一种电解制氢系统与电网功率波动平抑协同系统的制作方法

本发明涉及电解水制氢与电力系统负荷调节领域，更具体地说，涉及一种电解制氢系统与电网功率波动平抑协同系统。

背景技术：

1、电解制氢系统具有负荷可调和响应速度快的特点，可作为柔性负荷参与新能源消纳及电网功率波动平抑。专利cn113373477a公开了动态制氢电解槽的电解液流量、压力控制方法及系统，根据外部输入功率调节电解槽压力和电解液流量，并依据氧气中氢含量实施安全控制；专利cn111756059a公开了实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统及方法，利用电解制氢、储氢和燃料电池实现功率转换；专利cn120485870a公开了多电解槽混联制氢控制方法，依据实时发电功率进行分段均衡功率分配。上述技术主要关注负荷跟踪、压力流量调节或多槽功率分配，尚未将过渡质量氢气的缓冲净化能力转化为实时功率调节边界，亦缺少候选功率轨迹双层筛选、动态安全功率管廊及超限平抑欠账补偿的连续闭环机制，难以同时兼顾电网平抑效果、电解槽安全及产品氢质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电解制氢系统与电网功率波动平抑协同系统，其解决了现有制氢负荷调节方式难以同时兼顾电网功率平抑需求、电解槽内部安全约束、过渡质量氢气处理能力及未完成调节需求延后补偿的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种电解制氢系统与电网功率波动平抑协同系统，所述系统包括：

3、并网功率识别模块、电解槽状态感知模块、过渡氢容量评估模块、候选功率轨迹生成模块、轨迹安全预测模块、安全轨迹筛选模块、动态安全功率管廊构建模块、轨迹执行模块、过渡氢净化回流模块和平抑欠账补偿模块；

4、所述并网功率识别模块用于根据并网点实际功率、目标功率和频率状态确定待平抑功率；

5、所述电解槽状态感知模块用于采集输入功率、单体电压、温度、氢氧侧压力、气液分离器液位和气体纯度，形成电解槽运行状态；

6、所述过渡氢容量评估模块用于根据过渡氢缓冲罐状态、净化单元剩余处理能力、允许暂存时间和后续稳定制氢时段计算过渡氢质量容量；

7、所述候选功率轨迹生成模块用于生成具有调节幅值、功率变化率、持续时间和功率反转特征的候选功率轨迹；

8、所述轨迹安全预测模块用于预测各候选功率轨迹对应的内部安全指标和过渡质量氢气产生量；

9、所述安全轨迹筛选模块用于依据内部安全约束和过渡氢质量容量进行双层筛选；

10、所述动态安全功率管廊构建模块用于由筛选结果确定当前允许的增载边界、减载边界、变化率边界和持续时间边界；

11、所述轨迹执行模块用于在待平抑功率位于动态安全功率管廊内时执行目标功率轨迹；

12、所述过渡氢净化回流模块用于对不满足产品氢输出条件的氢气进行缓冲、净化和回流；

13、所述平抑欠账补偿模块用于在待平抑功率超出动态安全功率管廊时生成平抑欠账量，并在安全条件恢复后进行缓变补偿。

14、进一步地，所述并网功率识别模块包括：

15、实际功率采集单元、目标功率确定单元、频率状态判别单元和待平抑功率计算单元；

16、所述实际功率采集单元用于采集并网点有功功率；

17、所述目标功率确定单元用于获取电网调度目标、并网计划功率或平滑控制目标；

18、所述频率状态判别单元用于根据频率偏差和频率变化方向判定电网处于功率富余状态、功率缺额状态或功率平衡状态；

19、所述待平抑功率计算单元用于在功率富余状态下生成增载型待平抑功率，在功率缺额状态下生成减载型待平抑功率，并在功率平衡状态下输出零调节指令。

20、进一步地，所述电解槽状态感知模块包括：

21、电参数采集单元、热状态采集单元、压力状态采集单元、液位采集单元和气体质量采集单元；

22、所述电参数采集单元用于采集电解槽输入功率和各单体电压，并计算单体电压离散度；

23、所述热状态采集单元用于采集电解槽入口温度、出口温度和堆体温度，并计算温度梯度；

24、所述压力状态采集单元用于采集氢侧压力和氧侧压力，并计算氢氧侧压差；

25、所述液位采集单元用于采集气液分离器液位；

26、所述气体质量采集单元用于采集氢气纯度和杂质含量，并向轨迹安全预测模块和过渡氢净化回流模块输出气体质量数据。

27、进一步地，所述过渡氢容量评估模块包括：

28、缓冲罐状态采集单元、净化能力识别单元、暂存时限确定单元和容量计算单元；

29、所述缓冲罐状态采集单元用于采集过渡氢缓冲罐的剩余容积、罐内压力和杂质含量；

30、所述净化能力识别单元用于获取净化单元剩余处理流量、剩余处理时长和合格输出能力；

31、所述暂存时限确定单元用于根据缓冲罐允许压力上限、杂质允许上限和后续稳定制氢时段确定允许暂存时间；

32、所述容量计算单元用于将剩余容积、罐内压力、杂质含量、剩余处理流量、剩余处理时长、合格输出能力和允许暂存时间转换为过渡氢质量容量。

33、进一步地，所述候选功率轨迹生成模块包括：

34、幅值离散单元、变化率配置单元、持续时间配置单元和反转特征标记单元；

35、所述幅值离散单元用于按照待平抑功率的调节方向生成多个增载幅值或减载幅值；

36、所述变化率配置单元用于为各增载幅值或减载幅值配置上升斜率或下降斜率；

37、所述持续时间配置单元用于为各候选功率轨迹配置持续调节时间；

38、所述反转特征标记单元用于标记候选功率轨迹中由增载切换至减载或由减载切换至增载的功率反转节点，并将功率反转节点输入轨迹安全预测模块。

39、进一步地，所述轨迹安全预测模块包括：

40、压差预测单元、液位预测单元、交叉渗透风险预测单元、温度梯度预测单元、电压离散度预测单元和过渡氢产生量预测单元；

41、所述压差预测单元用于根据候选功率轨迹和当前氢氧侧压差预测执行后的压差峰值；

42、所述液位预测单元用于预测气液分离器液位波动范围；

43、所述交叉渗透风险预测单元用于根据压差峰值、液位波动范围、气体纯度、杂质含量和功率变化率输出交叉渗透风险值；

44、所述温度梯度预测单元用于预测堆体温度梯度峰值；

45、所述电压离散度预测单元用于预测单体电压离散度峰值；

46、所述过渡氢产生量预测单元用于根据气体纯度变化、杂质含量变化和持续调节时间输出过渡质量氢气产生量。

47、进一步地，所述安全轨迹筛选模块包括：

48、内部安全筛选单元和容量匹配筛选单元；

49、所述内部安全筛选单元用于将压差峰值、液位波动范围、交叉渗透风险值、温度梯度峰值和单体电压离散度峰值分别与对应安全阈值比较，并剔除任一预测结果超出对应安全阈值的候选功率轨迹；

50、所述容量匹配筛选单元用于将内部安全筛选后的候选功率轨迹对应的过渡质量氢气产生量与过渡氢质量容量比较，并剔除过渡质量氢气产生量大于过渡氢质量容量的候选功率轨迹，得到安全候选功率轨迹集合。

51、进一步地，所述动态安全功率管廊构建模块包括：

52、轨迹集合边界提取单元、增减载边界确定单元、变化率边界确定单元和时间边界确定单元；

53、所述轨迹集合边界提取单元用于提取安全候选功率轨迹集合在调节方向、调节幅值、功率变化率和持续调节时间维度上的外边界；

54、所述增减载边界确定单元用于根据所述外边界确定最大增载功率和最大减载功率；

55、所述变化率边界确定单元用于根据所述外边界确定最大增载变化率和最大减载变化率；

56、所述时间边界确定单元用于根据所述外边界确定允许持续调节时间；

57、所述动态安全功率管廊由最大增载功率、最大减载功率、最大增载变化率、最大减载变化率和允许持续调节时间共同限定，并随过渡氢质量容量和电解槽运行状态更新。

58、进一步地，所述轨迹执行模块包括：

59、管廊匹配单元、目标轨迹确定单元和功率指令输出单元；

60、所述管廊匹配单元用于判断待平抑功率的调节方向、调节幅值、功率变化率和预计持续时间是否位于动态安全功率管廊内；

61、所述目标轨迹确定单元用于在待平抑功率位于动态安全功率管廊内时，从安全候选功率轨迹集合中确定目标功率轨迹，所述目标功率轨迹与待平抑功率的调节方向一致，并使调节幅值差值最小；

62、所述功率指令输出单元用于将目标功率轨迹转换为电源变换装置的功率调节指令，使电解槽按照目标功率轨迹调节耗电功率。

63、进一步地，所述过渡氢净化回流模块包括：

64、支路切换单元、过渡缓冲单元、净化处理单元和产品氢回流单元；

65、所述支路切换单元用于在目标功率轨迹执行期间，根据预测氢气纯度或实时氢气纯度判断氢气是否满足产品氢输出条件，并在不满足产品氢输出条件时切换至过渡氢缓冲支路；

66、所述过渡缓冲单元用于将切换后的氢气导入过渡氢缓冲罐，并记录氢气流量、纯度、杂质含量和暂存时间；

67、所述净化处理单元用于按照净化单元剩余处理能力对过渡氢进行净化；

68、所述产品氢回流单元用于在净化后氢气满足产品氢输出条件时将其并入产品氢输出支路；

69、所述平抑欠账补偿模块包括欠账量生成单元、补偿条件判断单元、缓变轨迹生成单元和闭环更新单元；

70、所述欠账量生成单元用于在待平抑功率超出动态安全功率管廊时，控制电解槽按照管廊边界执行允许调节部分，并将未执行部分转换为包含调节方向、能量值和补偿期限的平抑欠账量；

71、所述补偿条件判断单元用于判断过渡氢质量容量是否恢复至补偿需求容量，并判断电解槽运行状态是否满足压差安全条件、液位安全条件、温度梯度安全条件、单体电压离散度安全条件和气体纯度安全条件；

72、所述缓变轨迹生成单元用于在补偿条件满足时生成缓变功率轨迹，并控制电解槽按照缓变功率轨迹补偿平抑欠账量；

73、所述闭环更新单元用于在补偿过程中更新过渡氢质量容量、电解槽运行状态和动态安全功率管廊，并将更新结果反馈至轨迹执行模块。

74、本发明的有益效果在于：

75、1、本发明在下发电解槽功率调节指令前，同时获取电网待平抑功率、电解槽运行状态和过渡氢处理能力，避免仅依据电网功率偏差直接实施增载或减载，使电网调节需求与电解槽实际安全能力相匹配。

76、2、本发明针对不同调节幅值、功率变化率、持续时间和功率反转特征生成候选功率轨迹，并分别预测氢氧侧压差、气液分离器液位、交叉渗透风险、温度梯度、单体电压离散度和过渡质量氢气产生量，可在执行前识别快速升降载产生的内部安全风险。

77、3、本发明根据过渡氢缓冲罐剩余容积、罐内压力、净化单元剩余处理能力、允许暂存时间和后续稳定制氢时段确定过渡氢质量容量，并将其作为第二层轨迹筛选条件，使功率调节边界同时受设备安全和氢气质量处理能力约束。

78、4、本发明由安全候选功率轨迹集合的外边界构建动态安全功率管廊，使最大增载功率、最大减载功率、功率变化率及持续调节时间随电解槽运行状态和过渡氢质量容量动态更新，相较固定功率限值能够提高可调能力利用率。

79、5、本发明在待平抑功率超出动态安全功率管廊时，仅执行管廊内允许调节部分，并将未执行部分转换为具有调节方向、能量值和补偿期限的平抑欠账量；在安全条件恢复后采用缓变功率轨迹补偿，从而兼顾即时安全和后续平抑完整性。