一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法与流程

1.本发明涉及电力领域，尤其是一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法。


背景技术：

2.面对化石能源带来的各种环境问题，氢能作为新能源的一种，在全球资源中总体含量高，并且具有单位热值较高，密度小，利用后的产物清洁无污染等诸多优势，能够帮助充分利用可再生能源出力，解决电力能源消纳与储存问题，能助力国家能源安全与碳中和目标的实现。目前，为了充分消纳可再生能源，随着氢氧燃料电池，氢燃气轮机等以氢为基础电源的发展，集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统在电网中的比例逐渐提高。
3.图1描述了一种典型的集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的等效结构图，其中交流系统1,交流系统2,
…
,交流系统n等通过vsc1,vsc2,
…
,vscn等换流站连接到直流母线。风电系统通过ac/dc整流器接入直流母线，光伏系统通过dc/dc变换器接入直流母线，储能设备通过dc/dc变换器接入直流母线，制氢系统通过dc/dc变换器接入直流母线。其中制氢系统由电解槽1,电解槽2,
…
,电解槽n构成。
4.电解槽工作特性比较特殊，刚开始启动时，工作电流主要用于提升电解槽温度，需要将电解液加热到一定温度才能开始产生氢气，这造成了低功率下电解槽的工作效率较低。由于电解槽的内部特性，电解槽的运行功率不能低于某一限额，否则氢气和氧气混合可能达到爆炸的浓度极限。与此同时，光伏、风电机组的有功出力具有间歇性，波动性等特点，这造成了功率一定程度下的不可预测性。因此，制氢系统需要兼顾安全性，高效性和精确性，这给集成可再生能源的制氢系统控制方法提出了更高的要求。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法，能够在保证制氢系统在电解槽安全运行范围内的同时，尽可能减少电解槽低功率工况，提高氢气制备效率。
6.本发明的技术方案为：一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法，包括如下步骤：
7.步骤一：读取集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的运行信息，并作为步骤二、步骤三的输入，所述运行信息包括光伏、风电机组，储能系统以及制氢系统的功率，制氢系统的氢气产出体积，以及投入运行的电解槽数量等数据的历史信息与当前信息；
8.步骤二：确定电解槽最佳工作范围，根据步骤一中得到的制氢系统历史运行信息和先验知识，得出制氢系统功率和氢气产出关系，确定电解槽运行效率的最佳功率范围；
9.步骤三：预测制氢系统下一时刻最大功率，根据步骤一中得到的风电、光伏系统的历史运行信息，拟合出制氢系统功率的预测函数，综合储能系统的当前状态，得到制氢系统下一时刻最大功率预测值；
10.步骤四：根据制氢系统的下一时刻预测功率与当前运行状态，确定电解槽和储能
系统控制策略，具体的，根据步骤三中得到的制氢系统下一时刻预测值最大功率预测值和当前运行电解槽数量，确定是否增加或减少投入运行的电解槽数量，和储能系统的功率。
11.进一步的，步骤一：读取集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的运行信息，具体包括：
12.由集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的信息管理系统读取各系统的历史与当前运行信息，运行信息包括光伏机组的功率p
pv
、风电机组的功率p
wind
、储能系统功率p
s
以及制氢系统的功率p
h
，制氢系统的氢气产出体积v
h
，以及当前投入运行的电解槽数量k数据。
13.进一步的，步骤二：确定电解槽最佳工作范围，具体包括：
14.根据步骤一中得到的制氢系统的功率p
h
，制氢系统的氢气产出体积v
h
，通过数据拟合，得到氢气出力与功率关系，结合安全运行的先验知识，得出单个电解槽的功率p
el
满足：
15.p
min
<p
el
<p
max
(1)
16.其中p
el
为单个电解槽的功率，p
min
为电解槽的最小输入功率，p
max
为电解槽的最大输入功率。
17.进一步的，步骤三：预测制氢系统下一时刻最大功率，具体包括：
18.根据步骤一中得到的光伏机组的功率p
pv
、风电机组的功率p
wind
的一组历史运行信息p1，p2，
…
，p
n
，拟合出制氢系统功率的预测函数f(p1,p2,
…
,p
n
)，得到制氢系统下一时刻最大功率预测值
19.进一步的，步骤四：确定电解槽和储能系统控制策略，具体包括：
20.根据步骤三中得到的制氢系统下一时刻最大功率预测值与当前运行功率p
t
，综合步骤一中得到的当前投入运行的电解槽数量k，制定电解槽和储能系统控制策略，具体来说：
21.比较与p
t
，如果执行步骤a，通过比较与kp
max
大小，进一步确定电解槽和储能系统控制策略；如果执行步骤b，通过比较与(k
‑
1)p
max
大小，进一步确定电解槽和储能系统控制策略。
22.进一步的，步骤a，通过比较与kp
max
大小，进一步确定电解槽和储能系统控制策略，具体如下：
23.a、当比较与kp
max
大小：
24.(1)若
25.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为增加的功率由每个电解槽消纳，储能系统功率p
s
为0；
26.(2)若且
27.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率p
el
为p
max
，储能系统功率p
s
为
28.(3)若且
29.则将当前投入运行的电解槽数量k增加为k 1，则已投入运行的k台电解槽功率为p
el1
＝p
el2
＝
…
＝p
elk
＝p
max
，新投入运行的电解槽功率p
elk 1
为储能系统功率p
s
为0；
30.(4)若且
31.则将当前投入运行的电解槽数量k增加为k 1，重复上述(2)、(3)、(4)过程。
32.进一步的，所述步骤b，通过比较与(k
‑
1)pmax大小，进一步确定电解槽和储能系统控制策略，具体如下：
33.b、当比较与(k
‑
1)pmax大小：
34.(1)若且
35.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为单个电解槽的功率p
el
未越限，减少的功率由每个电解槽承担，储能系统功率p
s
为0；
36.(2)若且
37.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为p
el1
＝p
el2
＝
…
＝p
elk
‑1＝p
max
，储能系统功率p
s
为
38.(3)若且
39.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为1，每个电解槽的功率为储能系统功率p
s
为0；
40.(4)若且
41.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为p
max
，储能系统功率p
s
为
42.(5)若且
43.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，重复上述(3)、(4)、(5)过程。
44.有益效果：
45.本发明提出了一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法，能够在保证制氢系统在电解槽安全运行范围内的同时，尽可能减少电解槽低功率工况，提高氢气制备效率。这对提升可再生能源高效利用和减少制氢成本具有重大意义，能够为氢能源事业提供良好支撑，为国家实现碳中和目标助力。
附图说明
46.图1为集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统；
47.图2为本发明一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法流程图。
具体实施方式
48.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
49.根据本发明的实施例，提出一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法，包括如下步骤：
50.步骤一：读取集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的运行信息，并作为步骤二、步骤三的输入。所述运行信息包括光伏、风电机组，储能系统以及制氢系统的功率，制氢系统的氢气产出体积，以及投入运行的电解槽数量等数据的历史信息与当前信息。
51.步骤二：确定电解槽最佳工作范围。根据步骤一中得到的制氢系统历史运行信息和先验知识，得出制氢系统功率和氢气产出关系，确定电解槽高效运行的最佳功率范围。
52.步骤三：预测制氢系统下一时刻最大功率。根据步骤一中得到的风电、光伏系统的历史运行信息，拟合出制氢系统功率的预测函数，综合储能系统的当前状态，得到制氢系统下一时刻最大功率预测值。
53.步骤四：根据制氢系统的下一时刻预测功率与当前运行状态，确定电解槽和储能系统控制策略。根据步骤三中得到的制氢系统下一时刻预测值最大功率预测值和当前运行电解槽数量，确定是否增加或减少投入运行的电解槽数量，和储能系统的功率。
54.具体的，各步骤详细如下：
55.步骤一：读取集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的运行信息。
56.由集成制氢设备的多端交直流可再生能源系统的信息管理系统读取各系统的历史与当前运行信息，运行信息包括光伏机组的功率p
pv
、风电机组的功率p
wind
、储能系统功率p
s
以及制氢系统的功率p
h
，制氢系统的氢气产出体积v
h
，以及当前投入运行的电解槽数量k等数据。
57.步骤二：确定电解槽最佳工作范围
58.根据步骤一中得到的制氢系统的功率p
h
，制氢系统的氢气产出体积v
h
，通过数据拟合，得到氢气出力与功率关系，结合安全运行的先验知识，得出单个电解槽的功率p
el
满足：
59.p
min
<p
el
<p
max
(1)
60.其中p
el
为单个电解槽的功率，p
min
为电解槽的最小输入功率，p
max
为电解槽的最大输入功率。
61.步骤三：预测制氢系统下一时刻最大功率。
62.根据步骤一中得到的光伏机组的功率p
pv
、风电机组的功率p
wind
的一组历史运行信息p1，p2，
…
，p
n
，拟合出制氢系统功率的预测函数f(p1,p2,
…
,p
n
)，得到制氢系统下一时刻最大功率预测值
63.步骤四：确定电解槽和储能系统控制策略。
64.根据步骤三中得到的制氢系统下一时刻最大功率预测值与当前运行功率p
t
,
综合步骤一中得到的当前投入运行的电解槽数量k，制定电解槽和储能系统控制策略。具体来说：
65.比较与p
t
，如果执行步骤a，如果执行步骤b；
66.a、当
67.比较与kp
max
大小，
68.(1)若
69.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为增加的功率由每个电解槽消纳，储能系统功率p
s
为0。
70.(2)若且
71.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率p
el
为p
max
，储能系统功率p
s
为
72.(3)若且
73.则将当前投入运行的电解槽数量k增加为k 1，则已投入运行的k台电解槽功率为p
el1
＝p
el2
＝
…
＝p
elk
＝p
max
，新投入运行的电解槽功率p
elk 1
为储能系统功率p
s
为0。
74.(4)若且
75.则将当前投入运行的电解槽数量k增加为k 1，重复上述(2)、(3)、(4)过程，直到满足条件为止。
76.b、当
77.比较与(k
‑
1)p
max
大小，
78.(1)若且
79.则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为则当前投入运行的电解槽数量保持为k不变，每个电解槽的功率为单个电解槽的功率p
el
未越限，减少的功率由每个电解槽承担，储能系统功率p
s
为0；
80.(2)若且
81.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为p
el1
＝p
el2
＝
…
＝p
elk
‑1＝p
max
，储能系统功率p
s
为
82.(3)若且
83.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为1，每个电解槽的功率为储能系统功率p
s
为0；
84.(4)若且
85.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，每个电解槽的功率为p
max
，储能系统功率p
s
为
86.(5)若且
87.则将当前投入运行的电解槽数量k减少为k
‑
1，重复上述(3)、(4)、(5)过程，直到满足条件为止。
88.综上，本发明提出了一种基于功率模型预测的制氢系统控制方法，能够在保证制氢系统在电解槽安全运行范围内的同时，尽可能减少电解槽低功率工况，提高氢气制备效率。这对提升可再生能源高效利用和减少制氢成本具有重大意义，能够为氢能源事业提供良好支撑，为国家实现碳中和目标助力。
89.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。