【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解槽集群控制，涉及一种同构电解槽集群的最优功率控制与分配方法，用于新能源电解水制氢下的多个同构电解槽制氢功率优化分配过程。
技术介绍
1、随着新能源大规模应用以及氢能快速发展，利用富余的新能源发电电解水制取氢气将大幅提升新能源消纳和降低氢气制取成本。因此，新能源绿氢技术已经成为一种重要的能源应用场景。但是，如何实现在新能源随机性、波动性条件下利用电解槽集群高效、安全地制取氢气将是制约这种应用场景大规模发展的关键。
2、在目前的实际应用中，制氢电解槽输出功率遵循均分原则，在不超过电解槽最大制氢功率的前提下，电解槽的制氢功率等于新能源富余功率除以电解槽数量，这种方式忽略了电解槽制氢效率和制氢安全等因素。在现有的文献资料中，虽然各位专家学者从制氢安全、效率以及经济性等方面考虑了新能源绿氢过程的电解槽控制策略，但是大多侧重于电解槽整体，对于多个电解槽分配过程考虑不足，尤其是电解槽的运行特性以及多个电解槽的序贯过程。
3、目前，电解水制氢技术主要有碱性水电解、质子交换膜电解槽水电解、固体氧化物水电解3种。目前制氢的电解槽集群为同构电解槽集群，即集群中的多个电解槽的结构、类型和额定功率是相同的，例如该集群是由等功率的碱性电解槽组成的电解槽集群或者是由等功率的质子交换膜电解槽组成的电解槽集群。目前实际应用中，制氢电解槽输出功率遵循均分原则，未考虑电解槽制氢效率和制氢安全的因素，未考虑各电解槽的序贯过程，存在频繁启停的情况，造成了过多能耗和损伤，因此有必要对集群中多个同构电解槽的最优功率控制和分配问题进行
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种同构电解槽集群的最优功率控制与分配方法，在最大程度提升新能源消纳的条件下，通过考虑单一电解槽制氢效率、制氢安全以及多个电解槽启停序列影响，以解决新能源绿氢方式下同构电解槽集群内部多个同构电解槽的最优功率控制和分配问题，提升电解水制氢的效率，降低电解槽的能耗和损伤，最大程度地保障新能源制氢的安全性和高效性。
2、本专利技术提供的一种同构电解槽集群的最优功率控制与分配方法，设置有同构电解槽集群绿氢建模模块、同构电解槽集群功率指令计算模块、同构电解槽功率分配策略模块以及同构电解槽最优功率序贯决策模块，包括如下步骤：
3、步骤1，同构电解槽集群绿氢建模模块根据新能源绿氢过程，建立含最大新能源消纳和制氢约束的同构电解槽集群制氢数学模型；
4、步骤2，同构电解槽集群功率指令计算模块基于新能源日前预测数据以及新能源和制氢电解槽参数求解同构电解槽集群制氢数学模型，获取同构电解槽集群的最佳功率指令；
5、步骤3，同构电解槽功率分配策略模块根据电解槽安全制氢的功率范围，制定同构电解槽集群内多个同构电解槽的功率分配策略；
6、步骤4，同构电解槽最优功率序贯决策模块建立计及最小启停状态切换的同构电解槽最优序贯功率分配模型并求解，利用优化算法求解获得多个同构电解槽的功率指令，完成同构电解槽集群的最优控制。
7、所述的步骤1中，新能源绿氢过程使用同构电解槽集群制取氢气，设同构电解槽集群包含n0个结构、类型和额定功率均相同的电解槽；新能源-电池制氢系统包含提供绿色能源的新能源发电单元、电池储能单元、用电负荷、同构电解槽集群、储氢罐以及售氢环节。步骤1建立含最大新能源消纳和制氢约束的同构电解槽集群制氢数学模型，包括步骤1.1和1.2：
8、步骤1.1，针对离网条件下包含同构电解槽集群的新能源-电池制氢系统，设置制氢系统需要满足的约束条件，包含功率-能量平衡约束、新能源发电单元的实际输出功率约束、电池储能单元实际输出功率和能量状态约束、以及氢平衡约束等；
9、步骤1.2，建立离网条件下包含同构电解槽集群的新能源-电池制氢系统的优化目标函数，为了充分利用新能源，定义最大化新能源消纳率为系统优化目标。
10、所述的步骤2中，同构电解槽集群功率指令计算模块首先获得新能源发电单元的日前预测数据，作为新能源发电单元在各个时刻的最大输出功率，并获得用电负荷的日前预测数据作为各个时刻的负荷功率；然后收集所述制氢系统的参数，求解所述同构电解槽集群制氢数学模型，获得各时刻下新能源发电单元的实际输出功率指令、电池储能单元的实际放电功率指令、充电功率指令和能量状态值、同构电解槽集群制氢功率指令、储氢罐储氢状态以及售氢指令。
11、所述的步骤3中，同构电解槽功率分配策略模块首先根据实验数据获得同构电解槽安全制氢的临界功率p1、最大效率点功率p2、最大功率p3，且最大功率>最大效率点功率>安全制氢的临界功率>0；然后根据步骤2获得的同构电解槽集群最佳制氢功率指令对每个时刻的同构电解槽的制氢功率进行分配。
12、所述的步骤3中，对t时刻的同构电解槽的制氢功率进行分配时，首先计算同构电解槽运行数量标识数，包括能够超过临界功率的同构电解槽数量n1(t)、能够达到最大效率点的同构电解槽数量n2(t)以及能够达到最大功率的同构电解槽数量n3(t)，然后根据同构电解槽运行数量标识数判断t时刻同构电解槽集群内每一个电解槽的停机状态和运行状态，为运行状态的电解槽分配制氢功率。
13、所述的步骤4中，所建立的计及最小启停状态切换的同构电解槽最优序贯功率分配模型如下：
14、步骤4.1，根据步骤3所述在各时刻上同构电解槽集群内同构电解槽的停机状态和运行状态的数量，定义同构电解槽状态的约束条件；
15、步骤4.2，考虑同构电解槽序贯过程频繁启停对于电解槽能耗和寿命的影响，建立以最小启停状态切换的同构电解槽集群序贯过程优化目标函数j2；
16、步骤4.3，利用分支定界等0-1规划方法求解步骤4.1和4.2所述目标函数j2，获得每个时刻下每一个同构电解槽的启停状态的指令，结合步骤3所述功率指令值，完成同构电解槽集群的最优功率控制与分配。
17、与最接近的现有技术相比，本专利技术的优异效果是：
18、在目前新能源绿氢的实际工程应用中，多个同构制氢电解槽的输出功率遵循均分原则，在不超过电解槽最大制氢功率的前提下，同构电解槽的制氢功率等于新能源富余功率除以同构电解槽数量，这种方式容易造成同构电解槽在过低功率下存在制氢安全隐患、在过高功率下造成制氢效率低且使用寿命下降。而现有部分文献开始从制氢纯度、能效以及成本等方面考虑，设计多种新能源制氢控制策略，提升新能源绿氢的安全、效率和经济性。但是大多侧重于电解槽集群整体，对于多个同构电解槽分配过程考虑不足，尤其是电解槽的运行特性以及多个同构电解槽的序贯过程。相比于现有技术，本专利技术方法将新能源消纳与制氢效率两个优化目标分解为两个阶段优化，以同构制氢电解槽集群为整体，建立新能源制氢模型，最大程度地完成新能源消纳；然后，再通过分解同构制氢电解槽集群的输出功率指令，获得多个同构电解槽的最优运行指令，实现同构电解槽的最优功率分配。同时，本专利技术方法在设计同构制氢电解槽分配策略时，从制氢安全和制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种同构电解槽集群的最优功率控制与分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，设离网条件下的新能源-电池制氢系统中使用风力发电单元和光伏发电单元提取电能，即针对离网条件下的风电-光伏-电池制氢系统，构建的同构电解槽集群制氢模型如下：
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，同构电解槽集群功率指令计算模块首先获取新能源发电单元的日前预测数据，得到新能源发电单元在各个时刻的最大输出功率，获取用电负荷的日前预测数据作为各个时刻的负荷功率；然后收集所述制氢系统的参数，求解所述同构电解槽集群制氢数学模型，获得各个时刻下新能源发电单元的实际输出功率指令、电池储能单元的实际放电功率指令、充电功率指令和能量状态值、同构电解槽集群制氢功率指令、储氢罐储氢状态以及售氢指令。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，计算t时刻的同构电解槽运行数量标识数如下：
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，根据t时刻的同构电解槽运行数量标识数判断
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中，所建立的计及最小启停状态切换的同构电解槽最优序贯功率分配模型如下：
...【技术特征摘要】
1.一种同构电解槽集群的最优功率控制与分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，设离网条件下的新能源-电池制氢系统中使用风力发电单元和光伏发电单元提取电能，即针对离网条件下的风电-光伏-电池制氢系统，构建的同构电解槽集群制氢模型如下：
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，同构电解槽集群功率指令计算模块首先获取新能源发电单元的日前预测数据，得到新能源发电单元在各个时刻的最大输出功率，获取用电负荷的日前预测数据作为各个时刻的负荷功率；然后收集所述制氢系统的参数，求解所述同构电解槽集群制氢数学模型，获得各个时刻下新...
【专利技术属性】
技术研发人员：马速良，孟泽青，陈明轩，刘硕，吴旭，谢伟，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：
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