一种混合电解水制氢系统优化控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合电解水制氢系统优化控制方法及系统。本发明专利技术采用的方法，包括：建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和储能装置的混合电解水制氢系统；建立统一通用化数学模型；考虑不同种类电解槽动态响应速度差异，结合低通滤波算法，采用多阶段控制的混合电解水制氢系统优化控制；构建以最小化运行成本为控制目标的目标函数，考虑购电成本、储能使用成本、弃风弃光成本、售氢收益和电解槽启停成本，利用分支定界法求解得到混合水电解制氢系统的控制方案。本发明专利技术实现了多类型电解槽的协同控制和不同种类电解槽的差别化利用，提升了混合电解水制氢系统的运行经济性和能量利用效率。系统的运行经济性和能量利用效率。系统的运行经济性和能量利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种混合电解水制氢系统优化控制方法及系统


[0001]本专利技术属于电解水制氢系统的优化控制
，特别是一种考虑不同电解水制氢技术动态响应速度差异的混合电解水制氢系统优化控制方法及系统。

技术介绍

[0002]光伏和风机的装机容量不断增加，风光资源具有不连续性和不稳定性，直接并网会对电网造成冲击，电解水制氢技术可以将波动的风光等清洁电力转化并储存为高品质氢能，从而提高能源利用效率。
[0003]目前常见的电解槽包括碱性电解槽(alkaline electrolysis cell，AEC)、质子交换膜电解槽(proton exchange membrane electrolysis cell，PEMEC)、固体氧化物电解槽(solid oxide electrolysis cell，SOEC)。其中，AEC技术最成熟、成本最低，但其低负载时会出现氢
–
氧扩散，从而导致其工作负载范围狭小，而且AEC响应速度不高；PEMEC技术在负载范围、响应速度等方面较AEC均有明显提升，但成本较AEC略高；SOEC能量转换效率最高，但SOEC技术成本最高，且响应速度最慢。
[0004]现有技术对电解水制氢系统进行研究，一方面，大部分电解槽模型通常用一个固定的氢电转换系数表示，少有研究考虑电解效率随电解槽运行工况的变化，同时对于电解槽运行的约束考虑不够细致深入；另一方面，大部分研究只考虑一种电解水技术的应用，较少有研究综合考虑不同电解槽的运行特性差异，根据它们的动态响应速度差异分别负载不同波动特征的可再生能源，实现对AEC、PEMEC和SOEC的差别化利用。
[0005]因此，需要提出一种考虑不同电解槽运行特性差异的混合电解水制氢系统优化控制方法及系统。

技术实现思路

[0006]为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提出一种混合电解水制氢系统优化控制方法及系统，以实现多类型电解槽的协同控制和差别化利用。
[0007]为此，本专利技术采用的一种技术方案为：一种混合电解水制氢系统优化控制方法，其包括步骤：
[0008]1)建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和蓄电池的混合电解水制氢系统；
[0009]2)建立碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽的精细化的统一通用化数学模型；
[0010]3)考虑不同种类电解槽动态响应速度差异，结合低通滤波算法，采用多阶段控制的混合电解水制氢系统优化控制；
[0011]4)构建以最小化运行成本为控制目标的目标函数，考虑购电成本、储能使用成本、弃风弃光成本、售氢收益和电解槽启停成本，利用分支定界法求解得到混合电解水制氢系统的控制方案。
[0012]本专利技术的混合电解水制氢系统考虑了不同种类的电解槽，综合利用不同种类电解槽的运行特性差异，更好地消纳可再生能源。
[0013]本专利技术采用的另一种技术方案为：一种混合电解水制氢系统优化控制系统，其包括：
[0014]混合电解水制氢系统建立单元：建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和蓄电池的混合电解水制氢系统；
[0015]统一通用化数学模型建立单元：建立碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽的精细化的统一通用化数学模型；
[0016]优化控制单元：考虑不同种类电解槽动态响应速度差异，结合低通滤波算法，采用多阶段控制的混合电解水制氢系统优化控制；
[0017]控制方案求解单元：构建以最小化运行成本为控制目标的目标函数，考虑购电成本、储能使用成本、弃风弃光成本、售氢收益和电解槽启停成本，利用分支定界法求解得到混合电解水制氢系统的控制方案。
[0018]本专利技术综合考虑了不同电解槽的运行特性，协调3种不同电解槽的出力，根据动态响应速度差异使它们分别负载不同波动特征的净负荷，最终实现最大化消纳风机光伏出力、最小化运行成本和AEC、PEMEC和SOEC差别化利用的优化控制目标，提升了混合电解水制氢系统的运行经济性和能量利用效率。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术混合电解水制氢系统的结构示意图；
[0021]图2为本专利技术混合电解水制氢系统多阶段优化控制原理图；
[0022]图3为本专利技术混合电解水制氢系统多阶段优化控制方法的流程图；
[0023]图4为本专利技术SOEC的日前控制决策结果图；
[0024]图5为本专利技术AEC的日内控制决策结果图；
[0025]图6为本专利技术PEMEC的实时控制决策结果图；
[0026]图7为本专利技术AEC电解槽的控制决策对比结果图；
[0027]图8为本专利技术PEMEC电解槽的控制决策对比结果图；
[0028]图9为本专利技术SOEC电解槽的控制决策对比结果图。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]实施例1
[0031]本实施例提供一种混合电解水制氢系统优化控制方法，其具体内容如下：
[0032]1)建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和蓄电池的混合电解水制氢系统，考虑了不同种类的电解槽，综合利用不同种类电解槽的运行特性差异，更好地消纳可再生能源。
[0033]2)建立碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽的精细化的统一通用化数学模型，区别于其他数学模型，本专利技术所建立的精细化的统一通用化数学模型包括电解槽启停模型、电解槽产出模型、电解槽功率模型和电解槽温度模型，考虑到的技术指标主要包括启动时延、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束等。
[0034]3)考虑不同种类电解槽动态响应速度差异，结合低通滤波算法，采用多阶段控制的混合电解水制氢系统优化控制，将不同种类电解槽的优化控制分为日前、日内和实时3个阶段，针对不同种类电解槽的运行特性进行差别化优化控制。
[0035]4)构建以最小化运行成本为控制目标的目标函数，考虑购电成本、储能使用成本、弃风弃光成本、售氢收益和电解槽启停成本，考虑风机出力约束、光伏出力约束、蓄电池运行约束和电解槽的运行约束，利用分支定界法求解得到混合水电解制氢系统的控制方案。
[0036]所述步骤1)，建立的混合电解水制氢系统如附图1所示；
[0037]所述步骤2)，碱性电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，包括步骤：1)建立包括风机、光伏、碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽和蓄电池的混合电解水制氢系统；2)建立碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽的精细化的统一通用化数学模型；3)考虑不同种类电解槽动态响应速度差异，结合低通滤波算法，采用多阶段控制的混合电解水制氢系统优化控制；4)构建以最小化运行成本为控制目标的目标函数，考虑购电成本、储能使用成本、弃风弃光成本、售氢收益和电解槽启停成本，利用分支定界法求解得到混合电解水制氢系统的控制方案。2.如权利要求1所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，所述的统一通用化数学模型，包括电解槽启停模型、电解槽产出模型、电解槽功率模型和电解槽温度模型，考虑的技术指标包括启动时延、启停能力、产出特性、工作范围、启动功率、爬坡能力和温度约束。3.如权利要求2所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，所述步骤2)，所述的统一通用化数学模型如下：下文中所有符号的上标M代表不同的电解槽，M{A,P,S}，其中A代表碱性电解槽，P代表质子交换膜电解槽，S代表固体氧化物电解槽；下标k为电解槽编号；下标t表示单位运行时段，T为运行总时段，其中1≤t≤T；(1)电解槽启停模型考虑启动时延的电解槽启停模型如下：考虑启动时延的电解槽启停模型如下：考虑启动时延的电解槽启停模型如下：其中：0
‑
1变量表示电解槽的开关状态，表示电解槽的开始启动动作，表示电解槽的开始关停动作；α
M
表示启动时延；表示t
‑
1时刻的电解槽的开关状态；表示t
‑
α
M
时刻电解槽的开始启动动作；电解槽启停次数约束：电解槽启停次数约束：其中：分别表示M电解槽日内开机、停机次数上限；(2)电解槽产出模型
其中：为电解槽工作效率；U
HHV
＝1.48V为常数；为电解槽工作电流；为电解槽工作功率；为转化为氢气中化学能对应的能量；代表产出氢气的质量，单位为kg；γ＝7.2为单位时段制氢量单位mol/s到kg/h的换算系数；F＝96485C/mol为法拉第常数；与电解槽工作功率的关系近似线性化为：的关系近似线性化为：其中：a和b为电解槽产出模型的线性化参数；为电解槽温度；T
M,max
和T
M,min
分别为电解槽温度的上、下限；为电解槽的额定功率；为电解槽产生的热功率；(3)电解槽功率模型电解槽工作上、下限功率约束：电解槽工作上、下限功率约束：其中：P
M，min
/P
M，max
分别表示M电解槽在开机状态下工作功率上/下限；P
M,boot
表示电解槽启动过程中消耗的电功率；τ表示电解槽启动动作后至电解槽进入工作状态之间的时间单位；表示t
‑
τ时刻电解槽的开始启动动作；电解槽爬坡功率约束：其中：ΔP
M，max
表示M电解槽在开机状态下单位时段最大爬坡功率；(4)电解槽温度模型(4)电解槽温度模型(4)电解槽温度模型
其中：T
a
为环境温度；C
e
为电解槽集总热容；R
e
为集总热阻；为损失的热功率；为输出系统外的热功率；Δt表示单位时间。4.如权利要求1所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，所述的混合电解水制氢系统优化控制，考虑风机出力约束、光伏出力约束、蓄电池运行约束和电解槽运行约束。5.如权利要求3所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，所述的混合电解水制氢系统优化控制，将不同种类电解槽的优化控制分为日前、日内和实时3个阶段，针对不同种类电解槽的运行特性进行差别化优化控制。6.如权利要求1所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，低通滤波算法如下：Q
t
＝nM
t
+(1
‑
n)Q
t
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)其中：M
t
为t时刻输入的原始数据；n为滤波系数；Q
t
为t时刻输出的滤波后的低频数据。7.如权利要求5所述的混合电解水制氢系统优化控制方法，其特征在于，日前阶段SOEC优化控制流程如下：1)输入日前24h的风机、光伏和负荷预测数据，用风机和光伏预测出力之和减去预测负荷功率求得日前净负荷功率：其中：为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵波，章雷其，张雪松，刘敏，吴启亮，毛航银，李乃一，陈健，陈杨，叶夏明，应芳义，孙国浩，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：