CN105071422A - 分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法 - Google Patents

Abstract

一种分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，其基于氢储能系统等效SOC状态，以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，控制分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行。具体步骤为：1、获取所述风-氢储能耦合系统的各类技术参数；2、依据所获取的风-氢储能耦合系统技术参数中储氢罐与储氧罐各自等效SOC状态，计算氢储能系统等效SOC状态SOC_eS；3、对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配，并将分配数据和本地氢储能系统运行状态反馈给本地风-氢储能耦合系统集群控制中心。

Description

分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法

技术领域

本发明涉及一种风-氢储能耦合系统控制方法。

背景技术

能源作为制约各国可持续发展的因素之一，现已成为人类社会面临的重大课题。据美国能源信息管理局(EnergyInformationAdministration)在2014年1月发布的《国际能源展望报告》分析，到2030年全球的能源消费预计会增加71％，且中国的能源消费将超过美国。经济的发展依靠能源，而伴随着能源消费的增加，环境污染问题也愈加严峻。

风能、氢能与甲醇都是未来重要的绿色能源，由于我国的风能与煤炭资源相对较多，因此，依靠资源优势，致力于风、氢、甲醇三种能源的开发，亦是我国解决未来能源问题的有效途径。但由于风资源受地域天候的限制，致使风电自身存在间歇、随机和波动等特性，造成风电并网困难、弃风高且对电网冲击较大。对于氢能，研究表明宇宙质量的75％由氢构成，作为优质能源载体和燃料的氢可称作是取之不尽用之不竭的高密度能源，但氢在地球上主要以化合态出现，且氢气存在着生成难，存储难和运输难的“三难”问题，因此，氢能虽为21世纪最理想的能源之一，却尚不能作为主要能源普遍运用于生产实践中。另一方面，如今对于甲醇的定义已不仅限于一种重要的有机化工原料，因为随着技术的进步，甲醇作为一种燃料已经成功应用于运输行业中，但甲醇生产过程涉及到原料气(氢气和氧气)的制造及净化，还需煤化石能源提供能量，因此甲醇既是能源供给品也是能源消耗品，而如何达到甲醇供能高而耗能低亦成为发展清洁能源亟待研究的课题之一。

现有技术条件下，以风电场、电解槽、储氢罐、氢氧燃料电池和煤化工生产线为系统主要组成部分，以分散式接入风电为前提，综合以上三种能源各自特点，采用氢储能平滑风电出力，并通过煤化工解决非并网风电就地消纳问题，以此减小大规模风电并网对电网造成的冲击，降低弃风率，最大限度开发和利用清洁能源，是一种有效手段。

目前，国内外针对风电与氢储能耦合系统的研究为数不多，且大多浅尝辄止的停留在风电与氢储能耦合系统的初步设想和构建上，少有深入探究其控制策略。在研究分散式接入风电场中风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行的控制策略方面，国内外更是鲜有公开发表的相关文献及专利。中国专利200810236279.8提出了一种大规模非并网风电直接应用于生产甲醇的方法，将大规模非并网风电作为电解设备的工作电源，并用电解水制得的氢、氧气作为生产甲醇的原料，以达到制甲醇过程生态、清洁。但该专利仅单一的将非并网风电进行氢储能并生产甲醇，并没有考虑用氢储能系统辅助风电并网。又如中国专利2010010538149.7公开了一种风电制氢调控并网系统，利用氢储能调节风力发电输出的电量和功率，解决大型风电并网问题。但该调控系统仅涉及到利用氢储能平抑风电波动，并没用涉及风电出力大但负荷需求小的同时储氢量已达到上限这种极端情况，也没有把风-氢储能与煤化工结合起来。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法。本发明通过对分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电、氢储能以及煤化工三个子系统运行状态的分析，在保证煤化工系统不间断稳定运行的前提下，减小并网风电对电网造成的冲击，降低弃风率，提高风电并网效率。

本发明风-氢储能耦合系统控制方法所应用的风-氢储能耦合系统包括风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统。风力发电系统主要由多个分散式接入风电场组成，氢储能系统主要由电解水设备、储氢罐、储氧罐、氢氧燃料电池组成，煤化工系统由煤制甲醇生产线组成。风力发电系统将风能转化成电能，并依据风-氢储能耦合系统运行需求，将风电用于并网或用于氢储能系统，氢储能系统利用风电出力进行电解水制氢气、氧气并存储，这一过程将电能转化为化学能。存储的氢气与氧气首先作为煤化工系统的原料气，在保证煤化工系统稳定运行的前提下，若仍有充足的气体存储量，则可作为氢氧燃料电池的原料气支持氢氧燃料电池发电，即储能等效放电，在消耗储气罐中过盛的氢气和氧气的同时，起到此辅助风电并网的作用。

本发明风-氢储能耦合系统控制方法基于氢储能系统等效SOC(stateofcharge)状态，以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，控制分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电、氢储能以及煤化工系统协调运行。具体步骤为：

1、获取所述风-氢储能耦合系统的各类技术参数；

2、依据所获取的风-氢储能耦合系统技术参数中的储氢罐与储氧罐各自等效SOC状态，计算氢储能系统等效SOC状态SOC_eS；

3、分析步骤2所获取和计算得到的数据，对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配，并将分配数据和本地氢储能系统运行状态反馈给本地风-氢储能耦合系统集群控制中心，本地风-氢储能耦合系统集群控制中心基于“同调等值”原则，统一对各本地风-氢储能耦合系统下达针对性指令。

进一步的，步骤1中，所述参数及其获取方法包括：

本地风-氢储能耦合系统接收到的，由本地风-氢储能耦合系统集群控制中心下发的，风-氢储能耦合系统中上级电网调度计划P_jh；采用风电最大功率跟踪(MPPT)方法实测得到的与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind；实时监控或经过预测得到的与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load；实时监控得到的储氢罐等效SOC状态SOC_eH与储氧罐等效SOC状态SOC_eO。

用等效SOC状态表征储气罐内剩余气体，代表的是储气罐使用一段时间或长期搁置不用后的剩余压强p_vre与其完全充满气体时压强p_cap的比值，常用百分数表示，即等效SOC＝p_vre/p_cap×100％。鉴于本发明涉及的风-氢储能耦合系统中，氢、氧储气罐为同一型号，即p_Hcap＝p_Ocap＝p_ecap。因此氢储能系统中储氢罐与储氧罐等效SOC状态分别为：

SOC_eH＝p_Hre/p_Hcap×100％＝p_Hre/p_ecap×100％

SOC_eO＝p_Ore/p_Ocap×100％＝p_Ore/p_ecap×100％

其中，p_Hcap为储氢罐内完全充满氢气时的压强，p_Ocap为储氧罐内完全充满氧气时的压强，p_ecap为气罐额定压强，SOC_eH为储氢罐等效SOC状态，SOC_eO为储氧罐等效SOC状态。

进一步的，所述步骤2中，氢储能系统等效SOC状态SOC_eS由下式计算得到：

SOC_eS＝[K₁(p_cap×SOC_eH)+K₂(p_cap×SOC_eO)+C]×100％

其中，K₁，K₂为系数，且0.25≤K₁/K₂≤1；C为常数项，且-0.5≤C≤0.5；

用SOC_{eS_max}和SOC_{eS_min}分别表征氢储能系统等效SOC状态的上限和下限，SOC_eSp为氢储能系统压强状态的理想状态。SOC_eSp的值设置过高会导致某一个或两个储气罐等效SOC状态超出上限，SOC_eSp的值设置过低会导致氢储能系统不能满足煤化工系统正常运行需求，这两种情况都不能保证风-氢储能耦合系统稳定运行，因此氢储能系统压强状态的理想状态SOC_eSp选取值如下：

${\mathrm{SOC}}_{eSp}=\left\{\begin{array}{cc}0.2,& {\mathrm{SOC}}_{eS}<0.1\\ {\mathrm{SOC}}_{eS},& 0.1\&le;{\mathrm{SOC}}_{eS}\&le;0.9\\ 0.8,& {\mathrm{SOC}}_{eS}<0.9\end{array}\right..$

进一步的，所述步骤3包括，依据步骤1和步骤2得到的数据，所述风-氢储能耦合系统控制方法对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配的方法如以下三类，每类各3种：

第I类，当SOC_eS<SOC_{eS_min}时，氢储能系统等效SOC状态超出下限SOC_{eS_min}，氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，氢储能系统等效充电，此时电解水制氢气和制氧气，使氢储气罐和氧储气罐内压强增大；此时，优先考虑保所述煤化工系统的稳定性，同时保证氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，电解水制氢储能>与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划：

(1)当P_wind∈(P₁∪P₂)：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind全部用于电解水，仍不能保证煤化工系统正常稳定运行的前提下，氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，从电网取电(4P_mhg-P_wind)用于电解水生产氢气和氧气， $P_{H_{2}O}=P_{wind}+(4P_{mhg}-P_{wind})=4P_{mhg},v_{H_{2}O}=4v_{mhg},$ P_S＝0；

(2)当P_wind∈P₃：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind全部用于电解水： $P_{H_{2}O}=P_{wind},$ 且 $v_{H_{2}O}\&Element;v_3,$ P_S＝0；

(3)当P_wind∈P₄：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于电解水：另一部分用于并网 $P_S=P_{wind}-P_{H_{2}O}=P_{wind}-4P_{mhg};$

第II类，当SOC_eS>SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC状态超出上限，氢氧燃料电池启动S_fc:on，储能放电，此时氢氧燃料电池消耗储氢罐和储氧罐内的气体，用于支持氢氧燃料电池发电，以辅助风电达到与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷需求及上级电网调度计划；此时，优先考虑氢储能系统的安全性，并基于风-氢储能耦合系统的经济性，调节氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划>电解水制氢储能：

(1)当P_wind≤(P_load+P_jh)：风电全部并网，P_S＝P_wind，停止电解水，氢氧燃料电池发电并网，即首先并入本地电网，在满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷之后并入上级电网；

(2)当P_wind>(P_load+P_jh)且(P_wind-P_load-P_jh)∈P₁：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于电解水 另一部分用于并网P_S＝P_load+P_jh，氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

(3)当P_wind>(P_load+P_jh)且与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind优先并网，用于满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷与上级电网调度计划，然后用于电解水最后剩余功率并网，即氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

第III类，当SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC值在正常区间内，此时，优先考虑风-氢储能耦合系统经济性，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>电解水制氢储能>上级电网调度计划：

(1)当P_wind≤P_load：风电全部并网，P_S＝P_wind，氢氧燃料电池启动S_fc:on，储能放电辅助风电并网，使风-氢储能耦合系统并网功率满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷，并支持电解水以 $P_{H_{2}O}\&Element;(P_1\&cup;P_2),v_{H_{2}O}\&Element;(v_1\&cup;v_2)$ 进行；

(2)当P_wind>P_load，且(P_wind-P_load)∈(P₁∪P₂)：氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_load，另一部分用于电解水 $P_{H_{2}O}=(P_{wind}-P_{load})\&Element;(P_1\&cup;P_2),v_{H_{2}O}\&Element;(v_1\&cup;v_2);$

(3)当P_wind>P_load，且氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_wind-2P_mhg，另一部分用于电解水

上述表达式中，SOC_eS为氢储能系统等效SOC状态；SOC_{eS_max}表示氢储能系统等效SOC状态上限，SOC_{eS_min}表示氢储能系统等效SOC状态下限；S_{fc_on}为氢氧燃料电池启动状态；S_{fc_off}为氢氧燃料电池停止工作状态；P_jh为上级电网调度计划、P_wind为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力、P_load为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷；P_S为风电并网功率，P_S＝满足本地负荷的风电功率+并入上级电网的风电功率＝并入本地电网的风电功率+并入上级电网的风电功率。P_mhg为煤化工系统额定运行功率；v_mhg为煤制甲醇额定速率，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率；为电解水速率，且定义电解水速率区间为v₁:(0,v_mhg)，v₂:[v_mhg,2v_mhg]，v₃:(2v_mhg,4v_mhg]，v₄:(4v_mhg,+∞)；为电解水速率对应功率，且定义电解水速率区间对应功率区间依次为P₁:(0,P_mhg)，P₂:[P_mhg,2P_mhg]，P₃:(2P_mhg,4P_mhg]，P₄:(4P_mhg,+∞)；以上区间的划分以煤制甲醇额定速率v_mhg，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率为基准，分析风-氢储能耦合系统中存在的生产或消耗的氢氧比得到：

当时：电解水速率不能满足煤化工系统以额定速率生产甲醇，即电解水生成的氢气和氧气少于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，也少于煤化工系统与氢氧燃料电池同时运行消耗的氢气和氧气；

当时：电解水生成的氢气和氧气恰好满足或多于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，但少于或恰好等于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量缓慢增加；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量快速增加。

与现有风电与氢储能结合系统控制方法相比，本发明的特点在于：

本发明技术方案中，以采用“同调等值”原则，即本地风-氢储能耦合系统集群控制中心从集群整体出发对各风-氢储能耦合系统统一下达针对性指令，使本地风-氢储能耦合系统集群总体的风电并网量和消纳量动态相等；以调控的多个本地风-氢储能耦合系统组成的风电集群为背景，研究集群内各本地风-氢储能耦合系统，即分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行。因此，对于本地风-氢储能耦合系统并网超出或不满足并网要求的部分，由本地风-氢储能耦合系统集群控制中心进行统一调控，使得实现“零弃风”成为可能。

本发明技术方案中，利用压强对氢储能系统状态进行表征，综合考虑储氢罐与储氧罐两个储气罐内的压强，提出氢储能系统等效SOC状态SOC_eS，使氢储能系统状态的表征更加精确、直观。

附图说明

图1风-氢储能耦合系统控制方法流程图；

图2风-氢储能耦合系统中氢、氧储气罐及氢储能系统等效SOC状态示意图；

图3多个风-氢储能耦合系统构成的本地风电集群示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明中风-氢储能耦合系统控制方法流程图如图1所示。为减小大规模风电并网对电网造成的冲击，提升风电并网的消纳能力，减小风电并网弃风率，使零弃风成为可能，本发明针对采用“同调等值”原则调控的多个风-氢储能耦合系统组成的集群中的各风-氢储能耦合系统，基于实时监测的与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力，以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，提出一种分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中，风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行的控制方法，在保证风-氢储能耦合系统稳定运行的前提下，实现风电场实际出力利用率最大、经济性最优。

所述风-氢储能耦合系统控制方法对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配的方如以下三类，每类各3种：

I、当SOC_eS<SOC_{eS_min}时，氢储能系统等效SOC状态超出下限，此时氢储能系统中剩余原料气(氢气和氧气)不能满足下一时刻煤化工系统正常运行，氢储能系统需要充电。此类情况下的控制策略应优先考虑风-氢储能耦合系统中煤化工系统的稳定性，同时保证氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为：电解水制氢储能>与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划，应立即停止氢氧燃料电池工作S_fc:off，以较快速率电解水制氢气和氧气，即令使氢储能系统压强状态达到理想状态SOC_eSp，以满足下一时刻煤化工的系统正常运行。有三种情况：

1、若P_wind∈(P₁∪P₂)：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind属于区间P₁∪P₂，不能使电解水速率达到电解水速率区间v₃，即不能快速生成氢、氧气，因此需从电网取电(4P_mhg-P_wind)，用于满足电解水速率电解水速率对应功率 此时，风电并网功率P_S＝0，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind不能满足氢储能系统的需求，也不能满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷的需求，以及上级电网调度计划的要求，因此需依靠本地风-氢储能耦合系统集群控制中心协调，满足氢储能系统需求和与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷，填补未达到的调度计划功率；

2、若P_wind∈P₃：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind恰能满足电解水速率因此与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind全部用于电解水，风电并网功率P_S＝0。此时，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力不能满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷的需求，以及上级电网调度计划的要求，因此需依靠本地风-氢储能耦合系统集群控制中心协调，满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷，填补未达到的调度计划功率；

3、若P_wind∈P₄：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind超出电解水以v₃为速率的需求，因此，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力分为两部分，一部分用于满足电解水电解水对应功率为另一部分用于并网，功率为 $P_S-P_{wind}-P_{H_{2}O}=P_{wind}-4P_{mhg};$

II、当SOC_eS>SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC状态超出上限，此时氢储能系统可保证煤化工系统在一段时间之内持续稳定运行，氢储能系统中储氢罐、储氧罐其中一个或两个储气罐内部压强超过储气罐等效SOC状态上限，即储气罐内气体过剩，氢储能需放电，使氢储能系统压强状态达到理想状态SOC_eSp。此类情况下的控制策略应优先考虑氢储能系统的安全性，并基于风-氢储能耦合系统的经济性，调节氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为：与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划>电解水制氢储能，应立即启动氢氧燃料电池S_fc:on消耗一部分氢气和氧气，辅助风电并网。有三种情况：

1、若P_wind≤(P_load+P_jh)：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind不能或恰好满足与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷加上与上级电网调度计划(P_load+P_jh)的需求，因此，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力全部并网P_S＝P_wind，氢储能系统电解水停止，电解水速率电解水速率对应功率氢氢氧燃料电池发电，首先并入本地电网，在满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷之后并入上级电网；

2、若P_wind>(P_load+P_jh)且(P_wind-P_load-P_jh)∈P₁：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind超出与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷加上与上级电网调度计划(P_load+P_jh)的需求，则与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind先并网，风电并网功率P_S＝P_load+P_jh，又因与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷加上上级电网调度计划之后的剩余量(P_wind-P_load-P_jh)属于区间P₁，因此，剩余风电功率(P_wind-P_load-P_jh)全部用于电解水，电解水速率氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

3、若P_wind>(P_load+P_jh)且与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind超出与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷加上上级电网调度计划之和(P_load+P_jh)，因此先满足并网，且风电并网功率P_S＝P_load+P_jh，又因与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷与上级电网调度计划之和后的剩余量(P_wind-P_load-P_jh)不属于区间P₁，因此，剩余风电功率(P_wind-P_load-P_jh)分为两部分，一部分用于电解水另一部分用于并网 $P_S=(P_{load}+P_{jh})+\&lsqb;\left(P_{wind}-P_{load}-P_{jh}\right)-P_{mhg}\&rsqb;=P_{wind}-P_{mhg}=P_{wind}-P_{H_{2}O},$ 氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

III、当SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC值在正常区间内，储能可保证煤化工系统在一段时间之内持续稳定运行，此类情况下的控制策略应优先考虑风-氢储能耦合系统经济性，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为：与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>电解水制氢储能>上级电网调度计划。有三种情况：

1、若P_wind≤P_load：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind不能或恰好满足与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load，风电全部并网，风电并网功率P_S＝P_wind，氢氧燃料电池启动S_fc:on，氢氧燃料电池发电，发出的电一部分用于辅助风电并网，满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷，另一部分用于电解水以 $P_{H_{2}O}\&Element;(P_1\&cup;P_2),v_{H_{2}O}\&Element;(v_1\&cup;v_2)$ 进行；

2、若P_wind>P_load，且(P_wind-P_load)∈(P₁∪P₂)：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind满足与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load后仍有剩余，且剩余功率在区间(P₁∪P₂)内，即剩余功率可保证电解水正常缓慢进行，因此，燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_load，另一部分用于电解水 $v_{H_{2}O}\&Element;(v_1\&cup;v_2);$

3、若P_wind>P_load，且与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind满足与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load后仍有剩余，且剩余功率在区间(P₃∪P₄)内，因此，氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_wind-2P_mhg，另一部分用于电解水 $P_{H_{2}O}=2P_{mhg},v_{H_{2}O}=2v_{mhg};$

上述表达式中，SOC_eS为氢储能系统等效SOC状态；SOC_{eS_max}表示氢储能系统等效SOC状态上限，SOC_{eS_min}表示氢储能系统等效SOC状态下限；S_{fc_on}为氢氧燃料电池启动状态；S_{fc_off}为氢氧燃料电池停止工作状态；P_jh为上级电网调度计划、P_wind为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力、P_load为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷；P_S为风电并网功率，P_S＝满足本地负荷的风电功率+并入上级电网的风电功率＝并入本地电网的风电功率+并入上级电网的风电功率；P_mhg为煤化工系统额定运行功率；v_mhg为煤制甲醇额定速率，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率；为电解水速率，且定义电解水速率区间为v₁:(0,v_mhg)，v₂:[v_mhg,2v_mhg]，v₃:(2v_mhg,4v_mhg]，v₄:(4v_mhg,+∞)；为电解水速率对应功率，且定义电解水速率区间对应功率区间依次为P₁:(0,P_mhg)，P₂:[P_mhg,2P_mhg]，P₃:(2P_mhg,4P_mhg]，P₄:(4P_mhg,+∞)。

以上区间的划分以煤制甲醇额定速率v_mhg，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率为基准，通过分析风-氢储能耦合系统中存在的生产或消耗的氢氧比，如下表，得到：

当时：电解水速率不能满足煤化工系统以额定速率生产甲醇，即电解水生成的氢气和氧气少于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，也少于煤化工系统与氢氧燃料电池同时运行消耗的氢气和氧气；

当时：电解水生成的氢气和氧气恰好满足或多于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，但少于或恰好等于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量缓慢增加；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量快速增加。

图2为风-氢储能耦合系统中氢、氧储气罐及氢储能系统等效SOC状态。如图2所示，就氢、氧储气罐本身而言，其中，SOC_{eX_max}与SOC_{eX_min}中X为H或O，分别为氢储能系统中储氢罐等效SOC状态的上限SOC_{eH_max}和储氢罐等效SOC状态的下限SOC_{eH_min}，氢储能系统中储氧罐等效SOC状态的上限SOC_{eO_max}和储氧罐等效SOC状态的下限SOC_{eO_min}。当SOC_eX>SOC_{eX_max}时，储气罐内气体过多，此时处于预警区间，应首先考虑储气罐的安全性；当SOC_eX<SOC_{eX_min}时，储气罐内气体过少，此时处于预警区间，应首先考虑煤化工系统稳定性，保证储气罐内气体能满足下一时刻煤化工系统稳定运行需求；当SOC_{eX_min}≤SOC_eX≤SOC_{eX_max}，氢储能系统等效SOC值在正常区间内，能保证风-氢储能耦合系统正常运行。

就氢储能系统整体而言，综合考虑储氢罐与储氧罐等效SOC状态，依据公式：

SOC_eS＝[K₁(p_cap×SOC_eH)+K₂(p_cap×SOC_eO)+C]×100％

得到氢储能系统等效SOC状态SOC_eS，其中，K₁、K₂为系数，且0.25≤K₁/K₂≤1；C为常数项，且-0.5≤C≤0.5，SOC_{eS_max}和SOC_{eS_min}分别为氢储能系统等效SOC状态上下限。

当SOC_eS>SOC_{eS_max}时，氢储能系统中某一个或两个储气罐内气体过多，已超出储气罐等效SOC状态上限，此时处于预警区间，应首先考虑氢储能系统安全性，减小电解水速率，加快氢、氧气消耗，使氢储能系统等效SOC值回到正常区间内；

当SOC_eS<SOC_{eS_min}时，氢储能系统中某一或两个储气罐内气体过少，已超出储气罐等效SOC状态下限，将不能满足下一时刻煤化工系统正常运行需求，甚至造成储能对电网的调峰作用减弱，此时处于预警区间，应首先考虑煤化工系统稳定性，加快电解水速率，必要时从电网取电进行电解水，保证煤化工系统正常稳定运行，使氢储能系统等效SOC值回到正常区间内；

当SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}时，氢储能系统压强状态处于理想状态，此时氢储能系统等效SOC值在正常区间内，氢储能系统等效充电和放电满足系统运行需求。

图3为多个风-氢储能耦合系统构成的本地风电集群示意图。如图3所示，风-氢储能耦合系统由三个子系统构成，分别为：以分散式风电场为主的风力发电系统，由电解水设备、储氢罐、储氧罐以及氢氧燃料电池等组成的氢储能系统和由煤制甲醇生产线构成的煤化工系统。

分散式风电场发电有并网和电解水两个途径，电解水制得的氢气和氧气分别存储在氢储气罐和氧储气罐中，为煤化工生产提供原料气或用于氢氧燃料电池发电对风电并网进行调峰。特殊情况下，电解水制氢气和氧气需依赖电网供电满足其运行需求。其中实线箭头表示风-氢储能耦合系统不间断进行部分，虚线箭头表示控制策略变化过程中可能间断运行部分，即本控制方法基于煤化工系统的不间断安全稳定运行进行研究。

风-氢储能耦合系统中，上级电网调度计划是判断与上级电网调度计划时间尺度匹配的风电场实际出力的分配条件之一，且风-氢储能耦合系统执行命令进行动作后，将风-氢储能耦合系统实际并网功率，即风电实际并网功率与氢氧燃料电池发电并网功率，以及风-氢储能耦合系统运行状态反馈给本地风-氢储能耦合系统集群控制中心，本地风-氢储能耦合系统集群控制中心基于“同调等值”原则，统一对各本地风-氢储能耦合系统下达针对性指令。

Claims (5)

1.一种分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，应用所述风-氢储能耦合系统控制方法的风-氢储能耦合系统包括风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统；风力发电系统由多个分散式接入风电场组成；氢储能系统主要由电解水设备、储氢罐、储氧罐、氢氧燃料电池组成；煤化工系统由煤制甲醇生产线组成；其特征在于，所述的风力发电系统将风能转化成电能，并依据风-氢储能耦合系统运行需求，将风电用于并网或用于氢储能系统；所述的氢储能系统利用风电出力进行电解水制氢气、制氧气并存储，存储的氢气与氧气首先作为煤化工系统的原料气，在保证煤化工系统稳定运行的前提下，若仍有充足的气体存储量，则作为氢氧燃料电池的原料气，支持氢氧燃料电池发电，即储能等效放电，在消耗储气罐中过盛的氢气和氧气的同时，辅助风电并网；风-氢储能耦合系统控制方法基于氢储能系统等效SOC状态，以提高分散式风电消纳能力为目标，煤化工系统不间断稳定运行为约束，控制分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统中风力发电系统、氢储能系统和煤化工系统协调运行，具体步骤为：

步骤1、获取所述风-氢储能耦合系统的各类技术参数；

步骤2、依据所获取的风-氢储能耦合系统技术参数中储氢罐与储氧罐各自等效SOC状态，计算氢储能系统等效SOC状态SOC_eS；

步骤3、分析步骤2所获取和计算得到的数据，对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配，并将分配数据和本地氢储能系统运行状态反馈给本地风-氢储能耦合系统集群控制中心。

2.按照权利要求1所述的分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述风-氢储能耦合系统控制方法对与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind进行分配的方法如以下三类，每类各3种：

第I类，当SOC_eS<SOC_{eS_min}时，氢储能系统等效SOC状态超出下限SOC_{eS_min}，氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，氢储能系统等效充电，此时电解水制氢气和制氧气，使储氢罐和储氧罐内压强增大；此时，优先考虑保证所述煤化工系统的稳定性，同时保证氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，电解水制氢储能>与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划：

(1)当P_wind∈(P₁∪P₂)：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind全部用于电解水，仍不能保证在煤化工系统正常稳定运行的前提下，氢储能系统等效SOC值回到正常区间，从电网取电(4P_mhg-P_wind)用于电解水生产氢气和氧气，P_S＝0；

(2)当P_wind∈P₃：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind全部用于电解水且P_S＝0；

(3)当P_wind∈P₄：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于电解水另一部分用于并网

第II类，当SOC_eS>SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC状态超出上限，氢氧燃料电池启动S_fc:on，储能放电，此时氢氧燃料电池消耗储氢罐和储氧罐内的气体，用于支持氢氧燃料电池发电，以辅助风电达到与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷需求及上级电网调度计划；此时，优先考虑氢储能系统的安全性，并基于风-氢储能耦合系统的经济性，调节氢储能系统等效SOC值回到正常区间：SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>上级电网调度计划>电解水制氢储能：

(1)当P_wind≤(P_load+P_jh)：风电全部并网，P_S＝P_wind，电解水停止工作，氢氧燃料电池发电并网，即首先并入本地电网，在满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷之后并入上级电网；

(2)当P_wind>(P_load+P_jh)且(P_wind-P_load-P_jh)∈P₁：与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于电解水 另一部分用于并网P_S＝P_load+P_jh，氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

(3)当P_wind>(P_load+P_jh)且与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind优先并网，用于满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷与上级电网调度计划，然后用于电解水最后剩余功率并网，即氢氧燃料电池发电全部并入上级电网；

第III类，当SOC_{eS_min}≤SOC_eS≤SOC_{eS_max}时，氢储能系统等效SOC值在正常区间内，此时，优先考虑风-氢储能耦合系统经济性，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind的分配优先级为，与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷>电解水制氢储能>上级电网调度计划：

(1)当P_wind≤P_load：风电全部并网，P_S＝P_wind，氢氧燃料电池启动S_fc:on，储能放电辅助风电并网，使风-氢储能耦合系统并网功率满足与上级电网调度计划时间尺度匹配的本地负荷，并支持电解水以进行；

(2)当P_wind>P_load，且(P_wind-P_load)∈(P₁∪P₂)：氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_load，另一部分用于电解水

(3)当P_wind>P_load，且氢氧燃料电池停止工作S_fc:off，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind分为两部分，一部分用于并网P_S＝P_wind-2P_mhg，另一部分用于电解水

上述表达式中，SOC_eS为氢储能系统等效SOC状态；SOC_{eS_max}表示氢储能系统等效SOC状态上限，SOC_{eS_min}表示氢储能系统等效SOC状态下限；S_{fc_on}为氢氧燃料电池启动状态；S_{fc_off}为氢氧燃料电池停止工作状态；P_jh为上级电网调度计划、P_wind为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力、P_load为与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷；P_S为风电并网功率，P_S＝满足本地负荷的风电功率+并入上级电网的风电功率＝并入本地电网的风电功率+并入上级电网的风电功率；P_mhg为煤化工系统额定运行功率；v_mhg为煤制甲醇额定速率，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率；为电解水速率，且定义电解水速率区间为v₁:(0,v_mhg)，v₂:[v_mhg,2v_mhg]，v₃:(2v_mhg,4v_mhg]，v₄:(4v_mhg,+∞)；为电解水速率对应功率，且定义电解水速率区间对应功率区间依次为P₁:(0,P_mhg)，P₂:[P_mhg,2P_mhg]，P₃:(2P_mhg,4P_mhg]，P₄:(4P_mhg,+∞)。

3.按照权利要求2所述的分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，其特征在于，所述的电解水速率区间的划分以煤化工系统不间断稳定运行为约束，以煤制甲醇额定速率v_mhg，即煤化工系统以额定功率P_mhg运行时的制甲醇速率为基准，分析风-氢储能耦合系统中存在的生产或消耗的氢氧比得到：

当时：电解水速率不能满足煤化工系统以额定速率生产甲醇，即电解水生成的氢气和氧气少于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，也少于煤化工系统与氢氧燃料电池同时运行消耗的氢气和氧气；

当时：电解水生成的氢气和氧气恰好满足或多于煤化工系统以额定功率运行时消耗的氢气和氧气，但少于或恰好等于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量缓慢增加；

当时：电解水成的氢气和氧气多于氢氧燃料电池开启的同时煤化工系统以额定速率消耗的氢气与氧气，氢气和氧气存储量快速增加。

4.按照权利要求1所述的分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，其特征在于，所述的等效SOC状态表征储气罐内剩余气体，代表的是储气罐使用一段时间或长期搁置不用后的剩余压强p_vre与其完全充满气体时压强p_cap的比值，常用百分数表示，即等效SOC＝p_vre/p_cap×100％；所述的风-氢储能耦合系统中，氢、氧储气罐同一型号，p_Hcap＝p_Ocap＝p_cap，因此氢储能系统中储氢罐与储氧罐等效SOC状态分别为：

SOC_eH＝p_Hre/p_Hcap×100％＝p_Hre/p_cap×100％

SOC_eO＝p_Ore/p_Ocap×100％＝p_Ore/p_cap×100％

其中，p_Hcap为储氢罐内完全充满氢气时的压强，p_Ocap为储氧罐内完全充满氧气时的压强，p_ecap为气罐额定压强，SOC_eH为储氢罐等效SOC状态，SOC_eO为储氧罐等效SOC状态；

氢储能系统等效SOC状态SOC_eS为：

SOC_eS＝[K₁(p_cap×SOC_eH)+K₂(p_cap×SOC_eO)+C]×100％

其中，K₁，K₂为系数，且0.25≤K₁/K₂≤1；C为常数项，且-0.5≤C≤0.5；

SOC_{eS_max}和SOC_{eS_min}分别表示氢储能系统等效SOC状态的上限和下限，SOC_eSp为氢储能系统压强状态的理想状态；氢储能系统压强状态的理想状态SOC_eSp选取值如下：

5.按照权利要求1所述的分散式接入风电场的风-氢储能耦合系统控制方法，其特征在于，所述的风-氢储能耦合系统中上级电网调度计划P_jh由本地风-氢储能耦合系统集群控制中心下发；，与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的风电场实际出力P_wind采用风电最大功率跟踪(MPPT)方法，经过实时监控得到；与上级电网调度计划P_jh时间尺度匹配的本地负荷P_load通过实时监控或经过预测得到；储氢罐等效SOC状态SOC_eH与储氧罐等效SOC状态SOC_eO实时监控得到。