技术领域
[0001] 本发明属于可再生能源电解制氢系统优化运行控制技术领域，特别是涉及一种离网光伏‑PEM电解槽阵列制氢系统的协调运行控制方法。
相关背景技术
[0002] 随着全球人口上升，人类活动在全球范围内的增加，使得能源消耗激增。根据国际能源机构的预测，到2030年，全球能源需求将增加50％，但是目前这一庞大的能源需求还主要是通过化石燃料来满足。化石燃料的使用会导致大量污染物质和温室气体的排放，从而造成环境污染和加剧全球变暖。具有绿色无污染、可长期存储、应用场景丰富等优点的氢能是各国应对全球气候变化、保障能源安全和实现经济社会高质量发展的战略选择。而可再生能源绿色制氢是应对目前环境污染和全球变暖的有效方式。电解水制氢具有工艺成熟、设备简单、无污染、制氢纯度高、杂质少等优点，但电能消耗大，制氢成本高。如果能将可再生能源发电产生的电能通过电解水充分利用于制氢，既能降低制氢成本，又能降低制氢过程排放造成的环境污染。
[0003] 电解槽作为可再生能源电解制氢的核心设备，分为碱性电解槽，固体氧化物电解槽和PEM电解槽。其中，固体氧化物电解槽技术尚未成熟，商业化程度较低。碱性电解槽虽然具有低成本，技术成熟完善的优点，但存在动态调节性差，效率低等问题。PEM电解槽的动态响应快，调节范围宽，效率高，在可再生能源电解制氢系统中得到了广泛应用。大规模制氢工程应用中一般需要多个单体电解槽并联，形成电解槽阵列。但传统的电解槽阵列在波动功率工况下存在动态调节性差、效率低和寿命短等不足。如何使电解槽阵列适应可再生能源发电的宽功率波动与随机性变化与如何使电解槽阵列长时间运行在高效状态已成为可再生能源制氢技术关注的焦点和热点。
[0004] 近几年，国内外学者针对不同应用场景，对可再生能源制氢系统优化调度与协调控制策略进行了深入研究。现有的可再生能源制氢系统的优化调度，大都以达到降低系统总运行成本、提高可再生能源吸收能力的目的的分配调度。但缺乏对系统实际运行状态的分析，没有考虑短时间尺度内可能存在的可再生能源大范围波动导致的发电功率和负载功率的不平衡。不能保证实际应用时系统的稳定性。可再生能源发电具有随机性和波动性，基于离网可再生能源供电的电解系统就需要面对输入功率变化的随机性和宽范围波动性。
[0005] 现有的可再生能源制氢系统协调控制策略，主要集中在吸收系统多余能量和平衡母线电压上。制氢装置的运行主要以平衡功率为主，忽略了制氢的效率。对单体电解槽来说最大功率运行与最大效率运行是一对矛盾，但对于PEM电解槽阵列来说，这是一个非常重要的问题。当前针对可再生能源与电解槽制氢系统的控制策略研究大多是从电解槽阵列整体的角度进行考虑和设计，并未从电解槽阵列各个单体出发来充分挖掘电解槽装置的特性。对于可再生能源供电的PEM电解阵列来说，大部分时间PEM电解阵列均工作在额定功率以下，这就涉及到输入总功率如何在电解阵列中各电解槽间的分配问题，这不仅决定了各电解槽的起停次数，更重要的是决定了电解阵列的整体效率，对提高电解阵列的产氢量与延长电解槽寿命具有重要作用。
具体实施方式
[0137] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0138] 以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
[0139] 实施例1
[0140] 如图1所示，本实施例提供一种离网光伏‑PEM电解槽阵列制氢系统的协调运行控制方法，该方法的具体步骤如下：
[0141] 步骤一：选取由额定发电容量为5MW的光伏发电装置，额定容量为2MW的储能电池3 3
和由1台200Nm/h的PEM电解槽和3台100Nm/h的PEM电解槽组成的离网光伏‑PEM电解槽阵列制氢系统进行分析1建立系统的状态空间模型并将其移动至工作点处，得到模型：
[0142]
[0143] 其中：
[0144]
[0145] 并且：
[0146]
[0147] 其中，Ip0、Vco0、Vca0、Vdc0、IL0、Sp0、Sv0、Sl0为工作点，i＝4；
[0148] 采用Takagi‑Sugeno(TS)多模型稳定性分析方法对模型进行线性化并精确表示；min max
将所有非线性项设置为其工作点值：fj(x) ＝fj(x) ＝f(0)，其中
[0149] 求解线性矩阵不等式
[0150]
[0151] 若线性矩阵不等式可行，则需调整 和 的取值来扩大[fj(x)min，fj(x)max]范围；
[0152] 若线性矩阵不等式不可行，则估计的吸引域由 和 界定，其轨迹为：
[0153]
[0154] 得到的电解槽在任意初始工作点处的吸引域的最大估计如图2所示，设置在初始工作点处同一类型电解槽工作状态相同；
[0155] 步骤二：对电解阵列每15min的运行状态和每分钟的最优功率分配进行优化；
[0156] 第一步优化：
[0157] 计及系统任意工作点附近的吸引域的最大估计结果以最大制氢收益为优化目标确定电解阵列的运行状态提出目标函数：
[0158]
[0159] 提出约束条件：
[0160] 系统能量平衡约束为：
[0161]
[0162] 其中， 对应光伏日前出力预测结果，如图3所示。
[0163] 电解槽工作范围约束为：
[0164]MIN MAX
[0165] P 、P 由 和 得到的系统状态变量最大变化范围得到。
[0166] 储能电池约束为：
[0167] Wbattery,t＝(1‑σsdr)Wbattery,t‑1+(Pbattery_in,t‑Pbattery_out,t)×Δt (11)[0168] Wbattery_N×SOCmin≤Wbattery,t≤Wbattery_N×SOCmax (12)
[0169] Pbattery_in,t≤Wbattery_N×RAmax×βc,t (13)
[0170] Pbattery‑out,t≤Wbattery_N×RAmax×βd，t (14)
[0171] 电解槽产氢约束为：
[0172] Ht＝α1Pm，t+α2Lm,t+α3Pn,t+α4Ln,t‑α5(Wm,t+Wn,t) (15)
[0173] Wm,t≤Im，t‑1 (16)
[0174] Wn,t≤In,t‑1 (17)
[0175] Wm,t≤Lm,t (18)
[0176] Wn，t≤Ln,t (19)
[0177] Wm,t≥Im，t‑1+Lm,t‑1 (20)
[0178] Wn,t≥In，t‑1+Ln，t‑1 (21)
[0179]
[0180] 基于所选取的两种PEM电解槽参数，建立PEM电解槽的功率产氢关系：
[0181] PEM电解槽的U‑I特性可由半经验模型表示：
[0182]
[0183] Vel＝Vcell×Ncells (32)
[0184] 根据法拉第第一定律：
[0185]
[0186] 在恒温恒压下电解槽的法拉第效率为：
[0187]
[0188] 电解槽消耗功率为：
[0189] Pel＝Vel·Iel (35)
[0190] 结合电解槽参数和式(31)～(35)构建输入功率与产氢关系的一阶近似拟合如图4所示，其表达式为
[0191] Hm＝206.2691Pm+8.009 (43)
[0192] Hn＝210.4507Pn+2.6703 (44)
[0193] 启停时间约束为：
[0194]
[0195]
[0196] 电解槽退化率平衡约束为：
[0197]
[0198] λi+1‑λi≤σ (27)
[0199] λi+1‑λ1≥‑σ (28)
[0200] 逻辑约束为：
[0201] Lm,t+Im，t＝1 (29)
[0202] Ln,t+In，t＝1 (30)
[0203]
[0204] 通过第一步优化对电解阵列每15分钟的运行状态进行确定，优化结果如图5所示，3 3
其中EL1为200Nm/h的PEM电解槽EL2，EL3，EL4为100Nm/h的PEM电解槽；
[0205] 第二步优化：
[0206] 基于第一步优化结果，结合电解槽的效率特性和系统任意工作点附近的吸引域的最大估计结果，以最大制氢能量为优化目标确定电解阵列每分钟的最优功率分配；
[0207] 本实施例中提到电解阵列每分钟的最优功率分配是指对基于1分钟时间尺度超短时光伏发电功率预测所获得的功率预测数据计算出的每1分钟时间段的平均光伏发电功率在电解阵列中进行分配；
[0208]
[0209] PEM电解槽的总能量需求为：
[0210] ΔH＝ΔG+TΔS(40)
[0211] 从能量平衡的角度定义PEM电解槽的能量效率为；
[0212]
[0213] 如果Qj＞TΔS，则由不可逆过程在电池内部产生的热量超过需求，PEM电解槽不需要外部热量；如果Qj＜TΔS，则需要外部热源为反应提供必要的热量；那么PEM电解槽的热平衡计算为：
[0214]
[0215] 结合式(40)～(42)得到电解槽效率曲线如图6所示，制氢效率随着电解槽输入功率的增加呈现先增加后减少的趋势，当输入功率标么值在0‑0.25区间时，电解槽制氢效率较高，但是制氢量少；考虑到电解槽制氢效率与制量等因素，选择电解槽输入功率标么值区间为0.25‑1为电解槽最优运行区间；对0.25‑1范围内进行线性拟合，电解槽效率表达式为：
[0216] ηel1＝‑0.1705Pel+0.8179 (45)
[0217] ηel2＝‑0.1866Pel+0.8375 (46)
[0218] 提出约束条件：
[0219] 能量平衡约束为：
[0220]
[0221] 电解槽最优运行区间约束为：
[0222] 0.25Pe≤Pel≤Pe (38)
[0223] 电解槽功率变化约束为：
[0224]
[0225] 步骤三：基于能量管理策略对电解阵列运行进行协调运行控制，如图7所示，对光伏发电功率、储能电池荷电状态(SOC)和储能电池充放电功率进行实时监控，当出现超出上述值设定工作范围对系统运行状态进行实时调整；
[0226] 基于以上步骤，本实施例选取了图1所示的功率数据中四个代表性场景对本发明所公开的一种离网光伏‑PEM电解槽阵列制氢系统的协调运行控制方法进行仿真验证；
[0227] 四个场景的光伏发电功率情况分别如图8‑11所示；
[0228] 场景一为储能电池SOC到达上限情况，仿真运行结果如图12所示；
[0229] 在590‑593分钟内，光伏的实际发电功率高于PEM电解阵列的额定功率。所有PEM电解槽都处于额定运行状态，储能电池吸收多余的能量，SOC增加；约593分钟时，储能电池SOC达到上限，电池停止充电，光伏切换到恒压模式，限制发电功率。直流母线电压稳定在1200V。直到大约594分钟，光伏发电的实际功率小于PEM电解阵列的运行功率。光伏切换回MPPT模式，储能电池开始放电，SOC下降到正常范围；
[0230] 场景二为储能电池充电功率达到上限情况，仿真运行结果如图13所示；
[0231] 在172分钟时，光伏发电功率迅速上升，大于PEM电解阵列在此期间的运行功率。储能电池充电功率不断提高，SOC上升速度显著加快。在大约172.75分钟，系统两侧的瞬时功率差达到储能电池充电功率的上限。此时，光伏切换到恒压模式，这限制了光伏的输出功率。直流母线电压稳定在1200V。储能电池的充电功率降低并保持缓慢充电。此时，光伏发电功率大约是PEM电解阵列消耗的功率与储能电池充电功率之和。在大约173分钟时，光伏的实际最大发电功率与PEM电解阵列的运行功率之差减小到正常范围，光伏切换回MPPT模式；
[0232] 场景三为储能电池SOC到达下限情况，仿真运行结果如图14所示；
[0233] 在510分钟到514.5分钟内，光伏的实际发电功率小于PEM电解阵列的运行功率。储能电池提供的能量不足，SOC处于下降状态。在大约514.5分钟时，SOC下降到下限，储能电池停止放电。此时，PEM电解阵列中分配功率最小的EL4被关闭，这样光伏发电功率就可以满足PEM电解阵列的运行。储能电池开始充电。大约在515分钟时，PEM电解阵列的功率分配情况更新，光伏发电功率足以满足所有PEM电解槽的运行。EL4重新启动并根据分配的最佳功率生产氢气；
[0234] 场景四为为储能电池放电功率达到上限情况，仿真运行结果如图15所示；
[0235] 在210‑211分钟，光伏发电功率过高，系统两侧功率差超过储能电池充电功率上限。光伏切换到恒压模式以限制功率输出，储能电池缓慢充电。211分钟后，光伏的实际最大发电功率在正常范围内，光伏切换到MPPT模式。光伏发电功率在214‑215分钟内急剧下降，大于PEM电解阵列在此期间的运行功率。储能电池的放电功率不断升高，SOC下降速度加快。在大约214.75分钟时，光伏发电功率与PEM电解阵列的运行功率相比太低，直流母线电压迅速下降，系统两侧的瞬时功率差达到电池放电功率的上限。此时，PEM电解阵列中分配功率最小的EL4被关闭，系统两侧的能量不平衡得到缓解。储能电池的放电功率下降到正常范围，直流母线电压回升。在大约215.25分钟时，光伏发电功率与PEM电解阵列消耗的功率之差减小到储能电池放电功率的正常范围。EL4重新启动并根据分配的最佳功率生产氢气。
[0236] 以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
[0237] 本发明未述及之处适用于现有技术。
