基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法技术

本发明专利技术为一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法，首先基于电解槽参数建立了pem电解槽的功率

【技术实现步骤摘要】
基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法


[0001]本专利技术属于风电制氢电解槽阵列优化控制
，特别是涉及一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着我国的经济发展水平不断上升，我国的电力发展也进入高速发展阶段，在电力高速发展的现状下，发展清洁能源已经成为其中尤为重要的一环。研究清洁能源的高效利用对新能源利用模式的开发具有重要意义，风力发电作为清洁能源中有极高占比的能源类型，有着极大的开发价值。风力发电具有极高的适应性，无论是连接电网进行供电还是用于连接电解槽进行制氢储能，都有不错的效果。在风电制氢上，无论是在安全性、高效性还是灵活性方面都具有较高优势。
[0003]氢能源作为一种极为优秀的可再生清洁能源，与电能相互转换方面有极高的效能，而且在适合长期存储。风力发电结合电解水技术制氢是最有代表性的制氢方式，单从技术层面来看，电解水制氢技术是一种灵活、环保、绿色的低碳技术，而且这种方式得到的氢气产品纯度足够高，技术也相对成熟，可以对接风力发电设备实现大规模制氢储备。
[0004]目前主流的电解水制氢技术有碱性电解水制氢技术、质子交换膜(pem)电解水制氢技术和固体氧化物电解水制氢技术。固体氧化物电解水制氢技术因为工作温度过高，对电解材料有着极高的限制，因此始终无法得到应用和推广。碱性电解水技术是三者之中发展历史最长的，其技术相较其他两种也较为成熟，但是在对电流密度的承受能力、体积、效率以及生成的氢气产品浓度方面，质子交换膜电解水技术有着不可比拟的优势，这也使其成为最有发展前景的水电解技术。
[0005]Pem电解槽制氢系统目前在全球范围内投产数量迅速增加，许多国家都将电解水制氢视为未来主流发展方向，相较于碱性电解槽，pem电解槽更具有发展前景，对于推动清洁能源的发展具有重大意义。在制氢机组应用场景中往往电解槽是以阵列的形式运行，而电解槽阵列的控制策略对制氢机组的安全、效率、成本都有着极大影响。简单的“均分”策略无法保证氢气产出质量，不够灵活，相对应的安全隐患也极大。传统的轮值优化控制策略将电解槽的运行状态分为处于额定功率、波动功率和停机状态这三种，相较于“均分”策略提高了整体系统的服役寿命和安全性，但是运行状态划分依旧不够灵活。由于风力发电的波动性，电解槽阵列的启停状态常常需要变更，该策略并未考虑制氢系统需要变更电解槽阵列启停状态时的措施，而且没有考虑到不同参数的电解槽的功率
‑
效率特性，氢气产出质量不够稳定高效。

技术实现思路

[0006]为了解决由于风电功率波动性而导致的pem电解槽寿命缩短、制氢效率减小、制得的氢气浓度降低等问题，确保电解槽阵列的高效稳定制氢，本专利技术提出了一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法。
[0007]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案如下：
[0008]一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、建立pem电解槽的功率
‑
效率模型，表达式为：
[0010][0011]式中，η
pem
为pem电解槽的制氢效率，HHV为氢气热值，U
th
为热中性电压，U
pem
为电解槽电压，f1为电流效率拟合参数，P
e
为pem电解槽额定功率，P
u
为pem电解槽输入功率标幺值；
[0012]步骤二、以制氢机组的最大制氢量作为优化目标，计及pem电解槽的功率
‑
效率特性以及风电机组出力约束，提出目标函数为：
[0013][0014]其中，V
pem
表示制氢机组在时间段t内产出的氢气总量，V
n，j
表示第n个pem电解槽在第j个时间段内产出的氢气总体积，N表示阵列中pem电解槽的个数；
[0015]目标函数的约束条件包括风电机组有功功率约束、pem电解槽最优稳定运行区间约束和pem电解槽安全运行功率约束；风电机组有功功率平衡约束为：
[0016][0017]式中，P
wind，t
、P
curt，t
分别表示时间段t内风电机组的出力功率和弃风功率，P
pemn，t
表示时间段t内第n个pem电解槽运行功率；
[0018]pem电解槽最优稳定功率运行区间约束为：
[0019]P
pemn，min
≤P
wpem，t
≤P
pemn，max
ꢀꢀ
(13)
[0020]式中，P
pemn，max
、P
pemn，min
分别表示第n个pem电解槽基于功率
‑
效率模型得到的最优工作区间的上、下限；P
wpem，t
表示时间段t内pem电解槽的最优稳定功率；
[0021]pem电解槽安全运行功率约束为：
[0022]P
bpem，min
≤P
bpem，t
≤P
bpem，max
ꢀꢀ
(14)
[0023]式中，P
bpem，max
、P
bpem，min
分别表示处于波动功率的pem电解槽由于安全限制而必须遵守的功率上、下限，P
bpem，t
表示时间段t内pem电解槽安全运行功率；
[0024]步骤三、基于多时间尺度调度对电解槽阵列进行轮询控制；
[0025]首先，确定电解槽阵列的启停状态：获取风电机组未来t1时间段内的风功率预测数据，计算t1时间段内的平均风功率；根据t1时间段的平均风功率计算每个t2时间段内的平均风功率t2＜t1；计及风电机组的风功率预测数据，确定电解槽阵列中每个pem电解槽的启停状态，需满足下述不等式：
[0026][0027]其中，P
pemq
表示第q个处于开机状态的pem电解槽额定功率，Q表示电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量；
[0028]其次，根据约束条件式(12)～(14)，使用粒子群算方法对目标函数进行优化，得到
电解槽阵列的最优稳定功率：计及t2时间段内的平均风功率最优稳定功率进一步约束为：
[0029][0030]式中，P
wpemq，t
为时间段t内电解槽阵列中第q个处于开机状态的pem电解槽的最优稳定功率；
[0031]最后，对电解槽阵列进行轮询控制：电解槽阵列中每个pem电解槽的工作状态以及选择处于波动功率状态的pem电解槽都是由每个pem电解槽的数字轮值锁决定的，处于开机状态的pem电解槽都各自有一个数字轮值锁；以Xmin为一个时段，在该时段的结束时刻对pem电解槽的数字轮值锁进行更新；数字轮值锁更新策略包括两种情况，一种是当前后相邻的两个调度时间段电解槽阵列的启停本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立pem电解槽的功率
‑
效率模型，表达式为：式中，η
pem
为pem电解槽的制氢效率，HHV为氢气热值，U
th
为热中性电压，U
pem
为电解槽电压，f1为电流效率拟合参数，P
e
为pem电解槽额定功率，P
u
为pem电解槽输入功率标幺值；步骤二、以制氢机组的最大制氢量作为优化目标，计及pem电解槽的功率
‑
效率特性以及风电机组出力约束，提出目标函数为：其中，V
pem
表示制氢机组在时间段t内产出的氢气总量，V
n，j
表示第n个pem电解槽在第j个时间段内产出的氢气总体积，N表示阵列中pem电解槽的个数；目标函数的约束条件包括风电机组有功功率约束、pem电解槽最优稳定运行区间约束和pem电解槽安全运行功率约束；风电机组有功功率平衡约束为：式中，P
wind，t
、P
curt，t
分别表示时间段t内风电机组的出力功率和弃风功率，P
pemn，t
表示时间段t内第n个pem电解槽运行功率；pem电解槽最优稳定功率运行区间约束为：P
pemn，min
≤P
wpem，t
≤P
pemn，max
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)式中，P
pemn，max
、P
pemn，min
分别表示第n个pem电解槽基于功率
‑
效率模型得到的最优工作区间的上、下限；P
wpem，t
表示时间段t内pem电解槽的最优稳定功率；pem电解槽安全运行功率约束为：P
bpem，min
≤P
bpem，t
≤P
bpem，max
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)式中，P
bpem，max
、P
bpem，min
分别表示处于波动功率的pem电解槽由于安全限制而必须遵守的功率上、下限，P
bpem，t
表示时间段t内pem电解槽安全运行功率；步骤三、基于多时间尺度调度对电解槽阵列进行轮询控制；首先，确定电解槽阵列的启停状态：获取风电机组未来t1时间段内的风功率预测数据，计算t1时间段内的平均风功率；根据t1时间段的平均风功率计算每个t2时间段内的平均风功率计及风电机组的风功率预测数据，确定电解槽阵列中每个pem电解槽的启停状态，需满足下述不等式：其中，P
pemq
表示第q个处于开机状态的pem电解槽额定功率，Q表示电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量；其次，根据约束条件式(12)～(14)，使用粒子群算方法对目标函数进行优化，得到电解槽阵列的最优稳定功率：计及t2时间段内的平均风功率最优稳定功率进一步约束为：
式中，P
wpemq，t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帅，林涛，林宇晨，李伟剑，边同声，程淑伟，张大威，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：