一种数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法及装置与流程

本发明涉及氢能与电力系统耦合控制，特别是涉及一种数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法及装置。

背景技术：

1、光伏发电制氢系统通过将光伏出力用于电解水制氢，可有效解决可再生能源消纳问题并生产绿氢。制氢系统的经济调度是指在满足安全运行约束的前提下，合理安排电解槽在各时段的运行功率，以最大化氢气收益或最小化运行成本。

2、目前，光伏制氢经济调度领域已有较多研究。常见的技术路线包括：建立电解槽的电氢转换效率模型，结合光伏出力预测，采用模型预测控制或启发式优化算法（如粒子群、遗传算法）求解最优功率分配序列。在建模方面，多数方法将电解槽的效率近似为常数，或仅根据负载率查表得到静态效率曲线。目标函数通常包含设备投资、运维消耗和氢气销售收益，部分研究也考虑了启停惩罚。约束条件一般包括电解槽的额定功率范围、爬坡速率等。

3、然而，上述现有技术在工程实际应用中仍存在以下问题：

4、电解槽在长期运行过程中会因电极腐蚀、膜退化等原因发生性能衰减，导致单位电耗的产氢率逐渐下降。现有调度方法大多忽略这一时变特性，采用固定或静态的效率模型。这使得优化的调度方案在全生命周期内偏离实际工况，前期可能过度使用电解槽导致后期收益下降，经济性评估失真。

5、第二，现有调度策略多为开环离线优化，即在日前根据预测数据计算出一个调度计划并执行，缺少基于实测数据的闭环修正机制。当实际光伏出力与预测偏差较大或电解槽性能变化超出预期时，离线计划无法实时调整，鲁棒性较差，易导致功率分配失衡或资源浪费。

6、第三，电解槽在低负载运行时存在气体纯度安全风险。当运行功率过低时，氧中氢杂质浓度可能快速上升，一旦超过安全极限即面临爆炸危险。同时，频繁的大幅功率波动会加速电解槽衰减。现有优化模型往往仅设置固定的功率下限，未将低负载下的纯度边界和自适应保护规则转化为可量化的硬性约束，导致优化结果在实际运行时可能触碰安全红线。

7、第四，数字孪生技术在能源系统中的应用尚处于起步阶段，现有研究多将其用于单一设备的实时监测，缺乏将物理衰减模型、经济评价模型与安全约束模型深度耦合的统一框架。各模型参数相互孤立，难以在经济调度中实现数据共享与协同优化。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法及装置，通过将电解槽性能衰减成本纳入优化目标，并以边际收益与衰减成本的比值引导功率分配，避免为追求短期收益而过度损耗设备，有效延缓电解槽老化，降低全周期运行成本。

2、本发明提供了一种数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法，所述方法包括：

3、根据制氢系统物理结构与电解槽性能衰减数据，建立数字孪生虚拟映射并输出孪生数据接口参数；

4、结合设备投资、运维消耗、衰减成本与氢气收益数据，将所述孪生数据接口参数代入经济评价计算，得到全周期成本函数与收益函数；并根据所述成本函数与收益函数确定第一组合，所述第一组合为单位调度时段内边际收益与衰减成本的比值序列；

5、将制氢安全运行约束及低负载自适应控制规则转换为功率上下限与纯度边界的调度硬性限制条件集；

6、输入光伏时序出力数据至所述数字孪生虚拟映射，以所述调度硬性限制条件集为边界进行仿真推演，得到状态预测序列；并根据所述状态预测序列与所述调度硬性限制条件集确定第二组合，所述第二组合为各时段功率调节量与纯度裕度之间的关联参数集；

7、以经济收益最优为目标，结合所述状态预测序列、所述第一组合以及所述第二组合，计算出长时序全局运行下的调度方案表；

8、将所述调度方案表下发至物理系统，采集实测数据后，根据实测数据迭代更新所述数字孪生虚拟映射的参数以及经济评价计算中的系数。

9、在一个实施例中，所述根据制氢系统物理结构与电解槽性能衰减数据，建立数字孪生虚拟映射并输出孪生数据接口参数，包括：

10、采集制氢系统的几何尺寸、电压电流曲线、温度压力范围及衰减数据；

11、将衰减数据按运行时段分组，取每组的中位数作为该时段衰减值；

12、将中位数衰减值与其他数据对齐后存储为映射表，输出电解槽效率、衰减因子、产氢率预测值。

13、在一个实施例中，所述结合设备投资、运维消耗、衰减成本与氢气收益数据，将所述孪生数据接口参数代入经济评价计算，得到全周期成本函数与收益函数；并根据所述成本函数与收益函数确定第一组合，包括：

14、计算每个调度时段的边际收益与衰减成本的比值，得到原始比值序列；

15、将原始比值序列进行前后时段差值比较，若差值超过前一时段比值的设定百分比，则用前后两时段的平均比值替换当前值；

16、将修正后的比值按时序排列，得到第一组合。

17、在一个实施例中，所述将制氢安全运行约束及低负载自适应控制规则转换为功率上下限与纯度边界的调度硬性限制条件集，包括：

18、提取电解槽最小功率、最大功率、氢气纯度下限、氧气纯度下限；

19、根据前一时段的电解槽累积衰减量，动态调整当前时段的最小功率下限；

20、将动态调整后的功率上下限与纯度边界合并为限制条件集。

21、在一个实施例中，所述输入光伏时序出力数据至所述数字孪生虚拟映射，以所述调度硬性限制条件集为边界进行仿真推演，得到状态预测序列；并根据所述状态预测序列与所述调度硬性限制条件集确定第二组合，包括：

22、将光伏出力逐时段代入虚拟映射，得到每个时段的运行功率、产氢量、氢气纯度、累积衰减量；

23、计算每个时段功率调节量，并判断纯度裕度是否低于设定第一阈值；若低于，则将该时段标记为裕度告警；

24、将功率调节量、纯度裕度及告警标记共同存储为第二组合。

25、在一个实施例中，所述以经济收益最优为目标，结合所述状态预测序列、所述第一组合以及所述第二组合，计算出长时序全局运行下的调度方案表，包括：

26、以总收益最大为目标，按第一组合中比值从高到低排序，优先为高比值时段分配功率；

27、若高比值时段在第二组合中被标记为裕度告警，则将其优先级降低至最低，并向后顺延安排；

28、逐时段确定功率分配，直到所有时段分配完毕，输出调度方案表。

29、在一个实施例中，所述将所述调度方案表下发至物理系统，采集实测数据后，根据实测数据迭代更新所述数字孪生虚拟映射的参数以及经济评价计算中的系数，包括：

30、计算实测功率与预测功率的差值，以及实测产氢量与预测产氢量的差值；

31、若功率差值超过设定第二阈值且产氢量差值超过设定第三阈值，则用实测值直接替换虚拟映射中对应时段的效率值和衰减值；

32、若任一差值未超阈值，则用前次值与实测值的加权平均进行修正；同时按同样规则修正经济计算中的成本系数。

33、本发明还提供了一种数字孪生驱动的光伏制氢经济调度装置，应用于上述任一项实施例所述的数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法，所述装置包括：

34、构建模块，用于根据制氢系统物理结构与电解槽性能衰减数据，建立数字孪生虚拟映射并输出孪生数据接口参数；

35、第一生成模块，用于结合设备投资、运维消耗、衰减成本与氢气收益数据，将所述孪生数据接口参数代入经济评价计算，得到全周期成本函数与收益函数；并根据所述成本函数与收益函数确定第一组合，所述第一组合为单位调度时段内边际收益与衰减成本的比值序列；

36、转换模块，用于将制氢安全运行约束及低负载自适应控制规则转换为功率上下限与纯度边界的调度硬性限制条件集；

37、第二生成模块，用于输入光伏时序出力数据至所述数字孪生虚拟映射，以所述调度硬性限制条件集为边界进行仿真推演，得到状态预测序列；并根据所述状态预测序列与所述调度硬性限制条件集确定第二组合，所述第二组合为各时段功率调节量与纯度裕度之间的关联参数集；

38、优化模块，用于以经济收益最优为目标，结合所述状态预测序列、所述第一组合以及所述第二组合，计算出长时序全局运行下的调度方案表；

39、更新模块，用于将所述调度方案表下发至物理系统，采集实测数据后，根据实测数据迭代更新所述数字孪生虚拟映射的参数以及经济评价计算中的系数。

40、本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述的数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法。

41、本发明还提供了一种计算机存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法。

42、本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法。

43、上述数字孪生驱动的光伏制氢经济调度方法及装置，通过将电解槽性能衰减成本纳入优化目标，并以边际收益与衰减成本的比值引导功率分配，避免为追求短期收益而过度损耗设备，有效延缓电解槽老化，降低全周期运行成本。

44、将低负载运行下的气体纯度边界及动态最小功率下限转化为硬性约束条件，并在优化中主动规避告警时段，消除因氧中氢超标导致的爆炸风险，提高调度方案的工程可行性。

45、利用实测数据对孪生模型参数和经济系数进行加权修正或直接替换，持续提升预测精度与调度质量，降低因模型失配造成的资源浪费和经济损失。

46、无需高精度光伏出力预测，通过第一、第二组合的协同调度机制，在预测存在误差时仍能给出次优可行方案，增强系统对光照波动的适应性。