CN114938012A - 一种基于功率波动的氢-电化学储能系统及功率调配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学储能技术领域，公开一种基于功率波动的氢‑电化学储能系统及功率调配方法，所述方法包括：S1、获取电化学储能装置的SOC；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2，否则不进行功率调配；S2、计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p‑P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；P_d小于设定阈值则不进行功率调配；否则，进一步判断SOC的大小：如果0.3<SOC<0.7，则跳转至步骤S3；S3、调用约束条件求解预先建立的氢‑电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B。本发明弥补电解制氢装置响应特性不足的问题，在对制氢装置寿命影响最小的前提下最大化消纳可再生能源，保证系统的经济性。

Description

一种基于功率波动的氢-电化学储能系统及功率调配方法

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，特别涉及一种基于功率波动的氢-电化学储能系统及功率调配方法。

背景技术

随着电解制氢技术的迅速发展，将其应用于可再生能源消纳的示范工程不断涌现。Power-to-Gas，即从可再生能源发电转换为氢气，逐渐成为国际上可再生能源发展应用的一个重要方向，如2012年德国意昂集团的Power-to-Gas项目，2014年多伦多地区的Power-to-Gas项目。国内尚处于起步阶段，如2017年河北沽源开始建设10MW级利用风电制氢的示范项目。可以预见，在未来，随着双碳目标的提出和实现，电解制氢的发展规模会越来越大。然而，在可再生能源制氢系统中，大多采用碱式电解槽制氢的方式；可再生能源通常具有强烈的波动性，而电解槽的响应相对较慢；该类制氢方案应用于可再生能源发电侧会由于电源的输入频繁波动对电解槽寿命产生损耗，导致制氢系统的经济性下降，减少产氢量。

因此，为解决这些问题，需要对可再生能源制氢系统的优化运行方案展开研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率波动的氢-电化学储能系统及功率调配方法，以解决新能源功率波动对制氢装置寿命造成严重影响的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，包括以下步骤：

S1、获取电化学储能装置的SOC；并判断SOC的大小，若SOC≤0.1或SOC≥0.9，不进行功率调配；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2；

S2、获取可再生能源的计划出力P_p和实际出力P_w；计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p-P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；判断P_d的大小，如果P_d小于等于设定阈值则不进行功率调配；如果P_d大于设定阈值，进一步判断SOC的大小：

是否满足0.3<SOC<0.7，是则跳转至步骤S3；

S3、调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B。

本发明进一步的改进在于：步骤S2中所述阈值为25％。

本发明进一步的改进在于：步骤S2中进一步判断SOC的大小：

不满足0.3<SOC<0.7，则进一步判断储氢罐的容量E_H是否大于0.9，判断结果为否，则按照情况3进行功率调配；判断结果为是，则按照情况4进行功率调配；

情况3：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B+P_H＝P_S且进入步骤S3进行优化控制，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_H＝P_el；若(P_p-P_w)>0,P_B＝Pe；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；Pe为储能充/放电额定功率；

情况4：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B＝P_e，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_B＝0,P_H＝0，若(P_p-P_w)>0,P_B＝-P_e。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中所述预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数具体为：

min{F₁+F₂+F₃-I₁-I₂} (1)

其中，F₁为制氢系统成本，F₂为弃风惩罚成本，F₃为购电成本，I₁为制氢收入，I₂为储能上网收益。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中：

制氢系统成本F₁的表达式为：

F₁＝f₁+f₂ (2)

f₁为制氢系统投资成本，f2为制氢系统运维成本；

f₁＝(C_el*P_el+C_tan*E_tan)*f_sc (3)

其中，C_el是单位电解槽功率成本，单位：元/MW；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；C_tan是单位储氢罐容量成本，单位：元/MWh；E_tan是电解槽额定容量，单位：MWh；f_sc表示日折现值；

其中，V_el是电解槽系统的运维成本，单位：元；P_el是电解槽额定功率，单位：MW；V_h是制得氢气的存储、运输成本，单位：元/MWh；

是制得氢气的质量，单位：t；

其中，r为社会折现值；LP为储能系统的设计使用年限；N为氢储能系统的运行周期。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中：

弃风惩罚成本F₂的表达式为：

其中，C_w为弃风惩罚成本，元/MW；P_w为风电理论出力，MM；P_i为风电实际出力，MW；P_w'为混合储能消纳功率。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中：

购电成本F₃的表达式为：

其中，E_i代表购电电量；e_i代表购电电价。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中：

制氢收入I₁的表达式为：

I₁＝M_(H2)×C_h (8)

式中，c_h表示单位氢的售价，单位元/千克；

储能上网收益I₂的表达式为：

I₂＝E_deal*e_deal+E_surplus*B_i (9)

式中，E_deal、E_surplus分别为储能上网电量、储能充电电量；e_deal、B_i分别为储能上网电价、政策补贴。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中所述约束条件包括：

(a)可再生能源约束

i.功率偏移约束

|P_grid(t)-P_ref(t)|≤γ_max％C_v (13)

式中：P_grid(t)为t时刻电站并网功率；P_ref(t)为t时刻计划出力，γ_max％为规定的最大偏移率；C_v为可再生能源装机容量；

ii.可再生能源容量约束

0≤P_grid(t)≤C_v (14)

iii.线路容量比约束

其中，P_line代表线路输送功率，MW；P_line-max代表线路输送功率上限，MW；K_max代表线路容量比的上限；

b)氢储能相关约束

i、电解槽最小启停时间约束

式中T_on、T_off分别为电解槽的最小开机、停机时间；u_t为t时刻电解槽的启停状态，1代表启动，0代表停机；

ii、电解槽功率上下限约束

P_el-min≤P_el≤P_el-max (17)

式中，P_el-min和P_el-max分别代表电解槽功率下限和功率上限；

iii、波动性输入限制约束

P_el≥20％P_el-rated (18)

P_el-rated代表额定功率；

P_el≤P_el-rated (19)

iv、储氢量上下限范围约束

0≤E_H≤E_max (20)

式中E_H为储氢罐的容量；E_max为储氢罐的容量限值；

v、爬坡速率约束

r_di≤P_tan-P_tan-1≤r_ri (21)

r_di、r_ri分别代表制氢装置的出力下限和出力上限约束；

c)电化学储能相关约束

i.储能SOC约束

SOC_min≤SOC(i)≤SOC_max

SOC_min和SOC_max代表储能SOC的上下限；

代表储能的额定容量；η_charge和η_discharge分别代表充放电效率；

ii.充放电量守恒约束

E_{qd_ESS}＝E_{el_ESS} (23)

E_{qd_ESS}代表通过弃电消纳得到的电量；E_{el_ESS}代表输送给氢储能的电量。

本发明进一步的改进在于：步骤S3中所述调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数的步骤中，具体地应用多目标求解算法NSGA-III以及TOPSIS算法求解。

第二方面，本发明提供一种基于功率波动的氢-电化学储能系统，包括：包括：电化学储能装置、氢储能装置、逆变器、整流器和变流器；氢储能装置包括电解槽和储氢罐；

可再生能源通过逆变器连接电网、整流器和变流器；

整流器的输出端连接电解槽，变流器的输出端连接电化学储能装置，电化学储能装置的输出端也连接电解槽；所述电解槽的氢气出口连接储氢罐；

所述基于功率波动的氢-电化学储能系统进行功率调配时，具体包括以下步骤：

S1、获取电化学储能装置的SOC；并判断SOC的大小，若SOC≤0.1或SOC≥0.9，不进行功率调配；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2；

S2、获取可再生能源的计划出力P_p和实际出力P_w；计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p-P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；判断P_d的大小，如果P_d小于等于设定阈值则不进行功率调配；如果P_d大于设定阈值，进一步判断SOC的大小：

是否满足0.3<SOC<0.7，是则跳转至步骤S3；如果为否则进一步判断储氢罐的容量E_H是否大于0.9，判断结果为否，则按照情况3进行功率调配；判断结果为是，则按照情况4进行功率调配；

情况3：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B+P_H＝P_S且进入步骤S3进行优化控制，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_H＝P_el；若(P_p-P_w)>0,P_B＝Pe；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；Pe为储能充/放电额定功率；

情况4：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B＝P_e，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_B＝0,P_H＝0，若(P_p-P_w)>0,P_B＝-P_e；

S3、调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明利用电化学储能响应速度快、配置灵活、能够双向出力的特点，提出了一种基于氢储系统的氢-电化学储能系统，并给出了其功率调控方法，用以弥补电解制氢装置响应特性不足的问题，在对制氢装置寿命影响最小的前提下最大化消纳可再生能源，保证系统的经济性。

本发明采用电化学储能作为辅助装置，能够有效缓解新能源的波动性对制氢装置运行寿命的影响，提高制氢装置的制氢效率和使用年限；

本发明采用的氢-电化学储能耦合系统功率调配方法能够有效降低制氢功率的波动率、提高制氢装置的产氢效率、提高风电/光电消纳率、能够在发电侧进行有效的调峰。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的结构框图；

图2为本发明一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法流程示意图；

图3为NSGA-III的算法流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

SOC：电池荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满；本发明目标函数在设计中包含使用电化学储能电解制氢；所描述的EMD为经验模态分解法，依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无须预先设定任何基函数。

实施例1

请参阅图1所示，本发明提供一种基于功率波动的氢-电化学储能系统，包括：电化学储能装置、氢储能装置(电解槽、储氢罐)、逆变器、整流器和变流器；可再生能源通过逆变器连接电网、整流器和变流器；整流器的输出端连接电解槽，变流器的输出端连接电化学储能装置，电化学储能装置的输出端也连接电解槽；所述电解槽的氢气出口连接储氢罐。

本发明提供一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法具体按照实施例2执行。

实施例2

当可再生能源的输入功率大于并网所需的功率时，将会产生弃光，但弃光功率大小以及风电质量不同选用不同控制策略，当风电输入功率较大时，优先制氢；当风电输入功率较小时，优先并网。此外，当储能电池SOC不在正常区间内时，进行SOC复位；具体工作流程图如图2所示。请参阅图2所示，本发明一种基于功率波动的氢-电化学储能系统功率调配方法，包括以下步骤：

S1、获取电化学储能装置的SOC；并判断SOC的大小，若电化学储能SOC≤0.1，则为为情况1，电化学储能装置只充不放，Pcharge＝-P_Bmax，不进行功率调配；若电化学储能SOC≥0.9则为情况2，电化学储能装置只放不充，Pdischarge＝P_Bmax，不进行功率调配；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2；其中，P_charge表示充电功率，P_Bmax表示最大充放电功率；

S2、获取可再生能源的计划出力P_p和实际出力P_w；计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p-P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；判断P_d的大小，如果P_d小于设定阈值则不进行功率调配，阈值可以是25％或者其它数值，根据当地情况可以进行设置；如果P_d大于设定阈值，进一步判断SOC的大小：

是否满足0.3<SOC<0.7，是则跳转至步骤S3；如果为否则进一步判断储氢罐的容量E_H是否大于0.9，判断结果为否，则按照情况3进行功率调配；判断结果为是，则按照情况4进行功率调配；

情况3：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B+P_H＝P_S且进入步骤S3进行优化控制，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_H＝P_el；若(P_p-P_w)>0,P_B＝Pe；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；Pe为储能充/放电额定功率；

情况4：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B＝P_e，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_B＝0,P_H＝0，若(P_p-P_w)>0,P_B＝-P_e；

S3、调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B；

本发明以风电为例：风电预测偏差应小于等于25％即Pd＝(实际出力-理论出力)/实际出力<＝25％)；当可再生能源质量较差时，启用EMD分解法；当调度要求弃风时，尽量选用电化学储能上网，风电制氢策略；采用经验模态(EMD)分解法，将高频的波动信号分配给电化学储能，中低频的能量信号分配给电解槽系统进行氢气的制备，制得的氢气使用储氢罐存储，然后通过化工业、氢燃料电池汽车等就地消纳。Pe为储能充/放电额定功率；Pel为氢储能充/放电额定功率；P_H、P_B为得出的最佳制氢和电池充放电实际功率。

以可再生能源最大化消纳、制氢系统总费用最小为目标，充分考虑对电解制氢系统寿命的影响，同时考虑爬坡速度、制氢效率、电化学储能充放电等特性参数和运行状态等约束条件，建立氢-电化学储能耦合模型，氢-电化学储能耦合模型的建立过程包括：

S31、目标函数

风电制氢系统总成本由制氢系统成本、弃风惩罚成本、购电成本以及制氢收入和储能上网补贴构成。本发明以可再生能源制氢系统的总费用在一天内最小化为目标函数。目标函数具体用式(1)来描述。

min{F₁+F₂+F₃-I₁-I₂} (1)

1)制氢系统成本F₁

制氢系统包括电解槽和储氢设备，制氢系统成本F₁由投资成本(f₁)和运维成本(f₂)组成，即

F₁＝f₁+f₂ (2)

投资成本f₁由式(3)计算。

f₁＝(C_el*P_el+C_tan*E_tan)*f_sc (3)

其中，C_el是单位电解槽功率成本，单位：元/MW；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；C_tan是单位储氢罐容量成本，单位：元/MWh；E_tan是电解槽额定容量，单位：MWh；f_sc表示日折现值。

运维成本f₂包括电解槽的运维成本和制得氢气的存储、运输成本，由式(4)计算得到。

其中，V_el是电解槽系统的运维成本，单位：元；P_el是电解槽额定功率，单位：MW；V_h是制得氢气的存储、运输成本，单位：元/MWh；

是制得氢气的质量，单位：t。

其中，r为社会折现值；LP为储能系统的设计使用年限；N为氢储能系统的运行周期。

2)弃风惩罚成本F₂

其中，C_w为弃风惩罚成本，(元/MW)；P_w为风电理论出力，(MW)；P_i为风电实际出力(MW)；P_w'为混合储能消纳功率。

3)购电成本F₃

在新能源大发时，电网难以消纳这一部分风能，因此，可以通过电解制氢转换成氢气进行消纳；由于该部分的风能难以被电网消纳掉，可以以较低的价格购买获得，具体计算方法为：

其中，E_i代表购电电量；e_i代表购电电价；

4)制氢收入I₁

I₁＝M_(H2)×C_h (8)

式中，c_h表示单位氢的售价，单位元/千克。

5)储能上网收益I₂

I₂＝E_deal*e_deal+E_surplus*B_i (9)

E_deal、E_surplus分别为储能上网电量、储能充电电量；e_deal、B_i分别为储能上网电价、政策补贴。

目标函数是在满足可再生能源最大化消纳的同时最大化效率利用碱性电解槽，采用弃风弃光量和单位氢气的制氢电耗最小来表示，即：

min{P_q}+min{E_dh} (10)

P_q代表用弃电率，％，新能源的最大消纳采用弃风、弃光率来表达，当弃电率越小，代表对新能源的消纳量越大，E_dh代表单位制氢的制氢电耗。

P_wq代表可再生能源弃电功率，kW；P_w'代表电化学储能、氢储能消纳功率，kW。

E_dh代表单位氢气的制氢电耗，kW/kg；与制氢的效率有关；P_in代表制氢输入功率，kW；E_in代表制氢电耗，kWh；

代表氢气产量，kg。

机理建模后可以得出：电解槽的效率随着输入功率的增大而迅速增大，然后逐渐降低，最优效率点P点之前，制氢的功率偏小，氢气的纯度较低；在P点之后随着输入功率接近额定功率，制氢的边际成本同步升高，造成经济性较差。因此，最优制氢功率应该是在最优效率点P的右半部分，跟随弃电功率动态变化。

S32、约束条件

(a)可再生能源约束

i.功率偏移约束

|P_grid(t)-P_ref(t)|≤γ_max％C_v (13)

式中：P_grid(t)为t时刻电站并网功率；P_ref(t)为t时刻计划出力，由场景分析得出，γ_max％为规定的最大偏移率；C_v为可再生能源装机容量。根据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》，光储并网功率应当与调度曲线一致，允许功率偏移在一定的比率内。

ii.可再生能源容量约束

0≤P_grid(t)≤C_v (14)

iii.线路容量比约束

输电电路的容量有上限，当输送的电量大于线路容量比的上限时，多余的电量需要被弃掉。

其中，P_line代表线路输送功率，MW；P_line-max代表线路输送功率上限，MW；K_max代表线路容量比的上限。

b)氢储能相关约束

1、电解槽最小启停时间约束

式中T_on、T_off分别为电解槽的最小开机、停机时间；u_t为t时刻电解槽的启停状态，1代表启动，0代表停机。

2、电解槽功率上下限约束

P_el-min≤P_el≤P_el-max (17)

式中，P_el-min和P_el-max分别代表电解槽功率下限和功率上限。

3、波动性输入限制约束

由于波动性输入会对制氢装置的寿命产生严重的影响，因此，当波动性输入超出电解槽的承受范围时，需要在电化学的配合下将输入功率稳定在允许范围。

P_el≥20％P_el-rated (18)

P_el-rated代表额定功率，当输入功率由于波动性处于小于20％P_el-rated时，部分子电解槽会处于间歇运行状态，使电解槽的运行温度低于额定状态，自身的效率偏低，同时会有氢氧互串，引起爆炸的风险。

P_el≤P_el-rated (19)

电解槽在设计时具有额定功率，超过额定功率(过载功率)一段时间后，会对电解槽的寿命产生不可逆的影响，因此需要避免长时间的过载工况。

4、储氢量上下限范围约束

0≤E_H≤E_max (20)

式中E_H为储氢罐的容量；E_max为储氢罐的容量限值。

5、爬坡速率约束(判断一下是否满足条件，不满足的话就一起出力)

制氢装置的出力改变具有上限，当出力变化超过允许范围，需要用电化学辅助制氢装置来消纳弃风功率。

r_di≤P_tan-P_tan-1≤r_ri (21)

r_di、r_ri分别代表制氢装置的出力下限和出力上限约束；

c)电化学储能相关约束

i.储能SOC约束

SOC_min≤SOC(i)≤SOC_max

SOC_min和SOC_max代表储能SOC的上下限；

代表储能的额定容量；η_charge和η_discharge分别代表充放电效率。

ii.充放电量守恒约束

在以为时间单位的周期内，电化学储能通过消纳弃电获得的电量应与输送给氢储能的电量总量保持一致，使电化学储能的SOC维持在50％。

E_{qd_ESS}＝E_{el_ESS} (23)

E_{qd_ESS}代表通过弃电消纳得到的电量；E_{el_ESS}代表输送给氢储能的电量。

S33、求解策略-多目标优化：在发明提出的可再生能源制氢系统中，以制氢系统总费用最小、弃风弃光量最小以及单位氢气制氢电耗最小为目标，应用多目标求解算法NSGA-III以及TOPSIS算法求解得出(通过NSGA-III算法计算出多个P_B和P_H，然后通过TOPSIS进行选择最优解P_B和P_H)。请参阅图3所示，NSGA-III算法基于参考点选择下一代种群，不仅保留了NSGA-II算法的优势也保持了非支配解的宽度和均匀性，极大地提高了算法的收敛性。

此外，针对当功率波动较大的情况，通过滤波手段来改善输送到电解槽的功率波动，当电解槽的制氢功率低于限值时，会导致制氢效率低、安全性差，此时由电化学储能输送存储的电能来进行制氢，使制氢的效率保持在较优区间。也即，当上述所讨论中，E_H>0.9时，电解制氢功率为0。最后，保持电解槽和电化学储能的约束满足要求。

本发明引入电化学储能作为辅助调节装置，利用电化学储能快速精准调节的特点，提出一种氢-电化学储能耦合系统功率调配方法；以可再生能源最大化利用、碱性电解槽的效率最高为目标，充分考虑电解制氢系统运行寿命、爬坡速度、电化学储能充放电等特性参数和运行状态等约束条件，提出氢-电化学储能耦合系统功率调配策略。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取电化学储能装置的SOC；并判断SOC的大小，若SOC≤0.1或SOC≥0.9，不进行功率调配；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2；

S2、获取可再生能源的计划出力P_p和实际出力P_w；计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p-P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；判断P_d的大小，如果P_d小于等于设定阈值则不进行功率调配；如果P_d大于设定阈值，进一步判断SOC的大小：

是否满足0.3<SOC<0.7，是则跳转至步骤S3；

S3、调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S2中进一步判断SOC的大小：

不满足0.3<SOC<0.7，则进一步判断储氢罐的容量E_H是否大于0.9，判断结果为否，则按照情况3进行功率调配；判断结果为是，则按照情况4进行功率调配；

情况3：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B+P_H＝P_S且进入步骤S3进行优化控制，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_H＝P_el；若(P_p-P_w)>0,P_B＝Pe；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；Pe为储能充/放电额定功率；

情况4：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B＝P_e，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_B＝0,P_H＝0，若(P_p-P_w)>0,P_B＝-P_e。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中所述预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数具体为：

min{F₁+F₂+F₃-I₁-I₂} (1)

其中，F₁为制氢系统成本，F₂为弃风惩罚成本，F₃为购电成本，I₁为制氢收入，I₂为储能上网收益。

4.根据权利要求3所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中：

制氢系统成本F₁的表达式为：

F₁＝f₁+f₂ (2)

f₁为制氢系统投资成本，f2为制氢系统运维成本；

f₁＝(C_el*P_el+C_tan*E_tan)*f_sc (3)

其中，C_el是单位电解槽功率成本，单位：元/MW；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；C_tan是单位储氢罐容量成本，单位：元/MWh；E_tan是电解槽额定容量，单位：MWh；f_sc表示日折现值；

其中，V_el是电解槽系统的运维成本，单位：元；P_el是电解槽额定功率，单位：MW；V_h是制得氢气的存储、运输成本，单位：元/MWh；

是制得氢气的质量，单位：t；

其中，r为社会折现值；LP为储能系统的设计使用年限；N为氢储能系统的运行周期。

5.根据权利要求3所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中：

弃风惩罚成本F₂的表达式为：

其中，C_w为弃风惩罚成本，元/MW；P_w为风电理论出力，MM；P_i为风电实际出力，MW；P_w'为混合储能消纳功率。

6.根据权利要求3所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中：

购电成本F₃的表达式为：

其中，E_i代表购电电量；e_i代表购电电价。

7.根据权利要求4所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中：

制氢收入I₁的表达式为：

I₁＝M_(H2)×C_h (8)

式中，c_h表示单位氢的售价，单位元/千克；

储能上网收益I₂的表达式为：

I₂＝E_deal*e_deal+E_surplus*B_i (9)

式中，E_deal、E_surplus分别为储能上网电量、储能充电电量；e_deal、B_i分别为储能上网电价、政策补贴。

8.根据权利要求3所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中所述约束条件包括：

(a)可再生能源约束

i.功率偏移约束

|P_grid(t)-P_ref(t)|≤γ_max％C_v (13)

式中：P_grid(t)为t时刻电站并网功率；P_ref(t)为t时刻计划出力，γ_max％为规定的最大偏移率；C_v为可再生能源装机容量；

ii.可再生能源容量约束

0≤P_grid(t)≤C_v (14)

iii.线路容量比约束

其中，P_line代表线路输送功率，MW；P_line-max代表线路输送功率上限，MW；K_max代表线路容量比的上限；

b)氢储能相关约束

i、电解槽最小启停时间约束

式中T_on、T_off分别为电解槽的最小开机、停机时间；u_t为t时刻电解槽的启停状态，1代表启动，0代表停机；

ii、电解槽功率上下限约束

P_el-min≤P_el≤P_el-max (17)

式中，P_el-min和P_el-max分别代表电解槽功率下限和功率上限；

iii、波动性输入限制约束

P_el≥20％P_el-rated (18)

P_el-rated代表额定功率；

P_el≤P_el-rated (19)

iv、储氢量上下限范围约束

0≤E_H≤E_max (20)

式中E_H为储氢罐的容量；E_max为储氢罐的容量限值；

v、爬坡速率约束

r_di≤P_tan-P_tan-1≤r_ri (21)

r_di、r_ri分别代表制氢装置的出力下限和出力上限约束；

c)电化学储能相关约束

i.储能SOC约束

SOC_min≤SOC(i)≤SOC_max

SOC_min和SOC_max代表储能SOC的上下限；

代表储能的额定容量；η_charge和η_discharge分别代表充放电效率；

ii.充放电量守恒约束

E_{qd_ESS}＝E_{el_ESS} (23)

E_{qd_ESS}代表通过弃电消纳得到的电量；E_{el_ESS}代表输送给氢储能的电量。

9.根据权利要求3所述的一种基于功率波动的氢-电化学储能系统的功率调配方法，其特征在于，步骤S3中所述调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数的步骤中，具体地应用多目标求解算法NSGA-III以及TOPSIS算法求解。

10.一种基于功率波动的氢-电化学储能系统，其特征在于，包括：包括：电化学储能装置、氢储能装置、逆变器、整流器和变流器；氢储能装置包括电解槽和储氢罐；

可再生能源通过逆变器连接电网、整流器和变流器；

整流器的输出端连接电解槽，变流器的输出端连接电化学储能装置，电化学储能装置的输出端也连接电解槽；所述电解槽的氢气出口连接储氢罐；

所述基于功率波动的氢-电化学储能系统进行功率调配时，具体包括以下步骤：

S1、获取电化学储能装置的SOC；并判断SOC的大小，若SOC≤0.1或SOC≥0.9，不进行功率调配；若0.1<SOC<0.9，则跳转至步骤S2；

S2、获取可再生能源的计划出力P_p和实际出力P_w；计算可再生能源的出力误差P_s＝|P_p-P_w|和可再生能源的出力误差比例P_d＝P_s/P_p；判断P_d的大小，如果P_d小于等于设定阈值则不进行功率调配；如果P_d大于设定阈值，进一步判断SOC的大小：

是否满足0.3<SOC<0.7，是则跳转至步骤S3；如果为否则进一步判断储氢罐的容量E_H是否大于0.9，判断结果为否，则按照情况3进行功率调配；判断结果为是，则按照情况4进行功率调配；

情况3：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B+P_H＝P_S且进入步骤S3进行优化控制，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_H＝P_el；若(P_p-P_w)>0,P_B＝Pe；P_el为电解槽额定功率，单位为MW；Pe为储能充/放电额定功率；

情况4：电池SOC≤0.3，若(P_p-P_w)<0,P_B＝P_e，若(P_p-P_w)>0,P_B＝0,P_H＝0；电池SOC≥0.7，若(P_p-P_w)<0,P_B＝0,P_H＝0，若(P_p-P_w)>0,P_B＝-P_e；

如果0.3<SOC<0.7，则跳转至步骤S3；

S3、调用约束条件求解预先建立的氢-电化学储能耦合模型的目标函数，获得最佳制氢功率P_H和最佳电池充放电实际功率P_B。

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