一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法

1.本发明属于电力系统自动化控制领域，具体涉及一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法。


背景技术：

2.可再生能源电制氢（绿氢）是未来氢能发展的重要方向，在新能源电解制氢环节中，开展关于优化新能源电解制氢系统性能，提升可再生能源利用率以及新能源制氢系统经济性的研究势在必行。
3.在传统电解制氢技术中，大部分电解槽采用的是恒定电流控制模式运转，这样会容易导致电解槽的开关启停频繁，缩减电解槽寿命，且产氢量不多。在新能源制氢系统中，由于一天中风力强度和光照强度随时间变化而发生变化，抑或随晴天与阴雨天的变化而发生变化，风力发电机产生的电能随风力强度以及光伏阵列发出的电能随光照强度和环境温度的变化存在较大的波动。而且基于风力发电和光生伏特效应并传输至电解槽这个过程，是非线性且时变的模型，难以建立数据模型以规划电解槽运行模式。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法，可根据模糊控制规则通过实时变化的光照强度与风力强度调整电解槽的运转模式。基于不同时刻或是晴天与阴雨天风力强度和光照强度大小的不同从而实时改变电解制氢系统运转模式，适用于工作在风力和光照随机波动环境下需提高产氢效率的同时满足经济性的碱性电解制氢系统。
5.本发明首先将输入量和输出量通过模糊控制隶属函数模糊化，根据光照辐射强度和风力强度大小，将其分别模糊定义为四个等级。再根据电解制氢系统运转方案，将输出定义为五种模式。其次建立模糊规则，定义为光照越强，输出功率越大，风力越强，输出功率越大。然后对应用模糊控制的碱性电解制氢系统进行隶属度计算。最后通过输出隶属图清晰化判断此时电解制氢系统的工作模式。本发明用于根据不同环境变换运转模式的碱性电解制氢系统，从而可以在随机波动的新能源输入情况下，实现碱性电解制氢系统高效经济运行，避免了频繁启停对设备造成的影响，增加了系统寿命，提高了系统稳定性。
6.本发明的技术方案为：一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法，包括以下步骤：s1、将碱性电解制氢系统的输入能量通过隶属函数模糊化，同时依据能量强度进行模糊定义，并界定模糊定义的区间，所述输入能量具有非线性实时的特性；s2、将碱性电解制氢系统的输出功率通过隶属函数模糊化，并结合s1的结果设定碱性电解制氢系统的工作模式，选择模糊函数描述工作模式的隶属度，得到实时输入能量大小与输出功率、以及工作模式的隶属关系；s3、建立模糊规则为随着输入能量的增加输出功率也随之增加；
s4、将实时输入能量通过模糊规则转化为实时隶属度；s5、根据实时隶属度构建隶属函数，通过输出运算规则求出隶属输出；s6、通过反模糊化隶属输出，并基于隶属关系选择对应工作模式对碱性电解制氢系统进行控制。
7.进一步的，s1中所述输入能量包括太阳能和风能，对太阳能的模糊定义方式为：将输入光照强度模糊定义为四个等级，分别为：第一级过量光照，定义为el；第二级适度光照，定义为pl；第三级缺乏光照，定义为ll；第四级无光照，定义为ol；对风能的模糊定义方式为：将输入风力强度模糊定义为四个等级，分别为：第一级过量风能，定义为ew；第二级适度风能，定义为pw；第三级缺乏风能，定义为lw；第四级无风能，定义为ow；设定划分的每个等级的太阳能和风能的范围，从而界定模糊定义区间。
8.进一步的，碱性电解制氢系统的供电端包括太阳能、风能、蓄电池、电网，其中太阳能和风能构成系统发电端，蓄电池为系统储电端；碱性电解制氢系统的用电端为电解槽。
9.进一步的，s2中所述工作模式包括五种，分别为：第一种工作模块，对应系统发电端发电功率小于用电端用电功率，此时系统既从电网购电，同时蓄电池也向系统供电，定义为m1；第二种工作模式，对应系统发电端发电功率小于用电端用电功率，此时仅蓄电池向系统供电，定义为m2；第三种工作模式，对应系统发电端发电功率等于用电端用电功率，定义为m3；第四种工作模式，对应系统发电端发电功率大于用电端用电功率，系统将多余电能存储到储电端，定义为m4；第五种工作模式，对应系统发电端发电功率大于用电端用电功率，系统将多余电能存储到储电端后，将多余部分输入电网，定义为m5。
10.进一步的，s2中使用三角形隶属函数表现实时太阳能和风能与输出模式的隶属度，并绘制光照强度隶属函数图、风力强度隶属函数图以及输出系统运转模式隶属函数图。
11.进一步的，s4中，利用s2中定义的太阳能和风能等级表示太阳能和风能的隶属度，具体为：定义太阳能x对应的隶属度为el=a1，pl=b1，ll=c1，ol=d1，a1+b1+c1+d1=1；定义风能y对应的隶属度为ew=a2，pw=b2，lw=c2，ow=d2，a2+b2+c2+d2=1；根据实时太阳能和风能对隶属度进行赋值后得到实时隶属度，绘出光照强度x对应隶属函数图、风力强度y对应隶属函数图。
12.进一步的，s6中，应用面积中心法对隶属输出图进行反模糊化得到隶属输出图对应面积中心隶属函数图，分别用表示每个分段函数曲线与横轴所构成的面积，用表示每个分段函数曲线与横轴所构成的图形的重心横坐标；从左往右可分别计算出和的值，可根据面积中心公式：推出隶属函数面积中心横坐标，因此通过对隶
属输出图对应面积中心隶属函数图清晰化可知对应输出为mn，1≤n≤5，根据对应的工作模式方式实现对碱性电解制氢系统的控制。
13.本发明的有益效果为，本发明提出了一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法，通过对电解制氢输入输出进行模糊化，并对不同场景进行不同的模糊定义，建立模糊规则，最终通过隶属度清晰化。从而得出在不同风力和光照强度场景下碱性电解槽的最佳工作模式。具体而言，具有以下优点：（1）本发明提出了一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法,可以根据时变光照强度与风力强度调整电解槽的运转模式，提高了系统的稳定性。（2）本发明采取变化电流控制模式运转，减少电解槽的开关启停频率，增加了电解槽寿命。（3）对比于传统的碱性电解制氢系统，本发明使用模糊控制可以在不同时间不同环境光照强度与风力强度随机性变化的基础上，使电解系统能自动运用不同的电解模式进行电解槽的运转，从而使电解制氢系统提高产氢效率。（4）本发明运用模糊控制合理利用新能源光伏发电和风力发电进行电解制氢、储能以及并网，提高了系统整体经济性。
附图说明
14.图1是电氢融合综合能源系统图。
15.图2是模糊控制流程图。
16.图3是光照强度隶属函数图。
17.图4是风力强度隶属函数图。
18.图5是输出系统运转模式隶属函数图。
19.图6是光照强度x对应隶属函数图。
20.图7是风力强度y对应隶属函数图。
21.图8是输出模式对应隶属函数图。
22.图9是隶属输出图。
23.图10是隶属输出图对应面积中心隶属函数图。
24.图11采用模糊控制的电氢融合综合能源系统框图。
具体实施方式
25.下面将结合附图实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以便本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
26.本发明公开了一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法。针对目前风力发电和光生伏特效应并传输至电解槽这个非线性且时变的过程。为避免电解槽频繁的启停，同时增加经济效益，维持电解槽的稳定运行，提升电制氢效率，提出了一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型。因为模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用，尤其适合于非线性、时变系统的控制。本发明通过对电解制氢输入输出进行模糊化，并对不同场景进行不同的模糊定义，建立模糊规则，最终通过隶属度清晰化。可以在不同时间不同环境光照强度与风力强度随机性变化的基础上，使电解系统能自动运用不同的电解模式进行电解槽的运转。从而使电解制氢系统提高效率且兼具经济性，
形成一种用于碱性电解制氢系统的模糊控制方法。
27.如图1所示，是电氢融合综合能源系统，其中风电机组和光伏阵列为太阳能和风能发电端，经过转换后通过直流母线为电解槽供电，同时直流母线还连接电网和蓄电池，在发电端电能不够时为电解槽供电。
28.图2所示为模糊控制流程图，模糊控制即模糊化输入，通过模糊规则进行模块推理，通过解模糊得到控制输出。
29.实施例：本例的具体步骤包括：步骤1：将输入量通过隶属函数模糊化，界定模糊定义区间：根据光照辐射强度大小，将输入光照强度模糊定义为四个等级el（过量光照），pl（适度光照），ll（缺乏光照），ol（无光照）；根据风力强度大小，将输入风力强度模糊定义为四个等级ew（过量风能），pw（适度风能），lw（缺乏风能），ow（无风能）；规定不同等级光照强度和风力强度之间的范围，界定模糊定义区间。
30.步骤2：将输出量通过隶属函数模糊化，选择模糊函数，根据输入匹配输出模式：将输出定义为五种模式：m1（系统发电功率小于用电功率，既从电网购电，同时蓄电池也向电解槽放电），m2（系统发电功率小于用电功率，仅由蓄电池供电），m3（系统发电功率等于用电功率，发电功率全部用于电解槽运转），m4（系统发电功率大于用电功率，通过蓄电池来吸收多余能量），m5（系统发电功率大于用电功率，蓄电池按最大功率吸收后，还有多余部分，此时则通过ac/dc并网）；使用三角形隶属函数表现实时光照与风力与输出模式的隶属度（变化范围为0-1），绘制光照强度隶属函数图如图3所示、风力强度隶属函数图如图4所示以及输出系统运转模式隶属函数图如图5所示。
31.步骤3：建立模糊规则，定义为光照越强，输出功率越大，风力越强，输出功率越大，本例的模糊规则如表1。
32.表1 模糊规则对应表步骤4：根据实时天气情况，将风力强度和光照强度通过模糊规则转化为实时隶属度：本例是设定在一个烈日微风的天气，光照强度x对应隶属度为el=0.7，pl=0.3；风力强度y对应隶属度为lw=0.4，ow=0.6；绘出光照强度x对应隶属函数图如图6、风力强度y对应隶属函数图如图7。
33.步骤5：根据步骤4构建隶属函数，通过输出运算规则求出隶属输出：根据步骤4所构建隶属函数以及模糊规则，建立输出运算规则
；根据运算规则得出输出模式对应隶属函数图，如图8；对输出模式对应隶属函数图取并集求出隶属输出图，如图9。
34.步骤6：将输出隶属图清晰化，得出适用于此时天气的碱性电解槽最佳工作模式：应用面积中心法对隶属输出图进行反模糊化得到隶属输出图对应面积中心隶属函数图，如图10，分别用表示每个分段函数曲线与横轴所构成的面积，用表示每个分段函数曲线与横轴所构成的图形的重心横坐标。假设m=1；从左往右可分别计算出和的值，可根据面积中心公式：推出隶属函数面积中心横坐标为0.519，因此通过对隶属输出图对应面积中心隶属函数图清晰化可知对应输出为m3，则此时电解槽应该在模式3工作。
35.如图11所示，是采用模糊控制的电氢融合综合能源系统框图，可见相对于传统技术，通过本发明的模糊控制，实现根据不同环境变换运转模式，从而可以在随机波动的新能源输入情况下，实现碱性电解制氢系统高效经济运行，避免了频繁启停对设备造成的影响，增加了系统寿命，提高了系统稳定性。