[發明專利]風電-制氫并網發電系統的控制方法

有效

• 申請號: 201410369925.3
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104113084A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 孔令國;蔡國偉;劉闖;楊德友;劉士利;潘超;劉鋮;黃南天;徐昂翾;陳沖;彭龍
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

1.一種風電-制氫并網發電系統的控制方法，其特征是，它包括以下步驟：

1)建立基于雙饋感應發電機的風電機組模型

風電機組空氣動力學數學模型為：

PM=ρairCp(λ,β)πR2Vw3/2---(1)]]>

其中：P_M為風輪機捕獲的風能轉化成風電機組的機械功率，ρ_air為風電接入點的空氣密度，C_p為葉片的風能轉換效率系數，是風輪機葉尖速比和槳距控制角的函數，λ為風輪機的葉尖速比，β為風電機組的槳距控制角，π為圓周率，一般取3.1415926，R為風輪機葉輪半徑，V_w為風電接入點的時時風速；

風輪機與發電機的兩質塊軸系數學模型方程為：

2HTdωT/dt=TM-KSθS-DTωT2HGdωG/dt=KSθS-TE-DGωGdθS/dt=ω0(ωT-ωG)---(2)]]>

其中：H_T為風輪機的慣性常數，ω_T為風輪機的電角速度，T_M為風輪機的機械轉矩，K_S為風輪機和發電機軸的剛度系數，θ_S為兩質塊之間相對角位移，D_T為風輪機轉子阻尼系數，H_G為發電機的慣性常數，ω_G為感應發電機的電角速度，T_E為發電機的電磁轉矩，D_G為發電機轉子阻尼系數，ω₀為電網的同步角速度，dω_T/dt為風輪機角速度對時間的導數，dω_G/dt為感應發電機電角速度對時間的導數，dθ_S/dt為兩質塊之間相對角位移對時間的導數；

同步旋轉坐標系下雙饋感應發電機的電壓方程為：

usd=dψsd/dt-ωsψsq+Rsisdusq=dψsq/dt-ωsψsd+Rsisqurd=dψrd/dt-sωsψrq+Rrirdurq=dψrq/dt-sωsψrd+Rrirq---(3)]]>

磁鏈方程為

ψsd=Lsisd+Lmirdψsq=Lsisq+Lmirqψrd=Lrird+Lmisdψrq=Lrirq+Lmisq---(4)]]>

其中：u_sd與u_sq分別為發電機定子d軸和q軸繞組電壓，u_rd與u_rq分別為發電機轉子d軸和q軸繞組電壓，ψ_sd與ψ_sq分別為發電機定子d軸和q軸繞組磁鏈，ψ_rd與ψ_rq分別為發電機轉子d軸和q軸繞組磁鏈，i_sd與i_sq分別為發電機定子d軸和q軸繞組電流，i_rd與i_rq分別為發電機轉子d軸和q軸繞組電流，ω_s為坐標系旋轉角速度，R_s為發電機定子繞組的電阻，R_r為發電機轉子繞組的電阻，s為發電機的滑差率，L_s為發電機定子繞組的自感抗，L_r為發電機轉子繞組的自感抗，L_m為發電機轉子與定子繞組之間的互感抗，dψ_sd/dt與dψ_sq/dt分別為發電機定子d軸和q軸繞組磁鏈對時間的導數，dψ_rd/dt與dψ_rq/dt分別為發電機轉子d軸和q軸繞組磁鏈對時間的導數；

發電機定子電壓矢量方向設定為d軸，故發電機定子d軸繞組電壓等于發電機定子電壓矢量，發電機定子q軸繞組電壓等于0，因此，雙饋感應發電機輸出的有功功率與無功功率為：

Ps=-3UsLmird/(2Ls)Qs=3(Us2/ωsLs+UsLmirq/Ls)/2---(5)]]>

其中：P_s與Q_s分別為雙饋感應發電機輸出的有功功率與無功功率，U_s為發電機定子電壓矢量，L_m為發電機轉子與定子繞組之間的互感抗，i_rd與i_rq分別為發電機轉子d軸和q軸繞組電流，L_s為發電機定子繞組的自感抗，ω_s為坐標系旋轉角速度；

2)建立電解槽模型

電解槽陽極和陰極電極反應為：

其中：H₂O為水，O₂為氧氣，H₂為氫氣，H⁺為氫離子，e為電子；

陽極平衡方程式為

dNO2dt=NO2ina-NO2outa+NO2gendNH2Oadt=NH2Oina-NH2Oouta-NH2Omem---(7)]]>

其中：與分別為陽極氧氣和水的摩爾量，與分別為陽極流入和流出氧氣的摩爾流速，與分別為陽極流入和流出水的摩爾流速，為陽極產生的氧氣的流速，為電遷移與擴散流速，與分別為陽極氧氣和水的摩爾流速；

陰極平衡方程式為：

dNH2dt=NH2inc-NH2outc+NH2gendNH2Ocdt=NH2Oinc-NH2Ooutc-NH2Omem---(8)]]>

其中：NH2與NH2Oc分別為陰極氫氣和水的摩爾量，與分別為陰極流入和流出氧氣的摩爾流速，與分別為陰極流入和流出水的摩爾流速，為陰極產生的氫氣的流速，為電遷移與擴散流速，與分別為陰極氫氣和水的摩爾流速；

電解槽整體電壓為：

Vele=Eele+Veleact+Veleohm---(9)]]>

式中

Eele=12F(ΔGele+RTele[ln(ρH2eleρO2eleαH2Oele))Veleact=RTele2βFln(I‾eleI‾ele0)Veleohm=I‾eleReleohm---(10)]]>

其中：V_ele為電解槽整體電壓，E_ele為開路電壓，為活化極化電壓，為歐姆極化電壓，F為法拉第常數，ΔG_ele為電化學反應過程的Gibbs自由能變，R為氣體常數，T_ele為電解槽溫度，為陰極氫氣分壓，為陽極氧氣分壓，為陽極和電解質之間的水活度，β為傳遞系數，為電流密度，為交換電流密度，為膜電阻；

3)對并網發電系統的控制

風電場標準差功率為：

PW-δ=∫t-Tt(PW-PW-ESM)2dtT---(11)]]>

其中：P_W-δ為風電場標準差功率，P_W為風電場輸出功率，P_W-ESM為經指數平滑法預測出的風電場輸出較平穩的功率，T為時間間隔；

并網發電系統參考功率為：

P_REF＝P_W-ESM-P_W-δ???(12)

其中：P_REF為并網發電系統上網參考功率，P_W-ESM為經指數平滑法預測出的風電場輸出較平穩的功率，P_W-δ為風電場標準差功率；

電解槽消耗功率為：

P_C＝P_W-P_REF???(13)

其中：P_C為電解槽消耗的功率，P_W為風電場輸出功率，P_REF為并網發電系統上網參考功率；

應用“先進先出”算法，進行電解槽優化控制，具體流程為：

(A)初始化電解槽開關序號、AELN和LAEL，

(B)TELN大于AELN進入(C)，否則進入(I)，

(C)電解槽開關打開和電解槽打開次數小于電解槽持續打開最大次數，進入(D)，否則進入(E)，

(D)電解槽打開次數等于上時刻電解槽打開的次數加1，進入(E)，

(E)該電解槽序號達到最大，進入(F)，否則判斷下一個電解槽返回(C)，

(F)LAEL的下一個電解槽開關是關閉的，進入(G)，否則進入(H)，

(G)將電解槽開關置于開狀態將電解槽打開的次數置本時刻AELN，本時刻AELN等于上時刻AELN加本時刻LAEL，并且等于當前電解槽的序號，進入(H)，

(H)AELN達到TELN，結束，否則判斷下一個電解槽返回(F)，

(I)尋找打開次數最大的電解槽，進入(J)，

(J)該電解槽打開的次數達到電解槽持續打開的最大次數，進入(K)，否則進入(M)，

(K)將電解槽開關置于關狀態，將電解槽的打開次數歸零AELN等于AELN減1，進入(L)，

(M)該電解槽序號達到最大，進入(N)，否則判斷下一個電解槽返回(J)，

(N)電解槽已打開最大次數等于電解槽已打開最大次數減1，進入(O)，

(O)AELN達到TELN，結束，否則判斷下一個電解槽返回(J)，

其中：AELN為某一時刻已經激活的電解槽個數，LAEL為上一次打開的電解槽的序號，TELN為制氫裝置中需要安裝的電解槽個數。