分散式接入風(fēng)電場的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源作為制約各國可持續(xù)發(fā)展的因素之一，現(xiàn)已成為人類社會面臨的重大課題。 據(jù)美國能源信息管理局（EnergyInformationAdministration)在2014年1月發(fā)布的《國 際能源展望報告》分析，到2030年全球的能源消費預(yù)計會增加71%，且中國的能源消費將 超過美國。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展依靠能源，而伴隨著能源消費的增加，環(huán)境污染問題也愈加嚴(yán)峻。
[0003] 風(fēng)能、氫能與甲醇都是未來重要的綠色能源，由于我國的風(fēng)能與煤炭資源相對較 多，因此，依靠資源優(yōu)勢，致力于風(fēng)、氫、甲醇三種能源的開發(fā)，亦是我國解決未來能源問題 的有效途徑。但由于風(fēng)資源受地域天候的限制，致使風(fēng)電自身存在間歇、隨機(jī)和波動等特 性，造成風(fēng)電并網(wǎng)困難、棄風(fēng)高且對電網(wǎng)沖擊較大。對于氫能，研究表明宇宙質(zhì)量的75%由 氫構(gòu)成，作為優(yōu)質(zhì)能源載體和燃料的氫可稱作是取之不盡用之不竭的高密度能源，但氫在 地球上主要以化合態(tài)出現(xiàn)，且氫氣存在著生成難，存儲難和運輸難的"三難"問題，因此，氫 能雖為21世紀(jì)最理想的能源之一，卻尚不能作為主要能源普遍運用于生產(chǎn)實踐中。另一方 面，如今對于甲醇的定義已不僅限于一種重要的有機(jī)化工原料，因為隨著技術(shù)的進(jìn)步，甲醇 作為一種燃料已經(jīng)成功應(yīng)用于運輸行業(yè)中，但甲醇生產(chǎn)過程涉及到原料氣（氫氣和氧氣） 的制造及凈化，還需煤化石能源提供能量，因此甲醇既是能源供給品也是能源消耗品，而如 何達(dá)到甲醇供能高而耗能低亦成為發(fā)展清潔能源亟待研究的課題之一。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)條件下，以風(fēng)電場、電解槽、儲氫罐、氫氧燃料電池和煤化工生產(chǎn)線為系 統(tǒng)主要組成部分，以分散式接入風(fēng)電為前提，綜合以上三種能源各自特點，采用氫儲能平滑 風(fēng)電出力，并通過煤化工解決非并網(wǎng)風(fēng)電就地消納問題，以此減小大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng) 造成的沖擊，降低棄風(fēng)率，最大限度開發(fā)和利用清潔能源，是一種有效手段。
[0005]目前，國內(nèi)外針對風(fēng)電與氫儲能耦合系統(tǒng)的研究為數(shù)不多，且大多淺嘗輒止的停 留在風(fēng)電與氫儲能耦合系統(tǒng)的初步設(shè)想和構(gòu)建上，少有深入探究其控制策略。在研究分散 式接入風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、氫儲能系統(tǒng)和煤化工系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行的控制策略方面，國內(nèi) 外更是鮮有公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)及專利。中國專利200810236279. 8提出了一種大規(guī)模非 并網(wǎng)風(fēng)電直接應(yīng)用于生產(chǎn)甲醇的方法，將大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電作為電解設(shè)備的工作電源，并 用電解水制得的氫、氧氣作為生產(chǎn)甲醇的原料，以達(dá)到制甲醇過程生態(tài)、清潔。但該專利僅 單一的將非并網(wǎng)風(fēng)電進(jìn)行氫儲能并生產(chǎn)甲醇，并沒有考慮用氫儲能系統(tǒng)輔助風(fēng)電并網(wǎng)。又 如中國專利2010010538149. 7公開了一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)，利用氫儲能調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā) 電輸出的電量和功率，解決大型風(fēng)電并網(wǎng)問題。但該調(diào)控系統(tǒng)僅涉及到利用氫儲能平抑風(fēng) 電波動，并沒用涉及風(fēng)電出力大但負(fù)荷需求小的同時儲氫量已達(dá)到上限這種極端情況，也 沒有把風(fēng)-氫儲能與煤化工結(jié)合起來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種分散式接入風(fēng)電場的風(fēng)-氫儲能耦 合系統(tǒng)控制方法。本發(fā)明通過對分散式接入風(fēng)電場的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電、氫 儲能以及煤化工三個子系統(tǒng)運行狀態(tài)的分析，在保證煤化工系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運行的前提 下，減小并網(wǎng)風(fēng)電對電網(wǎng)造成的沖擊，降低棄風(fēng)率，提高風(fēng)電并網(wǎng)效率。
[0007] 本發(fā)明風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)控制方法所應(yīng)用的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)、氫儲能系統(tǒng)和煤化工系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由多個分散式接入風(fēng)電場組成，氫儲能 系統(tǒng)主要由電解水設(shè)備、儲氫罐、儲氧罐、氫氧燃料電池組成，煤化工系統(tǒng)由煤制甲醇生產(chǎn) 線組成。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能，并依據(jù)風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)運行需求，將風(fēng)電用 于并網(wǎng)或用于氫儲能系統(tǒng)，氫儲能系統(tǒng)利用風(fēng)電出力進(jìn)行電解水制氫氣、氧氣并存儲，這一 過程將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。存儲的氫氣與氧氣首先作為煤化工系統(tǒng)的原料氣，在保證煤化 工系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，若仍有充足的氣體存儲量，則可作為氫氧燃料電池的原料氣支 持氫氧燃料電池發(fā)電，即儲能等效放電，在消耗儲氣罐中過盛的氫氣和氧氣的同時，起到此 輔助風(fēng)電并網(wǎng)的作用。
[0008] 本發(fā)明風(fēng)-氫儲能親合系統(tǒng)控制方法基于氫儲能系統(tǒng)等效SOC(stateofcharge) 狀態(tài)，以提高分散式風(fēng)電消納能力為目標(biāo)，煤化工系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運行為約束，控制分散式 接入風(fēng)電場的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電、氫儲能以及煤化工系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。具體步 驟為：
[0009] 1、獲取所述風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)的各類技術(shù)參數(shù)；
[0010] 2、依據(jù)所獲取的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)中的儲氫罐與儲氧罐各自等效S0C 狀態(tài)，計算氫儲能系統(tǒng)等效S0C狀態(tài)soceS;
[0011] 3、分析步驟2所獲取和計算得到的數(shù)據(jù)，對與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃P]h時間尺度匹 配的風(fēng)電場實際出力pwlJi行分配，并將分配數(shù)據(jù)和本地氫儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)反饋給本地 風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)集群控制中心，本地風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)集群控制中心基于"同調(diào)等 值"原則，統(tǒng)一對各本地風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)下達(dá)針對性指令。
[0012] 進(jìn)一步的，步驟1中，所述參數(shù)及其獲取方法包括：
[0013] 本地風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)接收到的，由本地風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)集群控制中心下 發(fā)的，風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)中上級電網(wǎng)調(diào)度計劃P]h;采用風(fēng)電最大功率跟蹤（MPPT)方法實 測得到的與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃P]h時間尺度匹配的風(fēng)電場實際出力Pwind;實時監(jiān)控或經(jīng)過 預(yù)測得到的與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃P]h時間尺度匹配的本地負(fù)荷Plciad;實時監(jiān)控得到的儲氫 罐等效S0C狀態(tài)S0CeH與儲氧罐等效S0C狀態(tài)SOCe。。
[0014] 用等效S0C狀態(tài)表征儲氣罐內(nèi)剩余氣體，代表的是儲氣罐使用一段時間或長期擱 置不用后的剩余壓強(qiáng)pvra與其完全充滿氣體時壓強(qiáng)p的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示，即等效 soc=pwypMPxi〇〇%。鑒于本發(fā)明涉及的風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)中，氫、氧儲氣罐為同一型 號，即PftepZP(kap=p?：aP。因此氫儲能系統(tǒng)中儲氫罐與儲氧罐等效S0C狀態(tài)分別為：
[0015] S0CeH=pHre/pHc即X100% =pHre/pecapX100%
[0016] SOCe0=p0re/p0capX100% =p0re/pecapx100%
[0017] 其中，pfcaps儲氫罐內(nèi)完全充滿氫氣時的壓強(qiáng)，p。_為儲氧罐內(nèi)完全充滿氧氣時的 壓強(qiáng)，P_p為氣罐額定壓強(qiáng)，S0CeH為儲氫罐等效S0C狀態(tài)，S0C&為儲氧罐等效S0C狀態(tài)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟2中，氫儲能系統(tǒng)等效S0C狀態(tài)S0(；s*下式計算得到：
[0019] S0CeS =[K: (pcapXS0CeH) +K2 (pcapXSOCe0) +C]X100 %
[0020] 其中，KpK2為系數(shù)，且0? 25 <K丨/^ 1 ;C為常數(shù)項，且-0? 5 <C彡0? 5 ;
[0021] 用soceS__和soc<_分別表征氫儲能系統(tǒng)等效soc狀態(tài)的上限和下限，soceSp為 氫儲能系統(tǒng)壓強(qiáng)狀態(tài)的理想狀態(tài)。soc#的值設(shè)置過高會導(dǎo)致某一個或兩個儲氣罐等效S0C 狀態(tài)超出上限，soc#的值設(shè)置過低會導(dǎo)致氫儲能系統(tǒng)不能滿足煤化工系統(tǒng)正常運行需求， 這兩種情況都不能保證風(fēng)-氫儲能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運行，因此氫儲能系統(tǒng)壓強(qiáng)狀態(tài)的理想狀 態(tài)soceSp選取值如下：
[0022]
〇
[0023] 進(jìn)一步的，所述步驟3包括，依據(jù)步驟1和步驟2得到的數(shù)據(jù)，所述風(fēng)-氫儲能耦 合系統(tǒng)控制方法對與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃P]h時間尺度匹配的風(fēng)電場實際出力pwlJi行分配 的方法如以下三類，每類各3種：
[0024] 第I類，當(dāng)S0CeS〈S0CeS__時，氫儲能系統(tǒng)等效S0C狀態(tài)超出下限S0CeS__，氫氧燃料 電池停止工作Sf。:off，氫儲能系統(tǒng)等效充電，此時電解水制氫氣和制氧氣，使氫儲氣罐和氧 儲氣罐內(nèi)壓強(qiáng)增大；此時，優(yōu)先考慮保所述煤化工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時保證氫儲能系統(tǒng)等效 S0C值回到正常區(qū)間：S0CeS__彡S0CeS<S0CeS__，與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃Pjh時間尺度匹配的 風(fēng)電場實際出力分配優(yōu)先級為，電解水制氫儲能〉與上級電網(wǎng)調(diào)度計劃時間尺度匹