一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法及系统，属于新能源领域中的协同控制技术。


背景技术：

2.在碳中和的蓝图下，需要清洁的可再生能源来缓解环境退化和传统化石燃料能源的枯竭危机。风力发电以其绿色、清洁、天然可再生、技术成熟等特点，在世界范围内得到了广泛的开发和利用。但风力发电具有随机性、间歇性、波动性等缺点，严重影响了风电入网。为了解决这一问题，一种可能的方法是利用储能技术来储存和最大化利用多余的风能资源。氢气因其清洁、轻量化、多用途等特性，逐渐成为风电大规模综合利用和储能的极具竞争力的储能载体。
3.目前主要的制氢方法有煤制氢、电解水制氢、甲醇裂解制氢和天然气制氢。其中，利用剩余风电电解水制氢是一项绿色成熟的技术。迄今为止，风-氢耦合发电系统受到了众多专家学者的关注。目前的研究主要围绕并网条件下风能制氢系统的功率平衡与协调支持展开。然而，风的高随机性严重影响了风电的质量，使得风对电网的贡献率很难超过10％。此外，风力发电机组在并网时，需要满足电网的频率、电压和相位稳定性的要求，这增加了风力发电的复杂性和制造成本。为了解决这一问题，可以采用风力发电直接制氢的方法，即风力发电不会并入电网，这样就可以从根源上避免风电并网的诸多问题。这种供应方式的优势体现在以下几个方面。1)避免了风电并网时电压差、相位差、频率差等难以控制的问题，绕过了制约风电大规模应用的瓶颈；2)突破了终端电解槽使用风电的限制，提高风电供电比；3)提高风能利用效率，简化风电并网所需的大量辅助设备，大大降低风电场的制造成本。因此，直接制氢为全球风力发电的快速发展提出了一条新的道路。
4.由于碱性电解槽本身的材料和容量的限制，它所能承受的终端电压和功率不能太大。因此，风氢协同是必不可少的。否则，当风力机输出功率过大时，风力机和电解槽的功率就会不匹配，直流母线的电压就容易上升，碱性电解槽就会因过电压而损坏。一种常见的解决方案是使用超级电容器、电池、超导磁储能等储能来消除风电的波动。然而，这些设备价格昂贵，控制过程复杂。与其他存储介质相比，氢气具有能量密度高、清洁、成本低、不耗散等优点。因此，设想只用电解槽电解产生氢气来储存能量，即刮风时，产生多少电，就产生多少氢。如果没有风或者风速低，电解槽不工作也没关系，该设施的成本远低于其他解决方案。更重要的是，随着近年来氢能的发展，产生的氢气可以直接供应给氢能汽车、燃料电池等许多用氢设备。因此，氢储能的前景是光明的。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法及系统，以在碱性电解槽正常合理的工作范围内实现最大产氢目标。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法，所述分布式风电直接制氢的装置包括依次连接的风力发电机组、机侧ac/dc转换器、电容、dc/dc转换器和制氢设备，所述协同控制方法包括：
8.实时获取电容两侧的直流母线电压vb；
9.依据获取的直流母线电压vb设置风力发电机组的功率参考值p
ref
和制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值
[0010][0011][0012]
式中，p
max
为风力发电机组的最大输出功率，为高压区阈值，为直流母线最大值允许电压，r
wp
为限电压调节系数；为直流母线最小允许电压，为制氢设备中每个电解槽允许的最大端电压，rv为上升系数；
[0013]
根据设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
采用自适应功率控制器进行风力发电机组的功率跟踪控制；根据设置的制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值采用电压控制器进行电解槽的终端电压跟踪控制。
[0014]
本发明的风-氢协同控制方法，基于直流母线电压信号，考虑电解槽端电压的极限条件，采用自适应电压控制策略，最大限度地增加其电解电压。同时，针对风力发电机组设计了自适应功率控制方法，当直流母线电压过高时(或)，风力发电机组将脱离最大功率点跟踪(mppt)模式，根据直流母线电压对风力机下的输出功率进行无缝调节。如果直流母线电压降低风力发电机组将无缝地返回到mppt模式p
ref
＝p
max
。以直流母线电压信号作为信息载体，通过这两种策略实现风-氢协同控制，可以使直流母线电压维持在正常区间，使风力发电机组产生的功率与碱性电解槽消耗的功率相匹配，同时在碱性电解槽正常合理的工作范围内实现了氢气产量最大化的目标。
[0015]
进一步地，所述设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
通过低通滤波器馈送到自适应功率控制器。
[0016]
进一步地，所述限电压调节系数表示如下：
[0017][0018]
进一步地，所述上升系数表示如下：
[0019][0020]
基于相同的原理，本发明还提供了一种用于风电直接制氢系统的协同控制系统，包括：
[0021]
数据获取单元，实时获取电容两侧的直流母线电压vb；
[0022]
参考值设置单元，用于依据获取的直流母线电压vb设置风力发电机组的功率参考值p
ref
和制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值
[0023][0024][0025]
式中，p
max
为风力发电机组的最大输出功率，为高压区阈值，为直流母线最大值允许电压，r
wp
为限电压调节系数；为直流母线最小允许电压，为制氢设备中每个电解槽允许的最大端电压，rv为上升系数；
[0026]
自适应功率控制器，用于根据设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
进行风力发电机组的功率跟踪控制；
[0027]
电压控制器，用于根据设置的制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值进行电解槽的终端电压跟踪控制。
[0028]
进一步地，还包括低通滤波器，用于将设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
馈送到自适应功率控制器。
[0029]
本发明的优点有：
[0030]
(1)本发明采用风力发电直接制氢的方法，不同于接一个储能装置将能量存储在大型电池组中或将多余的风能送入电网等解决方案，提高了风能利用率的同时从根源上避免了风电并网的诸多问题；
[0031]
(2)本发明考虑了电解槽端电压的极限条件，可以使直流母线电压维持在正常区间，使风力发电机组产生的功率与碱性电解槽消耗的功率相匹配，同时在碱性电解槽正常合理的工作范围内实现了氢气产量最大化的目标。
附图说明
[0032]
图1为永磁同步风力发电机直接连接到碱性电解槽的拓扑图；
[0033]
图2为pmsg风力发电机的控制策略图；
[0034]
图3为碱性电解槽的控制策略图；
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0036]
本发明提供了一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法，分布式风电直接制氢的装置包括依次连接的风力发电机组、机侧ac/dc转换器、电容、dc/dc转换器和制氢设备，图1所示为永磁同步风力发电机直接连接到碱性电解槽的基本拓扑结构，包括pmsg风力发电机、机侧ac/dc转换器、降压dc/dc转换器和碱性电解槽。pmsg风机发电机的机械角速度为ωm,电角速度为ωe,电角度为θe，电机极对数为pn其中ωe＝pnωm，ac/dc转换器和dc/dc转换器通过一个电容连接，其电容值和电压分别为cw和vb。dc/dc变换器的输出还通过lc滤波器进行滤波，对应的电感和电容分别为l和c，其感应电流和电容电压分别为i1和v
cell
。pmsg风力发电机输出功率为pw，碱性电解槽消耗功率为po。
[0037]
根据气动原理，pmsg风力发电机叶片所经过的气流功率可表示为：
[0038][0039]
其中ρ为空气密度(kg/m3)，r为pmsg风力发电机叶片的半径，vw为风速(m/s)，pw代表pmsg风力发电机在理想条件下所能捕捉到的最大动能，实际上，叶片所获得的机械能并没有那么多。实际获得的机械功率与叶片的气流功率之比称为风能利用系数c
p
(λ,β)。因此，实际机械功率为：
[0040][0041]
其中λ为叶尖速比，β为叶片桨距角(单位为度)。相关表达式如下:
[0042][0043][0044][0045]
式中，c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8为经验参数，需要注意的是，上述关系是真实风能利用系数曲线的函数拟合，拟合方法和表达式不限于此。
[0046]
在静止参照系中，pmsg风力发电机是一个变量多、耦合复杂的模型，很难控制，因此通常采用旋转参照系。机侧ac/dc转换器采用转子磁场方向矢量控制，将d轴定位于转子永磁体磁通方向，pmsg风力发电机在dq旋转参考系中的等效方程可表示为:
[0047]
定子电压方程为:
[0048]
[0049]
定子磁链方程为:
[0050][0051]
其中u
sd
和u
sq
分别为pmsg风力发电机的d轴和q轴的等效电压，i
sd
和i
sq
分别为pmsg风力发电机的d轴和q轴的等效电流，ψ
sd
和ψ
sq
分别为定子磁链的dq轴分量，l
sd
和l
sq
分别为d轴和q轴的定子电感分量，rs为定子电阻，ψf为转子磁链。
[0052]
由上两式可获得：
[0053][0054]
电磁转矩方程为:
[0055][0056]
pmsg风力发电机的输出转矩为：
[0057][0058]
pmsg风力发电机的转子运动方程为:
[0059][0060]
式中j为pmsg风力发电机转子的转动惯量。
[0061]
碱性电解槽由于其成熟的技术和经济优势，在工业生产中得到了广泛应用。
[0062]
本发明方法基于直流母线电压信号，考虑电解槽端电压的极限条件，采用自适应电压控制策略跟踪控制电解槽的终端电压。同时，针对风力发电机组设计了自适应功率控制方法，当直流母线电压过高时，风力机将脱离最大功率点跟踪(mppt)模式，根据直流母线电压对风力机下的输出功率进行无缝调节。图2为pmsg风力发电机的控制策略。转换器采用磁场定向矢量控制方法，即将d轴电流设定为零。pmsg的输出电流为i
s(a,b,c)
，pm和p
tef
为pmsg风力发电机的实际机械功率及其参考值，ω
*
为机械角速度参考值，和为i
s(a,b,c)
的d轴和q轴参考值，电角度θe用于dq park变换。
[0063]
本发明提出的风力机自适应功率控制策略由两个回路组成。
[0064]
内环主要是实现输出功率的精确跟踪，如图2所示，包括扰动观察法功率控制环、转速控制环以及电流控制环。电流控制环部分实现了定子d轴和q轴电流的闭环控制。转速控制环主要包括一个pi调速控制器，通过pi调速控制器，机械角速度ωm可以准确地跟随其参考值ω
*
。由于机械角速度ωm与pmsg风力发电机输出功率pm之间存在着固有的对应关系，则可以使用该控制框架生成指定的输出功率。本发明采用扰动观察法实现风力机输出的恒功率控制，即根据pmsg风力发电机输出的实际机械功率pm的扰动δpm、δωm与机械角速度ωm之间的正负关系，可以改变机械角速度ω
*
。具体地，即在一个周期内，对机械角速度以预
先设置的扰动步长和频率进行扰动，通过计算得到扰动后的功率值同上次扰动后的输出功率值作对比来判断下一次扰动方向，最终获得与所期望的功率相对应的机械角速度。
[0065]
外环主要由本发明提出的自适应功率控制器组成，通过控制机械角速度ωm来控制pmsg风力发电机功率。控制目标设计如下：当直流母线电压处于低压区域时，pmsg风力发电机应以mppt模式运行，以提供最大功率输出，提高风能的利用率。而在高压区域，pmsg风力发电机应根据母线电压值限制输出功率。另一个期望的控制目标是能够在mppt模式和功率限制模式之间顺利切换，以减少切换过程对系统稳定性的影响。
[0066]
pmsg风力发电机的详细的自适应功率控制方法如下：
[0067][0068]
其中，p
ref
是pmsg风力发电机的参考输出功率，可以通过低通滤波器馈送到功率控制器环路，以避免p
ref
波动过于频繁。p
max
为pmsg风力发电机的最大输出功率；vb为直流母线电压值，为直流母线最大允许电压，根据直流母线的实际约束情况按照经验设定；为高压区阈值，设置为直流母线最大允许电压的90％，r
wp
为限电压调节系数，通过限电压调节系数可以设置合理的p
ref
，优选地，可以采用如下方式进行设置：
[0069][0070]
当pmsg风力发电机输出功率因风速增加等外部条件的变化而增加时，直流母线电压将达到高压区域，这意味着pmsg风力发电机产生的功率超过了电解槽消耗的功率。从图2可以看出，随着直流母线电压的升高，pmsg风力发电机的输出功率会受到限制。在这种情况下，当风速减小时，pmsg风力发电机将逐渐退出限功率模式，最终回到mppt模式。
[0071]
图3为碱性电解槽的控制策略，碱性电解槽通过buck dc/dc转换器连接到直流母线。电压控制方法也由两个回路组成。内环主要是实现电压的精确跟踪，包括电压控制器，通过电压传感器采集得到电解槽端电压v
ele
后，将其与外环得到的参考值做差，通过一个pi控制器，获得pwm开关信号的同时，保证了电解槽电压v
ele
精确地跟随参考值
[0072]
外环主要由本发明提出的电解槽自适应电压控制组成，目的是为内环提供一个与直流母线电压vb密切相关的合适参考电压即可以通过直流母线电压vb的值来获得参考电压控制思想是当vb处于低压区时，与vb线性相关。当xb处于高压区域时，保持在其最大允许值，以防止v
ele
进一步上升。
[0073]
具体的控制方法如下：
[0074][0075]
式中，为直流母线最小允许电压，为电解槽允许的最大端电压，rv为上升系数，其表达式为:
[0076][0077]
本发明的pmsg风力发电机的控制策略(图2)中，功率参考值p
ref
并不是恒定的，而是依照的值给定。当直流母线电压过高时，该自适应功率控制策略使pmsg风力发电机脱离mppt模式，根据直流母线电压对pmsg风力发电机下的输出功率进行无缝调节。如果直流母线电压降低，pmsg风力发电机将无缝切回mppt模式；碱性电解槽的控制策略(图3)中，基于直流母线电压信号，逐步增加电解槽端电压的参考值。同时考虑了电解槽端电压的上限，最大限度地增加了电解槽电解电压；本发明以直流母线电压信号作为信息载体，通过这两种策略可实现风机-碱性电解槽的协同控制，可以使直流母线电压维持在正常区间，使pmsg风力发电机产生的功率与碱性电解槽消耗的功率相匹配，同时在碱性电解槽正常合理的工作范围内实现了氢气产量最大化的目标。
[0078]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法，所述分布式风电直接制氢的装置包括依次连接的风力发电机组、机侧ac/dc转换器、电容、dc/dc转换器和制氢设备，其特征在于，所述协同控制方法包括：实时获取电容两侧的直流母线电压v
b
；依据获取的直流母线电压v
b
设置风力发电机组的功率参考值p
ref
和制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值解槽的终端电压参考值解槽的终端电压参考值式中，p
max
为风力发电机组的最大输出功率，为高压区阈值，为直流母线最大允许电压，r
wp
为限电压调节系数；为直流母线最小允许电压，为制氢设备中每个电解槽允许的最大端电压，r
v
为上升系数；根据设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
采用自适应功率控制器进行风力发电机组的功率跟踪控制；根据设置的制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值采用电压控制器进行电解槽的终端电压跟踪控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
通过低通滤波器馈送到自适应功率控制器。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述限电压调节系数表示如下：4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上升系数表示如下：5.一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制系统，其特征在于，包括：数据获取单元，实时获取电容两侧的直流母线电压v
b
；参考值设置单元，用于依据获取的直流母线电压v
b
设置风力发电机组的功率参考值p
ref
和制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值和制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值
式中，p
max
为风力发电机组的最大输出功率，为高压区阈值，为直流母线最大值允许电压，r
wp
为限电压调节系数；为直流母线最小允许电压，为制氢设备中每个电解槽允许的最大端电压，r
v
为上升系数；自适应功率控制器，用于根据设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
进行风力发电机组的功率跟踪控制；电压控制器，用于根据设置的制氢设备中每个电解槽的终端电压参考值进行电解槽的终端电压跟踪控制。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括低通滤波器，用于将设置的风力发电机组的功率参考值p
ref
馈送到自适应功率控制器。

技术总结
本发明涉及一种用于交直流混合配网的分布式风电直接制氢协同控制方法及系统，基于直流母线电压信号，考虑电解槽端电压的极限条件，采用自适应电压控制策略，最大限度地增加其电解电压。同时针对风力机设计了自适应功率控制方法，当直流母线电压过高时，风力机将脱离最大功率点跟踪模式，根据直流母线电压对风力机下的输出功率进行无缝调节。如果直流母线电压降低，风力机将无缝地返回到MPPT模式。以直流母线电压信号作为信息载体，通过这两种策略实现风-氢协同控制，可以使直流母线电压维持在正常区间，在一定的功率范围内使风力发电机产生的功率与碱性电解槽消耗的功率相匹配，同时在碱性电解槽正常合理的工作范围内实现了氢气产量最大化的目标。了氢气产量最大化的目标。了氢气产量最大化的目标。


技术研发人员：朱重希 徐宏 顾雷春 花志伟 李鑫 何杭航 夏杨红
受保护的技术使用者：桐乡市电力工程有限责任公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/20