一种光伏电解水制氢典型工况生成方法及其应用技术

本发明专利技术提出了一种光伏电解水制氢典型工况生成方法。包括对光伏电站出力曲线的时频分量的提取，利用经验小波变换将原始出力曲线分解为低频分量、中频分量、高频分量；基于质子交换膜电解槽工作特性，定义并提取各个时频分量的特征序列；对提取的特征序列进行客观赋权、求解最优聚类数后，基于带权模糊聚类分析方法得到典型的特征量序列；根据特征序列重构出对应的基础分量与波动分量，最终形成可在实验室测试的光伏电解水制氢典型工况。测试的光伏电解水制氢典型工况。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏电解水制氢典型工况生成方法及其应用


[0001]本专利技术涉及的是氢能生产领域，针对光伏电解水制取绿氢的电解槽侧工况分析，尤其是涉及一种光伏电解水制氢典型工况生成方法。

技术介绍

[0002]随着“双碳”目标的提出，可再生能源发电在我国电力系统电源结构中的比重越来越高。然而，以光伏为例，其白天黑夜出力的大峰谷差与白天时段出力波动性在导致其并网困难
[0003]电解水制氢是一种绿色制氢技术，氢能可实现长时间、大容量存储，对于季节和日波动特性明显的光伏出力具有很好的契合性。光伏电解水产生的“绿氢”，是实现绿色低碳转型的重要载体，将成为国家能源体系的重要部分。氢能在未来具有非常广阔的市场前景，随着《“十四五”能源领域科技创新规划》的提出，我国将构建完善的“制储运用”一体化的氢能产业链，并积极建设一批相关的示范工程项目。质子交换膜电解水制氢具有分钟级甚至秒级的功率响应能力，且运行的功率范围能从5％一150％额定功率，更能够适应光伏出力的强波动性，因此在光伏制氢领域应用广泛，但是质子交换膜电解制氢存在的问题是电解槽材料成本高，产业化较为困难。在变化幅度相当大的光伏波动输入以及频繁的启停下，质子交换膜电解槽会产生性能退化的现象，例如膜的降解与催化剂的活性下降，这会导致制氢效率的下降。
[0004]电解槽的典型工况是指模拟测试电解槽典型应用场景下的工作模式。然而对于PEM电解槽在孤立制氢场景的典型工况研究尚未设定相关标准。对电解制氢电解槽的典型工况的研究，能够为实验室条件下电解槽适应性分析与寿命性能衰减规律探究提供测试输入条件，从而构建得到适应性评价体系，有利于规范相关行业准则，加快可再生能源制氢领域的发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的是提供一种光伏接入电解槽制氢场景下的电解槽典型工况的提取方法，以解决目前暂无电解槽制氢典型工况的情况。
[0006]本专利技术考虑了光伏的时频特征与电解槽在波动输入下存在的性能衰减，得到“三北”地区下用光伏制取绿氢场景下的电解槽工作功率特性。
[0007]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]步骤S1、采用经验小波变换对原始光伏出力曲线P进行模态分解；
[0009]步骤S2、对每个模态采用特征指标对光伏出力曲线降维分析，将分解后的曲线分为三个时段再进行工况特征提取；
[0010]步骤S3、采用客观赋权法对特征指标序列配置权重，进而使用带权模糊聚类方法处理特征指标序列，得到典型的特征指标序列；
[0011]步骤S4、根据特征指标序列重构得到简化后的电解制氢典型工况曲线，按照典型
特征指标相应类型的占比构建得到含场景概率的典型工况曲线。
[0012]有益效果
[0013]本专利技术提出了光伏直接耦合电解制氢的质子交换膜电解槽典型工况生成方法，弥补了之前尚无质子交换膜电解槽相关的工况制订规则的缺陷。
[0014]本专利技术利用经验小波变化处理光伏出力曲线，能够将光伏出力曲线分解为“基础出力+波动出力”的频率分量模式，便于后续特征指标的提取；本专利技术考虑了光伏出力的波动特征与电解槽的衰减特性，综合地提出了一种特征提取、聚类分析、简化重构的工况生成方法，经算例验证，该方法重构的曲线与原始曲线具有良好的相似性，能够良好表征典型光伏出力场景下电解槽工作模式；并提出了完整的工况生成流程、有较好的可操作性与可移植性。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施过程中的整体流程图；
[0016]图2为本专利技术中经验小波变换对光伏出力曲线分解的示意图；
[0017]图3为根据特征重构曲线的示意图；
[0018]图4为本专利技术中带权模糊聚类后的各类典型特征序列对应原始曲线与重构后曲线的对比图；
[0019]图5为生成最终简化典型工况的示意图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图，对本专利技术的具体实施方案进行详细说明。基于本专利技术中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本专利技术保护的范围。
[0021]如图1所示，其为本专利技术提出的光伏电解制氢工况曲线生成的整个操作的流程图。
[0022]参照图1内容，具体的光伏电解制氢典型工况生成步骤如下：
[0023]步骤S1、采用经验小波变换对原始光伏出力曲线进行模态分解；
[0024]步骤S101、将光伏出力功率曲线P的频域频带划分，划分的方法采用locmaxmin法，得到在归一化后的傅里叶频谱的支撑区间。
[0025]A
n
＝[ω
n
‑1，ω
n
]，n＝1，2，
…
，N
ꢀꢀꢀ
(1)
[0026][0027]式(1)中，Λ
n
为划分后的第n个频带区间，ω
n
为第n个频带区间的边界频率值，N为确定的区间数。
[0028]步骤S102、设计由经验小波函数ψ
n
(ω)与经验尺度函数组成的滤波器，滤波器用于提取划分区间内的信号分量。
[0029][0030][0031]式(3)和式(4)中，τ
n
是划分后的第n个区间频带缓冲区的宽度值，多项式β的具体表达式为β(x)＝x4(35
‑
84x+70x2‑
20x3)。
[0032]步骤S103、细节系数和逼近系数分别用经验小波函数和经验尺度函数与原出力曲线进行内积计算得到，根据滤波需求选择所需的逼近系数与细节系数的数量，重构出需要的光伏出力曲线。
[0033][0034][0035][0036][0037]式(5)、(6)中，<x，y>表示两个信号的内积，F
‑1表示傅里叶反变换。式(7)、(8)中，x*y表示两个信号的卷积。
[0038]步骤S104、根据需求设定频率分量阈值δ，在归一化傅里叶频谱中按该阈值划分各个区间归属于低频、中频、高频分量的其中一种。
[0039]低频分量反映曲线的整体走势，中频分量反映曲线的波动程度，高频分量反映出力曲线的误差与电力电子设备的纹波，电解堆无需承担该部分，以滤波方式去除。
[0040]本专利技术设定低频分量阈值为0.05，中频分量阈值为0.1，分解后的各个分量由图2展示。图2表示将某天光伏出力曲线数据按局部极大极小值(locmaxmin)规则划分区间并以经验小波变换处理后的各个分量示意图，即步骤S101
‑
S104操作后的结果。其中低频分量符合理想的光伏出力曲线走势，中频分量体现了光伏出力在不同时段的波动特性，高频分量以滤波的方式去除，不参与电解制氢。
[0041]步骤S2、对每个模态采用特征指标对光伏出力曲线降维分析，将分解后的曲线分
为三个时段再进行工况特征提取；
[0042]步骤S201、对电解槽的衰减特性进行分析，电解制氢的电解槽在波动输入下会产生性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏电解水制氢典型工况生成方法，其特征为：包括以下步骤：步骤S1、采用经验小波变换对原始光伏出力曲线P进行模态分解；步骤S2、对每个模态采用特征指标对光伏出力曲线降维分析，将分解后的曲线分为三个时段再进行工况特征提取；步骤S3、采用客观赋权法对特征指标序列配置权重，进而使用带权模糊聚类方法处理特征指标序列，得到典型的特征指标序列；步骤S4、根据特征指标序列重构得到简化后的电解制氢典型工况曲线，按照典型特征指标相应类型的占比构建得到含场景概率的典型工况曲线。2.根据权利要求1所述的光伏电解水制氢典型工况生成方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括如下内容：将原始光伏出力曲线P的频谱按照locmaxmin规则进行频带划分，得到频率归一化的傅里叶频谱的支撑区间；Λ
n
＝[ω
n
‑1，ω
n
]，n＝1，2，
…
，N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)利用经验小波函数ψ
n
(ω)与经验尺度函数设计经验小波变换滤波器，滤波器用于提取划分区间内的信号分量；提取划分区间内的信号分量；根据滤波需求选择所需的逼近系数与细节系数的数量，重构出需要的光伏出力曲线；其中：
3.根据权利要求1所述的光伏电解水制氢典型工况生成方法，其特征在于，所述的对每一个模态，采用特征指标进行降维，并分为三个时段进行工况特征提取的方法，包括：对电解槽的衰减特性进行分析，考虑电解制氢电解槽在极端电流密度下与突变输入下会产生性能衰减，工况指标需对电流密度大小与电流密度波动进行提取；将分解后的曲线分为三个时段：上午时段7：00
‑
11：00、中午时段11：00
‑
13：00、下午时段13：00
‑
17：00，并分别用下标1、2、3表示。结合光伏出力曲线的波动性与电解槽的衰减特性，对曲线的低频分量，定义并提取中午时段光伏出力的平均值上午与下午时段爬坡率X2＝ΔP1＝(P
1max
‑
P
1min
)/(n
max
‑
n
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)X3＝ΔP3＝(P
3max
‑
P
3min
)/(n
max
‑
n
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)对曲线的中频分量，定义并提取三个时...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐衍会，陈浩维，胡俊杰，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：