CN115793452A - 一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法 - Google Patents

一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法 Download PDF

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CN115793452A CN202211465713.6A CN202211465713A CN115793452A CN 115793452 A CN115793452 A CN 115793452A CN 202211465713 A CN202211465713 A CN 202211465713A CN 115793452 A CN115793452 A CN 115793452A
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赵文强
韩永强
赵建勇
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王海亭
陈磊磊
石生超
范彩兄
王正伟
祁富志
徐嘉伟
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Abstract

本发明公开了一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，属于涉及综合能源系统的控制策略领域。包括：建立包含多电解槽装置的制氢储氢系统，计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，配置电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；建立热氢联产系统，将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。

Description

一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法
技术领域
本发明涉及综合能源系统的控制策略领域，具体涉及一种含多电解槽的考虑启停特性的热氢联产系统优化控制方法。
背景技术
通过综合利用风、光等新能源发电、产热、制氢以及储热、储氢的先进技术，能够解决我国偏远地区用电、用热、用氢等需求，与此同时，在此基础上研究综合能源系统控制策略问题，对于高效并且经济地利用可再生能源是非常必要的。合理的控制策略能够确保系统在满足可靠性以及安全性约束的基础上，实现成本最低，并避免可再生能源的浪费、能源供不应求等情况。因此，充分利用新能源发电与储能的先进技术，建设风机、光电与储能技术一体化的新一代综合能源系统，实现热氢联产系统的运行控制与协调供给，对于我国新一代能源系统建设具有极高的价值和意义。
在热氢联产综合能源系统运行控制方面，目前存在的问题主要包括在分析研究过程中，需要对多个电解槽的运行状态进行分析，需要考虑风、光等出力的波动性对电解槽运行产生的影响，并根据电解槽实际出力计算弃风弃光率；根据风光出力与实际氢负荷需求以及储氢装置容量，来对电解槽的工作状态进行控制；而电解槽的启停特性又会对热氢联产模型产生影响，最终实际的热输出结果会有所变化。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，实现含多电解槽的考虑启停特性的热氢联产综合能源系统优化控制方法。
本发明技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，包括以下步骤：
步骤1，计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，并确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；
步骤2，将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
步骤3，根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。
第二方面，本发明提供了一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制装置，包括：
分层控制策略模块，其用于计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，并确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；
余热收集模块，其用于将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
优化控制模块，其用于根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。
第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明通过建立包含多电解槽装置的制氢储氢系统，综合分析风、光可再生能源出力对电解槽运行状态的影响，计算各电解槽的实际功率以及制氢储氢系统的弃风弃光率，结合不同地区对系统弃风弃光指标的要求，来确定电解槽的最大额定功率，在此基础上综合考虑风光出力、用户氢负荷需求与储氢装置容量，设计了考虑多电解槽启停特性的分层控制策略。
(2)本发明建立了包含制热储热系统与制氢储氢系统的热氢联产系统，将电解槽制氢过程中散发的热量进行回收利用，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，该余热将作为制热储热系统中储热装置的热源，以及直接向用户供给热负荷使用，从而实现系统的热氢联产。
(3)本发明综合分析了电解槽实际产生的余热量、制热装置的实际制热量与用户热负荷需求，对制热储热系统进行优化控制。
附图说明
图1为本发明实施例示出的多电解槽的启停特性控制策略；
图2为本发明实施例示出的含多电解槽的考虑启停特性的热氢联产系统；
图3为本发明实施例示出的制热储热系统的优化控制方法。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明包含多电解槽的考虑启停特性的热氢联产综合能源系统优化控制方法，包括如下步骤：
(1)以热氢联产系统为背景，研究热、氢等不同能量形式的能量特征，考虑含有多电解槽的计及启停特性的热氢联产综合能源系统控制策略，通过分析风、光等可再生能源出力对电解装置运行的影响来计算电解槽实际功率，并计算系统弃风弃光率，结合当地对弃风弃光指标的要求确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略，以保证系统的协调、稳定运行，从而对热氢联产运行结果产生影响。
由于风、光等可再生能源的接入，对电解槽的实际输出功率有一定的影响，具体表现为：风力、光伏所输入的电压电流本身就具有波动性，随之带来的电解槽工作状态也会上下起伏，可以将波动程度分为正持续、负持续与随机跳转三种状态。若波动状态为正持续，则会导致电解槽实际功率过高，多余的电功率将会大部分以热量的形式散发出去，一方面用以维持自身工作温度需要，另一方面可将其收集起来作为辅助热源之一，但时间过长将会影响电解槽工作寿命；若波动状态为负持续，此时电解槽实际功率较低，制氢效率不足，消耗电能也较少；若波动状态为随机跳转，此时电解槽输出功率极不稳定，制氢效率大幅度降低，也严重影响了电解槽的工作寿命。
本实施例中，实际运行中多个电解槽并联运行，根据功率大小可以分为正常工作状态、待机状态和停机状态。正常工作状态是指输出电功率保持在上下限范围内的制氢状态，此时电解槽的制氢效率保持在一定水平；待机状态是指电解槽处于暂时关闭状态，但需要一定的电功耗维持正常工作时所需要的温度等必要条件；停机状态是指电解槽完全处于关闭模式，此时制氢量与电耗均为0。运行状态定义如下：
Figure BDA0003956169650000031
式中：O为1表示电解槽处于正常工作状态，O为0表示电解槽处于非正常工作状态；S为1表示电解槽处于待机状态，S为0表示电解槽处于非待机状态；DD为1表示电解槽处于停机状态，D为0表示电解槽处于非停机状态；
电解槽在实际运行中由于风光出力波动等原因，其工作状态会进行转换，实际输出功率也随之变化。将所有的电解槽进行标号，方便对不同电解槽状态进行区分，综合考虑多种因素来计算电解槽实际功率，并实现多电解槽的运行调控。
在本发明的一项具体实施中，步骤1的实现过程如下：
1.1在多电解槽制氢系统中，根据综合能源系统所能接受的最大增加/减少量来限制风、光出力，只有当风、光出力处于综合能源系统正常的承受范围内，电解槽才会正常工作；若出力过大电解槽在一定时间的工作后会处于待机冷却状态，若出力过小将处于停机状态。t时刻每个电解槽的功率如下：
Figure BDA0003956169650000041
式中，Pele(t)表示t时刻电解槽的输出功率；Pwt(t)表示t时刻风力发电功率；ηmax表示综合能源系统所能接受的最大风力功率增量，且ηmax>0；Ppv(t)表示t时刻光伏发电功率；λmax表示综合能源系统所能接受的最大光伏功率增量，且λmax>0。
1.2电解槽额定功率的大小是决定系统弃风弃光水平的重要因素，若在风、光出力较大时所选电解槽额定功率过小，此时弃风弃光水平较高，此时电解槽具体出力表达式如下：
Figure BDA0003956169650000042
式中，preal-ele(t)表示t时刻电解槽实际功率；prate表示电解槽额定功率，具体表达式如下：
prate＝max{pele(1),pele(2),…,pele(T)} (4)
式中，T为该时段总点数，pele(t)为每时刻的电解槽输出功率。
由此产生的弃风弃光率计算如下：
Figure BDA0003956169650000043
式中，δ表示系统弃风弃光率，其范围通常为δ∈[0,8％]。
1.3多电解槽在实际运行过程中，需要结合风光出力、氢负荷需求以及储氢装置容量限值来对其状态进行控制。
具体的，如图1所示，控制过程如下：
1.3.1若风光出力小于综合能源系统正常的承受范围的最低值，则风光出力达不到电解槽的启动功率，电解槽处于停机状态，电解槽均不工作；
1.3.2若风光出力充足，且用户氢负荷需求低于或等于预设值，根据用户氢负荷需求控制部分电解槽处于正常工作状态以满足氢负荷要求，再控制其余部分电解槽正常工作直至储氢装置的储氢量达到容量限值，之后控制除用于满足氢负荷要求之外的其余电解槽为停机状态；
1.3.3若风光出力充足，且用户氢负荷需求高于预设值，则对所有电解槽进行分层控制，所述的分层控制方法为：
将所有的电解槽分为A、B、C三层，每一层设置不同大小的启动功率与相同的待机功率，所述的待机功率大小与电解槽最大功率限值相等，所述的电解槽最大功率限值为电解槽额定功率的110％～130％，所述的启动功率在A、B、C三层中依次增大；
风光出力首先作用于A层中的电解槽，当A层中的电解槽达到额定工作状态后，多余风光出力传递到B层；B层中的电解槽启动功率增大，电解槽启动时间相比A层中的电解槽启动时间延长，当B层中的电解槽达到额定工作状态之后，多余风光出力将会传递到C层；C层中的电解槽启动功率最大，电解槽启动时间相比B层中的电解槽启动时间延长，当C层中的电解槽达到额定工作状态之后，则所有的电解槽均达到额定工作状态；
若风光出力在满足所有电解槽均达到额定工作状态后仍有剩余，根据电解槽的工作特性，其功率可以短时超过额定功率，即当各层电解槽分别达到待机功率时，由于工作时间的不同，系统将按照A、B、C三层的顺序依次控制各层电解槽处于待机冷却状态；当电解槽从待机冷却状态转换为正常工作状态时，需要消耗一定的电量重新启动电解槽，以此循环。
(2)建立包含制热储热系统、制氢储氢系统的热氢联产系统，将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集。根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
本实施例中，热氢联产系统的结构如图2所示，风光出力经AC/DC转化后，一部分风光出力用于用户电负荷，一部分风光出力经变流器转换为电能后存储在储电装置中，一部分风光出力分给多电解槽制氢，通过对多电解槽的启停特性控制策略，将制备的氢用于用户氢负荷，并将制氢过程的产热经换热器提供给储热装置，或者用于用户热负荷。还有一部分风光出力用于热泵/电锅炉产热，将热量存储在储热装置，或者用于用户热负荷。
通过上述的热氢联产模型，将电解槽制氢过程中散发出的热量进行收集，一方面为电解槽的正常运行提供必要的温度，并直接向用户进行热负荷的供给；另一方面作为制氢储氢系统中储热装置的热源，从而实现热氢联产。
为了对热氢联产过程进行调控，需要根据(1)中对各个电解槽运行状态的调控，计算在多电解槽启停特性影响下的热氢联产热输出结果。首先建立t时刻每个电解槽的输出热功率表达式为：
Figure BDA0003956169650000051
式中：
Figure BDA0003956169650000061
表示第i个电解槽t时刻的产热功率，μh表示当输入功率为电解槽额定功率下的产热效率，PE表示输入功率，
Figure BDA0003956169650000062
表示待机状态下所需要的启动功率，μ′h表示当输入功率为电解槽非额定功率下的产热效率，ωpe表示电解槽产热惩罚系数，vi(t)表示若电解槽t时刻从待机冷却状态转换为正常工作状态时设置为1，其余情况下设置为0，Oi(t)、Si(t)表示电解槽的工作状态，若Oi(t)为1、Si(t)为0，则表示电解槽处于正常工作状态；若Oi(t)为0，Si(t)为1，则表示电解槽处于待机状态。
如此可得到最终多电解槽的产热功率如下：
Figure BDA0003956169650000063
式中：Qele(t)表示多电解槽t时刻的总产热功率，n表示电解槽数量。
(3)根据多电解槽的总产热量、制热储热系统中的制热储热量以及用户热负荷需求，对制热储热系统进行优化控制。
如图3所示，将计算出的电解槽产热量优先向用户热负荷以及制热储热系统中的储热装置使用，并根据热负荷缺口大小来对制热储热系统进行优化控制。若热负荷缺口高于阈值，则提高制热储热系统中的制热装置的额定功率，或者是增设多台制热装置直至满足热负荷需求；若热负荷缺口小于或等于阈值，则控制制热储热系统中的制热装置的运行状态，通过关闭部分制热装置来控制热量的溢出，并降低系统用电量。
在本实施例中还提供了一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制装置，该装置用于实现上述实施例。以下所使用的术语“模块”、“单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管在以下实施例中所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能的。
本实施例提供的一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制装置，包括：
分层控制策略模块，其用于计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，并确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；
余热收集模块，其用于将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
优化控制模块，其用于根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可，其余模块的实现方法此处不再赘述。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
本发明的装置实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法。
所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，并确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；
步骤2，将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
步骤3，根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。
2.根据权利要求1所述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，其特征在于，所述的步骤1包括：
1.1)根据综合能源系统所能接受的最大增加/减少量来限制风光出力，当风光出力处于综合能源系统正常的承受范围内，电解槽处于正常工作状态；若风光出力过大，电解槽在一定时间的工作后处于待机冷却状态；若风光出力过小，电解槽处于停机状态；
t时刻每个电解槽的理论输出功率如下：
Figure FDA0003956169640000011
式中，Pele(t)表示t时刻电解槽的理论输出功率；Pwt(t)表示t时刻风力发电功率；ηmax表示综合能源系统所能接受的最大风力功率增量，且ηmax＞0；Ppv(t)表示t时刻光伏发电功率；λmax表示综合能源系统所能接受的最大光伏功率增量，且λmax＞0；
1.2)结合电解槽的理论输出功率和电解槽额定功率，计算电解槽实际功率，计算公式为：
Figure FDA0003956169640000012
式中，preal-ele(t)表示t时刻电解槽的实际功率，prate表示电解槽额定功率。
1.3)结合当地对弃风弃光指标的要求确定电解槽的最大额定功率；
所述的弃风弃光指标计算公式为：
Figure FDA0003956169640000013
式中，δ表示制氢储氢系统的弃风弃光率，T表示时间段；
制氢储氢系统的弃风弃光率与电解槽的额定功率满足一定的函数关系，且在一定范围内，弃风弃光率会随着电解槽额定功率的增大而减小，根据当地对弃风弃光指标的要求，配置电解槽的最大额定功率；
1.4)建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略，包括：
若风光出力小于综合能源系统正常的承受范围的最低值，则风光出力达不到电解槽的启动功率，电解槽处于停机状态，电解槽均不工作；
若风光出力充足，且用户氢负荷需求低于或等于预设值，根据用户氢负荷需求控制部分电解槽处于正常工作状态以满足氢负荷要求，再控制其余部分电解槽正常工作直至储氢装置的储氢量达到容量限值，之后控制除用于满足氢负荷要求之外的其余电解槽为停机状态；
若风光出力充足，且用户氢负荷需求高于预设值，则对所有电解槽进行分层控制；所述的分层控制方法为：
将所有的电解槽分为A、B、C三层，每一层设置不同大小的启动功率与相同的待机功率，所述的待机功率大小与电解槽最大功率限值相等，所述的电解槽最大功率限值为电解槽额定功率的110％～130％，所述的启动功率在A、B、C三层中依次增大；
风光出力首先作用于A层中的电解槽，当A层中的电解槽达到额定工作状态后，多余风光出力传递到B层；B层中的电解槽启动功率增大，电解槽启动时间相比A层中的电解槽启动时间延长，当B层中的电解槽达到额定工作状态之后，多余风光出力将会传递到C层；C层中的电解槽启动功率最大，电解槽启动时间相比B层中的电解槽启动时间延长，当C层中的电解槽达到额定工作状态之后，则所有的电解槽均达到额定工作状态；
若风光出力在满足所有电解槽均达到额定工作状态后仍有剩余，根据电解槽的工作特性，其功率可以短时超过额定功率，即当各层电解槽分别达到待机功率时，由于工作时间的不同，系统将按照A、B、C三层的顺序依次控制各层电解槽处于待机冷却状态；当电解槽从待机冷却状态转换为正常工作状态时，需要消耗一定的电量重新启动电解槽，以此循环。
3.根据权利要求2所述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，其特征在于，所述的电解槽额定功率表示为：
prate＝max{pele(1)，pele(2)，...，pele(T)}
式中，pele(T)表示T时刻电解槽的理论输出功率，T为时段长度，prate表示电解槽额定功率。
4.根据权利要求1所述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，其特征在于，步骤2中，电解槽的产热功率计算公式为：
Figure FDA0003956169640000031
Figure FDA0003956169640000032
式中，
Figure FDA0003956169640000033
表示第i个电解槽t时刻的产热功率，μh表示当输入功率为电解槽额定功率下的产热效率，PE表示电解槽的输入功率，
Figure FDA0003956169640000034
表示电解槽处于待机状态下时所需要的启动功率，μ′h表示当输入功率为电解槽非额定功率下的产热效率，ωpe表示电解槽产热惩罚系数；vi(t)表示若电解槽t时刻从待机冷却状态转换为正常工作状态时设置为1，其余情况下设置为0；Qele(t)表示多电解槽t时刻的总产热功率，n表示电解槽数量，Oi(t)、Si(t)表示电解槽的工作状态，若Oi(t)为1、Si(t)为0，则表示电解槽处于正常工作状态；若Oi(t)为0，Si(t)为1，则表示电解槽处于待机状态。
5.根据权利要求1所述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法，其特征在于，所述的步骤3包括：
将计算出的电解槽产热量优先向用户热负荷以及制热储热系统中的储热装置使用，并根据热负荷缺口大小来对制热储热系统进行优化控制；若热负荷缺口高于阈值，则提高制热储热系统中的制热装置的额定功率，或者是增设多台制热装置直至满足热负荷需求；若热负荷缺口小于或等于阈值，则控制制热储热系统中的制热装置的运行状态，通过关闭部分制热装置来控制热量的溢出，并降低系统用电量。
6.一种考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制装置，其特征在于，包括：
分层控制策略模块，其用于计算考虑到风、光可再生能源出力波动影响下的各电解槽实际功率，并确定电解槽的最大额定功率，建立考虑多电解槽启停特性的分层控制策略；
余热收集模块，其用于将电解槽制氢过程中散发的热量进行收集，根据电解槽的工作状态计算产热功率，并结合损失热量计算余热，所述余热用于作为制热储热系统中储热装置的热源以及向用户供给热负荷，实现热氢联产；
优化控制模块，其用于根据计算得到的电解槽实际产生的余热量，结合制热储热系统中制热装置的实际制热量和用户热负荷需求，来对制热储热系统进行优化控制。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1-5任一项所述的考虑多电解槽启停特性的热氢联产系统优化控制方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117526374A (zh) * 2023-12-28 2024-02-06 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 匹配波动电源实时出力的新能源制氢系统控制方法及装置

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