一种电解槽状态自适应的离网制氢系统控制方法

本发明属于制氢，具体是指一种电解槽状态自适应的离网制氢系统的控制方法。

背景技术：

1、氢能作为公认的绿色能源，具有灵活高效的动态储能特性，可用于解决新能源发电波动引起的电网运行和管理难题。直流微网制氢系统可结合风光发电和储能单元，离网实现电解水制氢，减少能量转换损失和设备需求。

2、目前对电解槽的特性研究大多建立在特定工作状态及参数的条件下。如参考文献1(尹德强,姚良忠,程帆,等.考虑制氢效率优化的氢-储-风直流微网功率协调控制[j/ol].电力系统自动化,1-19[2024-07-14].)中根据制氢电解槽优化运行区间和直流母线电压波动范围，将直流微网划分为正常运行模式和极端运行模式，在正常运行模式下，通过电解槽的自适应下垂控制和电池储能含虚拟电容的变系数下垂控制，将电解槽运行点维持在优化运行区间内；在极端运行模式下，通过氢/储控制策略灵活切换以确保直流微网电压安全。但新能源发电宽功率波动时，电解槽的状态及特性参数变化范围大，需要更准确的数学方法来描述电解槽状态对制氢系统功率分配的影响。此外，对于控制策略层面，传统的下垂曲线多为分段的直线，曲线过度不平滑，在系统宽功率运行时对母线电压波动的抑制效果有限，且在转折点处容易引起系统振荡。现有离网制氢系统控制策略无法在系统宽功率运行的情况下有效维持母线电压稳定性，因此需要改进离网制氢系统控制策略，使得能够根据电解槽的工作状态实时反馈调整功率分配方案，也能在系统宽功率运行的情况下有效维持母线电压稳定性。

技术实现思路

1、离网制氢系统中的新能源发电单元出力具有随机性，此时直流微网制氢系统的制氢单元中的电解槽的状态参数不确定，现有的离网制氢系统控制方法无法准确描述电解槽状态而导致制氢能量分配不合理，并且在系统宽功率运行的情况下直流母线电压波动，影响系统的制氢效率及安全性。针对这些问题，本发明提供了一种电解槽状态自适应的离网制氢系统控制方法。

2、本发明提供的一种电解槽状态自适应的离网制氢系统控制方法，部署在离网制氢系统控制器中，包括如下步骤：

3、步骤1：设计模糊控制器，模糊控制器根据当前电解槽的运行状态动态确定当前电解槽允许运行的最大功率和最小功率；所述电解槽的运行状态包括电解槽的温度、压力和氧中氢纯度hto；所述模糊控制器中设置模糊规则，模糊规则包括电解槽的温度和压力与电解槽允许运行的最大功率pmax的模糊关系表，以及电解槽的hto和压力与电解槽允许运行的最小功率pmin的模糊关系表。

4、步骤2：根据电解槽的制氢效率和电压波动等，设置当前电解槽运行的最优区间，最优区间的功率上限设置为电解槽允许运行的最大功率pmax，功率下限psuit设置为电解槽额定功率pn的50％，设置最优区间的直流母线电压上限为udc_n，电压下限为udc_suit；设置电压阈值udc_l1，当直流母线电压在udc_l1～udc_suit之间，电解槽功率在pmin～psuit之间，此时电解槽运行在低负载区间h2；其中，udc_l1<udc_suit<udc_n。

5、步骤3：若当前电解槽的运行功率p在最优区间h1及低负载区间h2内，根据如下设计的电解槽的电压-功率非线性下垂曲线，调整直流母线电压udc，以抑制最优区间内及低负载区间的母线电压波动；

6、udc＝udc_l1+ξ·(p-pmin)m

7、其中，udc_l1是低负载区间h2的直流母线电压下限值，ξ、m为非线性下垂参数；

8、步骤4：若当前电解槽的运行功率p在最优区间外，根据直流母线电压与最优区间的偏差，执行储能协调补偿方案，使制氢-储能单元协调工作，优化功率分配方案，减小电解槽的运行功率与最优区间的偏差，抑制最优区间外的电压波动。

9、相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：

10、(1)本发明方法通过模糊控制，使系统的功率分配能够自适应电解槽温度、压力变化，多余的功率可分配给储能，提高了系统的能量利用效率。

11、(2)本发明方法通过模糊控制器，使系统的功率分配能够自适应电解槽氧中氢纯度、压力变化，保障在安全功率之上运行，减少了电解槽启停次数，提高了系统运行的安全性与稳定性。

12、(3)本发明方法设计的电压-功率非线性下垂曲线连续且平滑，对比分段下垂控制，消除了系统在转折点处的振荡问题，在最优区间内母线电压更平稳。

13、(4)本发明方法通过储能-制氢单元的协调运行，实现动态补偿，使电解槽运行在最优区间附近，兼顾了相对较高的制氢效率与安全运行，同时也使电解槽的电压波动小。

技术特征：

1.一种电解槽状态自适应的离网制氢系统控制方法，部署在离网制氢系统控制器中，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的模糊控制器根据当前电解槽的温度和压力经模糊推理得到当前电解槽允许运行的最大功率pmax所属等级的隶属度，根据当前电解槽的hto和压力经模糊推理得到当前电解槽允许运行的最小功率pmin所属等级的隶属度，再对隶属度去模糊化得到电解槽允许运行的最大功率和最小功率；

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的模糊规则通过如下方式建立：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，在设置电解槽运行的最优区间时，建立电解槽的数学模型如下：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，将步骤2确定的最优区间的两对功率-电压值(pmax，udc_n)和(psuit，udc_suit)代入非线性下垂曲线，计算非线性下垂参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中，储能协调补偿方案设计如下：

技术总结
本发明公开了一种电解槽状态自适应的离网制氢系统控制方法，属于制氢技术领域。本发明方法根据电解槽的压力、温度、氧中氢纯度与其允许最大、最小运行功率的关系，设计模糊控制器，动态调整制氢单元的功率上下限；兼顾制氢效率、槽电压稳定性与制氢单元安全性，确立电解槽的最优运行区间；设计电压‑功率的非线性下垂曲线抑制最优区间及低负载区间内的母线电压波动；设计储能协调动态补偿方案，使制氢‑储能单元协调工作，缩小电解槽功率与最优区间的偏差同时抑制最优区间外母线电压波动。本发明兼顾了较高的制氢效率与安全运行，可减少电解槽启停次数，优化功率分配方案，提高系统的能量利用率，同时也使得电解槽的电压波动更小。

技术研发人员：蒋原,陈文振,李擎,张茜,雷展,孟祥华,黄凯,黄伟,鲁小雅,王巍然,贾宇飞
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/28