一种风光发电制氢系统的能效优化方法及系统与流程

本技术涉及制氢系统能效优化的，尤其是指一种风光发电制氢系统的能效优化方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源结构转型加速推进，利用风电、光伏等可再生能源电力进行电解水制氢成为实现碳中和目标的关键路径。风光发电制氢系统通过将波动性可再生能源与电解水制氢设备耦合，在实现绿氢规模化生产的同时，也为可再生能源就地消纳提供了有效途径。在这一系统中，新能源发电单元与储能单元通过交流母线，依次经整流变压器和igbt整流电源柜电连接至电解槽阵列，构成完整的电能变换与制氢链路。然而，由于风光发电具有随机性、间歇性和波动性的固有特征，如何使制氢系统在风光出力大幅波动的情况下保持高效、稳定运行，已成为制约该技术大规模推广的核心工程问题。

2、现有技术普遍将重点放在电解槽集群的启停策略和负荷分配优化上。例如，相关专利提出了针对混合电解槽各机组制氢效率、负荷上下限、单机额定容量、各机组启停次数及响应特性差异的集群优化调度策略；也有方案以经济性收益最大或系统产氢量最大为目标，建立目标函数及风光出力、制氢、储氢、储能等约束条件模型，并采用求解器进行优化求解。这些方法在一定程度上提高了风光波动下的制氢系统适应性，但均是将系统能管中心定位于电解槽层级的功率分配优化，忽略了制氢供电链路中两个关键环节的能效协同。一是整流变压器作为电能变换枢纽，其运行负荷率是否处于损耗最低的经济区间；二是igbt整流电源柜在波动输入电压下如何保持高效转换。现有技术往往将整流变压器调压和电解槽投切作为两个独立问题分别处理，未能建立从整流变压器运行点到电解槽负荷分配的协同优化机制。

技术实现思路

1、为此，本技术的目的在于克服现有风光发电制氢系统中整流变压器能效优化与电解槽负荷调度相互割裂、导致系统在应对风光波动时供电链路效率偏低的技术缺陷，提供一种风光发电制氢系统的能效优化方法及系统，通过先调节整流变压器分接头使实际运行负荷率进入经济运行区间并记录副边实际输出电压值作为电压基准，再以所述电压基准为约束确定电解槽投切方案，最后在投切后校验整流变压器负荷率并在偏离时修正电解槽负荷分配的三步协同策略，使风光发电制氢系统在跟踪风光波动的同时始终将整流变压器锁定在低损耗状态，从而提升风光发电制氢系统电能转换效率。

2、为解决上述技术问题，一方面，本发明公开一种风光发电制氢系统的能效优化方法，包括：

3、当交流母线的实时功率因数属于目标功率因数阈值时，依据整流变压器在当前实际负荷下的经济运行负荷率区间调节所述整流变压器的分接头档位，使所述整流变压器的实际运行负荷率进入所述经济运行负荷率区间，并记录所述整流变压器的副边实际输出电压值；

4、根据可用供电总功率和所述副边实际输出电压值，确定电解槽阵列的运行方案，并按照所述运行方案向所述电解槽阵列下发投切指令；

5、在所述电解槽阵列执行所述投切指令后，比较投切后实际运行负荷率与所述经济运行负荷率区间的关系：

6、当所述投切后实际运行负荷率偏离所述经济运行负荷率区间时，向所述电解槽阵列发出负荷调整指令，调节每台投入运行的电解槽的负荷分配值，使所述投切后实际运行负荷率重新进入所述经济运行负荷率区间。

7、优选地，所述能效优化方法还包括：

8、当交流母线的实时功率因数小于目标功率因数阈值时，启动igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出第一容性无功功率，直至所述实时功率因数升高至目标功率因数阈值以内；

9、当交流母线的实时功率因数大于目标功率因数阈值时，启动igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出第一感性无功功率，直至所述实时功率因数降低至目标功率因数阈值以内。

10、优选地，所述经济运行负荷率区间的确定方法包括：

11、当交流母线的实时功率因数属于目标功率因数阈值时，根据所述整流变压器的实时负载损耗、额定铜损以及额定铁损确定所述整流变压器在当前实际负荷下的经济运行负荷率区间；

12、所述可用供电总功率的确定方法包括：将风光发电制氢系统的新能源发电单元的实际发电功率和储能单元的当前可放电容量的总和，作为可用供电总功率。

13、优选地，所述整流变压器的分接头档位的调节方法包括：

14、当所述实际运行负荷率低于所述经济运行负荷率区间的下限值，且所述有载分接开关未到达最高档位时，将所述整流变压器的有载分接开关升高一个档位，并重复执行升档步骤，直至所述整流变压器的实际运行负荷率进入所述经济运行负荷率区间；

15、当所述实际运行负荷率高于所述经济运行负荷率区间的上限值时，且所述有载分接开关未到达最低档位时，将所述整流变压器的有载分接开关降低一个档位，并重复执行降档步骤，直至所述整流变压器的实际运行负荷率进入所述经济运行负荷率区间；

16、若分接头档位已到达边界档位仍不能使实际运行负荷率进入经济运行负荷率区间，则保持边界档位运行。

17、优选地，所述运行方案包括：投入运行的电解槽投入总数量和每台投入运行的电解槽的负荷分配值；

18、所述运行方案的约束条件包括：每台投入运行的电解槽的负荷分配值之和不超过所述可用供电总功率；每台投入运行的电解槽的负荷分配值之和不超过所述副边实际输出电压值所对应的igbt整流电源柜的最大可输出直流功率。

19、优选地，所述调节每台投入运行的电解槽的负荷分配值，包括：

20、若所述投切后实际运行负荷率低于所述经济运行负荷率区间的下限值，则优先将已投入运行的电解槽的负荷分配值提升至额定负荷；若所有已投入运行的电解槽均达到额定负荷后，所述投切后实际运行负荷率仍低于所述经济运行负荷率区间的下限值，则启动未投入运行的电解槽，新启动的电解槽以最低运行负荷投入，再逐步加载；

21、若所述投切后实际运行负荷率高于所述经济运行负荷率区间的上限值，则优先逐步降低效率最低的投入运行电解槽的负荷分配值，待电解槽的负荷分配值降至最低运行负荷后，切除所述电解槽。

22、优选地，所述调节每台投入运行的电解槽的负荷分配值的约束条件包括：

23、调节后的每台投入运行的电解槽的负荷分配值之和不超过所述可用供电总功率；

24、调节后的每台投入运行的电解槽的负荷分配值之和不超过所述副边实际输出电压值所对应的igbt整流电源柜的最大可输出直流功率。

25、优选地，所述能效优化方法还包括：

26、当所述投切后实际运行负荷率未偏离所述经济运行负荷率区间时，获取所述交流母线的实时电压值与所述副边实际输出电压值之间的电压偏差量；

27、当所述电压偏差量的绝对值超过允许偏差值时，调节igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出的无功功率，使所述实时电压值向所述副边实际输出电压值逼近，直至所述电压偏差量的绝对值回落至所述允许偏差值以内；

28、在调节所述无功功率的过程中，保持igbt整流电源柜向所述电解槽阵列输出的直流电流恒定。

29、优选地，所述调节所述igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出的无功功率，包括：

30、当所述实时电压值高于所述副边实际输出电压值且所述电压偏差量的绝对值超过所述允许偏差值时，所述igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出第二感性无功功率；

31、当所述实时电压值低于所述副边实际输出电压值且所述电压偏差量的绝对值超过所述允许偏差值时，所述igbt整流电源柜的一级拓扑ac/dc模块向所述交流母线输出第二容性无功功率。

32、另一方面，本发明提供一种风光发电制氢系统的能效优化系统，所述风光发电制氢系统包括新能源发电单元、储能单元、整流变压器、igbt整流电源柜及电解槽阵列，所述新能源发电单元和所述储能单元通过交流母线依次经所述整流变压器、所述igbt整流电源柜电连接至所述电解槽阵列；

33、所述能效优化系统包括系统能管中心，所述系统能管中心被配置为执行所述的风光发电制氢系统的能效优化方法的步骤。

34、本技术的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

35、本技术所述的风光发电制氢系统的能效优化方法及系统，通过先调节整流变压器分接头使实际运行负荷率进入经济运行区间并记录副边实际输出电压值作为电压基准，再以所述电压基准为约束确定电解槽投切方案，最后在投切后校验整流变压器负荷率并在偏离时修正电解槽负荷分配的三步协同策略，使风光发电制氢系统在跟踪风光波动的同时始终将整流变压器锁定在低损耗状态，从而提升风光发电制氢系统电能转换效率。

36、具体地，整流变压器的损耗包括铁损和铜损，综合损耗随负荷率呈抛物线形变化：负荷率过低时铁损在总损耗中占主导，负荷率过高时铜损急剧增加，仅在特定经济运行负荷率区间内总损耗最低。通过调节分接头档位改变变比和副边输出电压，可改变整流变压器在当前负荷下的阻抗匹配状态，引导实际运行负荷率趋近损耗最低点，同时确保后续igbt整流电源柜在其较优工作电压区间内运行，有效降低整流变压器自身损耗。

37、进一步地，将整流变压器的电压输出能力作为电解槽负荷分配的硬约束，使投切方案不仅在功率平衡层面可行，更在电压匹配层面可执行，避免了传统方案中仅关注功率平衡而忽略整流柜实际输出能力所导致的工程脱节问题。

38、同时，由于各台电解槽效率差异、升负荷速率及降负荷速率不同、初始状态不一致等因素，投切后整流变压器的实际负载可能偏离其经济区间。本技术通过投切后立即校验并及时修正的机制，确保制氢系统在跟随风光波动进行电解槽投切的过程中，始终将整流变压器的运行状态锁定在其损耗较低的经济区间内，从而降低制氢交流电耗，提升制氢供电系统的整体能效。