CN114204606A - 一种风-氢-储系统运行模式设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风‑氢‑储系统运行模式设计方法,针对可再生能源波动下可能出现的不同场景,详细分析设计了系统不同运行模式以及各个运行模式间的切换条件。同时给出了不同运行模式下,系统各单元对应的控制模式。尤其当系统离网运行时,结合系统实时运行测量数据,在保障系统安全平稳运行的条件下,提出了电解槽最佳制氢功率公式,进一步降低了制氢成本,同时大大提高了可再生能源利用率。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源系统与储能系统耦合领域,具体涉及一种风-氢-储系统运行模式设计方法。
背景技术
近年来,我国分布式可再生能源迅速增长,装机容量和发电量位居世界前列。利用可再生能源电解水制氢,能够实现电能氢能之间的转化,不仅能有效解决可再生能源消纳的难题,也有利于满足日益增长的氢能需求。同时可再生能源制氢系统与储能系统的深度耦合,能进一步降低制氢成本,实现电-氢储能的优势互补。一种典型的风-氢-储系统结构如图1所示。中配电网通过AC/DC变流器接入直流母线,风机通过AC/DC变流器接入直流母线,储能电池、制氢电解槽通过DC/DC变换器接入直流母线。制氢电解槽通过电解水产生的氢气全部存入储氢罐内。
然而由于可再生能源的不确定性强和间歇性波动等特点,给系统的灵活调控及安全稳定运行提出了新的挑战,尤其是当系统离网运行时,如何合理判断系统运行模式,调整各单元控制模式和出力情况,从而保障系统安全平稳运行,提高可再生能源利用率,是仍待进一步解决的难题。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种风-氢-储系统运行模式设计方法,详细分析了系统运行可能遇到的各种场景,提出了合理的运行模式设计;判断不同运行模式下各个单元对应的控制模式;给出了不同运行模式下制氢电解槽最优出力的计算方法,可以保障系统安全高效的运行,降低制氢成本的同时大大提高可再生能源利用率。
本发明提出的技术方案如下:
一种风-氢-储系统运行模式设计方法,该方法包括以下步骤:
第一步:获取风-氢-储系统运行监测数据:
当系统内各单元,包括风机单元、储能单元、制氢电解槽单元和储氢罐单元运行时,在t时刻,由所述风-氢-储系统的上层能量管理系统获取当前t时刻相关功率信息和冗余状态信息。功率信息包括风机功率PWT,t、制氢电解槽功率PH,t、储能单元功率PE,t和风-氢-储系统与交流电网交互功率Pgrid,t。若Pgrid,t>0,则说明风-氢-储系统向交流电网输送能量;若Pgrid,t<0,则风-氢-储系统从交流电网吸收能量。冗余状态信息包括储能单元荷电状态SOCt、储氢罐储氢状态SOHt。
第二步:根据所述上层能量管理系统的功率预测单元,获得下一时刻,即t+1时刻的所述风-氢-储系统的功率预测值,包括风机功率预测信息PWT,t+1,制氢电解槽制氢功率预测值PH,t+1;
并判断当前运行状态:若所述风-氢-储系统此时并网运行,则将上述运行监测数据和功率预测值,包括PWT,t、PH,t、PE,t、Pgrid,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第三步;若所述风-氢-储系统网侧发生故障,风-氢-储系统离网运行,此时Pgrid,t=0,则PWt,t、PH,t、PE,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第四步;
第三步:并网运行时,所述风-氢-储系统运行相应的模式设计;
第四步:离网运行时,所述风-氢-储系统运行相应的模式设计。
进一步的,所述第三步具体包括:
所述风-氢-储系统并网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
Pgrid,t+PWT,t=PE,t+PH,t (1)
根据t+1时刻的功率预测值进一步结合式(1),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
1)当储氢罐储氢状态SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,风-氢-储系统停止制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:若SOC较高或在安全工作区内,则储能单元进入待机状态,风机工作在MPPT模式;若SOC较低,则储能单元按额定功率PE,rated进行充电,即PE,t+1=PE,rated,此时风机工作在MPPT模式;
2)当储氢罐储氢状态SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽按功率PH,t+1制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:若SOC较高或在安全工作区内,则储能单元进入待机状态,此时风机工作在MPPT模式;若SOC较低,则储能单元按功率PE,rated进行充电,此时风机工作在MPPT模式。
进一步的,所述第四步具体包括:
所述风-氢-储系统离网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
PWT,t=PE,t+PH,t (2)
此时储能单元起到维持风-氢-储系统母线电压平衡的作用,工作在恒压模式;
根据t+1时刻功率预测值,进一步结合式(2),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
1)当储氢罐储氢状态SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:若SOC较低或在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,储能单元按功率PWT,t+1充电,即PE,t+1=PWT,t+1;若SOC较高,则风机和储能单元进入待机状态,等待再次启动。
2)当储氢罐储氢状态SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:
若储能系统SOC在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-PH,t+1;
若SOC较低,则根据未来一段时间内风机和制氢电解槽制氢功率预测变化情况,调整风机和制氢电解槽工作模式,具体表现为:根据所述上层能量管理系统的预测单元,获取未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,即PWT,t+1、PWT,t+2、...、PWT,t+10和PH,t+1、PH,t+2...、PH,t+10,并分别计算他们的平均值,得到为PWT,avg和PH,avg;判断PWT,avg-PH,avg>0是否成立,如果成立,表示下一时段风力发电较为充足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能单元按风机与制氢电解槽的差额功率充电,即PE,t+1=PWt,t+1-PH,t+1;如果不成立,表示下一时段风力发电不足,选择降低制氢电解槽工作功率,且根据式(3)更新制氢电解槽功率指令:
根据式(3)所求结果,判断式(4)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_dis (4)
如果式(4)成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以P′H,t+1功率制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-P′H,t+1;
如果不成立,则说明此时风力发电严重不足,风机、制氢电解槽和储能单元转为待机模式,等待重新启动。
若SOC较高,则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,计算得到PWT,avg和PH,avg,并判断PH,avg-PWT,avg>0是否成立,如果成立,表示下一时段风力发电不足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能单元按风机与制氢电解槽差额功率放电;如果不成立,表示下一时段风力发电较为充足,选择增加制氢电解槽工作功率,且根据式(5)更新制氢电解槽功率指令:
根据式(5)所求结果,判断式(6)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_ch (6)
如果式(6)成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补;如果不成立,则说明此时风力发电过剩,风-氢-储系统无法消纳,风机工作在限功率模式,限制风机发电功率为:
制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。
所述MPPT模式为最大功率跟踪模式。
本发明具有以下有益效果:
在风-氢-储系统中,本发明针对可再生能源波动下可能出现的不同场景,详细分析设计了系统不同运行模式以及各个运行模式间的切换条件。同时给出了不同运行模式下,系统各单元对应的控制模式。尤其当系统离网运行时,结合系统实时运行测量数据,在保障系统安全平稳运行的条件下,提出了电解槽最佳制氢功率公式,进一步降低了制氢成本,同时大大提高了可再生能源利用率。
附图说明
图1为风-氢-储系统结构示意图;
图2为风-氢-储系统运行模式设计方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图2所示为本发明风-氢-储系统运行模式设计方法流程示意图,其包括以下步骤:
第一步:获取风-氢-储系统运行监测数据:当系统内各单元,包括风机单元、储能单元、制氢电解槽单元和储氢罐单元运行时,在t时刻,由所述风-氢-储系统的上层能量管理系统获取当前t时刻各单元功率和冗余状态信息。功率信息包括风机功率PWT,t、制氢电解槽功率PH,t、储能单元功率PE,t和风-氢-储系统与交流电网交互功率Pgrid,t。若Pgrid,t>0,则说明风-氢-储系统向交流电网输送能量;若Pgrid,t<0,则风-氢-储系统从交流电网吸收能量。冗余状态信息包括储能单元荷电状态SOCt、储氢罐储氢状态SOHt。
第二步:根据所述上层能量管理系统的功率预测单元,获得下一时刻,即t+1时刻所述风-氢-储系统的功率预测值,包括风机功率预测值PWT,t+1,制氢电解槽制氢功率预测值PH,t+1;
并判断当前运行状态:若所述风-氢-储系统此时并网运行,则上述运行监测数据和功率预测值,包括PWT,t、PH,t、PE,t、Pgrid,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第三步;若所述风-氢-储系统网侧发生故障,风-氢-储系统离网运行,此时Pgrid,t=0,则PWT,t、PH,t、PE,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第四步;
第三步:并网运行时,系统运行模式设计:系统并网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
Pgrid,t+PWT,t=PE,t+PH,t (1)
根据t+1时刻的功率预测值进一步结合式(1),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
运行模式1:当储氢罐SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较高或在安全工作区内,则储能系统进入待机状态,此时风机工作在最大功率跟踪模式(MPPT模式)。
运行模式2:当储氢罐SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较低,则储能系统按额定功率PE,rated进行充电,即PE,t+1=PE,rated。此时风机工作在MPPT模式。
运行模式3:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽按额定功率PH,rated制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较高或在安全工作区内,则储能系统进入待机状态,此时风机工作在MPPT模式。
运行模式4:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽按额定功率制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较低,则储能系统按额定功率PE,rated进行充电。此时风机工作在MPPT模式。
第四步:离网运行时,系统运行模式设计:系统离网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
PWT,t=PE,t+PH,t (2)
此时储能单元起到维持风-氢-储系统母线电压平衡的作用,工作在恒压模式;
根据t+1时刻功率预测值,进一步结合式(2),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
运行模式5:当储氢罐SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较低或在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,储能单元按功率PWT,t+1充电,即PE,t+1=PWT,t+1。
运行模式6:当储氢罐SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较高,则风机和储能单元进入待机状态,等待再次启动。
运行模式7:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-PH,t+1。
运行模式8:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较低,则需根据未来一段时间内风机和制氢电解槽制氢功率预测变化情况,调整风机和制氢电解槽工作模式。具体表现为:根据系统能量管理系统的预测单元,获取未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,即PWT,t+1、PWT,t+2、...、PWT,t+10和PH,t+1、PH,t+2...、PH,t+10。并分别计算他们的平均值,得到为PWT,avg和PH,avg。并判断PWT,avg-PH,avg>0是否成立。如果成立,表示下一时段,风力发电较为充足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能系统按风机与制氢电解槽差额功率充电,即PE,t+1=PWt,t+1-PH,t+1。
运行模式9:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较低,则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,计算得到PWT,avg和PH,avg。并判断PWT,avg-PH,avg>0是否成立。如果不成立,表示下一时段,风力发电不足,选择降低制氢电解槽工作功率。根据式(3)更新制氢电解槽功率指令:
根据式(3)所求结果,判断式(4)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_dis (4)
如果成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以P′H,t+1功率制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-P′H,t+1。如果不成立,则切换至运行模式10。
运行模式10:判断式(4)不成立,说明此时风力发电严重不足,风机单元和制氢电解槽和储能单元转为待机模式,等待重新启动。
运行模式11:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较高,则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,计算得到PWT,avg和PH,avg。并判断PH,avg-PWT,avg>0是否成立。如果成立,表示下一时段,风力发电不足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能系统按风机与制氢电解槽差额功率放电。
运行模式12:当储氢罐SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢。进一步判断储能系统SOC状态,若储能系统SOC较高,则根据未来10个预测点内风机预测出力和制氢电解槽所需功率,计算得到PWT,avg和PH,avg。并判断PH,avg-PWT,avg>0是否成立。如果不成立,表示下一时段,风力发电较为充足,选择增加制氢电解槽工作功率。根据式(5)更新制氢电解槽功率指令:求得:
根据式(5)所求结果,判断式(6)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_ch (6)
如果成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以P′H,t+1功率制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。如果不成立,则切换至运行模式13。
运行模式13:判断式(6)不成立,说明此时风力发电过剩,系统无法消纳,风机单元工作在限功率模式,限制风机发电功率为:
制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。
本发明并不局限于上述具体实施方式,本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种风-氢-储系统运行模式设计方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
第一步:获取风-氢-储系统运行监测数据:
当系统内各单元,包括风机单元、储能单元、制氢电解槽单元和储氢罐单元运行时,由所述风-氢-储系统的上层能量管理系统获取当前t时刻相关功率信息和冗余状态信息;所述功率信息包括风机单元功率PWT,t、制氢电解槽功率PH,t、储能单元功率PE,t和风-氢-储系统与交流电网交互功率Pgrid,t;若Pgrid,t>0,则说明风-氢-储系统向交流电网输送能量,若Pgrid,t<0,则风-氢-储系统从交流电网吸收能量;所述冗余状态信息包括储能单元荷电状态SOCt、储氢罐储氢状态SOHt。
第二步:根据所述上层能量管理系统的功率预测单元,获得下一时刻,即t+1时刻的所述风-氢-储系统的功率预测值,包括风机功率预测值PWT,t+1,制氢电解槽制氢功率预测值PH,t+1;
并判断当前运行状态:若所述风-氢-储系统此时并网运行,则将上述运行监测数据和功率预测值,包括PWT,t、PH,t、PE,t、Pgrid,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第三步;若所述风-氢-储系统网侧发生故障,则风-氢-储系统离网运行,此时Pgrid,t=0,并将PWT,t、PH,t、PE,t、SOCt、SOHt、PWT,t+1和PH,t+1作为输入,继续执行第四步;
第三步:并网运行时,所述风-氢-储系统运行相应的模式设计;
第四步:离网运行时,所述风-氢-储系统运行相应的模式设计。
2.根据权利要求1所述的一种风-氢-储系统运行模式设计方法,其特征在于:
所述第三步具体包括:
所述风-氢-储系统并网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
Pgrid,t+PWT,t=PE,t+PH,t (1)
根据t+1时刻的功率预测值进一步结合式(1),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
1)当储氢罐储氢状态SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,风-氢-储系统停止制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:若SOC较高或在安全工作区内,则储能单元进入待机状态,风机工作在MPPT模式;若SOC较低,则储能单元按额定功率PE,rated进行充电,即PE,t+1=PE,rated,此时风机工作在MPPT模式;
2)当储氢罐储氢状态SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽按功率PH,t+1制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:若SOC较高或在安全工作区内,则储能单元进入待机状态,此时风机工作在MPPT模式;若SOC较低,则储能单元按功率PE,rated进行充电,此时风机工作在MPPT模式。
3.根据权利要求2所述的一种风-氢-储系统运行模式设计方法,其特征在于:
所述第四步具体包括:
所述风-氢-储系统离网运行时,为保证功率平衡,需满足以下能量守恒公式:
PWT,t=PE,t+PH,t (2)
此时储能单元起到维持风-氢-储系统母线电压平衡的作用,工作在恒压模式;
根据t+1时刻的功率预测值,进一步结合式(2),对风-氢-储系统运行模式按下述几种情况进行划分:
1)当储氢罐储氢状态SOH达到上限时,制氢电解槽进入待机状态,系统停止制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:
若SOC较低或在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,储能单元按功率PWT,t+1充电,即PE,t+1=PWT,t+1;
若SOC较高,则风机和储能单元进入待机状态,等待再次启动;
2)当储氢罐储氢状态SOH在安全工作区域内时,制氢电解槽开始制氢;进一步判断储能单元荷电状态SOC:
若在安全工作区内,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-PH,t+1;
若SOC较低,则根据未来一段时间内风机和制氢电解槽制氢功率预测变化情况,调整风机和制氢电解槽工作模式和出力,具体表现为:由所述上层能量管理系统的预测单元,获取未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,即PWT,t+1、PWT,t+2、...、PWT,t+10和PH,t+1、PH,t+2...、PH,t+10,并分别计算他们的平均值,得到为PWT,avg和PH,avg;判断PWT,avg-PH,avg>0是否成立,如果成立,表示下一时段风力发电较为充足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能单元按风机与制氢电解槽的差额功率充电;如果不成立,表示下一时段风力发电不足,选择降低制氢电解槽工作功率,且根据式(3)更新制氢电解槽功率指令:
根据式(3)所求结果,判断式(4)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_dis (4)
如果式(4)成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补,即PE,t+1=PWT,t+1-P′H,t+1;如果不成立,则说明此时风力发电严重不足,风机、制氢电解槽和储能单元转为待机模式,等待重新启动;
若SOC较高,则根据未来10个时间点的风机功率预测值、制氢电解槽制氢功率预测值,计算得到PWT,avg和PH,avg,并判断PH,avg-PWT,avg>0是否成立,如果成立,表示下一时段风力发电不足,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率PH,t+1制氢,储能单元按风机与制氢电解槽差额功率放电;如果不成立,表示下一时段风力发电较为充足,选择增加制氢电解槽工作功率,且根据式(5)更新制氢电解槽功率指令:
根据式(5)所求结果,判断式(6)是否成立:
PWT,t+1-P′H,t+1<PE_ch (6)
如果式(6)成立,则风机工作在MPPT模式,制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补;如果不成立,则说明此时风力发电过剩,风-氢-储系统无法消纳,风机工作在限功率模式,限制风机发电功率为:
制氢电解槽以功率P′H,t+1制氢,风机与制氢电解槽的差额功率由储能单元弥补。
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Family Applications (1)
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CN115149552A (zh) * | 2022-08-03 | 2022-10-04 | 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 | 一种交流耦合离网风电制氢系统控制方法 |
CN117889040A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 中国船舶集团风电发展有限公司 | 风电离网制氢的控制方法、装置、设备及存储介质 |
CN115149552B (zh) * | 2022-08-03 | 2024-06-11 | 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 | 一种交流耦合离网风电制氢系统控制方法 |
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2021
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115094481A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-09-23 | 河北工业大学 | 适应宽功率波动的模块化碱性电解水制氢调度切换方法 |
CN115094481B (zh) * | 2022-06-23 | 2023-06-09 | 河北工业大学 | 适应宽功率波动的模块化碱性电解水制氢调度切换方法 |
CN115149552A (zh) * | 2022-08-03 | 2022-10-04 | 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 | 一种交流耦合离网风电制氢系统控制方法 |
CN115149552B (zh) * | 2022-08-03 | 2024-06-11 | 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 | 一种交流耦合离网风电制氢系统控制方法 |
CN117889040A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 中国船舶集团风电发展有限公司 | 风电离网制氢的控制方法、装置、设备及存储介质 |
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