DE112021000064T5

DE112021000064T5 - Verfahren und Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC

Info

Publication number: DE112021000064T5
Application number: DE112021000064.0T
Authority: DE
Inventors: Xiaojun Shen
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2022-04-14
Also published as: JP7224608B2; WO2022042216A1; CN112103994A; CN112103994B; US20230043165A1; JP2022543836A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, umfassend die folgenden Schritte: (1) Das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem ist in eine Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht und eine Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht unterteilt; (2) Die Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht verwendet einen MPC-Steueralgorithmus, um die netzgekoppelte Leistung zu steuern und die Windleistungsvorhersagekurve zu verfolgen, während die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht erhalten wird; (3) Der Betriebszustand des Elektrolysezellenmonomers ist in vier Betriebszustände unterteilt: Nennleistungsbetrieb, Schwankungsleistungsbetrieb, Überlastleistungsbetrieb und Abschaltung; (4) Gemäß der Steuergröße der Elektrolysezellenleistung wird die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie angewendet, um den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers zu bestimmen, so dass das Elektrolysezellenmonomer abwechselnd in einem der vier Betriebszustände betrieben wird. Verglichen mit dem Stand der Technik verbessern das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Genauigkeit und Planung der Systemsteuerung, verlängern die Lebensdauer der alkalischen Elektrolyseanordnung und verbessern die Sicherheit des Systembetriebs.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC.
STAND DER TECHNIK
Mit der allmählichen Erschöpfung der traditionellen fossilen Energie ist die Entwicklung und Nutzung neuer Energie heute ein Forschungsschwerpunkt. Saubere Energie, die durch Windenergie repräsentiert wird, hat immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Aufgrund seiner Volatilität und Zufälligkeit war die Netzkopplungsrate der Windenergieerzeugung jedoch immer auf einem niedrigen Niveau, und eine große Menge an von Windenergie umgewandelter elektrischer Energie muss aufgegeben werden, was zu Energieverschwendung führt. Auf der anderen Seite hat Wasserstoff auch als sauberer Kraftstoff mit hoher Energiedichte viel Aufmerksamkeit erhalten, aber die Kosten für die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrische Energie behindern die großtechnische Anwendung von Wasserstoff. Die Kombination der beiden ist das Beste aus beiden Welten, das heißt, das Problem der Windbegrenzung zu lösen, kann auch die Produktionskosten für Wasserstoff erheblich senken und die Entwicklung von Wasserstoff als sauberer Energiequelle fördern.
Wenn das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem netzgekoppelt ist, wandelt die Windkraftanlage Windenergie in elektrische Energie um. Die Energie wird über die Stromsammelleitung ins Stromnetz eingespeist, während das Elektrolysezellensystem einen Teil der elektrischen Energie als Energiespeicher verbraucht, der Windstromschwankungen unterdrückt. Wenn das Stromnetz teilweise abgekoppelt ist, befindet es sich im netzunabhängigen Betriebszustand. Zu diesem Zeitpunkt wird die gesamte Windleistung durch die Elektrolysezelle absorbiert, um Wasserstoff zu erzeugen.
Im Allgemeinen sind große Windparks netzgekoppelt. Der größte Teil der Windkraft wird durch das Energiespeichersystem geglättet, netzgekoppelt und absorbiert, was in Offshore-Windparks und großen Landwindparks üblich ist. Die Kapazität des netzunabhängigen Systems ist im Allgemeinen klein, und die erneuerbare Energie wird nach dem Durchlaufen des Wandlers zu dem Energiespeicher- oder Elektrolysezellen-Wasserstoffproduktionssystem zur Absorption transportiert, was in der kleinen Stromerzeugung von Inseln und abgelegenen Gebieten üblich ist.
In dem tatsächlichen großen Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem besteht das Elektrolysezellensystem aufgrund der begrenzten Kapazität einer einzelnen Elektrolysezellenausrüstung aus einer Vielzahl von Elektrolysezellenmonomeren. Wenn die interne Leistungsverteilung des Elektrolysezellensystems nicht eingestellt wird, führt die Zufälligkeit und Instabilität der Windenergie zu einer zufälligen Drift des Arbeitspunkts der Elektrolysezelle, was sich auf die Wasserstoffproduktion, die Lebensdauer und den Wirkungsgrad der Elektrolysezelle auswirkt.
INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC bereitzustellen, um die Mängel des obigen Standes der Technik zu überwinden.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung kann durch folgende technische Lösungen erreicht werden:

Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
1. (1) Das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem ist in eine Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht und eine Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht unterteilt;
2. (2) Die Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht verwendet einen MPC-Steueralgorithmus, um die netzgekoppelte Leistung zu steuern und die Windleistungsvorhersagekurve zu verfolgen, während die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht erhalten wird;
3. (3) Der Betriebszustand des Elektrolysezellenmonomers ist in vier Betriebszustände unterteilt: Nennleistungsbetrieb, Schwankungsleistungsbetrieb, Überlastleistungsbetrieb und Abschaltung;
4. (4) Gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle wird die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie angewendet, um den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers zu bestimmen, so dass das Elektrolysezellenmonomer abwechselnd in einem der vier Betriebszustände betrieben wird.

Vorzugsweise ist in Schritt (2) insbesondere:

(21) Es wird ein Vorhersagemodell auf einer dynamischen Matrixsteuerung konstruiert: ${\begin{array}{l} x (k + 1) = A x (k) + B_{u} u (k) + B_{d} d (k) \\ y (k) = C x (k) + D u (k) \end{array}$
x(k) ist die Zustandsgröße, u(k) ist die Steuereingabe, d(k) ist die Störung, y(k) ist die Ausgabe, A, B_u, B_d, C, D ist die Koeffizientenmatrix, insbesondere: $\begin{array}{l} x (k) = [\begin{matrix} x_{1} (k) \\ x_{2} (k) \end{matrix}] = [\begin{matrix} P_{G} (k) \\ P (k) \end{matrix}], u (k) - P_{e l} (k), y (k) = P_{G} (k), d (k) = P_{W} (k), A = [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}], \\ B_{u} = [\begin{matrix} - 1 \\ η T_{P_{0}} / V \end{matrix}], B_{d} = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], C = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], D = [\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}], \end{array}$
Dabei ist k die Probenahmezeit, P_G(k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung, P(k) repräsentiert den Druck des Wasserstoffspeichertanks, P_el(k) repräsentiert die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle, P_W(k) repräsentiert die Leistung der Windkraftanlage des Windparks, η repräsentiert die Umwandlungseffizienz der von der Elektrolysezelle verbrauchten elektrischen Energie in eine bestimmte Menge an Wasserstoffenergie, T ist das Probenahmezeitintervall, V ist das Volumen des Wasserstoffspeichertanks, po ist der Standardatmosphäre, po = 0,1 MPa;
(22) Einschränkungen werden konstruiert: $P_{e l min} < P_{e l} (k) < P_{e l max},$
$P_{min} < P (k) < P_{max},$
P_elmin ist die minimale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_elmax ist die maximale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_min der minimale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems und P_max ist der maximale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems;
(23) Die Zielfunktion wird konstruiert: $\begin{array}{l} min J (k) = \sum_{i = 1}^{P} q_{i} {(P_{W}^{'} (k + i) - P_{G} (k + i | k))}^{2} \\ + \sum_{j = 1}^{M} r_{j} Δ P_{e l}^{2} (k + j - 1) \end{array}$
Dabei repräsentiert P die vorhergesagte Länge der dynamischen Matrixsteuerung, M repräsentiert die Steuerlänge der dynamischen Matrixsteuerung, $P_{W}^{'} (k + i)$
repräsentiert den Windleistungsvorhersagewert zum Zeitpunkt k+i in der Windleistungsvorhersagekurve, P_G(k + i|k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung der Vorhersageausgabe bei k+i zum vorhergesagten Zeitpunkt k, ΔP_el(k +j-1) repräsentiert das Inkrement der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bei k+j-1, q_i und r_j sind jeweils der Fehlerausgabegewichtskoeffizient und der Steuerinkrementgewichtskoeffizient zum Zeitpunkt i ab dem Zeitpunkt k;
(24) Gemäß dem Vorhersagemodell und den Einschränkungen wird das Inkrement der Leistungssteuergröße von M Elektrolysezellen erhalten, die die Zielfunktion optimal machen, und die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht wird basierend auf dem ersten Steuerinkrement erhalten.

Vorzugsweise ist in Schritt (4) insbesondere:

(41) Die Elektrolysezellenmonomere in der Elektrolysezellenanordnung werden sequentiell sortiert, um den Rotationszyklus zu bestimmen. Wenn jeder Rotationszyklus eintrifft, wird die Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere eingestellt;
(42) Zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus wird die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere, die in den vier Betriebszuständen betrieben werden, gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bestimmt. Gemäß der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere wird der Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers sequentiell von dem an der ersten Stelle befindlichen Elektrolysezellenmonomer nach hinten verteilt. Wenn während der Zeitdauer des Rotationszyklus die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle schwankt, wird die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere, die in den vier Betriebszuständen betrieben werden, gemäß der aktuellen Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bestimmt. Das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem vorherigen Zeitpunkt in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, wird als Referenz verwendet, und das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem vorherigen Zeitpunkt in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, ist immer noch als ein Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert. Zur gleichen Zeit ist der Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers sequentiell vorwärts konfiguriert, bis das erste Elektrolysezellenmonomer erreicht ist, und der Arbeitszustand jedes Elektrolysezellenmonomers wird sequentiell von dem letzten Elektrolysezellenmonomer vorwärts konfiguriert, bis das Elektrolysezellenmonomer in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand erreicht ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das spezifische Verfahren zum Einstellen der Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere in Schritt (41) wie folgt ist: Das Elektrolysezellenmonomer, das in der vorherigen Runde des Rotationszyklus an erster Stelle steht, wird in die letzte Stelle bewegt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das spezifische Verfahren zum Bestimmen der Anzahl der Elektrolysezellenmonomere zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus und der Zeitdauer des Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist:

(421) Es wird bestimmt, ob sich die Elektrolysezellenanordnung in einem überlasteten Zustand befindet, basierend auf der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle und der tatsächlichen Konfigurationskapazität P_pz der Elektrolysezellenanordnung. Wenn P_el ≤ P_pz ist, ist es nicht überlastet, wird Schritt (422) ausgeführt, andernfalls überlastet, wird Schritt
(423) ausgeführt, wobei P_pz =nP_e, P_e die Nennleistung des Elektrolysezellenmonomers ist und n die Gesamtzahl der Konfigurationen des Elektrolysezellenmonomers ist;
(422) Die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₁, die als Nennleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₂, die als Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, und die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₃, die als Abschaltbetriebszustand konfiguriert sind, werden gemäß der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle bestimmt, um N₁₁+N₁₂+N₁₃=n zu erfüllen;
(423) Die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₁, die als Überlastleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₂, die als Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, und die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₃, die als Nennleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, werden gemäß der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle bestimmt, um N₂₁+ N₂₂+ N₂₃=n zu erfüllen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt (422) N₁₁, N₁₂, N₁₃ insbesondere: $N_{11} = [\frac{P_{e l}}{P_{e}}]$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung,
Wenn N₁₁= n, dann N₁₂ =N₁₃=0, sind alle Elektrolysezellenmonomere so konfiguriert, dass sie im Nennleistungsbetriebszustand betrieben werden.
Wenn N₁₁ < n ist, dann N₁₂=1, N₃=n-N₁₁-1.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt (423) N₂₁, N₂₂, N₂₃ insbesondere:

Zuerst wird die Überlastgröße P_OL = P_el -nP_e bestimmt,

Dann wird N₂₁ durch die folgende Formel erhalten, $N_{21} = [\frac{P_{O L}}{(φ - 1) P_{e}}],$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung,
Schließlich, wenn P_OL -N₂₁ ·(φ-1)P_e=0, dann N₂₂=0, N₂₃=n-N₂₁; Wenn P_OL-N₂₁ · (φ-1)P_e ≠ 0, dann N₂₂=1, N₂₃=n-N₂₁-1, φ ist der Überlastkoeffizient der Elektrolysezelle.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Betriebszustand des zugewiesenen Elektrolysezellenmonomers zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist:

Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₁₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand, N₁₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₁₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Abschaltbetriebszustand angeordnet;
Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₂₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Überlastleistungsbetriebszustand, N₂₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₂₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand angeordnet. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt (42) ein Elektrolysezellenmonomer, das sich zu einem Zeitpunkt der Zeitdauer des Rotationszyklus in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, als Referenz für den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers konfiguriert ist, insbesondere:
Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Abschaltbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Abschaltbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Abschaltbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand, der nicht konfiguriert ist, wird sequentiell konfiguriert;
Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Überlastbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Überlastbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Überlastbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand wird sequentiell konfiguriert.

Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, umfassend einen Speicher und einen Prozessor, wobei der Speicher zum Speichern eines Computerprogramms verwendet wird, wobei der Prozessor verwendet wird, um das Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC zu implementieren, wenn das Computerprogramm ausgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile:

(1) Das gesamte System der vorliegenden Erfindung verwendet eine geschichtete Steuerstrategie. Der MPC-Steueralgorithmus der oberen Schicht (Modellvorhersagesteuerung) geht von der Systemebene aus und koppelt die Windleistung unter netzgekoppelten Bedingungen so weit wie möglich netz und absorbiert sie. Die Steuerstrategie der Elektrolysezelle der unteren Schicht koordiniert die Leistungsverteilung jedes Elektrolysezellenmonomers;
(2) Die vorliegende Erfindung kombiniert Windleistungsvorhersage und dynamische Matrixsteuerung. Basierend auf der vorhergesagten Windleistung wird ein Planungsplan für die netzgekoppelte Leistung erstellt. Der dynamische Matrixsteuerungsalgorithmus wird verwendet, um die Verfolgungsgenauigkeit der netzgekoppelten Leistung zu verbessern;
(3) Die untere Schicht der vorliegenden Erfindung verwendet die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie. Wenn jeder Rotationszyklus eintrifft, wird die Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere eingestellt, das heißt, eine zeitbasierte Rotation wird realisiert. In dem Rotationszyklus wird gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem obigen Zeitpunkt in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, als Referenz verwendet, und der Betriebszustand anderer Elektrolysezellenmonomere wird konfiguriert, das heißt, eine leistungsbasierte Rotation wird realisiert. Durch die zeitbasierte Rotation kann vermieden werden, dass ein Temperaturabfall der Elektrolysezelle durch zu lange Abschaltzeiten die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrolysezelle beeinflusst. Die leistungsbasierte Rotation kann Sicherheitsrisiken vermeiden, die durch die Leistung verursacht werden, die niedriger als die sichere Leistungszeit der Wasserstoffproduktion ist. Die Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie kann die Lebensdauer des Systems und die Betriebssicherheit des Systems verlängern.

Figurenliste

1 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Zeitbereichsdiagramm der DMC-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm der dynamischen Matrixsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Windleistungsvorhersagekurve einer 2 MW-Windkraftanlage an einem bestimmten Tag in einem bestimmten Windpark in Zhangbei gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Verfolgungseffektdiagramm und eine Leistungskurve einer Elektrolysezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Leistungskurve einer Elektrolysezelle unter der Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Leistungskurve einer Elektrolysezelle ohne die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit Zeichnungen und spezifischen Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung der folgenden Ausführungsformen nur im Wesentlichen beispielhaft ist. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt nicht, ihre Anwendung oder ihre Verwendung zu begrenzen, und die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die folgenden Ausführungsformen.
Ausführungsbeispiel
Wie in 1 gezeigt, Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(1) Das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem ist in eine Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht und eine Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht unterteilt;
(2) Die Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht verwendet einen MPC-Steueralgorithmus, um die netzgekoppelte Leistung zu steuern und die Windleistungsvorhersagekurve zu verfolgen, während die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht erhalten wird;
(3) Der Betriebszustand des Elektrolysezellenmonomers ist in vier Betriebszustände unterteilt: Nennleistungsbetrieb, Schwankungsleistungsbetrieb, Überlastleistungsbetrieb und Abschaltung;
(4) Gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle wird die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie angewendet, um den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers zu bestimmen, so dass das Elektrolysezellenmonomer abwechselnd in einem der vier Betriebszustände betrieben wird.

Die Steuerstrategie der oberen Schicht der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerstrategie auf Systemebene basierend auf MPC (Modellvorhersagesteuerung). Der Zweck besteht darin, dass die netzgekoppelte Leistung den durch die Windleistungsvorhersage erhaltenen netzgekoppelten Planungsanweisungen unter netzgekoppelten Bedingungen weitestgehend folgt. Die Steuerstrategie der unteren Schicht ist die interne Steuerstrategie der Elektrolysezelle, die darauf abzielt, den Arbeitszustand des Elektrolysezellensystems zu optimieren, um die Lebensdauer des Elektrolysezellensystems zu verlängern und die Betriebssicherheit des Systems zu verbessern.
Modellvorhersagesteuerung (MPC) ist eine spezielle Art der Steuerung. Seine aktuelle Steueraktion wird erhalten, indem zu jedem Probenahmemoment ein optimales Steuerproblem im endlichen Zeitbereich mit offenem Regelkreis gelöst wird. Der aktuelle Zustand des Prozesses wird als Anfangszustand des optimalen Steuerproblems verwendet, und die optimale Steuersequenz, die gelöst wird, führt nur den ersten Steuerungseffekt aus. Dies ist der größte Unterschied zu Algorithmen, die vorberechnete Steuergesetze verwenden. Es gibt Dutzende von Vorhersagesteueralgorithmen, darunter die Modellalgorithmussteuerung (MAC), die dynamische Matrixsteuerung (DMC) und die verallgemeinerte Vorhersagesteuerung (GPC). Unter diesen verwendet die dynamische Matrixregelung die im Engineering einfach zu messende Sprungantwort des Objekts als Modell. Der Algorithmus ist einfacher, weniger rechenintensiv und robust. Der verwendete inkrementelle Algorithmus basiert auf der Sprungantwort des Systems. Die digitale Integrationsverbindung ist in der Steuerung enthalten, was sehr effektiv bei der Beseitigung des statischen Fehlers des Systems ist. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des DMC-Algorithmus, der in der petrochemischen Industrie weit verbreitet ist. In der vorliegenden Erfindung wird eine dynamische Matrixsteuerung (DMC) verwendet, um das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem zu steuern. Obwohl es im Allgemeinen verschiedene Formen von Vorhersagesteueralgorithmen gibt, umfassen Vorhersagesteueralgorithmen drei Hauptteile: Vorhersagemodell, Rolloptimierung und Rückkopplungskorrektur. Das Vorhersagemodell bezieht sich im Allgemeinen auf einen Satz von Informationen mit Vorhersagefunktion, der unabhängig von seiner Ausdrucksform als Vorhersagemodell verwendet werden kann. Die Rolloptimierung ist das wichtigste Merkmal der Vorhersagesteuerung. Die Vorhersagesteuerung bestimmt den zukünftigen Steuerungseffekt durch die Optimierung eines bestimmten Leistungsindikators, der sich auf das zukünftige Verhalten des Systems bezieht. Normalerweise ist die Varianz der Objektausgabe, die eine gewünschte Trajektorie an zukünftigen Probenahmepunkten verfolgt, minimal. Die Optimierung in der Vorhersagesteuerung wird nicht einmal offline, sondern wiederholt online durchgeführt. Dies ist die Bedeutung der Rolloptimierung, die auch das grundlegende Merkmal der Vorhersagesteuerung ist, das sich von der herkömmlichen optimalen Steuerung unterscheidet. Die Vorhersagesteuerung basiert auf der Optimierung des tatsächlichen Systems und versucht, das zukünftige dynamische Verhalten des Systems während der Optimierung genauer vorherzusagen. Daher basiert die Optimierung in der Vorhersagesteuerung nicht nur auf dem Modell, sondern verwendet auch Rückkopplungsinformationen und bildet so eine Optimierung mit geschlossenem Regelkreis. Wie in 2 gezeigt, wird das Zeitbereichsdiagramm der DMC-Steuerung verwendet, und die M Steuergrößen im Steuerzeitbereich werden unter der Bedingung des Optimierzeitbereichs P berechnet. Es wird jedoch nur die erste Steuergröße auf das System angewendet, und dann wird der gleiche Optimierungsprozess durchgeführt, um die M Steuergrößen im nächsten Moment zu berechnen, so dass die Optimierung rollt. Der Optimierzeitbereich P zeigt an, wie viele Schritte die Ausgabe der vorhergesagten Länge ab dem Zeitpunkt k an den erwarteten Wert approximieren kann. P ist zu klein, obwohl die Schnelligkeit gut ist, aber die Stabilität und Robustheit sind schlecht. P ist zu groß, obwohl die Stabilität gut ist, aber die Anpassungswirkung ist schlecht. Der Steuerzeitbereich M zeigt an, dass das System die Anzahl der Ports bestimmt, an denen sich die Steuergröße in der Zukunft ändert, und ein kleiner M-Wert ist vorteilhaft für die Stabilität des Steuersystems. Für komplexe Systeme ist die resultierende dynamische Leistung jedoch zu schlecht. Ein großer M-Wert charakterisiert die Änderung des Steuerinkrements, die mehr Schritte ermöglicht, wodurch die Flexibilität der Steuerung erhöht und eine schnellere Reaktion erzielt wird, die jedoch zu Systeminstabilität führen kann. Im Allgemeinen ist M = 1-2 für Objekte mit einfacher dynamischer Antwort. Für Objekte mit komplexen dynamischen Reaktionen wie Oszillationen ist M = 4-8. Es ist zu beachten, dass M < P.
Damit die netzgekoppelte Leistung die Windleistungskurve so weit wie möglich verfolgen kann, werden relevante Modelle gemäß den Anforderungen der dynamischen Matrix erstellt. Durch Analysieren der Richtung des Leistungsflusses in dem System wird das Steuerflussdiagramm zwischen den Leistungen aussortiert, wie in 3 gezeigt. In der Figur zeigt P_W die Windkraftanlageleistung des Windparks, $P_{W}^{'}$
den vorhergesagten Wert der Windkraftanlageleistung des Windparks, P_G die netzgekoppelte Leistung und P_el die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle. Daher ist der Schritt (2) der vorliegenden Erfindung insbesondere:

(21) Es wird ein Vorhersagemodell auf einer dynamischen Matrixsteuerung konstruiert: ${\begin{array}{l} {x (k + 1) = A x (k) B_{u} u (k) + B_{d} d (k) \\ y (k) = C x (k) + D u (k) \end{array}$
x(k) ist die Zustandsgröße, u(k) ist die Steuereingabe, d(k) ist die Störung, y(k) ist die Ausgabe, A, B_u, B_d, C, D ist die Koeffizientenmatrix, insbesondere: $\begin{array}{l} x (k) = [\begin{matrix} x_{1} (k) \\ x_{2} (k) \end{matrix}] = [\begin{matrix} P_{G} (k) \\ P (k) \end{matrix}], u (k) - P_{e l} (k), y (k) = P_{G} (k), d (k) = P_{W} (k), A = [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}], \\ B_{u} = [\begin{matrix} - 1 \\ η T_{P_{0}} / V \end{matrix}], B_{d} = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], C = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], D = [\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}], \end{array}$
Dabei ist k die Probenahmezeit, P_G(k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung, P(k) repräsentiert den Druck des Wasserstoffspeichertanks, P_el(k) repräsentiert die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle, P_W(k) repräsentiert die Leistung der Windkraftanlage des Windparks, η repräsentiert die Umwandlungseffizienz der von der Elektrolysezelle verbrauchten elektrischen Energie in eine bestimmte Menge an Wasserstoffenergie, T ist das Probenahmezeitintervall, V ist das Volumen des Wasserstoffspeichertanks, po ist der Standardatmosphäre, po = 0,1 MPa;
(22) Einschränkungen werden konstruiert: $P_{e l min} < P_{e l} (k) < P_{e l max},$
$P_{min} < P (k) < P_{max},$
P_elmin ist die minimale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_elmax ist die maximale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_min ist der minimale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems und P_max ist der maximale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems;
(23) Die Zielfunktion wird konstruiert: $\begin{array}{l} min J (k) = \sum_{i = 1}^{P} q_{i} {(P_{W}^{'} (k + i) - P_{G} (k + i | k))}^{2} \\ + \sum_{j = 1}^{M} r_{j} Δ P_{e l}^{2} (k + j - 1) \end{array}$
Dabei repräsentiert P die vorhergesagte Länge der dynamischen Matrixsteuerung, M repräsentiert die Steuerlänge der dynamischen Matrixsteuerung, $P_{W}^{'} (k + i)$
P_pz repräsentiert den Windleistungsvorhersagewert zum Zeitpunkt k+i in der Windleistungsvorhersagekurve, P_G(k + i|k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung der Vorhersageausgabe bei k+i zum vorhergesagten Zeitpunkt k, ΔP_el(k+j-1) repräsentiert das Inkrement der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bei k+j-1, q_i und r_j sind jeweils der Fehlerausgabegewichtskoeffizient und der Steuerinkrementgewichtskoeffizient zum Zeitpunkt i ab dem Zeitpunkt k;
(24) Gemäß dem Vorhersagemodell und den Einschränkungen wird das Inkrement der Leistungssteuergröße von M Elektrolysezellen erhalten, die die Zielfunktion optimal machen, und die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht wird basierend auf dem ersten Steuerinkrement erhalten. Insbesondere wird in diesem Schritt gemäß dem Vorhersagemodell und den Einschränkungen das Steuerinkrement erhalten, das die Zielfunktion optimal macht. Dieses Problem ist ein quadratisches Programmierproblem und ein rollender Optimierungsprozess. Das heißt, die optimale Lösung der entsprechenden quadratischen Programmierung wird zu jedem Zeitpunkt gelöst, und das erste Steuerinkrement wird auf das System angewendet, und die gleiche Operation wird bis zum nächsten Moment erneut durchgeführt, und dann wird das quadratische Programmierproblem gelöst und das erste Steuerinkrement wird auf das System angewendet. Durch dieses kreisförmige Rollen kann die tatsächliche netzgekoppelte Leistung weitestgehend der Sollkurve folgen.

Ferner ist in Schritt (4) insbesondere:

Ferner ist vorgesehen, dass das spezifische Verfahren zum Einstellen der Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere in Schritt (41) wie folgt ist: Das Elektrolysezellenmonomer, das in der vorherigen Runde des Rotationszyklus an erster Stelle steht, wird in die letzte Stelle bewegt.
Ferner ist vorgesehen, dass das spezifische Verfahren zum Bestimmen der Anzahl der Elektrolysezellenmonomere zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus und der Zeitdauer des Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist:

Ferner ist vorgesehen, dass in Schritt (422) N₁₁, N₁₂, N₁₃ insbesondere: $N_{11} = [\frac{P_{e l}}{P_{e}}]$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung,
Wenn N₁₁= n, dann N₁₂=N₁₃=0, sind alle Elektrolysezellenmonomere so konfiguriert, dass sie im Nennleistungsbetriebszustand betrieben werden.
Wenn N₁₁ < n ist, dann N₁₂=1, N₃=n-N₁₁-1.
Ferner ist vorgesehen, dass in Schritt (423) N₂₁, N₂₂, N₂₃ insbesondere:

Zuerst wird die Überlastgröße P_OL = P_el -nP_e bestimmt,
Dann wird N₂₁ durch die folgende Formel erhalten, $N_{21} = [\frac{P_{O L}}{(φ - 1) P_{e}}],$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung,
Schließlich, wenn P_OL-N₂₁ .(φ-1)P_e=0, dann N₂₂=0, N₂₃=n-N₂₁; Wenn P_OL-N₂₁ · (φ-1)P_e ≠ 0, dann N₂₂=1, N₂₃=n-N₂₁-1, φ ist der Überlastkoeffizient der Elektrolysezelle.

Ferner ist vorgesehen, dass der Betriebszustand des zugewiesenen Elektrolysezellenmonomers zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist:

Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₁₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand, N₁₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₁₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Abschaltbetriebszustand angeordnet;
Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₂₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Überlastleistungsbetriebszustand, N₂₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₂₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand angeordnet.

Ferner ist vorgesehen, dass in Schritt (42) ein Elektrolysezellenmonomer, das sich zu einem Zeitpunkt der Zeitdauer des Rotationszyklus in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, als Referenz für den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers konfiguriert ist, insbesondere:

Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Abschaltbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Abschaltbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Abschaltbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand, der nicht konfiguriert ist, wird sequentiell konfiguriert;
Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Überlastbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Überlastbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Überlastbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand wird sequentiell konfiguriert.

Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, umfassend einen Speicher und einen Prozessor, wobei der Speicher zum Speichern eines Computerprogramms verwendet wird, wobei der Prozessor verwendet wird, um das Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC zu implementieren, wenn das Computerprogramm ausgeführt wird.
Bei der Leistungssteuerung der Elektrolysezelle wird, da die Elektrolysezelle bestimmte Verzögerungseigenschaften aufweist, eine Windleistungsvorhersage eingeführt, um die Steuerung der Elektrolysezelle zeitlich zu migrieren, damit die Elektrolysezelle der Planung besser gehorcht. Gleichzeitig kann die Kombination von Windleistungsvorhersage und dynamischer Matrixsteuerung nicht nur die Planung des Elektrolysezellensystems verbessern, sondern auch die Genauigkeit der Steuerung verbessern. Wie in 4 gezeigt, wird die Windleistungsvorhersagekurve einer 2 MW-Windkraftanlage an einem bestimmten Tag in einem bestimmten Windpark in Zhangbei als ein Beispiel für die Verifizierung der dynamischen Matrixsteuerung genommen.
Um zu ermöglichen, dass das Elektrolysezellensystem die entsprechenden Windleistungsabsorptionsanforderungen erfüllt, besteht das Elektrolysezellensystem aus vier 500 kW Elektrolysezellmonomeren auf der Grundlage der vollständigen Berücksichtigung der Überlastcharakteristiken der Elektrolysezelle. Die Simulationsverifizierung wird unter der Wirkung der obigen Windleistungskurve durchgeführt, und die Simulationsparameter sind wie Tabelle 1: Tabelle 1 Simulationsparameter

Simulationsdauer/s 1200 Optimierzeitbereich/s 10

Kapazität des Elektrolysezellenmonomers/kW 300 Steuerzeitbereich/s 1

Rotationszeit/s 300 Anzahl der Elektrolysezellenmonomere/Stück 4
Die MATLAB-Simulation des dynamischen Matrixsteuerungsalgorithmus wird gemäß den obigen Parametereinstellungen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in 5 gezeigt, wobei die Referenzkurve eine Windleistungskurve ist und die Verfolgungskurve eine netzgekoppelte Leistung ist. Es ist ersichtlich, dass die netzgekoppelte Leistung dem Windleistungssollwert gut folgen kann. Gleichzeitig ist die Leistung des Elektrolysezellensystems relativ niedrig, da der größte Teil der Windleistung netzgekoppelt und absorbiert wird.
Im netzunabhängigen Zustand wird die gesamte Windleistung vom Elektrolysezellensystem absorbiert. Basierend auf der numerischen Analyse der Windleistung und der Kombination des Kapazitätsniveaus der auf dem Markt befindlichen Elektrolysezellenmonomere unter Berücksichtigung der kurzfristigen Überlastfähigkeit der Elektrolysezelle wurde ein Elektrolysezellensystem ausgewählt, das aus vier 500 kW-Elektrolysezellenmonomeren bestand. 6 ist die Leistungskurve der vier Elektrolysezellenmonomere im netzunabhängigen Zustand gemäß der Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie. (a) ~ (d) von 6 ist sequentiell die Leistungsänderungskurve des 1 # ~ 4 # -Elektrolysezellenmonomers.
Um die Leistung des Elektrolysezellensystems mit oder ohne Rotationsstrategie zu vergleichen und zu analysieren, wird die gleiche Windleistungskurve auf das Elektrolysezellensystem ohne Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie angewendet, um die in 7 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. (a) ~ (d) von 7 ist sequentiell die Leistungsänderungskurve des 1 # ~ 4 # -Elektrolysezellenmonomers.

Entsprechend der Leistungskurve der Elektrolysezelle werden entsprechende Parameterindikatoren vorgeschlagen. Während des Betriebszyklus der Elektrolysezelle wird definiert, dass der Zeitanteil der Leistung in der Nennleistung Y_e ist, der Zeitanteil der Leistung in der Schwankungsleistung Y_s ist, der Zeitanteil der Leistung in dem Abschaltzustand Y_t ist und der Zeitanteil des Nicht-Abschaltzustands der Leistung in der Betriebsleistung und niedriger als die sichere Wasserstoffleistung Y_q ist. Tabelle 2 Vergleich der Simulationsergebnisse

		Y_e/%	Y_s/%	Y_t/%	Y_q/%
Mit Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie	1	54,67	34,92	10,41	5
	2	66,42	13,58	20	1,5
	3	59,92	31,42	8,66	0,58
	4	64,67	20,25	15,08	2,9
Ohne Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie	1	100	0	0	0
	2	96	4	0	0
	3	50,83	45,17	4	1,92
	4	0	51	49	9,08

Tabelle 2 ist eine Vergleichstabelle der Simulationsergebnisdaten unter der koordinierten Rotationssteuerstrategie und unter der nicht koordinierten Rotationssteuerstrategie. Aus den Tabellendaten ist ersichtlich, dass der Zeitanteil des Betriebszustands jedes Elektrolysezellenmonomers mit oder ohne Rotationssteuerstrategie relativ stabil ist. Die Rotationsstrategie verhindert das Problem eines zu niedrigen Temperaturabfalls aufgrund der zu langen Abschaltzeit der Elektrolysezelle. Gleichzeitig liegt für die Sicherheit der Wasserstoffproduktion der Zeitanteil des Betriebs mit niedriger Leistung unter 5%, was 45% niedriger als die gefährliche Betriebszeit von bis zu 9,08% ohne Rotationssteuerstrategie ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Mischkonzentration von Wasserstoff und Sauerstoff während des Betriebs der Elektrolysezelle nicht die Explosionsgrenze erreicht.
Das gesamte System der vorliegenden Erfindung verwendet eine geschichtete Steuerstrategie. Der MPC-Steueralgorithmus der oberen Schicht (Modellvorhersagesteuerung) geht von der Systemebene aus und koppelt die Windleistung unter netzgekoppelten Bedingungen so weit wie möglich netz und absorbiert sie. Die Steuerstrategie der Elektrolysezelle der unteren Schicht koordiniert die Leistungsverteilung jedes Elektrolysezellenmonomers; Die vorliegende Erfindung kombiniert Windleistungsvorhersage und dynamische Matrixsteuerung. Basierend auf der vorhergesagten Windleistung wird ein Planungsplan für die netzgekoppelte Leistung erstellt. Der dynamische Matrixsteuerungsalgorithmus wird verwendet, um die Verfolgungsgenauigkeit der netzgekoppelten Leistung zu verbessern; Die untere Schicht der vorliegenden Erfindung verwendet die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie. Wenn jeder Rotationszyklus eintrifft, wird die Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere eingestellt, das heißt, eine zeitbasierte Rotation wird realisiert. In dem Rotationszyklus wird gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem obigen Zeitpunkt in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, als Referenz verwendet, und der Betriebszustand anderer Elektrolysezellenmonomere wird konfiguriert, das heißt, eine leistungsbasierte Rotation wird realisiert. Durch die zeitbasierte Rotation kann vermieden werden, dass ein Temperaturabfall der Elektrolysezelle durch zu lange Abschaltzeiten die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrolysezelle beeinflusst. Die leistungsbasierte Rotation kann Sicherheitsrisiken vermeiden, die durch die Leistung verursacht werden, die niedriger als die sichere Leistungszeit der Wasserstoffproduktion ist. Die Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie kann die Lebensdauer des Systems und die Betriebssicherheit des Systems verlängern.
Die vorstehenden Ausführungsformen sind nur Beispiele und schränken den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Diese Ausführungsformen können auf verschiedene andere Weise implementiert werden, und es können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der technischen Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (1) Das Wind-Wasserstoff-Kopplungssystem ist in eine Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht und eine Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht unterteilt; (2) Die Netzkopplungssteuerung der oberen Schicht verwendet einen MPC-Steueralgorithmus, um die netzgekoppelte Leistung zu steuern und die Windleistungsvorhersagekurve zu verfolgen, während die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht erhalten wird; (3) Der Betriebszustand des Elektrolysezellenmonomers ist in vier Betriebszustände unterteilt: Nennleistungsbetrieb, Schwankungsleistungsbetrieb, Überlastleistungsbetrieb und Abschaltung; (4) Gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle wird die Zeit-Leistungs-Doppeldraht-Rotationssteuerstrategie angewendet, um den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers zu bestimmen, so dass das Elektrolysezellenmonomer abwechselnd in einem der vier Betriebszustände betrieben wird.
Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (2) insbesondere: (21) Es wird ein Vorhersagemodell auf einer dynamischen Matrixsteuerung konstruiert: ${\begin{array}{l} {x (k + 1) = A x (k) B_{u} u (k) + B_{d} d (k) \\ y (k) = C x (k) + D u (k) \end{array}$
x(k) ist die Zustandsgröße, u(k) ist die Steuereingabe, d(k) ist die Störung, y(k) ist die Ausgabe, A, B_u, B_d, C, D ist die Koeffizientenmatrix, insbesondere: $\begin{array}{l} x (k) = [\begin{matrix} x_{1} (k) \\ x_{2} (k) \end{matrix}] = [\begin{matrix} P_{G} (k) \\ P (k) \end{matrix}], u (k) - P_{e l} (k), y (k) = P_{G} (k), d (k) = P_{W} (k), A = [\begin{matrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}], \\ B_{u} = [\begin{matrix} - 1 \\ η T_{P_{0}} / V \end{matrix}], B_{d} = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], C = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix}], D = [\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}], \end{array}$
Dabei ist k die Probenahmezeit, P_G(k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung, P(k) repräsentiert den Druck des Wasserstoffspeichertanks, P_el(k) repräsentiert die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle, P_W(k) repräsentiert die Leistung der Windkraftanlage des Windparks, η repräsentiert die Umwandlungseffizienz der von der Elektrolysezelle verbrauchten elektrischen Energie in eine bestimmte Menge an Wasserstoffenergie, T ist das Probenahmezeitintervall, V ist das Volumen des Wasserstoffspeichertanks, po ist der Standardatmosphäre, po = 0,1 MPa; (22) Einschränkungen werden konstruiert: $P_{e l min} < P_{e l} (k) < P_{e l max},$
$P_{min} < P (k) < P_{max},$
P_elmin ist die minimale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_elmax ist die maximale Leistung der Elektrolysezellenanordnung, P_min ist der minimale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems und P_max ist der maximale Druck des Wasserstoffspeichertanksystems; (23) Die Zielfunktion wird konstruiert: $\begin{array}{l} min J (k) = \sum_{i = 1}^{P} q_{i} {(P_{W}^{'} (k + i) - P_{G} (k + i | k))}^{2} \\ + \sum_{j = 1}^{M} r_{j} Δ P_{e l}^{2} (k + j - 1) \end{array}$
$\begin{array}{l} min J (k) = \sum_{I = 1}^{P} q_{I} {(P_{w}^{'} (k + i) - P_{G} (k + i | k))}^{2} \\ + \sum_{j = 1}^{M} r_{j} Δ P_{e l}^{2} (k + j - 1) \end{array}$
Dabei repräsentiert P die vorhergesagte Länge der dynamischen Matrixsteuerung, M repräsentiert die Steuerlänge der dynamischen Matrixsteuerung, $P_{W}^{'} (k + i)$
P_pz repräsentiert den Windleistungsvorhersagewert zum Zeitpunkt k+i in der Windleistungsvorhersagekurve, P_G(k + i||k) repräsentiert die netzgekoppelte Leistung der Vorhersageausgabe bei k+i zum vorhergesagten Zeitpunkt k, ΔP_el(k+j-1) repräsentiert das Inkrement der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bei k+j-1, q_i und r_j sind jeweils der Fehlerausgabegewichtskoeffizient und der Steuerinkrementgewichtskoeffizient zum Zeitpunkt i ab dem Zeitpunkt k; (24) Gemäß dem Vorhersagemodell und den Einschränkungen wird das Inkrement der Leistungssteuergröße von M Elektrolysezellen erhalten, die die Zielfunktion optimal machen, und die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle für die Elektrolysezellensteuerung der unteren Schicht wird basierend auf dem ersten Steuerinkrement erhalten.
Verfahren zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (4) insbesondere: (41) Die Elektrolysezellenmonomere in der Elektrolysezellenanordnung werden sequentiell sortiert, um den Rotationszyklus zu bestimmen. Wenn jeder Rotationszyklus eintrifft, wird die Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere eingestellt; (42) Zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus wird die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere, die in den vier Betriebszuständen betrieben werden, gemäß der Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bestimmt. Gemäß der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere wird der Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers sequentiell von dem an der ersten Stelle befindlichen Elektrolysezellenmonomer nach hinten verteilt. Wenn während der Zeitdauer des Rotationszyklus die Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle schwankt, wird die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere, die in den vier Betriebszuständen betrieben werden, gemäß der aktuellen Leistungssteuergröße der Elektrolysezelle bestimmt. Das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem vorherigen Zeitpunkt in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, wird als Referenz verwendet, und das Elektrolysezellenmonomer, das sich zu dem vorherigen Zeitpunkt in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, ist immer noch als ein Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert. Zur gleichen Zeit ist der Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers sequentiell vorwärts konfiguriert, bis das erste Elektrolysezellenmonomer erreicht ist, und der Arbeitszustand jedes Elektrolysezellenmonomers wird sequentiell von dem letzten Elektrolysezellenmonomer vorwärts konfiguriert, bis das Elektrolysezellenmonomer in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand erreicht ist.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Verfahren zum Einstellen der Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere in Schritt (41) wie folgt ist: Das Elektrolysezellenmonomer, das in der vorherigen Runde des Rotationszyklus an erster Stelle steht, wird in die letzte Stelle bewegt.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Verfahren zum Bestimmen der Anzahl der Elektrolysezellenmonomere zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus und der Zeitdauer des Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist: (421) Es wird bestimmt, ob sich die Elektrolysezellenanordnung in einem überlasteten Zustand befindet, basierend auf der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle und der tatsächlichen Konfigurationskapazität P_pz der Elektrolysezellenanordnung. Wenn P_el ≤ P_pz ist, ist es nicht überlastet, wird Schritt (422) ausgeführt, andernfalls überlastet, wird Schritt (423) ausgeführt, wobei P_pz =nP_e, P_e die Nennleistung des Elektrolysezellenmonomers ist und n die Gesamtzahl der Konfigurationen des Elektrolysezellenmonomers ist; (422) Die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₁, die als Nennleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₂, die als Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, und die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₁₃, die als Abschaltbetriebszustand konfiguriert sind, werden gemäß der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle bestimmt, um N₁₁+N₁₂+N₁₃=n zu erfüllen; (423) Die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₁, die als Überlastleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₂, die als Schwankungsleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, und die Anzahl der Elektrolysezellenmonomere N₂₃, die als Nennleistungsbetriebszustand konfiguriert sind, werden gemäß der Leistungssteuergröße P_el der Elektrolysezelle bestimmt, um N₂₁+ N₂₂+ N₂₃=n zu erfüllen.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (422) N₁₁, N₁₂, N₁₃ insbesondere: $N_{11} = [\frac{P_{e l}}{P_{e}}]$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung, Wenn N₁₁= n, dann N₁₂ =N₁₃=0, sind alle Elektrolysezellenmonomere so konfiguriert, dass sie im Nennleistungsbetriebszustand betrieben werden. Wenn N₁₁ < n ist, dann N₁₂=1, N₃=n-N₁₁-1.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (423) N₂₁, N₂₂, N₂₃ insbesondere: Zuerst wird die Überlastgröße P_OL = P_el -nP_e bestimmt, Dann wird N₂₁ durch die folgende Formel erhalten, $N_{21} = [\frac{P_{O L}}{(φ - 1) P_{e}}],$
Dabei bedeutet $⌊ ⌋$
eine Abwärtsrundung, Schließlich, wenn P_OL -N₂₁ .(φ-1)P_e=0, dann N₂₂=0, N₂₃=n-N₂₁; Wenn P_OL-N₂₁ · ((φ-1)P_e ≠ 0, dann N₂₂=1, N₂₃=n-N₂₁-1, φ ist der Überlastkoeffizient der Elektrolysezelle.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand des zugewiesenen Elektrolysezellenmonomers zu dem Anfangszeitpunkt jedes Rotationszyklus in Schritt (42) wie folgt ist: Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₁₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand, N₁₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₁₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Abschaltbetriebszustand angeordnet; Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist es in der aktuellen Reihenfolge der Elektrolysezellenmonomere angeordnet. Von dem ersten Elektrolysezellenmonomer sind sequentiell N₂₁ Elektrolysezellenmonomere in dem Überlastleistungsbetriebszustand, N₂₂ Elektrolysezellenmonomere in dem Schwankungsleistungsbetriebszustand und N₂₃ Elektrolysezellenmonomere in dem Nennleistungsbetriebszustand angeordnet.
Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (42) ein Elektrolysezellenmonomer, das sich zu einem Zeitpunkt der Zeitdauer des Rotationszyklus in einem Schwankungsleistungsbetriebszustand befindet, als Referenz für den Betriebszustand jedes Elektrolysezellenmonomers konfiguriert ist, insbesondere: Wenn es sich in einem nicht überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Abschaltbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Abschaltbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Abschaltbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand, der nicht konfiguriert ist, wird sequentiell konfiguriert; Wenn es sich in einem überlasteten Zustand befindet, ist das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und in dem Überlastbetriebszustand wie folgt konfiguriert: Das Elektrolysezellenmonomer in dem Nennbetriebszustand und dem Überlastbetriebszustand wird sequentiell abwechselnd konfiguriert, bis ein Betriebszustand in dem Nennbetriebszustand oder dem Überlastbetriebszustand konfiguriert ist, und ein anderer Betriebszustand wird sequentiell konfiguriert.
Vorrichtung zur geschichteten koordinierten Steuerung eines Wind-Wasserstoff-Kopplungssystems basierend auf MPC, umfassend einen Speicher und einen Prozessor, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher zum Speichern eines Computerprogramms verwendet wird, wobei der Prozessor verwendet wird, um das Konfigurations- und Optimierungssteuerverfahren für eine alkalische Elektrolysezellenanordnung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Windkraft nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu implementieren, wenn das Computerprogramm ausgeführt wird.