一种基于氢电综合利用的风电场及其控制方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，涉及一种基于氢电综合利用的风电场及其控制方法。


背景技术：

2.在新能源由补充型电源逐步转向主力型电源发展过程中，新能源发电占比不断增加，其波动性和随机性会给电网带来巨大的安全运行压力，电储能是实现新能源友好接入和协调控制的有效途径，产业发展前景广阔。
3.电制氢是未来新能源应用的重要途径，能够实现新能源跨行业存储及直接应用，相比电储能可提供更长的储存时间，同时氢能可以在燃料、电池、化工、冶金等领域实现对化石能源的替代，对于保障能源安全具有重要意义。电能易传输难存储，而氢能易存储难传输，氢能与电能之间具有天然互补特性，但如何将两者有机结合起来以实现效能最大化还有待进一步探索。
4.现有技术1(cn106877396a)“一种大规模风电储存系统及方法”，风电储存系统中使用风电场能量管理系统连接风电场、电网、制氢及储氢系统、燃料电池发电系统，并对整个风电场的运行管理及能量进行控制，风电场风力发电供给电网，在风电丰富时将多余的电能供给制氢及储氢系统，用于电解水制氢，并把氢气储存起来；在电力缺乏时，将储存的氢气通过燃料电池发电系统转化为电能，由此实现了大规模风电的存储，提高了风的利用效率。现有技术2
5.(cn105140970a)“一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构及其控制方法”，建立了风力发电机、储水罐、电解池、燃料电池和负荷的风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构，提高弃风利用能力，实现风能、氢能、水和电能的能源互补运行能力。以现有技术1和2为代表的基于氢电综合利用的风电场中，仅考虑了单一的储能方式，需随时预留部分容量以保证具备充放电能力，因此无法充分发挥储能对风功率预测的改善，从而导致弃风率高。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于氢电综合利用的风电场及其控制方法，在风电场建设电制氢、氢燃料电池发电及电化学储能，通过氢电之间互相转换实现对清洁电能的长时储能，通过电化学储能实现对清洁电能的短时储能，利用长时储能与短时储能相配合修正风力发电系统的实际出力与预测功率之间的误差，主动提升风功率预测准确率，有效降低弃风率。
7.本发明采用如下的技术方案。
8.本发明一方面提出一种基于氢电综合利用的风电场，风电场包括：风力发电系统，电解水制氢系统，氢燃料电池发电系统和储能系统，风电场通过电网并网点与电网连接。风电场还包括：风电场主控系统，风电场功率预测系统；其中，风电场主控系统，用于控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储能系统；风电场功率预测系统，用于
对风力发电系统的功率进行预测；所述储能系统包括储氢装置和电化学储能装置；
9.其中，风力发电系统发出的电能通过电网并网点送至电网；风力发电系统发出的电能送至电解水制氢系统生成氢气，氢气存储在储氢装置中；风力发电系统发出的电能送至电化学储能装置进行存储；氢燃料电池发电系统利用储氢装置中存储的氢气发出的电能通过电网并网点送至电网；电化学储能装置发出的电能通过电网并网点送至电网；
10.风电场功率预测系统将风力发电系统的功率预测结果发送至电网调度和风电场主控系统；电网调度根据功率预测结果向风电场主控系统下发并网发电功率；风电场主控系统根据并网发电功率和风力发电系统发出的最大功率制定风电场控制策略。
11.优选地，风电场控制策略包括：控制电化学储能装置进行短期储能；短期储能包括：
12.1)当风力发电系统发出的最大功率大于电网调度下发的并网发电功率时，风电场主控系统控制电化学储能装置存储风力发电系统发出的最大功率与电网调度下发的并网发电功率之间的差额；
13.2)当风力发电系统发出的最大功率大于风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果时，风电场主控系统控制电化学储能装置存储风力发电系统发出的最大功率与风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果之间的差额；
14.3)当风力发电系统发出的最大功率小于电网调度下发的并网发电功率时，风电场主控系统控制电化学储能装置将已存储的电能送至电网；
15.4)当风力发电系统发出的最大功率小于风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果时，风电场主控系统控制电化学储能装置将已存储的电能送至电网。
16.优选地，风电场控制策略包括：控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储氢装置进行长期储能；长期储能包括：
17.1)当风力发电系统发出的最大功率大于电网调度下发的并网发电功率时，且电化学储能装置已经储满，风电场主控系统控制电解水制氢系统利用风力发电系统发出的最大功率与电网调度下发的并网发电功率之间的差额生产氢能，并将生产出的氢能存储在储氢装置中；
18.2)当风力发电系统发出的最大功率小于电网调度下发的并网发电功率时，但电化学储能装置未储满，风电场主控系统控制储氢装置中的氢能输送至氢燃料电池发电系统进行发电，并将发出的电能送至电网。
19.优选地，风电场还包括：输氢管道，氢能用户；
20.储氢装置储存的氢能还通过输氢管道送至氢能用户；
21.风力发电系统发出的电能的利用方式还包括：送至电解水制氢系统生成氢气，氢气通过输氢管道送至氢能用户。
22.进一步，风电场主控系统控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储氢装置进行长期储能中，若储氢装置已经储满且不需要氢燃料电池发电系统发电，储氢装置中的氢能通过输氢管道送至氢能用户。
23.进一步，风电场内，风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统、储氢装置、电化学储能装置、输氢管道、风电场主控系统均设置无线通信装置。
24.本发明另一方面提出基于氢电综合利用的风电场的控制方法，利用基于氢电综合
利用的风电场而实现，控制方法包括：
25.步骤1，采集风电场内风力发电系统、氢燃料电池发电系统和电化学储能装置计划提供的电能之和，并基于计划提供的电能之和对风力发电系统进行预测，得到风力发电系统的功率预测结果；将功率预测结果发送至电网调度；
26.步骤2，电网调度根据功率预测结果下发并网发电功率；
27.步骤3，采集风力发电系统发出的最大功率；
28.步骤4，根据风力发电系统发出的最大功率和并网发电功率的关系，控制电化学储能装置的充电或放电，电解水制氢系统的氢能产出，氢燃料电池发电系统的电能产出，以及储氢装置中氢气的储存和释放。
29.优选地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率小于并网发电功率，则控制电化学储能装置将储存的电能送至电网。
30.优选地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，当风力发电系统的发出的最大功率与电化学储能装置向电网输送的电能之和小于并网发电功率时，则控制氢燃料电池发电系统产出的电能送至电网。
31.优选地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置未储满，则控制风力发电系统的剩余出力储存在电化学储能装置中；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
32.优选地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置储满，则控制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至储氢装置进行储存；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
33.优选地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置未储满，则控制风力发电系统的剩余出力储存在电化学储能装置中；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
34.优选地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置储满，则制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至储氢装置进行储存；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
35.优选地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置和储氢装置均已储满，则控制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至氢能用户；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
36.可选地，根据电化学储能装置的电池剩余电量百分比判断电化学储能装置是充电状态还是放电状态；其中，电化学储能装置的电池剩余电量百分比为100％时判定电化学储能装置为已储满状态。
37.可选地，电解水制氢系统与储能系统的用电功率之和应不低于风力发电系统额定功率的20％，氢燃料电池发电系统的发电功率应不低于电解水制氢系统的用电功率的
50％。
38.本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
39.1、本发明充分利用电能易传输难存储、氢能易存储难传输特性，实现了一种有机融合风力发电系统、电解水制氢系统、储氢装置、氢燃料电池发电系统和电化学储能装置的风电场新型拓扑结构；
40.2、在本发明提出的基于氢电综合利用的风电场中，发挥电化学储能装置的短时间内充放电的转换效率高的特性，用于清洁电能的短期存储并在风电场日常功率调节中发挥作用；同时避免了氢电转换过程整体转换效率不高的不足之处，发挥氢气存储在储氢装置中零损耗的特性，用于清洁电能的长期存储并在保供电的紧急时刻发挥重要作用；
41.3、在本发明提出的基于氢电综合利用的风电场中，储氢装置和电化学储能装置均不需要预留储能容量，能够实现满充满放，显著提升了电化学储能装置的实际可用容量；
42.4、通过风能、电能、氢能多种能源之间的互相转换，实现了电能的长期储存和短期储存，同时利用氢储能和电化学储能，依据风电场功率预测曲线对风电场实际并网功率进行修正，主动提升风功率预测准确率，有效降低弃风率，有助于“3060”双碳目标实现及以新能源为主体的新型电力系统建设。
附图说明
43.图1是本发明中一种基于氢电综合利用的风电场的结构示意图；
44.图1中的附图标记说明如下：
45.1-电网调度；2-风电场主控系统；3-风力发电系统；4-电解水制氢系统；5
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储氢装置；6-输氢管道；7-氢能用户；8-氢燃料电池发电系统；9-电网并网点； 10-电化学储能装置；11-风电场功率预测系统；12-无线通信装置。
具体实施方式
46.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
47.实施例1。
48.本发明一方面提出一种基于氢电综合利用的风电场，如图1所示，风电场包括：风力发电系统3，电解水制氢系统4，氢燃料电池发电系统8和储能系统，风电场通过电网并网点9与电网连接。
49.风电场还包括：风电场主控系统2，风电场功率预测系统11；风电场主控系统2，用于控制风力发电系统3、电解水制氢系统4、氢燃料电池发电系统8和储能系统；储能系统8包括储氢装置5和电化学储能装置10。
50.从图1可以看出，实施例1中，风力发电系统发出的电能的利用方式包括：
51.1)直接送至电网并网点9；
52.2)送至电解水制氢系统4生成氢气，氢气存储在储氢装置5中；
53.3)送至电化学储能装置10进行存储。
54.从图1可以看出，实施例1中，电网并网点接收到的电能的来源包括：
55.1)风力发电系统发出的电能；
56.2)氢燃料电池发电系统8利用储氢装置5中存储的氢气发出的电能；
57.3)电化学储能装置10发出的电能。
58.本发明充分利用电能易传输难存储、氢能易存储难传输特性，实现了一种有机融合风力发电系统、电解水制氢系统、储氢装置、氢燃料电池发电系统和电化学储能装置的风电场新型拓扑结构。
59.风电场功率预测系统将风力发电系统的功率预测结果发送至电网调度和风电场主控系统；电网调度根据功率预测结果向风电场主控系统下发并网发电功率；风电场主控系统根据并网发电功率和风力发电系统发出的最大功率制定风电场控制策略；风电场控制策略包括：控制电化学储能装置进行短期储能，控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储氢装置进行长期储能。
60.电化学储能装置短时间内充放电的转换效率高，但若长期存储能量损失较快，因此该过程可用于清洁电能的短期存储，在风电场日常功率调节中发挥作用。虽然氢电转换过程的的整体转换效率不高，但由于氢气存储在储氢装置中几乎没有损耗，因此该过程可用于清洁电能的长期存储，在保供电的紧急时刻发挥重要作用。
61.因此，在本发明提出的基于氢电综合利用的风电场中，发挥电化学储能装置的短时间内充放电的转换效率高的特性，用于清洁电能的短期存储并在风电场日常功率调节中发挥作用；同时避免了氢电转换过程整体转换效率不高的不足之处，发挥氢气存储在储氢装置中零损耗的特性，用于清洁电能的长期存储并在保供电的紧急时刻发挥重要作用。
62.具体地，风电场主控系统控制电化学储能装置进行短期储能包括：
63.1)当风力发电系统发出的最大功率大于电网调度下发的并网发电功率时，风电场主控系统控制电化学储能装置存储风力发电系统发出的最大功率与电网调度下发的并网发电功率之间的差额；
64.2)当风力发电系统发出的最大功率大于风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果时，风电场主控系统控制电化学储能装置存储风力发电系统发出的最大功率与风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果之间的差额；
65.3)当风力发电系统发出的最大功率小于电网调度下发的并网发电功率时，风电场主控系统控制电化学储能装置将已存储的电能送至电网；
66.4)当风力发电系统发出的最大功率小于风电场功率预测系统给出的风力发电系统的功率预测结果时，风电场主控系统控制电化学储能装置将已存储的电能送至电网。
67.具体地，风电场主控系统控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储氢装置进行长期储能包括：
68.1)当风力发电系统发出的最大功率大于电网调度下发的并网发电功率时，且电化学储能装置已经储满，风电场主控系统控制电解水制氢系统利用风力发电系统发出的最大功率与电网调度下发的并网发电功率之间的差额生产氢能，并将生产出的氢能存储在储氢装置中；
69.2)当风力发电系统发出的最大功率小于电网调度下发的并网发电功率时，但电化学储能装置未储满，风电场主控系统控制储氢装置中的氢能输送至氢燃料电池发电系统进行发电，并将发出的电能送至电网。
70.如图1所示，风电场还包括：输氢管道6，氢能用户7。
71.储氢装置5储存的氢能还通过输氢管道6送至氢能用户7。
72.风力发电系统发出的电能的利用方式还包括：送至电解水制氢系统生成氢气，氢气通过输氢管道送至氢能用户。
73.进一步，风电场主控系统控制风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统和储氢装置进行长期储能中，若储氢装置已经储满且不需要氢燃料电池发电系统发电，储氢装置中的氢能通过输氢管道送至氢能用户。
74.进一步，风电场内，风力发电系统、电解水制氢系统、氢燃料电池发电系统、储氢装置、电化学储能装置、输氢管道、风电场主控系统均设置无线通信装置 12。
75.实施例2。
76.本发明另一方面提出基于氢电综合利用的风电场的控制方法，利用基于氢电综合利用的风电场而实现。以某风电场某天8:00-13:00时间段的运行情况为例进行说明，其容量配置如下：风力发电系统3的容量为50mw，电解水制氢系统4 的容量为10mw，氢燃料电池发电系统8的容量为5mw，电化学储能装置10 的容量15mw。控制方法包括：
77.步骤1，风电场功率预测系统采集风电场内风力发电系统、氢燃料电池发电系统和电化学储能装置计划提供的电能之和，对风力发电系统进行预测，得到风力发电系统的功率预测结果；风电场功率预测系统将功率预测结果发送至电网调度和风电场主控系统。
78.步骤2，电网调度根据功率预测结果向风电场主控系统下发并网发电功率。
79.步骤3，风电场主控系统采集风力发电系统发出的最大功率。
80.步骤4，风电场主控系统根据风力发电系统发出的最大功率和并网发电功率的关系，控制电化学储能装置的充电或放电，电解水制氢系统的氢能产出，氢燃料电池发电系统的电能产出，以及储氢装置中氢气的储存和释放。
81.具体地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率小于并网发电功率，则风电场主控系统控制电化学储能装置将储存的电能送至电网。
82.具体地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，当风力发电系统的发出的最大功率与电化学储能装置向电网输送的电能之和小于并网发电功率时，风电场主控系统控制氢燃料电池发电系统产出的电能送至电网。
83.优选地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置未储满，则风电场主控系统控制风力发电系统的剩余出力储存在电化学储能装置中；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
84.具体地，步骤4中，当并网发电功率与功率预测结果一致时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置储满，则风电场主控系统控制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至储氢装置进行储存；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
85.具体地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置未储满，则风电场主控系统控制风力发电系统的剩余出力储存在电化学储能装置中；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电
系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
86.具体地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置储满，则风电场主控系统控制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至储氢装置进行储存；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的可发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
87.具体地，步骤4中，当并网发电功率小于功率预测结果时，若风力发电系统的发出的最大功率大于并网发电功率且电化学储能装置和储氢装置均已储满，则风电场主控系统控制风力发电系统的剩余出力送至电解水制氢系统，电解水制氢系统产生的氢能送至氢能用户；其中，风力发电系统的剩余出力是指风力发电系统的发出的最大功率与并网发电功率之间的差额。
88.可选地，根据电化学储能装置的电池剩余电量百分比判断电化学储能装置是充电状态还是放电状态；其中，电化学储能装置的电池剩余电量百分比为100％时判定电化学储能装置为已储满状态。
89.可选地，电解水制氢系统与储能系统的用电功率之和应不低于风力发电系统额定功率的20％，氢燃料电池发电系统的发电功率应不低于电解水制氢系统的用电功率的50％。
90.8:00-9:00，风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果为30mw，电网调度1按照功率预测结果下发30mw的并网发电功率给风电场主控系统2，然而此时风力发电系统3发出的最大功率为20mw，为了对风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果进行修正以满足电网调度1下发的并网发电功率，因此需要采用其它发电方式来补充电网并网点9的上网电量，此时电化学储能装置10的电池剩余电量百分比(soc)为80％，电化学储能装置10可以放电，因此优先启用电化学储能装置10以10mw的功率进行放电以反馈给电网。通过风能、电能、氢能多种能源之间的互相转换，实现了电能的长期储存和短期储存，同时利用氢储能和电化学储能，依据风电场功率预测曲线对风电场实际并网功率进行修正，主动提升风功率预测准确率，有效降低弃风率。
91.9:00-10:00，风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果为35mw，电网调度1按照功率预测结果下发35mw的并网发电功率给风电场主控系统2，然而此时风力发电系统3发出的最大功率为48mw，为避免能量浪费需对过剩能量进行存储，此时电化学储能装置10的soc为70％，电化学储能装置10可以充电，因此优先启用电化学储能装置10以13mw的功率进行充电。
92.10:00-11:00，风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果为40mw，电网调度1按照功率预测结果下发40mw的并网发电功率给风电场主控系统2，然而此时风力发电系统3发出的最大功率为45mw，为避免能量浪费需对过剩能量进行存储，此时电化学储能装置10的soc为100％，电化学储能装置10已经充满且无法继续充电，因此需启用电解水制氢系统4以5mw 的功率进行制氢，此时储氢装置5的容量为60％，因此将电解水制氢系统4产出的氢气存储在储氢装置5中。
93.11:00-12:00，风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果为50mw，电网调度1根据限电指令下发40mw的并网发电功率给风电场主控系统2，然而此时风
力发电系统3发出的最大功率为50mw，为避免能量浪费需对过剩能量进行存储，此时电化学储能装置10的soc为100％，电化学储能装置10已经充满且无法继续充电，因此需启用电解水制氢系统4以5mw的功率进行制氢，此时储氢装置5的容量为100％也已储满，因此将电解水制氢系统 4产出的氢气通过输氢管道6输送至氢能用户7。
94.12:00-13:00，风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果为50mw，电网调度1按照功率预测结果下发50mw的并网发电功率给风电场主控系统2，然而此时风力发电系统3发出的最大功率为30mw，为了对风电场功率预测系统11给出的风力发电系统3的功率预测结果进行修正以满足电网调度1下发的并网发电功率，此时共有20mw功率缺额，电化学储能装置10的 soc为100％，可以满功率以15mw的功率进行放电，此时储氢装置5的容量为100％，还需启用氢燃料电池发电系统8利用储氢装置5中的氢气以5mw的功率进行发电，电化学储能装置10和氢燃料电池发电系统8共同产生电能20mw 反馈至电网。通过风能、电能、氢能多种能源之间的互相转换，实现了电能的长期储存和短期储存，同时利用氢储能和电化学储能，依据风电场功率预测曲线对风电场实际并网功率进行修正，主动提升风功率预测准确率，有效降低弃风率
95.在本发明提出的基于氢电综合利用的风电场中，储氢装置和电化学储能装置均不需要预留储能容量，能够实现满充满放，显著提升了电化学储能装置的实际可用容量。
96.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。