一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法技术方案

本发明专利技术提供一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，包括步骤一，建立电解槽的静动态模型，确定电解槽的静态和动态响应特性，获取电解槽的动态响应解析方程；步骤二，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理方法；步骤三，计及电解槽动态响应特性，提出可再生能源与制氢单元功率指令分解方法；步骤四，确定不同运行模式下风力发电单元、光伏发电单元、制氢单元以及蓄电池储能单元的控制方法；步骤五，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的控制架构。本发明专利技术在储能容量配置受限的情况下确保系统稳定，通过分配系数灵活调整制氢单元功率，避免蓄电池储能单元与可再生能源发电单元的控制模式切换，降低风光储氢系统协调控制的复杂性。控制的复杂性。控制的复杂性。

【技术实现步骤摘要】
一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法


[0001]本专利技术属于能源利用
，具体涉及一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法。

技术介绍

[0002]能源危机和环境污染是制约世界各国经济快速发展的重要因素。优化能源配置，推进能源转型，提升可再生能源发电比例，是实现“碳达峰”和“碳中和”伟大目标的重要举措。近年来，全国新能源并网装机容量不断提升，部分新能源富集地区弃风、弃光率较高，造成了大量的能源浪费，如何高效、经济的消纳大规模可再生能源是未来新型电力系统的关键技术挑战。
[0003]由于风、光可再生能源输出功率具有不确定性、间歇性和宽功率范围波动特征，导致源
‑
荷功率匹配困难，因此需要配置储能单元来吸收或补偿可再生能源与负荷之间的不平衡功率。氢作为一种功率载体，具有功率密度高、容量大、寿命长、便于储存和传输等特点，将过剩的可再生能源用于制氢是一种提升可再生能源利用率的有效方案。氢能通常作为一种长期储能单元，其时间响应尺度为分钟或秒级，对于要求动态调节速度较高、短时频繁启停的微电网难以适用，因此可以将氢储能与蓄电池构成电
‑
氢混合储能，利用蓄电池来补偿暂态不平衡功率，而氢储能用于补偿长期、稳态不平衡功率。
[0004]由于制氢单元、锂电池储能、光伏发电单元以及风电单元以直流汇入能够减小功率转换次数，提升系统效率，因此采用直流集成方案是一种更加高效、经济的组网方案。可再生能源直流制氢孤岛系统的典型结构如图1所示。根据图1，孤岛系统中包括风、光可再生能源发电单元，蓄电池储能单元、制氢单元以及负载单元，各单元共同汇入直流母线。在可再生能源直流制氢孤岛系统中，蓄电池储能单元通常作为平衡节点来维持直流母线电压稳定。然而为了降低投资成本，系统中锂电池容量配置有限。此外，由于制氢单元和可再生能源动态响应难以匹配，会导致容量较小的锂电池储能单元难以稳定直流电压，甚至导致系统崩溃，因此如何利用容量较小的电储能单元平衡动态特性不匹配引起的功率差额，保证可再生能源制氢孤岛系统稳定运行仍存在一些技术问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术考虑了制氢单元动态响应特性，并提供一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，具体包括如下步骤：
[0006]步骤一，建立电解槽的静动态模型，确定电解槽的静态和动态响应特性，获取电解槽的动态响应解析方程；
[0007]步骤二，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理方法；
[0008]步骤三，计及电解槽动态响应特性，提出可再生能源与制氢单元功率指令分解方法；
[0009]步骤四，确定不同运行模式下风力发电单元、光伏发电单元、制氢单元以及蓄电池
储能单元的控制方法；
[0010]步骤五，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的控制架构。
[0011]进一步地，所述步骤一的获取电解槽动态响应解析方程包括如下步骤：
[0012]1)建立电解槽的输出电压
‑
电流模型；
[0013]2)建立电解槽的热模型；
[0014]3)建立电解槽的产氢模型；
[0015]4)建立制氢单元的压缩机模型；
[0016]5)建立储氢罐模型；
[0017]6)通过仿真软件搭建完整的制氢单元仿真模型，包括制氢单元本体模型以及控制系统模型；
[0018]7)在制氢单元仿真模型的基础上进行电流或功率阶跃响应测试，并通过仿真数据拟合得到电解槽输出功率P
AE
(t)的动态响应方程：
[0019]P
AE
(t)＝a3t3+a2t2+a1t+a0[0020]式中：t为时间；a0，a1，a2和a3为动态特性拟合系数。
[0021]进一步地，所述步骤二具体包括：
[0022]定义S
SOC
为蓄电池的荷电状态，S
BH
为蓄电池SOC上限，S
BL
为蓄电池SOC下限；P
AE,min
为电解槽允许运行下限；P
AE,max
为电解槽允许运行上限；P
wt,T
为风电功率预测值；P
pv,T
为光伏功率预测值；则所述可再生能源直流制氢孤岛系统包括如下工作模式：
[0023]模式1：S
BH
>S
SOC
>S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元工作在最小功率运行点，储能放电并稳定直流电压；
[0024]模式2：S
BH
>S
SOC
>S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，稳态时制氢单元功率约等于风力发电、光伏发电输出功率总和，蓄电池储能单元充放电并稳定电压，同时补偿由风光预测偏差所引起的不平衡功率；
[0025]模式3：S
SOC
≤S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元待机，储能充电并稳定直流电压；
[0026]模式4：S
SOC
≤S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，制氢单元功率等于功率分配系数β倍的风力发电、光伏发电输出功率总和，其中功率分配系数β<1，储能充电并稳定直流电压；
[0027]模式5：S
SOC
≥S
BH
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元工作在最小功率运行点，储能放电并稳定直流电压；
[0028]模式6：S
SOC
≥S
BH
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，此时风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，制氢单元功率等于功率分配系数β倍的风力发电、光伏发电输出功率总和，其中功率分配系数β>1，储能放电并稳定直流电压。
[0029]进一步地，所述步骤三具体包括如下步骤：
[0030]根据电解槽动态响应方程以及控制周期对功率指令分解下发，避免蓄电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立电解槽的静动态模型，确定电解槽的静态和动态响应特性；获取电解槽的动态响应解析方程；步骤二，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理方法；步骤三，计及电解槽动态响应特性，提出可再生能源与制氢单元功率指令分解方法；步骤四，确定不同运行模式下风力发电单元、光伏发电单元、制氢单元以及蓄电池储能单元的控制方法；步骤五，确定可再生能源直流制氢孤岛系统的控制架构。2.根据权利要求1所述的可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，其特征在于：所述步骤一的获取电解槽的动态响应解析方程包括如下步骤：1)建立电解槽的输出电压
‑
电流模型；2)建立电解槽的热模型；3)建立电解槽的产氢模型；4)建立制氢单元的压缩机模型；5)建立储氢罐模型；6)通过仿真软件搭建完整的制氢单元仿真模型，包括制氢单元本体模型以及控制系统模型；7)在制氢单元仿真模型的基础上进行电流或功率阶跃响应测试，并通过仿真数据拟合得到电解槽输出功率P
AE
(t)的动态响应方程：P
AE
(t)＝a3t3+a2t2+a1t+a0式中：t为时间；a0，a1，a2和a3为动态特性拟合系数。3.根据权利要求1所述的可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：定义S
SOC
为蓄电池的荷电状态，S
BH
为蓄电池荷电状态上限，S
BL
为蓄电池荷电状态下限；P
AE,min
为电解槽允许运行下限；P
AE,max
为电解槽允许运行上限；P
wt,T
为风电功率预测值；P
pv,T
为光伏功率预测值；则所述可再生能源直流制氢孤岛系统包括如下工作模式：模式1：S
BH
>S
SOC
>S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元工作在最小功率运行点，储能放电并稳定直流电压；模式2：S
BH
>S
SOC
>S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，稳态时制氢单元功率约等于风力发电、光伏发电输出功率总和，蓄电池储能单元充放电并稳定电压，同时补偿由风光预测偏差所引起的不平衡功率；模式3：S
SOC
≤S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元待机，储能充电并稳定直流电压；模式4：S
SOC
≤S
BL
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，制氢单元功率等于功率分配系数β倍的风力发电、光伏发电输出功率总和，其中功率分配系数β<1，储能充电并稳定直流电压；模式5：S
SOC
≥S
BH
且P
wt,T
+P
pv,T
≤P
AE,min
，风力发电单元与光伏发电单元均工作在最大功率跟踪模式，制氢单元工作在最小功率运行点，储能放电并稳定直流电压；
模式6：S
SOC
≥S
BH
且P
wt,T
+P
pv,T
>P
AE,min
，此时风力发电单元与光伏发电单元均工作在功率调度模式，制氢单元功率等于功率分配系数β倍的风力发电、光伏发电输出功率总和，其中功率分配系数β>1，储能放电并稳定直流电压。4.根据权利要求1所述的可再生能源直流制氢孤岛系统的功率管理与分解方法，其特征在于：所述步骤三具体包括如下步骤：根据电解槽动态响应方程以及控制周期对功率指令进行分解下发，避免蓄电池储能系统所补偿的暂态功率越限；所述功率指令分解的方法包括：1)根据风光预测模块的输出计算风光功率预测值总和P
pw,T
；2)计算风力...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学，裴玮，邓卫，孙玉树，李宁宁，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：