分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风-氢储能耦合系统控制方法。
【背景技术】
[0002] 能源作为制约各国可持续发展的因素之一，现已成为人类社会面临的重大课题。 据美国能源信息管理局（EnergyInformationAdministration)在2014年1月发布的《国 际能源展望报告》分析，到2030年全球的能源消费预计会增加71%，且中国的能源消费将 超过美国。经济的发展依靠能源，而伴随着能源消费的增加，环境污染问题也愈加严峻。
[0003] 风能、氢能与甲醇都是未来重要的绿色能源，由于我国的风能与煤炭资源相对较 多，因此，依靠资源优势，致力于风、氢、甲醇三种能源的开发，亦是我国解决未来能源问题 的有效途径。但由于风资源受地域天候的限制，致使风电自身存在间歇、随机和波动等特 性，造成风电并网困难、弃风高且对电网冲击较大。对于氢能，研究表明宇宙质量的75%由 氢构成，作为优质能源载体和燃料的氢可称作是取之不尽用之不竭的高密度能源，但氢在 地球上主要以化合态出现，且氢气存在着生成难，存储难和运输难的"三难"问题，因此，氢 能虽为21世纪最理想的能源之一，却尚不能作为主要能源普遍运用于生产实践中。另一方 面，如今对于甲醇的定义已不仅限于一种重要的有机化工原料，因为随着技术的进步，甲醇 作为一种燃料已经成功应用于运输行业中，但甲醇生产过程涉及到原料气（氢气和氧气） 的制造及净化，还需煤化石能源提供能量，因此甲醇既是能源供给品也是能源消耗品，而如 何达到甲醇供能高而耗能低亦成为发展清洁能源亟待研究的课题之一。
[0004] 现有技术条件下，以风电场、电解槽、储氢罐、氢氧燃料电池和煤化工生产线为系 统主要组成部分，以分散式接入风电为前提，综合以上三种能源各自特点，采用氢储能平滑 风电出力，并通过煤化工解决非并网风电就地消纳问题，以此减小大规模风电并网对电网 造成的冲击，降低弃风率，最大限度开发和利用清洁能源，是一种有效手段。
[0005]目前，国内外针对风电与氢储能耦合系统的研究为数不多，且大多浅尝辄止的停 留在风电与氢储能耦合系统的初步设想和构建上，少有深入探究其控制策略。在研究分散 式接入风电场中风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行的控制策略方面，国内 外更是鲜有公开发表的相关文献及专利。中国专利200810236279. 8提出了一种大规模非 并网风电直接应用于生产甲醇的方法，将大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，并 用电解水制得的氢、氧气作为生产甲醇的原料，以达到制甲醇过程生态、清洁。但该专利仅 单一的将非并网风电进行氢储能并生产甲醇，并没有考虑用氢储能系统辅助风电并网。又 如中国专利2010010538149. 7公开了一种风电制氢调控并网系统，利用氢储能调节风力发 电输出的电量和功率，解决大型风电并网问题。但该调控系统仅涉及到利用氢储能平抑风 电波动，并没用涉及风电出力大但负荷需求小的同时储氢量已达到上限这种极端情况，也 没有把风-氢储能与煤化工结合起来。
【发明内容】
[0006] 为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种分散式接入风电场的风-氢储能耦 合系统控制方法。本发明通过对分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电、氢 储能以及煤化工三个子系统运行状态的分析，在保证煤化工系统不间断稳定运行的前提 下，减小并网风电对电网造成的冲击，降低弃风率，提高风电并网效率。
[0007] 本发明风-氢储能耦合系统控制方法所应用的风-氢储能耦合系统包括风力发电 系统、氢储能系统和煤化工系统。风力发电系统主要由多个分散式接入风电场组成，氢储能 系统主要由电解水设备、储氢罐、储氧罐、氢氧燃料电池组成，煤化工系统由煤制甲醇生产 线组成。风力发电系统将风能转化成电能，并依据风-氢储能耦合系统运行需求，将风电用 于并网或用于氢储能系统，氢储能系统利用风电出力进行电解水制氢气、氧气并存储，这一 过程将电能转化为化学能。存储的氢气与氧气首先作为煤化工系统的原料气，在保证煤化 工系统稳定运行的前提下，若仍有充足的气体存储量，则可作为氢氧燃料电池的原料气支 持氢氧燃料电池发电，即储能等效放电，在消耗储气罐中过盛的氢气和氧气的同时，起到此 辅助风电并网的作用。
[0008] 本发明风-氢储能親合系统控制方法基于氢储能系统等效SOC(stateofcharge) 状态，以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，控制分散式 接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电、氢储能以及煤化工系统协调运行。具体步 骤为：
[0009] 1、获取所述风-氢储能耦合系统的各类技术参数；
[0010] 2、依据所获取的风-氢储能耦合系统技术参数中的储氢罐与储氧罐各自等效S0C 状态，计算氢储能系统等效S0C状态soceS;
[0011] 3、分析步骤2所获取和计算得到的数据，对与上级电网调度计划P]h时间尺度匹 配的风电场实际出力pwlJi行分配，并将分配数据和本地氢储能系统运行状态反馈给本地 风-氢储能耦合系统集群控制中心，本地风-氢储能耦合系统集群控制中心基于"同调等 值"原则，统一对各本地风-氢储能耦合系统下达针对性指令。
[0012] 进一步的，步骤1中，所述参数及其获取方法包括：
[0013] 本地风-氢储能耦合系统接收到的，由本地风-氢储能耦合系统集群控制中心下 发的，风-氢储能耦合系统中上级电网调度计划P]h;采用风电最大功率跟踪（MPPT)方法实 测得到的与上级电网调度计划P]h时间尺度匹配的风电场实际出力Pwind;实时监控或经过 预测得到的与上级电网调度计划P]h时间尺度匹配的本地负荷Plciad;实时监控得到的储氢 罐等效S0C状态S0CeH与储氧罐等效S0C状态SOCe。。
[0014] 用等效S0C状态表征储气罐内剩余气体，代表的是储气罐使用一段时间或长期搁 置不用后的剩余压强pvra与其完全充满气体时压强p的比值，常用百分数表示，即等效 soc=pwypMPxi〇〇%。鉴于本发明涉及的风-氢储能耦合系统中，氢、氧储气罐为同一型 号，即PftepZP(kap=p?：aP。因此氢储能系统中储氢罐与储氧罐等效S0C状态分别为：
[0015] S0CeH=pHre/pHc即X100% =pHre/pecapX100%
[0016] SOCe0=p0re/p0capX100% =p0re/pecapx100%
[0017] 其中，pfcaps储氢罐内完全充满氢气时的压强，p。_为储氧罐内完全充满氧气时的 压强，P_p为气罐额定压强，S0CeH为储氢罐等效S0C状态，S0C&为储氧罐等效S0C状态。
[0018] 进一步的，所述步骤2中，氢储能系统等效S0C状态S0(；s*下式计算得到：
[0019] S0CeS =[K: (pcapXS0CeH) +K2 (pcapXSOCe0) +C]X100 %
[0020] 其中，KpK2为系数，且0? 25 <K丨/^ 1 ;C为常数项，且-0? 5 <C彡0? 5 ;
[0021] 用soceS__和soc<_分别表征氢储能系统等效soc状态的上限和下限，soceSp为 氢储能系统压强状态的理想状态。soc#的值设置过高会导致某一个或两个储气罐等效S0C 状态超出上限，soc#的值设置过低会导致氢储能系统不能满足煤化工系统正常运行需求， 这两种情况都不能保证风-氢储能耦合系统稳定运行，因此氢储能系统压强状态的理想状 态soceSp选取值如下：
[0022]
〇
[0023] 进一步的，所述步骤3包括，依据步骤1和步骤2得到的数据，所述风-氢储能耦 合系统控制方法对与上级电网调度计划P]h时间尺度匹配的风电场实际出力pwlJi行分配 的方法如以下三类，每类各3种：
[0024] 第I类，当S0CeS〈S0CeS__时，氢储能系统等效S0C状态超出下限S0CeS__，氢氧燃料 电池停止工作Sf。:off，氢储能系统等效充电，此时电解水制氢气和制氧气，使氢储气罐和氧 储气罐内压强增大；此时，优先考虑保所述煤化工系统的稳定性，同时保证氢储能系统等效 S0C值回到正常区间：S0CeS__彡S0CeS<S0CeS__，与上级电网调度计划Pjh时间尺度匹配的 风电场实际出力分配优先级为，电解水制氢储能〉与上级电网调度计划时间尺度匹