[发明专利]风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法

权利要求书

1.一种风电-氢储能与煤化工多能耦合系统气体分配控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于由风力发电系统、由制氢、储氢的等效充电环节和氢氧燃料电池等效放电环节组成的氢储能系统、煤化工系统，以及电网构成的风电-氢储能与煤化工多能耦合系统的实际运行情况，以气体产、耗过程动态平衡为原则，以灵活调整优先级顺序为主导思想，以风电消纳最大化为目标，以煤化工系统额定不间断运行、氢储能系统储能状态处于正常区间为约束，协调控制所述多能耦合系统内部气体的流向和流量，控制实现多能耦合系统内部气体合理分配；具体步骤为：

步骤1、以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率P_mhg和煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率N_mhg为基准，依据氢储能系统储能状态ESOC_S划分氢储能系统控制区间，制定各区间内控制的优先级顺序，并据此给出风电出力用于电解水的功率公式

步骤2、基于构建的气体分配基本控制公式，分析不同优先级情况下多能耦合系统内部气体可能出现的流动情况；

所述步骤2中，依据任意时间尺度下，都存在氢储能系统电解水产生气体的物质的量和消耗储气罐内原有气体的物质的量之和等于煤化工系统和氢氧燃料电池运行所需气体的物质的量之和的关系，构建气体分配基本控制公式如下：

式中：为Δt时间内电解水产生氢气的物质的量；为Δt时间内电解水产生氧气的物质的量；n_ΔH为Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量；其大于0表示储存的氢气减少、小于0表示储存的氢气增加；n_ΔO为Δt时间内应消耗储气罐内原有氧气的物质的量，其大于0表示储存的氧气减少、小于0表示储存的氧气增加；n_{mhg_H}为Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量；n_{mhg_O}为Δt时间内煤化工系统消耗氧气的物质的量；n_rH为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量；n_rO为Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氧气的物质的量；Δt为系统控制时间间隔；

其中：Δt时间内电解水产生氢气的物质的量氧气的物质的量为：

式中：为电解水制氢气摩尔流率，Δt为系统控制时间间隔，η_e为电解池电解效率，为风电出力用于电解水的功率，U_e为电解槽电压，F为法拉第常数；

其中：视煤化工系统进气流速、流量为定值，且整个过程为理想状态，则有Δt时间内煤化工系统消耗氢气的物质的量n_{mhg_H}和消耗氧气的物质的量n_{mhg_O}为：

式中：N_mhg为煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率，M_w为风电场容量，单位：MW，V_m为气体摩尔体积22.4L/mol；

其中，Δt时间内需通入氢氧燃料电池的氢气的物质的量n_rH、氧气的物质的量n_rO，和Δt时间内应消耗储气罐内原有氢气的物质的量n_ΔH、氧气的物质的量n_ΔO的计算方法，依据实际运行工况的变化而变化；因此，不考虑氢氧燃料电池出力上下阈值，对三种不同优先级情况下氢储能系统运行状态分析如下：

(1)ESOC_S>ESOC_{S_max}，时，氢氧燃料电池启动：

①当时，有氢氧燃料电池放电，补足本地负荷P_load与集群功率调度计划P_jh之和，即氢氧燃料电池放电功率进而可知n_rH，则

②当时，有氢氧燃料电池放电，调节ESOC_S降至ESOC_{S_max}，即n_ΔH和n_{mhg_H}已知，则并能够推导出P_fc；

(2)ESOC_{S_min}≤ESOC_S≤ESOC_{S_max}，时：

为保证进气量为0，出气量最大的恶劣情况下，在控制时间内，ESOC_S不低于下限，则设氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa为：

式中：ESOC_{H_min}为氢储能系统中储氢罐状态的下限，ESOC_{O_min}为氢储能系统中储氧罐状态的下限，N_{rH_max}为氢氧燃料电池以最大功率输出时，通入氢气的流率，R为理想气体常数，T_H为储氢罐内温度，T_O为储氧罐内温度，γ_H-O为通入氢氧燃料电池入口的氢气和氧气摩尔流率比，p_Hcap为储氢罐额定压强，p_Ocap为储氧罐额定压强，V_Hcap为储氢罐容积，V_Ocap为储氧罐容积；

①当时，氢氧燃料电池放电保证本地负荷需求，进而可得n_rH，则

②当或时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0，则

(3)ESOC_S＜ESOC_{S_min}，时，氢氧燃料电池停止，P_fc＝0，n_rH＝0，则

上述过程中：ESOC_S为氢储能系统储能状态；ESOC_{S_max}为氢储能系统储能状态的上限，ESOC_{S_min}为氢储能系统储能状态的下限；P_jh为集群功率调度计划，P_wind为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力，P_load为与集群功率调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷，P_mhg为以制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率；Δt为控制时间间隔；i为区间定义标号，取值为1、2、3；为氢储能系统储能状态ESOC_S处于区间i时，风电出力满足对应情况下并网的必须需求后剩余的功率；为风电出力用于电解水的功率，P_fc为氢氧燃料电池放电功率；

步骤3、在步骤1和步骤2的基础上，通过研究氢氧燃料电池等效充放电控制情况，构建完整的多能耦合系统气体分配控制公式；

步骤4、考虑所述多能耦合系统出现的极限情况，确定所述多能耦合系统控制时间间隔取值；

所述步骤4中，所述多能耦合系统出现的极限情况为氢储能系统储能状态在控制时间间隔Δt内出现骤降或激增，所述的骤降为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，变为低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，所述的激增为Δt内氢储能系统储能状态ESOC_S从低于氢储能系统储能状态的下限ESOC_{S_min}，变为超出氢储能系统储能状态的上限ESOC_{S_max}，若在这两种氢储能系统运行的极端情况下，控制时间间隔Δt仍能满足系统运行需求，确保气体控制策略正常实现控制效果，则能确保多能耦合系统在运行过程中，不会出现因控制时间不合理造成的系统运行失稳情况；因此，基于以上两种情况，确定控制时间间隔Δt的取值：

(1)、以储气罐为研究对象，当以最大流率充气，以最小流率放气时，符合的情况；此时，ESOC_S＜ESOC_{S_min}，风电出力除了取4倍的制得满足煤化工系统以额定功率运行时所需氢气的功率P_mhg值用于电解水之外，全部并网；为保证在Δt_a时间内氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H和氧罐的状态ESOC_O均不超出上限，Δt_a应取Δt_aH、Δt_aO中的最小值：

式中：Δt_a为当以最大流率给储气罐充气，以最小流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_aH为当以最大流率给储氢罐充气，以最小流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_aO为当以最大流率给储氧罐充气，以最小流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；ESOC_{H_max}为氢储能系统中储氢罐状态的上限；ESOC_{H_min}为氢储能系统中储氢罐状态的下限；ESOC_{O_max}为氢储能系统中储氧罐状态的上限；ESOC_{O_min}为氢储能系统中储氧罐状态的下限；p_Hcap为储氢罐额定压强；p_Ocap为储氧罐额定压强；V_Hcap为储氢罐容积；V_Ocap为储氧罐容积；N_mhg为煤化工系统以额定功率运行时消耗氢气的流率；R为理想气体常数；T_H为储氢罐内温度；T_O为储氧罐内温度；

(2)、以储气罐为研究对象，当以最小流率充气，以最大流率放气时，符合氢储能系统储能状态ESOC_S允许，但风电并网功率不能满足预计需求，氢氧燃料电池放电辅助风电并网的情况，此时或鉴于氢氧燃料电池启停临界值ESOC_Sa是基于Δt推导出得到，因此在此仅需讨论情况；此时，氢储能系统中储氢罐的状态ESOC_H或储氧罐的状态ESOC_O超出上限，或两者均超出上限，为保证在Δt_b时间内氢储能系统中储氢罐的状态和储氧罐的状态ESOC_O均不低于其下限，Δt_b应取Δt_bH、Δt_bO中最小值：

式中：Δt_b为当以最小流率给储气罐充气，以最大流率给储气罐放气时，应保证的多能耦合系统气体分配控制时间间隔；Δt_bH为当以最小流率给储氢罐充气，以最大流率给储氢罐放气时，应保证的控制时间间隔；Δt_bO为当以最小流率给储氧罐充气，以最大流率给储氧罐放气时，应保证的控制时间间隔；N_rH__max为氢氧燃料电池以最大功率输出时，通入氢气的流率；

则控制时间间隔Δt取值应满足：

Δt＜min(Δt_a，Δt_b)。