分散式接入風電場的風-氫儲能耦合系統控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種風-氫儲能耦合系統控制方法。
【背景技術】
[0002] 能源作為制約各國可持續發展的因素之一，現已成為人類社會面臨的重大課題。 據美國能源信息管理局（EnergyInformationAdministration)在2014年1月發布的《國 際能源展望報告》分析，到2030年全球的能源消費預計會增加71%，且中國的能源消費將 超過美國。經濟的發展依靠能源，而伴隨著能源消費的增加，環境污染問題也愈加嚴峻。
[0003] 風能、氫能與甲醇都是未來重要的綠色能源，由于我國的風能與煤炭資源相對較 多，因此，依靠資源優勢，致力于風、氫、甲醇三種能源的開發，亦是我國解決未來能源問題 的有效途徑。但由于風資源受地域天候的限制，致使風電自身存在間歇、隨機和波動等特 性，造成風電并網困難、棄風高且對電網沖擊較大。對于氫能，研究表明宇宙質量的75%由 氫構成，作為優質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出現，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化工原料，因為隨著技術的進步，甲醇 作為一種燃料已經成功應用于運輸行業中，但甲醇生產過程涉及到原料氣（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 何達到甲醇供能高而耗能低亦成為發展清潔能源亟待研究的課題之一。
[0004] 現有技術條件下，以風電場、電解槽、儲氫罐、氫氧燃料電池和煤化工生產線為系 統主要組成部分，以分散式接入風電為前提，綜合以上三種能源各自特點，采用氫儲能平滑 風電出力，并通過煤化工解決非并網風電就地消納問題，以此減小大規模風電并網對電網 造成的沖擊，降低棄風率，最大限度開發和利用清潔能源，是一種有效手段。
[0005]目前，國內外針對風電與氫儲能耦合系統的研究為數不多，且大多淺嘗輒止的停 留在風電與氫儲能耦合系統的初步設想和構建上，少有深入探究其控制策略。在研究分散 式接入風電場中風力發電系統、氫儲能系統和煤化工系統協調運行的控制策略方面，國內 外更是鮮有公開發表的相關文獻及專利。中國專利200810236279. 8提出了一種大規模非 并網風電直接應用于生產甲醇的方法，將大規模非并網風電作為電解設備的工作電源，并 用電解水制得的氫、氧氣作為生產甲醇的原料，以達到制甲醇過程生態、清潔。但該專利僅 單一的將非并網風電進行氫儲能并生產甲醇，并沒有考慮用氫儲能系統輔助風電并網。又 如中國專利2010010538149. 7公開了一種風電制氫調控并網系統，利用氫儲能調節風力發 電輸出的電量和功率，解決大型風電并網問題。但該調控系統僅涉及到利用氫儲能平抑風 電波動，并沒用涉及風電出力大但負荷需求小的同時儲氫量已達到上限這種極端情況，也 沒有把風-氫儲能與煤化工結合起來。
【發明內容】
[0006] 為克服上述現有技術的不足，本發明提出一種分散式接入風電場的風-氫儲能耦 合系統控制方法。本發明通過對分散式接入風電場的風-氫儲能耦合系統中風力發電、氫 儲能以及煤化工三個子系統運行狀態的分析，在保證煤化工系統不間斷穩定運行的前提 下，減小并網風電對電網造成的沖擊，降低棄風率，提高風電并網效率。
[0007] 本發明風-氫儲能耦合系統控制方法所應用的風-氫儲能耦合系統包括風力發電 系統、氫儲能系統和煤化工系統。風力發電系統主要由多個分散式接入風電場組成，氫儲能 系統主要由電解水設備、儲氫罐、儲氧罐、氫氧燃料電池組成，煤化工系統由煤制甲醇生產 線組成。風力發電系統將風能轉化成電能，并依據風-氫儲能耦合系統運行需求，將風電用 于并網或用于氫儲能系統，氫儲能系統利用風電出力進行電解水制氫氣、氧氣并存儲，這一 過程將電能轉化為化學能。存儲的氫氣與氧氣首先作為煤化工系統的原料氣，在保證煤化 工系統穩定運行的前提下，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 輔助風電并網的作用。
[0008] 本發明風-氫儲能親合系統控制方法基于氫儲能系統等效SOC(stateofcharge) 狀態，以提高分散式風電消納能力為目標，煤化工系統不間斷穩定運行為約束，控制分散式 接入風電場的風-氫儲能耦合系統中風力發電、氫儲能以及煤化工系統協調運行。具體步 驟為：
[0009] 1、獲取所述風-氫儲能耦合系統的各類技術參數；
[0010] 2、依據所獲取的風-氫儲能耦合系統技術參數中的儲氫罐與儲氧罐各自等效S0C 狀態，計算氫儲能系統等效S0C狀態soceS;
[0011] 3、分析步驟2所獲取和計算得到的數據，對與上級電網調度計劃P]h時間尺度匹 配的風電場實際出力pwlJi行分配，并將分配數據和本地氫儲能系統運行狀態反饋給本地 風-氫儲能耦合系統集群控制中心，本地風-氫儲能耦合系統集群控制中心基于"同調等 值"原則，統一對各本地風-氫儲能耦合系統下達針對性指令。
[0012] 進一步的，步驟1中，所述參數及其獲取方法包括：
[0013] 本地風-氫儲能耦合系統接收到的，由本地風-氫儲能耦合系統集群控制中心下 發的，風-氫儲能耦合系統中上級電網調度計劃P]h;采用風電最大功率跟蹤（MPPT)方法實 測得到的與上級電網調度計劃P]h時間尺度匹配的風電場實際出力Pwind;實時監控或經過 預測得到的與上級電網調度計劃P]h時間尺度匹配的本地負荷Plciad;實時監控得到的儲氫 罐等效S0C狀態S0CeH與儲氧罐等效S0C狀態SOCe。。
[0014] 用等效S0C狀態表征儲氣罐內剩余氣體，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pvra與其完全充滿氣體時壓強p的比值，常用百分數表示，即等效 soc=pwypMPxi〇〇%。鑒于本發明涉及的風-氫儲能耦合系統中，氫、氧儲氣罐為同一型 號，即PftepZP(kap=p?：aP。因此氫儲能系統中儲氫罐與儲氧罐等效S0C狀態分別為：
[0015] S0CeH=pHre/pHc即X100% =pHre/pecapX100%
[0016] SOCe0=p0re/p0capX100% =p0re/pecapx100%
[0017] 其中，pfcaps儲氫罐內完全充滿氫氣時的壓強，p。_為儲氧罐內完全充滿氧氣時的 壓強，P_p為氣罐額定壓強，S0CeH為儲氫罐等效S0C狀態，S0C&為儲氧罐等效S0C狀態。
[0018] 進一步的，所述步驟2中，氫儲能系統等效S0C狀態S0(；s*下式計算得到：
[0019] S0CeS =[K: (pcapXS0CeH) +K2 (pcapXSOCe0) +C]X100 %
[0020] 其中，KpK2為系數，且0? 25 <K丨/^ 1 ;C為常數項，且-0? 5 <C彡0? 5 ;
[0021] 用soceS__和soc<_分別表征氫儲能系統等效soc狀態的上限和下限，soceSp為 氫儲能系統壓強狀態的理想狀態。soc#的值設置過高會導致某一個或兩個儲氣罐等效S0C 狀態超出上限，soc#的值設置過低會導致氫儲能系統不能滿足煤化工系統正常運行需求， 這兩種情況都不能保證風-氫儲能耦合系統穩定運行，因此氫儲能系統壓強狀態的理想狀 態soceSp選取值如下：
[0022]
〇
[0023] 進一步的，所述步驟3包括，依據步驟1和步驟2得到的數據，所述風-氫儲能耦 合系統控制方法對與上級電網調度計劃P]h時間尺度匹配的風電場實際出力pwlJi行分配 的方法如以下三類，每類各3種：
[0024] 第I類，當S0CeS〈S0CeS__時，氫儲能系統等效S0C狀態超出下限S0CeS__，氫氧燃料 電池停止工作Sf。:off，氫儲能系統等效充電，此時電解水制氫氣和制氧氣，使氫儲氣罐和氧 儲氣罐內壓強增大；此時，優先考慮保所述煤化工系統的穩定性，同時保證氫儲能系統等效 S0C值回到正常區間：S0CeS__彡S0CeS<S0CeS__，與上級電網調度計劃Pjh時間尺度匹配的 風電場實際出力分配優先級為，電解水制氫儲能〉與上級電網調度計劃時間尺度匹