基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究-黄大为.pdf

《基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究-黄大为.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究-黄大为.pdf（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第37卷第12期2016妊12fl太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAV0137No12Dec，2016文章编号：02540096(2016)123155帽基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究黄大为，齐德卿，蔡国伟(东北电力大学电气工程学院，吉林132012)摘要：在Matlab环境下构建含有电解槽制氢系统的风电场仿真模型，该仿真模型计及制氢系统的运行特性和超级电容器储能特性。在此基础上，提出一种利用制氢系统平抑风电场输出功率波动的方法。运用低通滤波方法得到待平抑的风电功率，建立以电解槽开关操作和运行状态为变量的01整数规划模型，以实现电解槽平抑风电功率波动的优

2、化控制。根据电解槽系统的运行特点，适当调整优先级约束条件，采用隐枚举法进行求解。以10 MW风电场为例，通过仿真分析验证所提方法的有效性。关键词：风电场；制氢系统；制氢效率；平抑功率；O-l规划中图分类号：TM614 文献标识码：A0 5I 旨随着电网中风电比例的不断增加，风电功率的不确定性波动对电网安全稳定运行的不利影响也日益加大。如何减轻风电输出功率波动对电网运行所造成的不利影响成为风电并网亟待解决的重要问题。利用储能系统可实现能量的存储和释放。在风电场中匹配一定容量的储能系统来平抑风电输出的波动性已成为广泛研究的热点陋。氢是一种较理想的二次能源，利用风电通过电解水制氢的方式将部分电能转化

3、为氢能，一方面可实现风电功率波动的平抑和能源的长期存储，另一方面可将清洁、高效的氢燃料融人已有的燃气供应网络实现能源互联或者通过燃料电池的形式实现直接高效利用。风电制氢的国内外示范项目也相继建立，例如在我国江苏盐城的“中国一加拿大政府国际科技合作项目”、德国的公共事业EOn计划等。通过风电制氢平抑风电输出功率已受到国内外诸多学者的关注3“。文献5，6在分析了电解制氢的原理后给出电解槽的数学模型。文献7提出了一种风光氢联合式独立发电系统结构，并在Matlab环境下建立系统仿真模型，对所建系统的动态响应进行了仿真分析。文献8则提出了一种通过优化制氢系统开关操作来平抑风电功率波动的方法，其本质是跟踪

4、风电功率波动速率的BangBang控制。电解槽制氢作为一种特殊形式的储能方式，其平抑效果无法达到平滑性要求，利用超级电容器与制氢系统互相补充，可实现平滑平抑风电功率波动。文献9分析了超级电容器的工作原理和建模方法，并验证其经典等效模型的适用性。文献10提出了超级电容器动态电压均衡方法，并验证其动态和稳态均压性能。文献11，12给出ACDC双向变流器电路模型，进行了模型有效性的仿真验证。本文针对平抑风电功率波动的技术问题，通过在Matlab环境下建立风电场耦合制氢系统的仿真模型，提出利用制氢制氧系统(highpurity hydrogenand oxygen generator system，H

5、HOG)配合超级电容器(super capacitor，sc)平抑风电功率波动的方法。该方法充分考虑了电解槽开关动作频率和开关激活时间等约束。仿真分析表明，该方法可在保证平衡电解槽开关动作的基础上实现平抑风电功率波动。收稿日期：2015-0909基金项目：国家高技术研究发展(863)计戈|J(SS2014AA052502)；长江学者和创新团队发展计划(IRTIll4)；国家自然科学基金(51177010；51377017)；吉林省科技发展计划(20130102026JC；20140203003SF)通信作者：黄大为(1976一)，男，博士、副教授，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。hdw7

6、6163com万方数据当L蔓L 塑1系统描述。一构造一个简单风氢耦合系统模型，其系统结构垫甲!所示。风电场一般由多台风力机组成，莓善璺毒誊皇机的实际输出功率不同，考虑到运藉鬲基雾性与控制的简便，在功率汇集点G处安装二二；二蕃量较大的制氢系统，从而构成风氢耦合发电系磊。“ o69 kV11 kV ；上祭 。量。：2撑风力船弋 妄一1、义广_参一_=毯域薰 n n广_L 丫薹拯鞠瞩簿图1风场耦合制氢系统结构图Figl Structure。f wind field coupling hy出ogenproduction system。考虑风场建设性价比及目前的风力机技术成熟性，风电场采用双馈感应风机(

7、d。ubly：之：?mio?generator，DFIG)，本文借鉴文献8和文氅13中的建模仿真方法，建立DFIG和HHOG鬲季竺篓型。考虑到超级电容器实际运行中电压萎竺苎围和各单体之间的均压问题，通过外接变压磊掣誓过警实际上是电解NaOH碱性溶液制氢。化学总反应为： 一忙洲：线性分乜)图2电解槽特性曲线Fig2 Eleetrolyzercb锄ct鲥stic cu玳超过线性，。，亨誊际运行中，为了高效率制氢，要分析电解鍪率亨电解电流的特性关系。电解槽总的葫主聂率田为： 一。舰，轳疏(3)苎中，砜制得氢气折算到电能的理论消耗值；at(r)温度r下电解水所需的电磊i巩电解系统的电解效率。图3电解槽

8、等效电路Fig，3 Cell equivalent circui2平抑风电输出功率的方法21风电输出功率参考值的确定。望实现平抑风电输出功率，使风电场为电网输送较平稳的电能，首先要确定计划输送到电网葛荔万方数据12期 黄大为等：基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究 3157率，再利用HHOG系统来消纳风电输出功率波动部分。设P为t时刻风电输出功率的预测值，r为考察时间内的时段总数，则该期间的风电输出功率可用P=fPJ，P：，P，IT表示(P可由MPPT算法预测的风力机输出)。P。可看作由两部分构成，即P。=P越。+P。 (4)式中，P试。f时刻风电输出功率平滑部分的值；P。，时刻风电输出功率

9、波动部分的值。上述两个分量可理解为风电功率的低频分量和高频分量，可采取低通滤波方法将P蛳从P。中分离出来随1。低通滤波器的设计具体可参照文献8，此处不再赘述。设P为经低频滤波处理得到的低频信号，其对功率信号的偏移程度由P。与P矾的标准偏差P“表示，表达式为：Ps,t 2、jEO,以叩t卢、(5)式中，p，t时刻前的采样序列集合。t时刻风电场平滑功率参考值可表示为：P巾=P一P6，。 (6)用低通滤波方法得到的某风场输出功率的参考平滑曲线如图4所示。风电功率P与平滑功率P。，的差值即为HHOG待消耗的功率。叁莩至萎嘉笋图4某风场的平滑输出功率Fig4 Smoothing power output

10、 of the wind farm22超级电容器对输出功率的影响超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高等优点而被广泛应用于众多领域。由图4可见，在某些时刻可能出现P。和P越。的差值即P。为负值的情况，这种情况下HHOG将不能起到平抑功率的作用。此时，超级电容器通过释放此前存储的P。为正而没有被HHOG完全消纳掉的功率，对风电机组输出功率进行补偿，一定程度上弥补风电并网输出的参考功率值缺额。文献9中介绍了超级电容器的基本工作原理。考虑到超级电容器单体电压低(一般在13 V)，为了满足系统的电压、容量的要求，达到更好的平抑效果，采用多只超级电容器串并联构成超级电容器组。设超级电容器组为

11、mxl7,阵列，假设在整个充放电过程中，超级电容器的端电压从K变为坎其释放总能量E可表示为：E=nmC，I(mK)2一(mV2)2l (7)式中，G单体电容；m、超级电容器串、并联的数量。本文采用超级电容器的经典等效模型91进一步等效为等效电阻R。和等效电容C。的串联电路模型，通过ACDC双向变换器与外部电路相连。借鉴文献11中给出的ACDC变换器主电路拓扑结构模型，建立超级电容器电路模型如图5所示。睦缄t乜齐器图5超级电容器等效电路模型Fig5 Super capacitor equivalent circuit model3 电解槽开关动作的优化分配31数学模型311 目标函数为了使实际输

12、出逼近计算的参考值，设目标函数为：miny=IleoPd|f (8)式中，Pc、Pd考察时段内的波动功率列向量和HHOG消纳功率列向量；I范数。t时段消纳功率可表示为：PdI_墨P帆 (9)式中，电解槽个数；P。单个电解槽的额定功率；“。开关变量(。=0或1)表示第i个万方数据太 阳 能 学 报 37卷电解槽t时段开关状态。312约束条件电解槽的开关状态由斩波电路控制信号决定，即：艇暑嚣(10，式中，Ot。第i个开关t时段的激活信号，0表示不动作，1表示发出激活信号；阮第i个开关t时段的关闭信号，0表示不动作，1表示发出关闭信号。电解槽当前时刻状态u。与Ol。和凡应满足下列约束：u。=H。一l

13、+Or。一卢。 (11)实际运行中考虑设备的使用寿命，电解槽的开关操作不能频繁连续出现，需对电解槽的激活与关闭设置一定的延迟时间孔，则存在如下约束关系：辟1魄t+T茹o t1Li4-0 ，l(一剐+一川+ ”考虑到开关的磨损情况与电解槽的使用寿命应尽可能一致，要求各电解槽开断频率和运行时间应尽量一致。为此加入约束条件：聪；茎霎： ，10s：S一 、一。式中，s、s。时刻电解槽系统开关动作频率的方差与激活时间的方差；s、S一电解槽系统开关动作频率与激活时间的上限值。设，。为t时刻第i个电解槽的开关动作频率，若电解槽系统累计运行时段数为正，则工。表达式为：，tl_古。+剐 (14)设r。为t时刻第

14、i个电解槽在电解槽系统运行累计时间兀后的激活时间，其具体表达为：sl=专厂用2 (16)s：-古hr吖 (17)32求解方法由上述模型可知，该模型为01整数规划模型。本文采用隐枚举法对该问题进行求解。隐枚举法实质上是一种按问题规律搜索的算法，初始值选择与约束条件优先级的确定对问题的求解速度有十分显著的影响。对于本文所建模型，根据约束条件式(11)和式(12)较易确定初始值，但约束条件中的式(13)需要考虑累计运行时间的计算结果，其对问题的求解效率影响最大。为此，可先根据给定的待消纳风功率曲线确定各时段激活电解槽总数，然后再根据式(11)和式(12)确定初始值。搜索过程中考虑HHOG系统的实际运

15、行情况对约束条件进行适当简化，给出以下两类优先考虑的简化条件：1)可动作开关的选择在搜索过程中，若开关的动作状态同时出现开通和关闭时，那么实际成对出现开与关动作相互抵消，对总体的HHOG功率改变为零，所以开或关只能执行一种。对可动作开关的选择表示为：髓拖器跏。f。(18，la。(1一“。一1)+凡M。一l=1 72)对开关操作的简化运行过程中，利用约束条件来平衡各个电解槽激活时间，可能会在最后输出波动中产生谐波，为了更快速地使目标函数达到最小，可增加一些操作要求来简化约束条件。首先，激活一个电解槽时，激活处于关断时间最长的电解槽。同理，如果需要关断一个电解槽，先关断工作间最长的电解槽。如此能使

16、电解槽运行时间相对平均。在可动作的开关中，按照已工作(或休息)时间对开关筛选并控制。-。=M。 (15) 4仿真验证，=I设t时刻电解槽系统个电解槽的开关动作频率均值和激活时间均值分别为Z”和r?”，则Is：和s：可分别表示为：本文以总装机容量为10 MW的风电场为例进行仿真分析，HHOG系统采用6台电解槽并联运行，容量为6x06 MW，风力机各项参数、每个电解万方数据12期 黄大为等：基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究槽参数以及超级电容器组参数如表1所示。表1系统参数Table 1 System parameters采用本文所提方法，利用制氢系统平抑风功率输出。分别计算分析以下3种情况：

17、1)利用制氢系统单独平抑风功率；2)根据制氢平抑后功率波动情况，配置容量为3 MJ超级电容器；3)根据制氢平抑后功率波动情况，配置容量为7 MJ超级电容器。通过仿真验证分别分析并比较这3种方案的平抑效果的差异。取研究时长r为600 s，设定低通滤波器的时间常数为50 s，截止频率为0003 Hz；计算时取S=01，S。=10，每个电解槽激活状态由P，决定，电解槽连续动作延迟时间瓦为5 s。风场输出功率P(由MPPT追踪得到)经过低通滤波器处理后的计划输送到电网侧功率P耐和HHOG需要消纳的功率P。如图6a所示。HHOG各电解槽的运行情况如图6b。3种情况下，风电场对网侧输出功率分别记为P。，、

18、P。：、和P。，；E。和E：分别表示情况2和情况3中平抑功率波动部分时超级电容器中的储能。图6a表示风电输出功率、计划供给电网侧功率与风电波动功率间的关系；图6b显示了6个电解槽消耗功率情况；图7为3种情况下风电场对网侧输送功率与计划功率的比较情况；图8则给出了配置不同容量的超级电容器时的储能情况比较。由图6b看出经过控制策略优化后的电解槽开关次数和工作时间较为均衡。由图7和图8可以看出，情况1)中单纯利用制氢不能实现平滑平抑功率波动，且平抑效果不理想；情况2)中通过制氢与超级电容器相互配合可实现平滑平抑功率波动，由于计及制氢平抑后功率波动绝大多数分布在03 MW以内，配置容量为3 MJ的超级

19、电容器即可平抑03 MW以内的功率波动，极少部分功率不能被超级电容器平抑导致P。：出现峰值；情况3)中在制氢平抑后的基础上配置容量为7 MJ的超级电容器可实现较好的平抑效果。a风场输出P、计划供给电网侧P。与波动功率Pc=：il I l皿_I _专蒜旧 _ II-0拊-_-I_-0黼-I_0槲_I_I-o槲_1_0 100 200 300 400 500 600时ff JbHHOG中电解槽消纳功率PH，P。图6 P、P。和Pc及电解槽运行情况Fig6 Output power ofwind generators P，the甜d power thatplanning to supply Pd，t

20、he fluctuations in power Pc and theoperation of electrolyzers PHl-PH6万方数据3160 太 阳 能 学 报 37卷图7实际对网侧输送功率Fig7 The actual power delivered on the grid图8超级电容器中储存的能量Fig8 The energy stored in supereapacitors可见，单从平抑效果来看，情况3)能更有效的平抑风电功率波动，其中并未涉及储能配置的经济性因素。实际工程应用中，应计及储能容量的经济性。为了量化分析风电场输出功率平抑效果，采用风电功率变化不稳定度指标来评

21、价平抑前后风电场输出功率的变化程度n。风电功率变化不稳定度6表示为：占=而1白a-lll警l (19)式中，P；风电功率相应时段的采样值；P。装机容量；rt采样点数量。平抑前后的风电输出功率变化不稳定度见表2。由表2可知，风电输出功率变化不稳定度由平抑前的00881最多降至00019。可见，利用HHOG和SC配合平抑风电输出功率，减少网侧的输出功率波动，有较好的效果。表2平抑前后的风电输出功率变化程度Table 2 Change before and after stabilizing the outputpower of wind generator考察阶段 6平抑前情况1)平抑后情况2)平

22、抑后情况3)平抑后008810014800026000195结论利用风氢耦合发电系统可实现风能的存储和高效利用。本文在Matlab环境下建立了含有电解槽制氢系统和超级电容器组的风电场仿真模型，提出了一种利用电解槽制氢系统配合超级电容器平抑风电功率的方法；通过优化控制电解槽开关动作来消纳风电场输出功率中的高频波动部分。基于01整数规划的控制策略可在保证电解槽开关动作频率和激活延时的条件下实现对风电场输出功率高频波动部分的消纳。通过10 MW风电场的仿真结果表明，采用本文方法对平抑风电场输出功率具有较好的效果。本文仅从风电平抑技术角度出发，对利用制氢系统和超级电容器平抑风电功率波动的方法进行研究，

23、并未计及制氢系统和超级电容器的容量优化配置问题。相对于蓄电池储能，风氢耦合系统的容量匹配问题较为复杂，需要考虑氢储、氢销等诸多技术经济性因素，这也是以后研究的重点内容。参考文献1He Xiaobin，Wu GuDevelopment of a non-两d-connected wind power largescale hydrogen productionexperimental systemAWorld NonGrid-ConnectedWind Power and Energy ConferenceCJ，Naming，China，2009142 汪海蛟，江全元应用于平抑风电功率波动的储能

24、系统控制与配置综述J电力系统自动化，2014，38(19)：126-1352 Wang Hijiao，Jiang QanyuanAn overview of controland configuration of energy storage system used for windpower fluctuation mitigationJAutomation of ElectricPower Systems，2014，38(19)：126_一1353 蔡国伟，孔令国，薛宇，等风氢耦合发电技术研万方数据12期 黄大为等：基于制氢系统的平抑风电输出功率方法研究 3161345667789究综述J

25、电力系统自动化，2014，38(21)：127一131Cai Guowei，Kong Lingguo，Xue Yu，et a1Overview ofresearch on wind power coupled with hydrogenproduction technology【JAutomation of Electric PowerSystems，2014，38(21)：127131He Aishan，Yan Zhuoyong，Gu WeidongResearch onnon-gridconnected wind power systems used for hydrogenproduct

26、ion from water-electrolytic【A jWorld NonGrid-Connected Wind Power and Energy ConferencelCj，Nanjing，China，2009，15Zhang Houcheng，Lin Guoxing， Chen JincanEvaluation and calculation on the efficiency of a waterelectrolysis system for hydrogen productionJInternational Journal of Hydrogen Energy，2009，35(2

27、0)：10851-10858刘明义，于波，徐景明固体氧化物电解水制氢系统效率CJ清华大学学报(自然科学版)，2009，49(6)：868871Liu Mingyi，Yu Bo，Xu JingmingEfficiency of solidoxide water electrolysis system for hydrogen productionJJournal of Tsinghua University(Science andTechnology)，2009，49(6)：868871卢继平，白树华风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真CJ电网技术，2007，31(22)：7579，84Lu J

28、iping，Bai ShuhuaModeling and simulation ofconjoint independent power generation system consistingof power generation by wind energy，solar energy andhydrogen energy lJ JPower System Technology，2007，31(22)：75_79，84Takahashi R，Kinoshita，H，Murata T，et a1Outputpower smoothing and hydrogen production by u

29、singvariable speed wind generators lJ JIEEE Transactionson Industrial Electronics，2010，57(2)：485-493赵洋，梁海泉，张逸成电化学超级电容器建模研究现状与发展J电工技术学报，2012，27(3)：19(卜一193Zhao Yang，Liang Haiquan，Zhang YichengReviewand expectation of modeling research on electrochemicalsupercapacitorJTransactions of China Electroteeh

30、nicalSociety。2012，27(3)：19伊一193许爱国，谢少军，刘小宝串联电容器动态电压均衡技术研究J中国电机工程学报，2010，30(12)：11l一116Xu Aiguo，Xie Shaojun，Liu XiaobaoDynamic voltageequalization technique for series connected ultra-capacitorsJProceedings of the CSEE，2010，30(12)：111一116张加胜，李浩光双向ACDC变换器的单相控制系统与建模J电工电能新技术，2008，27(1)：6771Zhang Jiashen

31、g，Li HaoguangSingle phase systemcontrol and modeling of bidirectional ACDC convertersJ_Advanced Technology of Electrical Engineering andEnergy，2008，27(1)：6771张梨，吴田进，冯兰兰，等模块化双向ACDC变换器并联系统无缝切换控制J中国电机工程学报，201232(6)：90一96Zhang Li，Wu Tianjin，Feng Lanl锄，et a1Seamlessswitching control for modular bidirecti

32、onal ACDCconverter parallel systemsJProceedings of the CSEE，2012，32(6)：96晁储琰双馈感应风力发电机组运行控制的物理模拟仿真D吉林：东北电力大学，2010Chao ChuyanPhysical simulation on the control of thedoubly fed induction generatorDJilin：NortheastDianli University，2010曲直，于继来风电功率变化的一致性和互补性量化评估J电网技术，2013，37(2)：507513Qu Zhi，Yu JilaiQuanti

33、tative evaluation on consistencyand complementarity of wind power variabilitylJ JPower System Technology，2013，37(2)：507513，叫们=Ir=I纠纠列纠钔引bnnnI=lnnnnnn万方数据3162 太 阳 能 学 报 37卷RESEARCH OF oUTPUT PO、R SMOOTHING METHOD oFWIND RRM WITH I肿ROGEN PRODUCING SYSTEMHuang Dawei，Qi Deqing，Cai GuoweiofElectrical Eng

34、ineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)Abstract：The simulation model of wind farm with hydrogen producing system was established in Matlab circumstance，which considered the operational characteristics of the hydrogen producing system and energy storage characteristics ofsuper capaci

35、torBased on this，a method to stabilize the fluctuation of output power of wind farm was proposed by usinghydrogen producing systemThe low-pass filtering method was used to obtain stabilizing output power of wind turbine，the 01 integer programming model with the operation and running state of the swi

36、tch of electrolytic cell as the variablewas established to optimize the fluctuation control of the wind power with electrolytic cellThe implicit enumerationmethod was used to get the solution based on the operating characteristics of electrolytic cell system and adjustingprecedence constraints appropriatelyTaking 1 0 MW wind farm as an example，the validity of the proposed method wasverified by simulation analysisKeywords：wind farm；hydrogen producing system；hydrogen producing efficiency；power smoothing；0-1 programming万方数据