一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略

1.本发明属于混合储能系统功率分配与协调控制技术领域，尤其涉及一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略，适用于风力发电系统制氢功率分配，是一种基于能量守恒定律并考虑了制氢设备最优工作功率区间、锂电池的荷电状态约束和储氢罐压力约束的功率分配策略。


背景技术：

2.随着经济社会的快速发展人类对能源的需求与日剧增，依靠现阶段仍以传统的化石能源为主的能源体系，将会进一步增加对传统化石能源的需求和依赖，这与我国所提出的“碳达峰”和“碳中和”相违背。因此，有必要发展以风电为代表的可再生能源，而风力发电等可再生能源的产生具有随机性和可变性的特点，风电制氢已经成为公认的解决方案，碱性电解槽需要尽可能固定的输入输出功率。
3.现有的电解氢制造装置的供电系统被设计为稳定的供电系统，现有的碱性电解槽适应50-100％额定功率范围内的波动，与其他储能模块耦合，根据制氢设备性能和运行特性制定了电功率管理策略。另外，可再生能源供给的随机变动导致电解质电池的动作电压的频繁变化，使电解质电池的动作电压显著降低，缩短电解质电池的工作寿命的同时，性能变动影响电解质的纯度会给电解装置和氢储存装置带来危险，造成一定的安全隐患。
4.为了满足高电压变换、低电流、高误差、高效率的要求，研究电解氢电子转换器的控制策略就成为的重要课题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略。其目的是为了实现能够根据实时风电出力和用户需求进行合理的电功率的分配，同时对要求高电流低电压工作环境的电解系统能够良好适应，并能良好适应功率波动，在保证系统稳定运行的同时提高制氢效率、降低制氢能耗的发明目的。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
7.一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略，包括以下步骤：
8.步骤1.建立碱性电解槽、氢燃料电池和锂电池共直流母线耦合的风电制氢混合储能系统，并确定各个模块的容量，碱性电解槽所制取的氢气由储氢罐进行储存；
9.步骤2.调制网侧变流器的触发信号控制网侧变流器各个桥臂的导通，使得网侧变流器按照配电网的需求输出相应的有功功率和无功功率；
10.步骤3.对碱性电解槽的工作特性进行分析，得到最优的制氢功率区间，使得碱性电解槽工作在该区间制氢效率最高；
11.步骤4.根据电解制氢机理对制氢系统进行数学建模；
12.步骤5.将具有基于能量守恒定律与碱性电解槽的功率约束、氢燃料电池的功率约束、储氢罐的容量约束以及锂电池的荷电状态约束，制定功率分配策略；
13.步骤6.将功率分配策略的决策结构作为控制系统的给定值，储能侧采用功率外环，电流内环的控制策略。
14.更进一步的，步骤1所述碱性电解槽、氢燃料电池和锂电池共直流母线耦合的风电制氢混合储能系统，碱性电解槽所制取的氢气由储氢罐进行储存，并确定各个模块的容量或额定功率，如下：风力发电机1500kw，碱性电解槽100kw，氢燃料电池60kw，锂电池750kwh，储气罐500kwh；
15.机侧变流器采用零d轴控制，通过控制同步发电机的q轴电流来控制同步电机的电磁转矩，对同步电机施加一个电磁转矩使风力机捕获的风电动能转化为电能；同步电机的电磁转矩te为：
16.te＝ρn(ψfiq+(l
d-lq)idiq)(1)
17.其中，ρn为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁体磁链，ld、lq为永磁同步电机直轴和交轴电抗id、iq为永磁同步电机直轴和交轴电流；当id＝0时，永磁同步电机的电磁转矩为te＝ρnψfiq。
18.更进一步的，步骤2所述调制网侧变流器的触发信号控制网侧变流器各个桥臂的导通，使得网侧变流器按照配电网的需求输出相应的有功功率和无功功率；是指调制网侧变流器的触发信号控制各个桥臂的开关顺序，在实现逆变的同时，按照用户需求输出有功和无功功率，如系统没有无功负荷，则按照单位功率因数进行逆变；网侧变流器输出功率为：
[0019][0020]
其中：pg为网侧变流器输出的有功功率，qg为网侧变流器输出的无功功率，ud、uq为变流器输出侧d轴和q轴电压，id、iq为变流器输出侧d轴和q轴电流；令uq＝0，则整流器输出功率表达式化简为：
[0021][0022]
分别通过控制id、iq来控制网侧变流器输出的有功功率和无功功率。
[0023]
更进一步的，步骤3所述对碱性电解槽的工作特性进行分析，得到最优的制氢功率区间，是指：流入直流母线储能环节的电功率是波动的，波动功率按特性分为瞬时波动和宽功率波动；
[0024]
所述瞬时波动是指碱性电解电池的输入流量频繁波动，隔膜在中性区域反复移动，导致电压变化；如果被低电流和高电压吸引，则缝隙率和渗透率降低，破坏膜的性能，影响电解质电池的寿命；随着输入功率的波动，电解质电池的氢和氧两端的气体生成量发生变化，氢和氧两端的液位发生变化，电解液罐中碱性流体的平衡频繁发生，影响气阀或电磁阀等零部件的使用寿命增加辅助设备的耗电，降低电解制氢效率；
[0025]
所述宽功率波动是指输入功率长时间连续增加或减少，超过碱性电解质电池，表示输入范围的大部分电能会转化为热量；当氢气产量过低时，碱性电解槽温度、电解质电池和表示运行状态的偏差和氢气生产能力以及氢气输出的减少难以维持，将阴极产生的氢气和阳极产生的氧气混合，影响整个系统的安全稳定运行；
[0026]
经分析，碱性电解槽适应的波动功率为50％-100％的额定功率。
[0027]
更进一步的，步骤4所述根据电解制氢机理对制氢系统进行数学建模，是指：为了平抑制氢功率波动，确保碱性电解槽的波动功率在50％-100％的额定功率内，引入锂电池来吸收碱性电解槽最优制氢功率之外的电功率，设锂电池荷电状态约束和储氢罐的压力约束为：
[0028]
0.1≤soc≤0.9(4)
[0029]
1.72mpa＜p
tank
＜2.52mpa(5)
[0030]
上式中，p
tank
为储氢罐压力，soc为锂电池的荷电状态。
[0031]
更进一步的，步骤5所述将具有基于能量守恒定义与碱性电解槽的功率约束、储氢罐的功率约束以及锂电池的荷电状态约束，制定功率分配策略，是指定义当风电出力大于用户需求时为高风速阶段；当风电出力小于用户需求时为低风速阶段，风电出力与用户需求的差值设为p
net
。
[0032]
更进一步的，所述高风速阶段风电出力过剩，氢燃料电池应停止工作，燃料电池fc运行状态如下：
[0033]
p
fc_ref
＝0(6)
[0034]
其中，p
fc_ref
为燃料电池输出功率的给定值；
[0035]
储氢罐的压力约束上限p
tank_max
＝2.52mpa，当储氢罐压力p
tank
》p
tank_max
时，储氢罐已经达到最大的储氢容量，无法在储存更多的氢气，此时制氢功率给定值应为0，制氢功率的给定值为p
el_ref
，即p
el_ref
＝0，此时只能由锂电池吸收系统多余电能，其工作状态为：
[0036][0037]
其中，p
bat_ref
为锂电池的输出功率的给定值，p
batn
为锂电池的额定功率，u
ini
和u
max
分别为锂电池的电压和其额定电压；
[0038]
当储氢罐压力满足p
tank
≤p
tank_max
时，储氢罐有储氢能力，碱性电解槽可以工作，其运行状态为：
[0039][0040]
其中，p
eln
为额定制氢功率；此时锂电池需要平抑制氢功率的波动，锂电池运行状态为：
[0041][0042]
更进一步的，所述低风速阶段，系统处于缺电状态，碱性电解槽不工作，此时碱性电解槽工作状态为：
[0043]
p
el_ref
＝0(10)
[0044]
当储氢罐压力满足p
tank_min
》p
tank
时，储氢罐储存氢气不足，无法为氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池不工作，即运行状态为p
fc_ref
＝0，系统的电能缺额只能由锂电池补充，锂电池的运行状态为：
[0045][0046]
储氢罐压力约束下限为p
min
＝1.72mpa，当储氢罐压力满足p
min
≤p
tank
时，储氢氢气充足，能为氢燃料电池提供氢气，此时氢燃料电池也可以补充系统电能缺额，其运行状态为：
[0047][0048]
其中，p
fcn
为燃料电池额定输出功率，p
fc_ref
为燃料电池输出功率的给定值，此时由氢燃料电池和锂电池共同补充系统电缺额，锂电池运行状态为：
[0049][0050]
一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略的步骤。
[0051]
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略的步骤。
[0052]
本发明具有以下有益效果及优点：
[0053]
本发明综合考虑了碱性电解槽的工作特性，储氢罐压力约束和锂电池荷电状态约束，有效提高风电制氢混合储能系统的运行效率，延长设备的使用寿命；电功率的合理分配解决的弃风问题，从而提高了风能的利用率，实现了锂电池和碱性电解槽所构成的混合储能系统的协调运行，保证了锂电池和燃料电池在风电出力缺额是对用户负荷的功率输出能
力。本发明提出的控制策略和电功率的分配策略具有一定的实际工程的参考和应用价值。
附图说明
[0054]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0055]
图1是本发明机侧变流器零d轴电流矢量控制框图；
[0056]
图2是本发明网侧变流器矢量控制框图；
[0057]
图3是本发明风电制氢混合储能系统拓扑图；
[0058]
图4是本发明高风速阶段风电制氢混合储能系统功率分配策略图；
[0059]
图5是本发明低风速阶段风电制氢混合储能系统功率分配策略图。
具体实施方式
[0060]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0061]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0062]
下面参照图1-图5描述本发明一些实施例的技术方案。
[0063]
实施例1
[0064]
本发明提供了一个实施例，是一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略。在永磁风力发电系统并网技术的基础上在直流母线是耦合了碱性电解槽、燃料电池和锂电池，考虑了碱性电解槽的最优工作区间、储氢罐的压力和锂电池的荷电状态，而提出了一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略。
[0065]
目前风电并网普遍采用双pwm整流器，使电能实现ac/dc/ac变化。首先对永磁风力发电机并网的控制方案进行说明。由于风电出力波动，为使系统稳定运行而引入储能环节，在此风电并网拓扑结构基础之上，设计碱性电解槽、燃料电池和锂电池直流母线耦合系统，构成含储氢的混合储能系统，碱性电解槽制氢的氢气由储氢罐进行储存，并由储氢罐向氢燃料电池提供氢气；然后对碱性电解槽的制氢特性进行分析，得到制氢效率最优的制氢功率区间；最后，根据功率守恒原则根据各设备运行约束和碱性电解槽最优制氢区间的约束下，制定该系统的混合储能的功率分配策略。
[0066]
本发明具体包括以下步骤：
[0067]
步骤1.建立碱性电解槽、氢燃料电池和锂电池共直流母线耦合的风电制氢混合储能系统，并确定各个模块的容量，碱性电解槽所制取的氢气由储氢罐进行储存；
[0068]
步骤2.调制网侧变流器的触发信号控制网侧变流器各个桥臂的导通，使得网侧变流器按照配电网的需求输出相应的有功功率和无功功率；
[0069]
步骤3.对碱性电解槽的工作特性进行分析，得到最优的制氢功率区间，使得碱性电解槽工作在该区间制氢效率最高；
[0070]
步骤4.根据电解制氢机理对制氢系统进行数学建模；
[0071]
步骤5.将具有基于能量守恒定律与碱性电解槽的功率约束、氢燃料电池的功率约束、储氢罐的容量约束以及锂电池的荷电状态约束，制定功率分配策略；
[0072]
步骤6.将功率分配策略的决策结构作为控制系统的给定值，储能侧采用功率外环，电流内环的控制策略。
[0073]
实施例2
[0074]
本发明又提供了一个实施例，是一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略，具体包括以下步骤：
[0075]
步骤1.建立碱性电解槽、氢燃料电池和锂电池共直流母线耦合的风电制氢混合储能系统，碱性电解槽所制取的氢气由储氢罐进行储存，并确定各个模块的容量,如表1所示。
[0076]
表1系统各个模块的容量
[0077]
设备类型设备容量或额定功率风力发电机1500kw碱性电解槽100kw氢燃料电池60kw锂电池750kwh储气罐500kwh
[0078]
机侧变流器采用零d轴控制，通过控制同步发电机的q轴电流来控制同步电机的电磁转矩，对同步电机施加一个电磁转矩使风力机捕获的风电动能转化为电能；同步电机的电磁转矩te为：
[0079]
te＝ρn(ψfiq+(l
d-lq)idiq)(1)
[0080]
其中，ρn为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁体磁链，ld、lq为永磁同步电机直轴和交轴电抗id、iq为永磁同步电机直轴和交轴电流；当id＝0时，永磁同步电机的电磁转矩为te＝ρnψfiq。
[0081]
步骤2.调制网侧变流器的触发信号控制网侧变流器各个桥臂的导通，使得网侧变流器按照配电网的需求输出相应的有功功率和无功功率；是指调制网侧变流器的触发信号控制各个桥臂的开关顺序，在实现逆变的同时，按照用户需求输出有功和无功功率，如系统没有无功负荷，则按照单位功率因数进行逆变；网侧变流器输出功率为：
[0082][0083]
其中：pg为网侧变流器输出的有功功率,qg为网侧变流器输出的无功功率，ud、uq为变流器输出侧d轴和q轴电压，id、iq为变流器输出侧d轴和q轴电流；令uq＝0，则整流器输出功率表达式化简为：
[0084][0085]
分别通过控制id、iq来控制网侧变流器输出的有功功率和无功功率。
[0086]
步骤3.所述对碱性电解槽的工作特性进行分析，得到最优的制氢功率区间，是指：流入直流母线储能环节的电功率是波动的，波动功率按特性分为瞬时波动和宽功率波动；
[0087]
所述瞬时波动是指碱性电解电池的输入流量频繁波动，隔膜在中性区域反复移
动，导致电压变化；如果被低电流和高电压吸引，则缝隙率和渗透率降低，破坏膜的性能，影响电解质电池的寿命；随着输入功率的波动，电解质电池的氢和氧两端的气体生成量发生变化，氢和氧两端的液位发生变化，电解液罐中碱性流体的平衡频繁发生，影响气阀或电磁阀等零部件的使用寿命增加辅助设备的耗电，降低电解制氢效率；
[0088]
所述宽功率波动是指输入功率长时间连续增加或减少，超过碱性电解质电池，表示输入范围的大部分电能会转化为热量；当氢气产量过低时，碱性电解槽温度、电解质电池和表示运行状态的偏差和氢气生产能力以及氢气输出的减少难以维持，将阴极产生的氢气和阳极产生的氧气混合，影响整个系统的安全稳定运行；经分析，碱性电解槽适应的波动功率为50％-100％的额定功率。
[0089]
步骤4.根据电解制氢机理对制氢系统进行数学建模，是指：为了平抑制氢功率波动，确保碱性电解槽的波动功率在50％-100％的额定功率内，引入锂电池来吸收碱性电解槽最优制氢功率之外的电功率，设锂电池荷电状态约束和储氢罐的压力约束为：
[0090]
0.1≤soc≤0.9(4)
[0091]
1.72mpa＜p
tank
＜2.52mpa(5)
[0092]
上式中，p
tank
为储氢罐压力，soc为锂电池的荷电状态。
[0093]
步骤5.所述将具有基于能量守恒定义与碱性电解槽的功率约束、储氢罐的功率约束以及锂电池的荷电状态约束，制定功率分配策略，是指定义当风电出力大于用户需求时为高风速阶段；当风电出力小于用户需求时为低风速阶段，风电出力与用户需求的差值设为p
net
。
[0094]
所述高风速阶段风电出力过剩，氢燃料电池应停止工作，燃料电池fc运行状态如下：
[0095]
p
fc_ref
＝0(6)
[0096]
其中，p
fc_ref
为燃料电池输出功率的给定值；
[0097]
储氢罐的压力约束上限p
tank_max
＝2.52mpa，当储氢罐压力p
tank
》p
tank_max
时，储氢罐已经达到最大的储氢容量，无法在储存更多的氢气，此时制氢功率给定值应为0，制氢功率的给定值为p
el_ref
，即p
el_ref
＝0，此时只能由锂电池吸收系统多余电能，其工作状态为：
[0098][0099]
其中，p
bat_ref
为锂电池的输出功率的给定值，p
batn
为锂电池的额定功率，u
ini
和u
max
分别为锂电池的电压和其额定电压；
[0100]
当储氢罐压力满足p
tank
≤p
tank_max
时，储氢罐有储氢能力，碱性电解槽可以工作，其运行状态为：
[0101][0102]
其中，p
eln
为额定制氢功率；此时锂电池需要平抑制氢功率的波动，锂电池运行状
态为：
[0103][0104]
所述低风速阶段，系统处于缺电状态，碱性电解槽不工作，此时碱性电解槽工作状态为：
[0105]
p
el_ref
＝0(10)
[0106]
当储氢罐压力满足p
tank_min
》p
tank
时，储氢罐储存氢气不足，无法为氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池不工作，即运行状态为p
fc_ref
＝0，系统的电能缺额只能由锂电池补充，锂电池的运行状态为：
[0107][0108]
储氢罐压力约束下限为p
min
＝1.72mpa，当储氢罐压力满足p
min
≤p
tank
时，储氢氢气充足，能为氢燃料电池提供氢气，此时氢燃料电池也可以补充系统电能缺额，其运行状态为：
[0109][0110]
其中，p
fcn
为燃料电池额定输出功率，p
fc_ref
为燃料电池输出功率的给定值，此时由氢燃料电池和锂电池共同补充系统电缺额，锂电池运行状态为：
[0111][0112]
步骤6.将功率分配策略的决策结果作为控制系统的给定值，储能侧采用功率外环，电流内环的控制策略。
[0113]
实施例3
[0114]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1或2所述的任意一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略的步骤。
[0115]
实施例4
[0116]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1或2所述的任意一种分布式风电制氢混合储能系统功率分配策略的步骤。
[0117]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0118]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0119]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0120]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0121]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。