[發明專利]自適應氫負荷波動的新能源制氫系統協調控制方法

在審

• 申請號: 202211043879.9
• 申請日: 2022-08-29
• 公開（公告）號: CN115313380A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 張瀟桐;劉志力;袁鐵江;苗帥;李家玨;戈陽陽;董鶴楠;孫廣宇;馬欣彤;姚紅雨;譚捷;付堯
• 申請（專利權）人: 國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院;大連理工大學;國家電網有限公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/14;H02J3/28;H02J15/00;G06Q10/06;G06F17/11
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明涉及自適應氫負荷波動的新能源制氫系統協調控制方法，包括：步驟S1：確定新能源制氫系統結構，建立釩液流電池、電解槽及儲氫罐的等效模型；步驟S2：構建差分形式的狀態方程，將方程轉化為矩陣形式，通過狀態空間表達式直接導出預測模型；步驟S3：構建目標函數，設定約束條件，建立氫能系統運行優化的數學模型；步驟S4：初始化系統，并基于模型預測控制對目標函數進行最小化尋優，提出系統協調控制方法；步驟S5：驗證分析算例，通過改變參數分析系統控制性能和系統魯棒性，得到最佳控制性能的新能源制氫系統協調控制方法。本發明提供的方法能夠自適應氫負荷波動，利用模型預測控制求解新能源制氫系統最優控制方法。

技術領域

本發明涉及新能源制氫系統協調控制領域，具體涉及自適應氫負荷波動的新能源制氫系統協調控制方法。

背景技術

隨著“雙碳”目標的提出，低碳清潔的氫能由于其碳排放低等優點，已成為實現碳中和路徑的重要手段，加速驅動氫能系統的大規模應用。新能源制氫系統通過新能源發電制取氫氣，以達到提高新能源利用率、滿足系統設計的氫負荷需求和電網負荷需求的目的。

對于新能源制氫系統，首先電解槽控制應安全可靠地應對新能源出力波動并追蹤新能源最大功率工作點，其次需要考慮功率協調的問題以提高電力系統供電可靠性。除此之外還需考慮電解制氫的效率、技術經濟問題以及氫負荷的波動等因素。

隨著氫能需求迅猛增長，能源系統的結構和用途也會發生很大變化，氫負荷波動帶來的不確定性對能源系統安全經濟運行的影響不容忽視。不同于電力系統有功調頻的全局響應，氫負荷波動不確定將會造成電解槽的工作點發生大幅度改變，局部電解槽工況的惡化將會造成電解槽的過載和停機，影響到電解槽的使用壽命，危及到儲氣罐的安全和氫能供給的可靠性，并且大規模電解槽啟停造成的功率沖擊也威脅到電力系統的安全穩定。近年來，許多學者進行有關功率協調控制以及經濟調度的研究，但適應氫負荷波動的新能源制氫系統的優化控制亟需解決。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種自適應氫負荷波動的新能源制氫系統協調控制方法，其適用于氫負荷波動場景下，基于模型預測控制原理，將氫負荷流速、新能源實際最大出力以及電解槽啟停狀態等作為系統不確定性干擾，通過模型預測方法實現釩液流電池SOC、儲氫罐氣壓、電網負荷的實時跟蹤。本發明通過模型預測方法以最佳的工作狀態和最小的功率調節量滿足氫負荷需求，優化電池和電解槽的工作狀態，減少電解槽停機時間。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

自適應氫負荷波動的新能源制氫系統協調控制方法，包括：

步驟S1：確定新能源制氫系統結構，建立釩液流電池等效模型、電解槽模型及儲氫罐模型；

步驟S2：通過氫能系統的動態模型構建差分形式的狀態方程，建立新能源制氫系統的模型，將方程轉化為矩陣形式，通過狀態空間表達式直接導出預測模型；

步驟S3：確定氫能系統的控制目標，確定參數取值和參考軌跡，設定約束條件，構建目標函數，建立氫能系統運行優化的數學模型；

步驟S4：初始化參考軌跡和系統變量，并基于模型預測控制對目標函數進行最小化尋優，修改輸入擾動變量，提出迭代控制各個電解槽狀態的新能源制氫系統協調控制方法；

步驟S5：驗證分析算例，改變輸出變量權重因子、控制變量變化增量權重因子以及參考時域等參數，分析系統控制性能的變化和系統的魯棒性，得到最佳控制性能的新能源制氫系統協調控制方法。

進一步地，所述步驟S1具體包括：

步驟S11：確定新能源制氫系統結構，所述新能源制氫系統結構包括新能源電源、外接電網、釩液流電池、電解槽、儲氫罐和氫負荷；

步驟S12：建立新能源制氫系統的動態模型，其中釩液流電池動態等效模型如公式(1)所示：