[发明专利]风光发电和制氢储氢系统的运行控制方法

权利要求书

1.一种风光发电和制氢储氢系统的运行控制方法，其特征在于该系统包括：风电场风机侧的AC/DC整流器与网侧DC/AC逆变器连接，网侧DC/AC逆变器另一端与电网交流母线上的变压器连接；直流母线上接有DC/DC的超级电容器，超级电容器后面连接制氢、储氢系统；光伏系统通过DC/DC与超级电容器前面的直流母线连接，作为风电场的功率补偿单元；还包括功率协调控制模块和监测模块，监测模块和功率协调控制模块相连；超级电容器配合功率协调控制模块使制氢系统工作于恒功率状态，使风电场柔性并网；

该系统运行控制方法为：监测系统需要与功率协调控制和监测模块建立通讯，获取所述风光发电和制氢储氢系统的各种监测数据；通过对所获监测数据的分析，对比风电场功率和电网所需功率，根据两者差值对各系统的运行功率进行分配，同时将分配数据和运行状态反馈给功率协调控制和监测模块；制氢系统接收到功率信号之后将多余风能转换成氢能储存；当系统存在缺额功率，燃料电池消耗氢气进行补偿，超级电容器吸收系统高频功率并补偿制氢系统与其额定功率的差值，系统达到平衡时，柔性并网；具体包括以下步骤：

A、建立各个变流器的控制器与功率协调控制模块和监测模块的低带宽通讯：各个变流器的控制器采用自适应PI控制器，采集各监测系统的监测数据，监测数据包括以下其中的若干种或全部：风电场功率，上级电网调度功率，冷热系统的功率，用户功率，光伏系统功率，固体氧化物电解槽组/氢燃料电池组的整体功率，储氧/氢罐压力，储能装置的功率和荷电状态SOC，超级电容器的电压和功率；以上各监测数据均与ARM处理器的输入接口依次相连，并确定各部分功率参考值的输出端口；

B、经处理器ARM的数据采集，判断，计算目前工作状态的设备功率与上级电网调度指标和用户负荷的差值，该差值信号并联经过高/低通滤波器，低通滤波器的输出功率数值分配给制氢储氢系统，高通滤波器的输出功率值交由超级电容器，以交接频率为分界，划分高频分量和低频分量；进而得出接入电解槽或燃料电池的设备个数；若需要断开设备运行，则工作时间最长的设备先停机；以及系统是否接入光伏系统；计算各控制单元的变流器的功率跟随参考值：采用功率电流双闭环控制方式，P_ref与控制对象的功率P的差值输入功率PI调节器，功率环输出值与电压的商视为电流的参考值与被控对象的差值输入电流PI调节器，得出数值进行限幅，利用ARM得到PWM的波形，通过PWM波形改变占空比实现变流器控制；

C、在超级电容器的控制中利用模糊逻辑控制确定超级电容器的U_high和U_low：将采集到的超级电容器电压和P_se数据，分别乘以1/U_SCmax和1/P_wind，将实际值变为模糊值，输入到模糊控制器中，经过模糊规则调整，利用输出变量解模糊确定U_high和U_low大小；

D、实现模式选择：通过传感器和互感器测得功率，电压，电流和压力信号，选择系统运行模式，计算风机接口变换器，光伏接口变换器，交流负载接口变换器，并网接口变换器，多端口变换器，储能接口变换器，超级电容器接口变换器的功率参考值；功率的参考值通过低带宽通讯输入到相应接口变换器的控制器，接收到功率参考值后，各单元接口变换器跟随参考信号进行工作，当指令一致时，保持当前运行状态，不一致时，变换运行模式，迅速跟随更新值。

2.根据权利要求1所述的风光发电和制氢储氢系统的运行控制方法，其特征在于步骤C中，超级电容器电压论域{0.9，0.6，0.3}，P_se论域{-1，-0.5，0，0.5，1}，设置U_high或U_low的数值有6个：PB，很大；PM，较大；,PS，大；,ZE，中等；NS，较小；NM，很小；利用通用隶属度函数evalmf确定隶属度函数，所用的模糊规则如下：

表中横坐标为超级电容器电压大小，纵坐标为P_se，中间部分为U_high/U_low设置的大小，例如当超级电容器电压为PB，P_se数值为PB时，超级电容器的电压U_high设置为PB，此时U_low的设置对超级电容器的运行没有影响，因此U_high和U_low可以使用同一个模糊规则表。

3.根据权利要求1或2所述的风光发电和制氢储氢系统的运行控制方法，其特征在于为多种功率协调极限状态解决方案：

以下各模式中各符号含义如下：P_wind表示风功率，P_users表示用户功率，P_net表示上级电网调度指标_.，P_PV表示光伏系统功率，P_S表示储能设备功率，P_hl表示冷热系统功率，P_SC表示超级电容器功率，P_n表示内燃机功率，F_H2表示储氢罐压力，F_O2表示储氧罐压力，P_fc表示氢-空气燃料电池功率，P_EL表示电解槽额定功率，P_se＝P_wind+P_PV+P_S-P_users-P_net-P_hl，η_SC、η_SClow、η_SChigh分别表示额定电压范围，低压电压范围，高压电压范围，U_sc表示超级电容器电压，U_high、U_low表示超级电容器高、低压电压范围中电压分界值，m、k分别是介于0到n、t之间的正整数；下标中，带有ref为参考功率，max、min分别为最大和最小值；

判断P_windP_users+P_net，P_fcref＝0，此时P_PV＝P_S＝P_hl＝P_n＝0；

模式1：判断所有电解槽是否能满足功率P_se，mP_ELP_se0，且超级电容器电压U_sc没有达到最高限制电压U_SCmax，则m-1个电解槽以额定功率P_EL运行，让电解槽工作电解水制氢，此时超级电容器的运行参考功率设置为P_SCref＝P_se-mP_EL，

模式2：若超级电容器此时剩余可充电空间不足即P_SC+mP_ELP_se，储能设备释放电能让电解槽额定运行储能设备功率为P_Sref＝P_se-P_SCmax-mP_EL；

模式3：若U_SC＝U_SCmax，开启m个电解槽，则P_se-mP_EL0，系统功率由多余转变为不足P_se0→P_se0，此时超级电容器P_SCref＝mP_EL-P_se放出功率弥补系统功率不足；

模式4：若储氢装置的压力F_H2F_H2max没有到达上限，则继续储存氢气；

模式5：若F_H2F_H2max达到上限，关闭电解槽mP_EL＝0，停止产生氢气，而此时，燃料电池不能工作，因此闭合开关K₁、K₂，接入光伏和冷热系统，由于光伏系统的功率P_PV不可控，因此此时P_PV≠0，P_S≠0，P_hl≠0，风光一起为用户制冷或供暖，系统重新判断系统工作状态；

模式6：若储氧装置的压力F_O2F_O2max未达到上限，则通过内燃机消耗氧气，产生的电能储存到储能装置中,供给电解槽备用；

模式7：若P_setP_EL，所有电解槽全部打开，接入光伏和冷热系统，此时P_PV≠0，P_S≠0，P_hl≠0，P_n＝0,储能设备和超级电容器吸收能量，重新平衡系统功率；

当风能小于用户和上网功率之和P_windP_users，首先满足本地用户的负载，固体氧化物电解槽功率为零P_ELref＝0，P_se0；

模式8：若kP_fc|P_se|0且U_SCU_SCmin，则k-1个燃料电池以恒定功率补偿系统功率，|P_SCref|＝|P_se|-kP_fc，若超级电容器剩余空间不足|P_SC|+kP_fc|P_se|，则接入储能设备补足剩余功率P_Sref＝|P_se|-|P_SC|-kP_fc；

模式9：若U_SC＝U_SCmin，开启k个燃料电池，P_se0→P_se0,则|P_se|-kP_fc0，超级电容器吸收多余功率|P_SCref|＝kP_fc-|P_se|；

模式10：若储氢装置的压力F_H2＝F_H2min达到下限值，断开K₄开启储能装置以不超过燃料电池所需功率的最大值运行电解制氢P_Sref＝P_se-kP_fc，若化学反应十分缓慢不能达到燃料电池的要求，则闭合开关K₁，断开K₂、K₃，接入光伏系统，蓄热罐和闭式水蓄冷罐继续满足用户冷热需求；由于光伏系统供给的功率由当时的光照情况决定，因此，配合超级电容器一起重新平衡功率；

模式11：储氧设备此时未达到压力上限F_O2F_O2max，电解槽可继续运行产生氧气；

模式12：由于储氧设备此时若达到压力上限F_O2F_O2max则启动内燃机工作消耗氧气，若此时储能设备SOC＝1，则配合燃料电池向直流母线供电P_Sref＝P_S+kP_fc；

模式13：若P_setP_fc，所有燃料电池投入工作，储能设备和超级电容器向直流母线供电P_se＝|P_SC|+tPfc+P_S；

模式14：当所有可接入的供电设备都不起作用的时候P_se|P_SC|+tP_fc+P_S，接入光伏系统，P_PV≠0，重新平衡功率大小。