一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法与流程

1.本发明属于分布式发电与绿电制氢领域，尤其涉及一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法。


背景技术：

2.在碳达峰、碳中和的总体目标下，新能源发电装机将持续大幅增长，有效消纳新能源绿电成为实现双碳目标的重点。氢能零污染、零排放、无次生污染，可以从根本上解决能源安全问题。电解水制氢过程中70％-80％的成本来自电费，利用弃水、弃风、弃光、弃核发展电解水制氢，可将不稳定的可再生能源变成稳定能源，并大幅度降低制氢成本。
3.分布式绿电制氢能源路由器作为核心产品，在离网条件下，依托分布式光伏发电资源，通过电解水系统制氢，获得高纯度绿氢，就近使用或制成液氢产品输出。
4.分布式绿电制氢能源路由器内置光伏发电dc/dc变流器、电池储能dc/dc变流器等功率单元，需要一套自适应控制算法辨识系统运行工况，获取云端宏观信息，实现分布式绿电制氢能源路由器的稳定、高效、安全运行。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明公开一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法，应用于分布式光伏离网制氢系统，所述分布式光伏离网制氢系统包括云端控制层和就地装置层，所述就地装置层包括分布式光伏、储能电池、能源路由器和制氢装置，所述能源路由器包括直流母线、分别与直流母线连接的光伏变流器和电池储能变流器，所述分布式光伏与光伏变流器连接，储能电池与储能变流器连接，直流母线与制氢装置连接；所述面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法包括如下步骤：
7.步骤1，在云端控制层，优化储能电池充放电策略，将所述充放电策略下发至就地装置层；
8.步骤2，在就地装置层，利用储能电池补偿光伏发电功率瞬时波动与陡升陡降波动，结合储能电池充放电策略，调整直流母线电压以满足制氢装置运行功率要求，通过电解水制氢，获得高纯度绿氢，就近使用或制成液氢产品输出。
9.进一步地，在执行步骤1之前，对就地装置层进行设置和初始化，包括：
10.设置分布式光伏发电额定功率与制氢装置额定功率p相等，储能电池的额定容量为30％
×
p
×
1小时；
11.为兼顾整体方案的成本以及制氢装置低于30％额定功率不能正常运行的要求，电池储能的充放电功率为30％
×
制氢装置的额定功率。又考虑电池的成本与性能，选择充放电倍率为1c的电池，因此配置的电池容量为30％制氢装置额定功率*1小时。
12.记制氢装置实时运行功率为ps；初始时刻t0，光伏发电功率即光伏变流器的输出功
率为p0，设置储能电池的电量(soc，state of capacity)为50％，充放电策略即充放电功率修正值δp＝0，此时ps＝p0，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压，记闭环调节后的直流母线电压为u0。
13.在初始时刻，储能电池的电量设置为50％，同时，输出功率为零，即处于不充不放的状态。如此设置，是让电池储能在电能量与电功率两方面都保留最大的裕度，为后续的运行提供最大弹性。
14.进一步地，所述步骤2包括：
15.当就地装置层收到储能电池充放电策略，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，pid闭环调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0；
16.当实时光伏发电功率和初始时刻t0的光伏发电功率p0相比，发生瞬时波动与陡升陡降波动时，根据波动幅度，利用储能电池进行波动补偿或以一定时间间隔对制氢装置运行功率ps进行定量调整实现制氢装置阶梯状运行。
17.根据碱性电解水制氢生产厂家对供电电源的要求，须保证碱性电解水制氢装置运行在额定功率的30％-100％区间，超出该范围制氢装置须停机，因此需要根据光伏发电功率波动幅度，对制氢装置运行功率ps进行定量调整。
18.进一步地，步骤2中所述根据波动幅度，利用储能电池进行波动补偿或以一定时间间隔对制氢装置运行功率ps进行定量调整实现制氢装置阶梯状运行包括：
19.步骤2.1，当波动幅度在10％
×
p以内，利用储能电池进行波动补偿，即储能变流器根据闭环控制算法保持直流母线电压为u0，制氢装置保持在运行功率ps稳定运行；
20.步骤2.2，当波动幅度大于10％
×
p，若一定时间间隔后，波动幅度变为10％
×
p以内，执行步骤2.1，否则根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0。
21.提出消除光伏发电功率瞬时波动与陡升陡降的装置运行策略，在保证光伏最大功率输出的同时，保证母线电压满足制氢装置最低电压/最低功率的要求，满足制氢装置功率暂升暂降的要求。
22.进一步地，记当前时刻为t1，光伏发电功率为p1，所述步骤2.2包括：
23.步骤2.1，若t1时刻10％
×
p≤|p
1-p0|≤20％
×
p，则从t1时刻开始计时，若15分钟内的时刻t，|p
t-p0|回到10％
×
p区间，则返回步骤2.1，0《t-t1≤15min；若从t1时刻开始计时的15分钟内保持10％≤|p
t-p0|≤20％
×
p，则在t＝t1+15min时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0；
24.步骤2.2，若t1时刻20％
×
p≤|p
1-p0|≤30％
×
p，则从t1时刻开始计时，若5分钟内的时刻t，|p
t-p0|回到10％
×
p区间，则返回步骤2.1，0《t-t1≤5min；若从t1时刻开始计时的5分钟内保持20％≤|p
t-p0|≤30％
×
p，则在t＝t1+5min时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和
直流母线电压u0；
25.步骤2.3，若t1时刻30％
×
p≤|p
1-p0|，则在t＝t1时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0。
26.基于上述储能电池的额定容量为30％
×
p
×
1小时，为在运行过程中最大程度地保持其调节裕度与弹性，因此采取了按
±
10％、
±
20％、
±
30％设定调节阈值并配合反延时特性的调节策略。这样的调节策略所起的作用是当光伏波动较小时，保持制氢装置在某一功率稳定运行；当光伏波动较大并持续一段时间，由于电池的功率补偿会减小其进一步调节的空间，因此需及时调整制氢装置的运行功率，使电池储能重新回到不充不放的最大弹性状态。
27.在尽可能保证制氢装置稳定运行的基础上，光伏发电的波动越大则越需要尽快调节。因此，在
±
10％以内由储能补偿掉光伏功率波动，在
±
10-20％及
±
20-30％区间超过具有反延时特性的时限后进行调节，如波动超过
±
30％则超过了电池储能的补偿能力需立即进行调节。
28.调节区间及反延时特性的设定基于电池储能的配置特点和光伏发电的波动特性，可最大程度发挥电池储能对功率波动的平抑效果，保证制氢装置的稳定连续运行。
29.进一步地，所述根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0包括：
30.记实时光伏发电功率为p
t
，若30％
×
p≤p
t
+δp≤100％
×
p，设置制氢装置实时运行功率ps＝p
t
+δp，若30％
×
p≥p
t
+δp，设置制氢装置实时运行功率ps＝30％
×
p，若p
t
+δp≥100％
×
p，设置制氢装置实时运行功率ps＝p；储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重新设定该时刻为初始时刻t0，此时光伏发电功率p0为当前实时光伏发电功率p
t
，直流母线电压u0为调节后的直流母线电压。
31.进一步地，所述步骤1包括：
32.步骤1.1，设t时刻储能电池的电量为c
t
％；
33.步骤1.2，以30分钟为间隔，云端控制层从就地装置层获取储能电池的电量c
t
％，并从气象服务中心获取项目所在地的光伏发电功率短时预测值pf；
34.步骤1.3，生成储能充放电功率修正值δp，当δp为正时，储能电池放电；当δp为负时，储能电池充电；
35.步骤1.4，将储能充放电功率修正值δp下发至就地装置层。
36.进一步地，所述步骤1.3包括：当0≤c
t
≤50时，储能充放电功率修正值δp＝2
×
(c
t-50)％
×
30％
×
pf；当50《c
t
≤100时，储能充放电功率修正值δp＝2
×
(c
t-50)％
×
30％
×
(p-pf)。
37.基于分布式光伏发电功率短时预测与储能电池电量状态优化储能电池充放电策略，在初始时刻，设定电池储能的电量为50％。开始运行后，随着电池储能对光伏发电波动的实时补偿，电池电量会增加或减少，此时电池储能吸纳或释放电能量的裕度会减少，不利于后续运行。
38.因此，需在云端根据光伏发电的短时功率预测值和当前电池soc值生成能充放电功率修正值下发给就底层指导装置的运行。
39.修正值的生成需同时考虑下述两个因素：当电池电量与50％偏差越大，则修正值则越大；当电池需充电时光伏发电预测值越大或当电池需放电时光伏发电预测值越小时，则修正值则越大。
40.基于该修正值，实质上通过增大或减小了制氢装置的运行功率设定值从而起到将电池储能电量向50％修正的效果。但实际的修正效果受光伏发电的功率变化影响并不确定，因此需每30分钟更新一次修正过程及修正值，达到不断趋近于50％电量的效果。
41.进一步地，所述步骤2还包括：当实时光伏发电功率低于30％
×
p，设置制氢装置运行功率为ps＝30％
×
p，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重新设定该时刻为初始时刻t0，此时光伏发电功率p0为当前实时光伏发电功率，直流母线电压u0为调节后的直流母线电压；一直保持此状态运行，直至光伏发电功率高于30％
×
p。
42.进一步地，所述储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压包括以5％
×
p/s的斜率改变制氢装置运行功率直至满足设置值。制氢装置的运行功率是由直流母线电压决定的，作为电压源，储能变流器建立并控制直流母线电压。调整制氢装置运行功率的具体控制方法为：制氢装置的目标功率ps除以制氢装置的输入电流得到母线电压闭环控制目标值，通过对储能变流器输出电压的pid控制，调整直流母线电压进而实现制氢装置的运行功率调整。
43.在pid闭环控制中，通过接入斜率限制环节，实现制氢装的功率变化率不会大于5％
×
p/s。
44.有益效果：针对分布式光伏离网制氢的场景提出分层协同控制方法，面向用户侧的分布式光伏制氢需求，在不依赖外部电力的情况下，克服光伏发电的瞬时波动性，在日间光伏发电期间，实现制氢装置的连续稳定运行，实现光伏发电的100％消纳。
附图说明
45.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
46.图1为本技术实施例提供的一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法应用的分布式光伏离网制氢系统结构示意图。
47.图2为本技术实施例提供的一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法中步骤2的流程示意图。
具体实施方式
48.下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
49.本技术实施例公开一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法，应用于分布式光伏离网制氢系统，如图1所示，所述分布式光伏离网制氢系统包括云端控制层和就地装置层，所述就地装置层包括分布式光伏、储能电池(锂电池组)、能源路由器和制氢装置，所述能源路由器包括直流母线、分别与直流母线连接的光伏变流器(dc/dc变流器)和电池
储能变流器(dc/dc储能变流器)，所述分布式光伏与光伏变流器连接，储能电池与储能变流器连接，直流母线与制氢装置连接；图中dc/ac逆变器为制氢装置提供交流辅助供电以及直流断路器的开关属于现有技术，不在本实施例中进行描述，因此不做具体限定。
50.所述面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法包括如下步骤：
51.步骤1，在云端控制层，优化储能电池充放电策略，将所述充放电策略下发至就地装置层；
52.步骤2，在就地装置层，利用储能电池补偿光伏发电功率瞬时波动与陡升陡降波动，结合储能电池充放电策略，调整直流母线电压以满足制氢装置运行功率要求。
53.本实施例中，在执行步骤1之前，对就地装置层进行设置和初始化，包括：
54.设置分布式光伏发电额定功率与制氢装置额定功率p相等，储能电池的额定容量为30％
×
p
×
1小时；
55.记制氢装置实时运行功率为ps；初始时刻t0，光伏发电功率为p0，设置储能电池的电量为50％，充放电策略即充放电功率修正值δp＝0，此时ps＝p0，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压，记闭环调节后的直流母线电压为u0。
56.所述步骤1包括：
57.步骤1.1，设t时刻储能电池的电量为c
t
％；
58.步骤1.2，以30分钟为间隔，云端控制层从就地装置层获取储能电池的电量c
t
％，并从气象服务中心获取项目所在地的光伏发电功率短时预测值pf；
59.步骤1.3，生成储能充放电功率修正值δp，当δp为正时，储能电池放电；当δp为负时，储能电池充电；
60.当0≤c
t
≤50时，储能充放电功率修正值δp＝2
×
(c
t-50)％
×
30％
×
pf；当50《c
t
≤100时，储能充放电功率修正值δp＝2
×
(c
t-50)％
×
30％
×
(p-pf)。
61.步骤1.4，将储能充放电功率修正值δp下发至就地装置层。
62.如图2所示，所述步骤2包括：
63.当就地装置层收到储能电池充放电策略，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，pid闭环调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0；
64.当实时光伏发电功率和初始时刻t0的光伏发电功率p0相比，发生瞬时波动与陡升陡降波动时，根据波动幅度，利用储能电池进行波动补偿或以一定时间间隔对制氢装置运行功率ps进行定量调整实现制氢装置阶梯状运行，具体包括：
65.步骤2.1，当波动幅度在10％
×
p以内，利用储能电池进行波动补偿，即储能变流器根据闭环控制算法保持直流母线电压为u0，制氢装置保持在运行功率ps稳定运行；
66.步骤2.2，当波动幅度大于10％
×
p，若一定时间间隔后，波动幅度变为10％
×
p以内，执行步骤2.1，否则根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0。
67.记当前时刻为t1，光伏发电功率为p1，所述步骤2.2包括：
68.步骤2.2.1，若t1时刻10％
×
p≤|p
1-p0|≤20％
×
p，则从t1时刻开始计时(可以设
置定时器timer_1)，若15分钟内的时刻t，|p
t-p0|回到10％
×
p区间，则返回步骤2.1，0《t-t1≤15min；若从t1时刻开始计时的15分钟内保持10％≤|p
t-p0|≤20％
×
p，则在t＝t1+15min时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0；
69.步骤2.2.2，若t1时刻20％
×
p≤|p
1-p0|≤30％
×
p，则从t1时刻开始计时(可以设置定时器timer_2)，若5分钟内的时刻t，|p
t-p0|回到10％
×
p区间，则返回步骤2.1，0《t-t1≤5min；若从t1时刻开始计时的5分钟内保持20％≤|p
t-p0|≤30％
×
p，则在t＝t1+5min时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0；
70.步骤2.2.3，若t1时刻30％
×
p≤|p
1-p0|，则在t＝t1时刻，根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0。
71.从制氢装置运行功率与时间的曲线形状看：不采用本实施例提供的控制方法，制氢装置随光伏发电功率波动，功率曲线呈不规则地波动；采用本实施例提供的控制方法后，制氢装置的输入功率根据算法在不同功率等级切换并在一定时间内维持在该功率稳定运行，所以功率曲线呈阶梯状。
72.所述根据储能电池充放电策略和实时光伏发电功率，设置制氢装置实时运行功率ps，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重置初始时刻t0、光伏发电功率p0和直流母线电压u0包括：
73.记实时光伏发电功率为p
t
，若30％
×
p≤p
t
+δp≤100％
×
p，设置制氢装置实时运行功率ps＝p
t
+δp，若30％
×
p≥p
t
+δp，设置制氢装置实时运行功率ps＝30％
×
p，若p
t
+δp≥100％
×
p，设置制氢装置实时运行功率ps＝p；储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重新设定该时刻为初始时刻t0，此时光伏发电功率p0为当前实时光伏发电功率p
t
，直流母线电压u0为调节后的直流母线电压。
74.本实施例中，所述步骤2还包括：当实时光伏发电功率低于30％
×
p，设置制氢装置运行功率为ps＝30％
×
p，储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压；重新设定该时刻为初始时刻t0，此时光伏发电功率p0为当前实时光伏发电功率，直流母线电压u0为调节后的直流母线电压；一直保持此状态运行，直至光伏发电功率高于30％
×
p。
75.本实施例中，所述储能变流器根据闭环控制算法调节以制氢装置运行功率ps为外环控制目标的直流母线电压包括以5％
×
p/s的斜率改变制氢装置运行功率直至满足设置值。
76.具体实现中，本技术提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，
rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
77.本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，muu或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
78.本发明提供了一种面向分布式光伏离网制氢的分层协同控制方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。