[发明专利]基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法

权利要求书

1.一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立pem电解槽的功率-效率模型，表达式为：

式中，η_pem为pem电解槽的制氢效率，HHV为氢气热值，U_th为热中性电压，U_pem为电解槽电压，f₁为电流效率拟合参数，P_e为pem电解槽额定功率，P_u为pem电解槽输入功率标幺值；

步骤二、以制氢机组的最大制氢量作为优化目标，计及pem电解槽的功率-效率特性以及风电机组出力约束，提出目标函数为：

其中，V_pem表示制氢机组在时间段t内产出的氢气总量，V_n，j表示第n个pem电解槽在第j个时间段内产出的氢气总体积，N表示阵列中pem电解槽的个数；

目标函数的约束条件包括风电机组有功功率约束、pem电解槽最优稳定运行区间约束和pem电解槽安全运行功率约束；风电机组有功功率平衡约束为：

式中，P_wind，t、P_curt，t分别表示时间段t内风电机组的出力功率和弃风功率，P_pemn，t表示时间段t内第n个pem电解槽运行功率；

pem电解槽最优稳定功率运行区间约束为：

P_pemn，min≤P_wpem，t≤P_pemn，max (13)

式中，P_pemn，max、P_pemn，min分别表示第n个pem电解槽基于功率-效率模型得到的最优工作区间的上、下限；P_wpem，t表示时间段t内pem电解槽的最优稳定功率；

pem电解槽安全运行功率约束为：

P_bpem，min≤P_bpem，t≤P_bpem，max (14)

式中，P_bpem，max、P_bpem，min分别表示处于波动功率的pem电解槽由于安全限制而必须遵守的功率上、下限，P_bpem，t表示时间段t内pem电解槽安全运行功率；

步骤三、基于多时间尺度调度对电解槽阵列进行轮询控制；

首先，确定电解槽阵列的启停状态：获取风电机组未来t₁时间段内的风功率预测数据，计算t₁时间段内的平均风功率；根据t₁时间段的平均风功率计算每个t₂时间段内的平均风功率计及风电机组的风功率预测数据，确定电解槽阵列中每个pem电解槽的启停状态，需满足下述不等式：

其中，P_pemq表示第q个处于开机状态的pem电解槽额定功率，Q表示电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量；

其次，根据约束条件式(12)～(14)，使用粒子群算方法对目标函数进行优化，得到电解槽阵列的最优稳定功率：计及t₂时间段内的平均风功率最优稳定功率进一步约束为：

式中，P_wpemq，t为时间段t内电解槽阵列中第q个处于开机状态的pem电解槽的最优稳定功率；

最后，对电解槽阵列进行轮询控制：电解槽阵列中每个pem电解槽的工作状态以及选择处于波动功率状态的pem电解槽都是由每个pem电解槽的数字轮值锁决定的，处于开机状态的pem电解槽都各自有一个数字轮值锁；以Xmin为一个时段，在该时段的结束时刻对pem电解槽的数字轮值锁进行更新；数字轮值锁更新策略包括两种情况，一种是当前后相邻的两个调度时间段电解槽阵列的启停状态无需更改时，将处于波动功率的pem电解槽的数字轮值锁数值设置为Q，对于该时刻所处时间段电解槽阵列中处于稳定功率的pem电解槽的数字轮值锁数值均减1，数字轮值锁最小值为1；另一种是当前后相邻的两个调度时间段电解槽阵列的启停状态需要更改时，对于即将关机的pem电解槽，只需取消其数字轮值锁即可；对于即将由关机状态启动的pem电解槽，将数字轮值锁数值设置为1，对于前后两个调度时间段都处于开机状态的pem电解槽，按照数字轮值锁的数值从大到小进行排序，若在新调度时间段，处于开机状态的pem电解槽数量增加，那么就对前后两个调度时间段均处于开机状态的pem电解槽排序后分别设置数字轮值锁数值为m，m-1，…，(m-q+1)，其中m为新调度时间段电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量，q为前一调度时间段电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量；若在新调度时间段，处于开机状态的pem电解槽数量减少，优先关闭处于波动功率的pem电解槽，其次关闭轮值锁数值较大的pem电解槽；然后在新调度时间段内，电解槽阵列中所有处于开机状态的电解槽排序后分别设置轮值锁数值为m，m-1，…，1；

通过实时优化调度对处于波动功率的pem电解槽进行实时监控，当监控到处于波动功率状态的pem电解槽运行功率超出安全运行功率范围时，需要及时调整电解槽阵列的功率分配；以检测到功率超出限制的时间点为起始点，对风电机组进行1min级别的超短期风功率预测，计算风电机组在1min内的平均风功率预测值；根据约束条件式(12)～(14)、(16)，使用粒子群算法对目标函数进行优化，得到最优稳定功率预测结果和制氢机组在最优稳定功率下的最大制氢量。