生的氢气全部存入储氢罐内。
3.然而由于可再生能源的不确定性强和间歇性波动等特点，给系统的灵活调控及安全稳定运行提出了新的挑战，尤其是当系统离网运行时，如何合理判断系统运行模式，调整各单元控制模式和出力情况，从而保障系统安全平稳运行，提高可再生能源利用率，是仍待进一步解决的难题。
技术实现要素：4.为解决上述技术问题，本发明提出一种风-氢-储系统运行模式设计方法，详细分析了系统运行可能遇到的各种场景，提出了合理的运行模式设计；判断不同运行模式下各个单元对应的控制模式；给出了不同运行模式下制氢电解槽最优出力的计算方法，可以保障系统安全高效的运行，降低制氢成本的同时大大提高可再生能源利用率。
5.本发明提出的技术方案如下：
6.一种风-氢-储系统运行模式设计方法，该方法包括以下步骤：
7.第一步：获取风-氢-储系统运行监测数据：
8.当系统内各单元，包括风机单元、储能单元、制氢电解槽单元和储氢罐单元运行时，在t时刻，由所述风-氢-储系统的上层能量管理系统获取当前t时刻相关功率信息和冗余状态信息。功率信息包括风机功率p
wt,t
、制氢电解槽功率p
h,t
、储能单元功率p
e,t
和风-氢-储系统与交流电网交互功率p
grid,t
。若p
grid,t
＞0，则说明风-氢-储系统向交流电网输送能量；若p
grid,t
＜0，则风-氢-储系统从交流电网吸收能量。冗余状态信息包括储能单元荷电状态soc
t
、储氢罐储氢状态soh
t
。
9.第二步：根据所述上层能量管理系统的功率预测单元，获得下一时刻，即t+1时刻的所述风-氢-储系统的功率预测值，包括风机功率预测信息p
wt,t+1
，制氢电解槽制氢功率预测值p
h,t+1
；
10.并判断当前运行状态：若所述风-氢-储系统此时并网运行，则将上述运行监测数据和功率预测值，包括p
wt,t
、p
h,t
、p
e,t
、p
grid,t
、soc
t
、soh
t
、p
wt,t+1
和p
h,t+1
作为输入，继续执行第
三步；若所述风-氢-储系统网侧发生故障，风-氢-储系统离网运行，此时p
grid,t
＝0，则p
wt,t
、p
h,t
、p
e,t
、soc
t
、soh
t
、p
wt,t+1
和p
h,t+1
作为输入，继续执行第四步；
11.第三步：并网运行时，所述风-氢-储系统运行相应的模式设计；
12.第四步：离网运行时，所述风-氢-储系统运行相应的模式设计。
13.进一步的，所述第三步具体包括：
14.所述风-氢-储系统并网运行时，为保证功率平衡，需满足以下能量守恒公式：
15.p
grid,t
+p
wt,t
＝p
e,t
+p
h,t
ꢀꢀꢀ
(1)
16.根据t+1时刻的功率预测值进一步结合式(1)，对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分：
17.1)当储氢罐储氢状态soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，风-氢-储系统停止制氢；进一步判断储能单元荷电状态soc：若soc较高或在安全工作区内，则储能单元进入待机状态，风机工作在mppt模式；若soc较低，则储能单元按额定功率p
e,rated
进行充电,即p
e,t+1
＝p
e,rated
，此时风机工作在mppt模式；
18.2)当储氢罐储氢状态soh在安全工作区域内时，制氢电解槽按功率p
h,t+1
制氢；进一步判断储能单元荷电状态soc：若soc较高或在安全工作区内，则储能单元进入待机状态，此时风机工作在mppt模式；若soc较低，则储能单元按功率p
e,rated
进行充电，此时风机工作在mppt模式。
19.进一步的，所述第四步具体包括：
20.所述风-氢-储系统离网运行时，为保证功率平衡，需满足以下能量守恒公式：
21.p
wt,t
＝p
e,t
+p
h,t
ꢀꢀꢀ
(2)
22.此时储能单元起到维持风-氢-储系统母线电压平衡的作用，工作在恒压模式；
23.根据t+1时刻功率预测值，进一步结合式(2)，对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分：
24.1)当储氢罐储氢状态soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，系统停止制氢；进一步判断储能单元荷电状态soc：若soc较低或在安全工作区内，则风机工作在mppt模式，储能单元按功率p
wt,t+1
充电，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1
；若soc较高，则风机和储能单元进入待机状态，等待再次启动。
25.2)当储氢罐储氢状态soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢；进一步判断储能单元荷电状态soc：
26.若储能系统soc在安全工作区内，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+1
制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
h,t+1
；
27.若soc较低，则根据未来一段时间内风机和制氢电解槽制氢功率预测变化情况，调整风机和制氢电解槽工作模式，具体表现为：根据所述上层能量管理系统的预测单元，获取未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值，即p
wt,t+1
、p
wt,t+2
、...、p
wt,t+10
和p
h,t+1
、p
h,t+2
...、p
h,t+10
，并分别计算他们的平均值，得到为p
wt,avg
和p
h,avg
；判断p
wt,avg-p
h,avg
＞0是否成立，如果成立，表示下一时段风力发电较为充足，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+1
制氢，储能单元按风机与制氢电解槽的差额功率充电，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
h,t+1
；如果不成立，表示下一时段风力发电不足，选择降低制氢电解槽工作功率，且根据式(3)更新制氢电解槽功率指令：
[0028][0029]
其中，soc
min
、τ、η
dis
、e
ess
和δt分别为储能系统soc下限、自放电率、放电效率、总容量和时间间隔，p
h,rated
和p
h,min
分别为制氢电解槽额定功率和正常运行所需最小功率；
[0030]
根据式(3)所求结果，判断式(4)是否成立：
[0031]
p
wt,t+1-p
′
h,t+1
＜p
e_dis
ꢀꢀꢀ
(4)
[0032]
如果式(4)成立，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以p
′
h,t+1
功率制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
′
h,t+1
；
[0033]
如果不成立，则说明此时风力发电严重不足，风机、制氢电解槽和储能单元转为待机模式，等待重新启动。
[0034]
若soc较高，则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值，计算得到p
wt,avg
和p
h,avg
，并判断p
h,avg-p
wt,avg
＞0是否成立，如果成立，表示下一时段风力发电不足，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+1
制氢，储能单元按风机与制氢电解槽差额功率放电；如果不成立，表示下一时段风力发电较为充足，选择增加制氢电解槽工作功率，且根据式(5)更新制氢电解槽功率指令：
[0035][0036]
其中，η
ch
为储能系统充电效率，p
h,min
为制氢电解槽正常运行功率上限；
[0037]
根据式(5)所求结果，判断式(6)是否成立：
[0038]
p
wt,t+1-p
′
h,t+1
＜p
e_ch
ꢀꢀꢀ
(6)
[0039]
如果式(6)成立，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
′
h,t+1
制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补；如果不成立，则说明此时风力发电过剩，风-氢-储系统无法消纳，风机工作在限功率模式，限制风机发电功率为：
[0040][0041]
制氢电解槽以功率p
′
h,t+1
制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。
[0042]
所述mppt模式为最大功率跟踪模式。
[0043]
本发明具有以下有益效果：
[0044]
在风-氢-储系统中，本发明针对可再生能源波动下可能出现的不同场景，详细分析设计了系统不同运行模式以及各个运行模式间的切换条件。同时给出了不同运行模式下，系统各单元对应的控制模式。尤其当系统离网运行时，结合系统实时运行测量数据，在保障系统安全平稳运行的条件下，提出了电解槽最佳制氢功率公式，进一步降低了制氢成本，同时大大提高了可再生能源利用率。
附图说明
[0045]
图1为风-氢-储系统结构示意图；
[0046]
图2为风-氢-储系统运行模式设计方法流程示意图。
具体实施方式
[0047]
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
[0048]
图2所示为本发明风-氢-储系统运行模式设计方法流程示意图，其包括以下步骤：
[0049]
第一步：获取风-氢-储系统运行监测数据：当系统内各单元，包括风机单元、储能单元、制氢电解槽单元和储氢罐单元运行时，在t时刻，由所述风-氢-储系统的上层能量管理系统获取当前t时刻各单元功率和冗余状态信息。功率信息包括风机功率p
wt,t
、制氢电解槽功率p
h,t
、储能单元功率p
e,t
和风-氢-储系统与交流电网交互功率p
grid,t
。若p
grid,t
＞0，则说明风-氢-储系统向交流电网输送能量；若p
grid,t
＜0，则风-氢-储系统从交流电网吸收能量。冗余状态信息包括储能单元荷电状态soc
t
、储氢罐储氢状态soh
t
。
[0050]
第二步：根据所述上层能量管理系统的功率预测单元，获得下一时刻，即t+1时刻所述风-氢-储系统的功率预测值，包括风机功率预测值p
wt,t+1
，制氢电解槽制氢功率预测值p
h,t+1
；
[0051]
并判断当前运行状态：若所述风-氢-储系统此时并网运行，则上述运行监测数据和功率预测值，包括p
wt,t
、p
h,t
、p
e,t
、p
grid,t
、soc
t
、soh
t
、p
wt,t+1
和p
h,t+1
作为输入，继续执行第三步；若所述风-氢-储系统网侧发生故障，风-氢-储系统离网运行，此时p
grid,t
＝0，则p
wt,t
、p
h,t
、p
e,t
、soc
t
、soh
t
、p
wt,t+1
和p
h,t+1
作为输入，继续执行第四步；
[0052]
第三步：并网运行时，系统运行模式设计：系统并网运行时，为保证功率平衡，需满足以下能量守恒公式：
[0053]
p
grid,t
+p
wt,t
＝p
e,t
+p
h,t
ꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
根据t+1时刻的功率预测值进一步结合式(1)，对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分：
[0055]
运行模式1:当储氢罐soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，系统停止制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较高或在安全工作区内，则储能系统进入待机状态，此时风机工作在最大功率跟踪模式(mppt模式)。
[0056]
运行模式2:当储氢罐soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，系统停止制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较低，则储能系统按额定功率p
e,rated
进行充电,即p
e,t+1
＝p
e,rated
。此时风机工作在mppt模式。
[0057]
运行模式3:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽按额定功率p
h,rated
制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较高或在安全工作区内，则储能系统进入待机状态，此时风机工作在mppt模式。
[0058]
运行模式4:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽按额定功率制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较低，则储能系统按额定功率p
e,rated
进行充电。此时风机工作在mppt模式。
[0059]
第四步：离网运行时，系统运行模式设计：系统离网运行时，为保证功率平衡，需满足以下能量守恒公式：
[0060]
p
wt,t
＝p
e,t
+p
h,t
ꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
此时储能单元起到维持风-氢-储系统母线电压平衡的作用，工作在恒压模式；
[0062]
根据t+1时刻功率预测值，进一步结合式(2)，对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分：
[0063]
运行模式5:当储氢罐soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，系统停止制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较低或在安全工作区内，则风机工作在mppt模式，储能单元按功率p
wt,t+1
充电，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1
。
[0064]
运行模式6:当储氢罐soh达到上限时，制氢电解槽进入待机状态，系统停止制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较高，则风机和储能单元进入待机状态，等待再次启动。
[0065]
运行模式7:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc在安全工作区内，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+
1制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
h,t+1
。
[0066]
运行模式8:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较低，则需根据未来一段时间内风机和制氢电解槽制氢功率预测变化情况，调整风机和制氢电解槽工作模式。具体表现为：根据系统能量管理系统的预测单元，获取未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值，即p
wt,t+1
、p
wt,t+2
、...、p
wt,t+10
和p
h,t+1
、p
h,t+2
...、p
h,t+10
。并分别计算他们的平均值，得到为p
wt,avg
和p
h,avg
。并判断p
wt,avg-p
h,avg
＞0是否成立。如果成立，表示下一时段，风力发电较为充足，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+1
制氢，储能系统按风机与制氢电解槽差额功率充电，即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
h,t+1
。
[0067]
运行模式9:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较低，则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值，计算得到p
wt,avg
和p
h,avg
。并判断p
wt,avg-p
h,avg
＞0是否成立。如果不成立，表示下一时段，风力发电不足，选择降低制氢电解槽工作功率。根据式(3)更新制氢电解槽功率指令：
[0068][0069]
其中，soc
min
、τ、η
dis
、e
ess
和δt分别为储能系统soc下限、自放电率、放电效率、总容量和时间间隔，p
h,rated
和p
h,min
分别为制氢电解槽额定功率和正常运行所需最小功率。
[0070]
根据式(3)所求结果，判断式(4)是否成立：
[0071]
p
wt,t+1-p
′
h,t+1
＜p
e_dis
ꢀꢀꢀ
(4)
[0072]
如果成立，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以p
′
h,t+1
功率制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即p
e,t+1
＝p
wt,t+1-p
′
h,t+1
。如果不成立，则切换至运行模式10。
[0073]
运行模式10：判断式(4)不成立，说明此时风力发电严重不足，风机单元和制氢电解槽和储能单元转为待机模式，等待重新启动。
[0074]
运行模式11:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较高，则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值，计算得到p
wt,avg
和p
h,avg
。并判断p
h,avg-p
wt,avg
＞0是否成立。如果成立，表示下一时段，风力发电不足，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以功率p
h,t+1
制氢，储能系统按风机与制氢电解槽差额功率放电。
[0075]
运行模式12:当储氢罐soh在安全工作区域内时，制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统soc状态，若储能系统soc较高，则根据未来10个预测点内风机预测出力和制氢电解槽所需功率，计算得到p
wt,avg
和p
h,avg
。并判断p
h,avg-p
wt,avg
＞0是否成立。如果不成立，表示下一时段，风力发电较为充足，选择增加制氢电解槽工作功率。根据式(5)更新制氢电解槽功率指令：求得：
[0076][0077]
其中，soc
max
和η
ch
为储能系统soc上限和吸热效率，p
h,min
为制氢电解槽正常运行功率上限。
[0078]
根据式(5)所求结果，判断式(6)是否成立：
[0079]
p
wt,t+1-p
′
h,t+1
＜p
e_ch
ꢀꢀꢀ
(6)
[0080]
如果成立，则风机工作在mppt模式，制氢电解槽以p
′
h,t+1
功率制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。如果不成立，则切换至运行模式13。
[0081]
运行模式13：判断式(6)不成立，说明此时风力发电过剩，系统无法消纳，风机单元工作在限功率模式，限制风机发电功率为：
[0082][0083]
制氢电解槽以功率p
′
h,t+1
制氢，风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。
[0084]
本发明并不局限于上述具体实施方式，本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。