一种风氢耦合发电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风氢耦合发电系统及其控制方法，风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器分别通过双向DC/DC耦合于直流母线，直流母线通过DC/AC逆变器接入电网；风力发电机组将风能转化为电能实时向直流母线输送能量，若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。本发明专利技术中将电解槽与燃料电池作为能量型单元，并采用超级电容器来平抑系统中电解槽与燃料电池延迟响应引起的波动。

【技术实现步骤摘要】
一种风氢耦合发电系统及其控制方法
本专利技术具体涉及一种风氢耦合发电系统，还涉及此风氢耦合发电系统的控制方法，属于新能源并网运行

技术介绍
随着环境问题的逐渐恶化以及能源危机的不断加剧，环境问题尤其是城市空气污染问题已成为影响居民幸福感的重要指标，风能的研究和推广越来越受到重视。但是，风力发电的波动性、间歇性及不可控性造成了其单独并网运行时会出现反调峰特性，进一步增加了电网调峰的压力，迫使风电场弃风升值停运现象严重。目前，储能技术被提出用来解决“弃风”问题，但是现有的储能技术例如抽水蓄能，太过依赖于水源和地势，投资周期长；压缩空气储能，依赖于地质条件和一定的化石燃料；飞轮储能，效率低，容量小；电化学电池，受到成本和技术成熟度的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种风氢耦合发电系统及其控制方法，解决了现有技术中风力发电存在弃风的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种风氢耦合发电系统，其特征是，包括风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器；风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器分别通过双向DC/DC耦合于直流母线，直流母线通过DC/AC逆变器接入电网；风力发电机组将风能转化为电能实时向直流母线输送能量，若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。相应的，本专利技术还提供了一种风氢耦合发电系统的控制方法，其特征是，包括以下过程：获取风力发电机组模块、电解槽模块、储氢罐模块、燃料电池模块和超级电容器模块以及风氢耦合发电系统的数学模型；获取风电出力和负荷需求；若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。。进一步的，所述若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解产生氢气储存到储氢罐中，包括：当满足Pw＞Ps,H2≥H2max,SOC≥SOCmax，即储氢罐达到压力上限，并且SC达到荷电状态上限值，则电解槽处于停运状态，超级电容器处于停运状态；当满足Pw＞Ps,H2≥H2max,SOC＜SOCmax，即储氢罐达到压力上限，则电解槽处于停运状态，超级电容器充电，消纳多余风能；当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＞PELmax,SOC≥SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于EL最大消纳功率，则电解槽处于最大功率运行状态，消纳多余风能，但SC达到荷电状态上限值，超级电容器停运；当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＞PELmax,SOC＜SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于EL最大消纳功率，则电解槽处于最大功率运行状态，SC未达到荷电状态上限值，超级电容器辅助充电，消纳多余风能；当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,PELmin＜Pw-Ps＜PELmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值在EL最大和最小消纳功率之间，储氢罐未达压力上限，则电解槽处于运行状态，超级电容器停运；当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＜PELmin,SOC≥SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小EL最小消纳功率，则电解槽处于最小功率运行状态，SC达到荷电状态上限，辅助放电，消纳多余风能；当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＜PELmin,SOC＜SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小于EL最小消纳功率，则电解槽处于停运状态，SC未达到荷电状态上限，则SC充电，消纳多余风能；其中，Ps为负荷需求，H2为储氢罐中氢气压力值，H2max为储氢罐的最大压力值，PELmax为电解槽最大消纳功率，PELmin为电解槽最小消纳功率，SOCmax为荷电状态上限值。进一步的，所述若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料产生电能向直流母线输送能量，包括：当满足Pw＜Ps,H2≤H2min,SOC≤SOCmin，即储氢罐与SC荷电状态达到下限，则燃料电池处于停运状态，超级电容器处于停运状态；当满足Pw＜Ps,H2≤H2min,SOC＞SOCmin，即储氢罐达到下限，燃料电池处于停运状态，但SC未达到下限，则超级电容器放电；当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＞PFCmax,SOC≤SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于燃料电池最大出力，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最大功率运行状态，补充功率缺额，但SC达到荷电状态下限，超级电容器停运；当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＞PFCmax,SOC＞SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于燃料电池最大出力，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最大功率运行状态，且SC未达下限，超级电容器辅助放电，补充功率缺额；当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,PFCmin＜|Pw-Ps|＜PFCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值介于燃料电池最大和最小出力之间，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于运行状态，补充功率缺额，超级电容器停运；当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＜PFCmin,SOC≤SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小于燃料电池最小出力且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最小功率运行状态，补充功率缺额，但SC达到下限，则超级电容器充电；当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＜PFCmin,SOC＞SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小于燃料电池最小出力且储氢罐未达下限值，燃料电池处于最小功率运行状态，补充功率缺额，SC未达到下限，超级电容器仍辅助充电；其中，Ps为负荷需求，H2为储氢罐中氢气压力值，H2min为储氢罐的最小压力值，PFCmax为燃料电池最大出力，PFCmin为燃料电池最小出力，SOCmin为荷电状态下限值。进一步的，所述风力发电机组数学模型，包括：风力发电机的风能捕获数学表达式为：式中：r为叶片半径；Cp为风能利用系数；λ为叶尖速比；β为桨距角；ρ为空气密度；v为风速；风能转换为电能的效率用风能利用系数表示：式中：n为转速；λi为中间变量；PMSG在dq坐标下电压与磁链关系：式中：Uwd和Uwq分别为dq轴下电压；Iwd和Iwq分别为dq轴下电流；ψwd和ψwq分别为dq轴的磁链；ωr为电气角速度；Rw为定子绕组电阻；磁链与电流关系式为：式中：ψf和ψw0分别为永磁体主磁链与零轴磁链；Lwd、Lwq、Lw0分别为dq0轴的等效电感，Iw0为零轴电流；PMSG转子运动方程表示为：式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风氢耦合发电系统，其特征是，包括风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器；/n风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器分别通过双向DC/DC耦合于直流母线，直流母线通过DC/AC逆变器接入电网；/n风力发电机组将风能转化为电能实时向直流母线输送能量，若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。/n

【技术特征摘要】
1.一种风氢耦合发电系统，其特征是，包括风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器；
风力发电机组、碱式电解槽、燃料电池和超级电容器分别通过双向DC/DC耦合于直流母线，直流母线通过DC/AC逆变器接入电网；
风力发电机组将风能转化为电能实时向直流母线输送能量，若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。


2.一种风氢耦合发电系统的控制方法，其特征是，包括以下过程：
获取风力发电机组模块、电解槽模块、储氢罐模块、燃料电池模块和超级电容器模块以及风氢耦合发电系统的数学模型；
获取风电出力和负荷需求；
若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解，产生氢气储存到储氢罐中；
若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料，产生电能向直流母线输送能量。


3.根据权利要求2所述的一种风氢耦合发电系统的控制方法，其特征是，所述若风电出力大于负荷需求，则将剩余电能输送电解槽对水进行电解产生氢气储存到储氢罐中，包括：
当满足Pw＞Ps,H2≥H2max,SOC≥SOCmax，即储氢罐达到压力上限，并且SC达到荷电状态上限值，则电解槽处于停运状态，超级电容器处于停运状态；
当满足Pw＞Ps,H2≥H2max,SOC＜SOCmax，即储氢罐达到压力上限，则电解槽处于停运状态，超级电容器充电，消纳多余风能；
当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＞PELmax,SOC≥SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于EL最大消纳功率，则电解槽处于最大功率运行状态，消纳多余风能，但SC达到荷电状态上限值，超级电容器停运；
当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＞PELmax,SOC＜SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于EL最大消纳功率，则电解槽处于最大功率运行状态，SC未达到荷电状态上限值，超级电容器辅助充电，消纳多余风能；
当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,PELmin＜Pw-Ps＜PELmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值在EL最大和最小消纳功率之间，储氢罐未达压力上限，则电解槽处于运行状态，超级电容器停运；
当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＜PELmin,SOC≥SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小EL最小消纳功率，则电解槽处于最小功率运行状态，SC达到荷电状态上限，辅助放电，消纳多余风能；
当满足Pw＞Ps,H2＜H2max,Pw-Ps＜PELmin,SOC＜SOCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小于EL最小消纳功率，则电解槽处于停运状态，SC未达到荷电状态上限，则SC充电，消纳多余风能；
其中，Ps为负荷需求，H2为储氢罐中氢气压力值，H2max为储氢罐的最大压力值，PELmax为电解槽最大消纳功率，PELmin为电解槽最小消纳功率，SOCmax为荷电状态上限值。


4.根据权利要求2所述的一种风氢耦合发电系统的控制方法，其特征是，所述若风电出力小于负荷需求，则燃料电池将氢气作为燃料产生电能向直流母线输送能量，包括：
当满足Pw＜Ps,H2≤H2min,SOC≤SOCmin，即储氢罐与SC荷电状态达到下限，则燃料电池处于停运状态，超级电容器处于停运状态；
当满足Pw＜Ps,H2≤H2min,SOC＞SOCmin，即储氢罐达到下限，燃料电池处于停运状态，但SC未达到下限，则超级电容器放电；
当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＞PFCmax,SOC≤SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于燃料电池最大出力，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最大功率运行状态，补充功率缺额，但SC达到荷电状态下限，超级电容器停运；
当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＞PFCmax,SOC＞SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值大于燃料电池最大出力，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最大功率运行状态，且SC未达下限，超级电容器辅助放电，补充功率缺额；
当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,PFCmin＜|Pw-Ps|＜PFCmax，即PMSG出力与网侧负荷需求差值介于燃料电池最大和最小出力之间，且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于运行状态，补充功率缺额，超级电容器停运；
当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps|＜PFCmin,SOC≤SOCmin，即PMSG出力与网侧负荷需求差值小于燃料电池最小出力且储氢罐未达下限值，则燃料电池处于最小功率运行状态，补充功率缺额，但SC达到下限，则超级电容器充电；
当满足Pw＜Ps,H2＞H2min,|Pw-Ps...

【专利技术属性】
技术研发人员：李升，夏书悦，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32