CN113612256A - 一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，包括步骤：(1)在执行***黑启动命令前，判断此刻储能能否满足作为***黑启动电源的条件，如果满足条件则执行(2)，反之则执行(8)；(2)储能***作为黑启动电源，执行***黑启动模式；(3)风电机组和制氢电解槽辅助设备恢复供电；(4)基于优化控制算法判断下一时刻最优的设备投入顺序；(5)按照所求最优启动顺序依次启动设备；(6)制氢电解槽温度达到热备工作条件时开始制氢；(7)***黑启动完成；(8)光伏发电单元作为黑启动电源；(9)由光伏发电单元为低SOC储能***充电；(10)判断光储单元如果满足条件，则恢复风电机组和制氢电解槽辅助设备供电；执行步骤(4)。

Description

一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其是一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法。

背景技术

近年来，氢能作为一种清洁高效可持续的二次能源，得到了国家重点扶持培育以及大力发展。同时随着国家可再生能源发展规划的推进，分布式可再生能源渗透率不断提高。但由于风电和光伏发电波动性，其输出功率极不平衡，电网对可再生能源的消纳能力十分有限，造成了严重的弃风、弃光现象，通过制氢设备作为负荷能够有效实现可再生能源的消纳，有效地减少弃风、弃光，同时降低制氢成本。因此可再生能源制氢可以实现城市环境和能源转型的迫切需求，并进一步推动氢能产业的发展。

一种典型的可再生能源直流微网制氢的结构如图1所示。相比于大电网，可再生能源直流微网制氢***稳定性较弱。由于其风光波动特性，微网中储能***承担了为重要负荷持续供电和维持***稳定性的作用。不合理的负荷分配和极端天气情况将会导致储能***因电池放空而停机。此外，由于储能***容量和支撑裕度局限性，当外部电网出现故障时，往往会产生电网保护动作、全站失电的情况。专利CN 104318317 A、CN 103986186 A均基于可再生能源微网***，提出了相应的黑启动方案及优化方法，但未能考虑制氢负荷动态特性。专利CN 111668862 A提出一种储能***黑启动顺控方法，但未能结合新能源出力预测数据，实现对黑启动方案的优化，增强方案面对不同情况的适应性。

发明内容

可再生能源直流微网制氢***由于可再生能源出力波动性以及***储能容量的局限性，稳定性问题较为突出。***尤其对大电网故障和极端天气问题带来的稳定性问题较为敏感。为了解决上述技术问题，本发明提出一种可再生能源直流微网制氢***黑启动顺控优化方法，可为微网***故障下安全、可靠、快速恢复***正常工作，为重要负荷供电提供创新解决和优化方案，提升微网***安全可靠性同时提高制氢效率，进一步推动我国可再生能源和氢能产业的持续发展。

本发明的技术方案为：一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，包括以下步骤：

(1)在执行***黑启动命令前，通过读取当前t0时刻储能单元SOC_t0，判断此刻储能能否满足作为***黑启动电源的条件，如果满足条件则执行步骤(2)；反之则执行步骤(8)；

(2)储能***作为黑启动电源，执行***黑启动模式，此时储能单元工作在恒压模式，用于维持直流母线电压；

(3)风电机组和制氢电解槽辅助设备恢复供电；

(4)根据风光预测数据和优化目标函数，基于优化控制算法判断下一时刻最优的设备投入顺序；

(5)通过求解步骤(4)的优化目标函数，求得最优的设备启动顺序，按照所求最优启动顺序，依次启动设备并入微网***；

(6)判断制氢电解槽温度是否达到热备工作条件，若不满足要求则等待，直至***符合热启动条件，制氢电解槽开始接收***调度指令制氢，此时电解槽工作在恒流控制模式，风光发电单元工作在限功率模式，上层协调控制***根据功率守恒原则调节微网内各单元出力；

(7)***黑启动完成；

(8)光伏发电单元作为黑启动电源，工作在恒压模式，用于维持直流母线电压；

(9)下一刻储能***投入工作，由光伏发电单元为低SOC储能***充电；

(10)判断下一时刻t，光储单元能否满足预定供电条件，如果满足预定供电条件，则恢复***内风电机组和制氢电解槽辅助设备供电；下一步执行步骤(4)所述优化控制算法；增加约束条件：反之，则返回步骤(8)，光伏发电单元继续为储能***充电。

进一步的，所述条件为：

P_dis(t₀)≥P_sup

其中P_dis(t₀)为t0时刻储能单元最大放电功率，具体表达式为：

SOC_low为储能单元SOC的下限值SOC_t0为储能单元在t0时刻SOC，Δt为预定时间间隔；η_dis为放电效率；E_bat为储能额定容量；

为储能***允许的最大放电功率；P_sup为保障***内设备正常运行的辅助设备供电所需总功率，具体表达式为：

P_sup＝P_{sup_wind}+P_{h2_sup}

P_{sup_wind}和P_{h2_sup}分别为保障风电机组和制氢电解槽正常运行的辅助设备供电所需功率。

进一步的，所述步骤(4)具体包括：

优化目标函数将重要负荷即制氢电解槽最快恢复供电作为优化目标，具体函数表达式如下：

其中，T为优化目标函数运行的总时段数，γ为二进制变量，表示制氢电解槽在T时间段内所有启停状态集合，1表示该单元此刻处于工作状态，0表示该单元此刻处于停机状态；

此外，设置二进制变量α、β分别对应风电机组、光伏发电单元在T时间段内所有启停状态集合，1和0所代表含义与γ相同，所有设备在初始时刻均为停机状态，即：

α(0)＝β(0)＝γ(0)＝0

在每一计算时刻t，α、β和γ需满足以下的约束条件：

同时为了保证风光发电单元和制氢电解槽逐一启动接入***，防止多个设备同时并入***造成母线电压过大波动，α、β和γ还需满足以下的约束条件：

α(t)-α(t-1)+β(t)-β(t-1)+γ(t)-γ(t-1)≤1

除此以外，***运行时需满足功率平衡约束条件，即：

α(t)(P_PV(t)-P_{sup_pV})+β(t)P_wind(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-γ(t)P_{h2_hot}-P_{h2_sup}＝0

其中P_PV(t)、P_wind(t)分别为t时刻光伏、风电预测出力；P_{sup_PV}为光伏发电单元对应的DC/DC变流器工作所需功率，其直接从光伏PV组件上取电；P_{h2_hot}为电解槽达到热备条件所需功率，P_bat(t)为t时刻储能***的充放电功率，具体表达式为：

其中，

和

分别为表示储能充电、放电状态的二进制变量，满足以下约束条件：

P_ch(t)和P_dis(t)分别为t时刻储能充电和放电功率，满足以下约束条件：

其中，

为储能充电功率最大限值，

为储能放电功率最大限值。

进一步的，所述步骤(6)，上层协调控制***根据功率守恒原则调节微网内各单元出力，满足以下条件：

P_{PV_ref}(t)-P_{sup_PV}+P_{wind_ref}(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-P_{h2_ref}(t)-P_{h2_sup}＝0 (6)

其中P_{PV_ref}(t)、P_{wind_ref}(t)、P_{h2_ref}(t)分别为t时刻控制协调***下发的光伏、风机和制氢电解槽调度指令。

进一步的，所述步骤(10)，预定供电条件是指：

P_dis(t)+P_PV(t)-P_{sup_PV}≥P_sup；所述约束条件是α(0)＝1。

有益效果：

本发明提出一种适应可再生能源直流微网制氢***的黑启动优化方法，保障了微网***在故障情况下，安全、可靠、快速恢复***重要负荷即制氢电解槽供电，提高***运行稳定、可靠性和制氢效率。本发明创新之一在于考虑了制氢负荷动态特性，同时为防止制氢负荷长时间失电带来的安全隐患，基于未来风光发电预测数据，提出一种以最快恢复制氢负荷供电为优化目标的优化目标函数，决策判断最快时间内恢复制氢负荷供电的最优设备投入方案。提高黑启动方案的安全性、可靠性。同时，考虑多种初始条件和未来天气情况，提出了有针对性的黑启动设备投入运行方案，提高了微网***黑启动灵活性和可行性。

附图说明

图1为可再生能源直流微网制氢示意框图；

图2为本发明的一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，如图2所示，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在执行***黑启动命令前，通过读取当前t0时刻储能单元SOC_t0，判断此刻储能能否满足作为***黑启动电源的条件。即：

P_dis(t₀)≥P_sup

其中P_dis(t₀)为t0时刻储能单元最大放电功率，具体表达式为：

SOC_low为储能单元SOC的下限值；η_dis为放电效率；E_bat为储能额定容量；

为储能***允许的最大放电功率；P_sup为保障***内设备正常运行的辅助设备供电所需总功率，具体表达式为：

P_sup＝P_{sup_wind}+P_{h2_sup}

P_{sup_wind}和P_{h2_sup}分别为保障风电机组和制氢电解槽正常运行的辅助设备供电所需功率。

如果满足条件则执行步骤(2)；反之则执行步骤(8)。

(2)储能***作为黑启动电源，执行***黑启动模式。此时储能单元工作在恒压模式，用于维持直流母线电压。

(3)风电机组和制氢电解槽辅助设备恢复供电。

(4)根据风光预测数据和优化目标函数，判断下一时刻最优的设备投入顺序。

优化目标函数将重要负荷即制氢电解槽最快恢复供电作为优化目标，具体函数表达式如下：

其中，T为优化目标函数运行的总时段数，γ为二进制变量，表示制氢电解槽在T时间段内所有启停状态集合。1表示该单元此刻处于工作状态，0表示该单元此刻处于停机状态。

此外，设置二进制变量α、β分别对应风电机组、光伏发电单元在T时间段内所有启停状态集合，1和0所代表含义与γ相同。所有设备在初始时刻均为停机状态，即：

α(0)＝β(0)＝γ(0)＝0

在每一计算时刻t，α、β和γ需满足以下的约束条件：

同时为了保证风光发电单元和制氢电解槽逐一启动接入***，防止多个设备同时并入***造成母线电压过大波动，α、β和γ还需满足以下的约束条件：

α(t)-α(t-1)+β(t)-β(t-1)+γ(t)-γ(t-1)≤1

除此以外，***运行时需满足功率平衡约束条件，即：

α(t)(P_PV(t)-P_{sup_PV})+β(t)P_wind(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-γ(t)P_{h2_hot}-P_{h2_sup}＝0

其中P_PV(t)、P_wind(t)分别为t时刻光伏、风电预测出力；P_{sup_PV}为光伏发电单元对应的DC/DC变流器工作所需功率，可以直接从光伏PV组件上取电；P_{h2_hot}为电解槽达到热备条件所需功率，P_bat(t)为t时刻储能***的充放电功率，具体表达式为：

其中，

和

分别为表示储能充电、放电状态的二进制变量，满足以下约束条件：

P_ch(t)和P_dis(t)分别为t时刻储能充电和放电功率，满足以下约束条件：

其中，

为储能充电功率最大限值，

为储能放电功率最大限值。

(5)通过求解步骤(4)的优化目标函数，可以求得最优的设备启动顺序。按照所求最优启动顺序，依次启动设备并入微网***。

(6)判断制氢电解槽温度是否达到热备工作条件，若不满足要求则等待，直至***符合热启动条件，制氢电解槽开始接收***调度指令制氢，此时电解槽工作在恒流控制模式，风光发电单元工作在限功率模式。上层协调控制***根据功率守恒原则调节微网内各单元出力。满足以下条件：

此时：

P_{PV_ref}(t)-P_{sup_PV}+P_{wind_ref}(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-P_{h2_ref}(t)-P_{h2_sup}＝0 (6)

其中P_{PV_ref}(t)、P_{wind_ref}(t)、P_{h2_ref}(t)分别为t时刻控制协调***下发的光伏、风机和制氢电解槽调度指令。

(7)***黑启动完成。

(8)光伏发电单元作为黑启动电源，工作在恒压模式，用于维持直流母线电压。

(9)下一刻储能***投入工作，由光伏发电单元为低SOC储能***充电。

(10)判断下一时刻t，光储单元能否满足以下供电条件：

P_dis(t)+P_PV(t)-P_{sup_pV}≥P_sup

如果满足条件，则恢复***内风电机组和制氢电解槽辅助设备供电。下一步执行步骤(4)所述优化控制算法。增加约束条件：

α(0)＝1

反之，则返回步骤(8)，光伏发电单元继续为储能***充电。

综上，本发明的一种适应可再生能源直流微网制氢***的黑启动方案优化方法。保障了微网***在故障情况下，安全、可靠、快速恢复***重要负荷即制氢电解槽供电，提高***运行稳定、可靠性和制氢效率。创新之处在于考虑了制氢负荷动态特性，同时为防止制氢负荷长时间失电带来的安全隐患，基于未来风光发电预测数据，提出一种以最快恢复制氢负荷供电为优化目标的优化目标函数，决策判断最快时间内恢复制氢负荷供电的最优设备投入方案。提高黑启动方案的安全性、可靠性。同时，考虑多种初始条件和未来天气情况，提出了有针对性的黑启动设备投入运行方案，提高了微网***黑启动灵活性和可行性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在执行***黑启动命令前，通过读取当前t0时刻储能单元SOC_t0，判断此刻储能能否满足作为***黑启动电源的条件，如果满足条件则执行步骤(2)；反之则执行步骤(8)；

(2)储能***作为黑启动电源，执行***黑启动模式，此时储能单元工作在恒压模式，用于维持直流母线电压；

(3)风电机组和制氢电解槽辅助设备恢复供电；

(4)根据风光预测数据和优化目标函数，基于优化控制算法判断下一时刻最优的设备投入顺序；

(5)通过求解步骤(4)的优化目标函数，求得最优的设备启动顺序，按照所求最优启动顺序，依次启动设备并入微网***；

(6)判断制氢电解槽温度是否达到热备工作条件，若不满足要求则等待，直至***符合热启动条件，制氢电解槽开始接收***调度指令制氢，此时电解槽工作在恒流控制模式，风光发电单元工作在限功率模式，上层协调控制***根据功率守恒原则调节微网内各单元出力；

(7)***黑启动完成；

(8)光伏发电单元作为黑启动电源，工作在恒压模式，用于维持直流母线电压；

(9)下一刻储能***投入工作，由光伏发电单元为低SOC储能***充电；

(10)判断下一时刻t，光储单元能否满足预定供电条件，如果满足预定供电条件，则恢复***内风电机组和制氢电解槽辅助设备供电；下一步执行步骤(4)所述优化控制算法；增加约束条件：反之，则返回步骤(8)，光伏发电单元继续为储能***充电。

2.根据权利要求1所述的一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，其特征在于，所述条件为：

P_dis(t₀)≥P_sup

其中P_dis(t₀)为t₀时刻储能单元最大放电功率，具体表达式为：

SOC_low为储能单元SOC的下限值SOC_t0为储能单元在t0时刻SOC，Δt为预定时间间隔；η_dis为放电效率；E_bat为储能额定容量；

为储能***允许的最大放电功率；P_sup为保障***内设备正常运行的辅助设备供电所需总功率，具体表达式为：

P_sup＝P_{sup_wind}+P_{h2_sup}

P_{sup_wind}和P_{h2_sup}分别为保障风电机组和制氢电解槽正常运行的辅助设备供电所需功率。

3.根据权利要求1所述的一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

优化目标函数将重要负荷即制氢电解槽最快恢复供电作为优化目标，具体函数表达式如下：

其中，T为优化目标函数运行的总时段数，γ为二进制变量，表示制氢电解槽在T时间段内所有启停状态集合，1表示该单元此刻处于工作状态，0表示该单元此刻处于停机状态；

此外，设置二进制变量α、β分别对应风电机组、光伏发电单元在T时间段内所有启停状态集合，1和0所代表含义与γ相同，所有设备在初始时刻均为停机状态，即：

α(0)＝β(0)＝γ(0)＝0

在每一计算时刻t，β、β和γ需满足以下的约束条件：

同时为了保证风光发电单元和制氢电解槽逐一启动接入***，防止多个设备同时并入***造成母线电压过大波动，α、β和γ还需满足以下的约束条件：

α(t)-α(t-1)+β(t)-β(t-1)+γ(t)-γ(t-1)≤1

除此以外，***运行时需满足功率平衡约束条件，即：

α(t)(P_PV(t)-P_{sup_PV})+β(t)P_wind(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-γ(t)P_{h2_hot}-P_{h2_sup}＝0

其中P_PV(t)、P_wind(t)分别为t时刻光伏、风电预测出力；P_{sup_PV}为光伏发电单元对应的DC/DC变流器工作所需功率，其直接从光伏PV组件上取电；P_{h2_hot}为电解槽达到热备条件所需功率，P_bat(t)为t时刻储能***的充放电功率，具体表达式为：

其中，

和

分别为表示储能充电、放电状态的二进制变量，满足以下约束条件：

P_ch(t)和P_dis(t)分别为t时刻储能充电和放电功率，满足以下约束条件：

其中，

为储能充电功率最大限值，

为储能放电功率最大限值。

4.根据权利要求1所述的一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，其特征在于，所述步骤(6)，上层协调控制***根据功率守恒原则调节微网内各单元出力，满足以下条件：

P_{PV_ref}(t)-P_{sup_PV}+P_{wind_ref}(t)-P_{sup_wind}+P_bat(t)-P_{h2_ref}(t)-P_{h2_sup}＝0 (6)

其中P_{PV_ref}(t)、P_{wind_ref}(t)、P_{h2_ref}(t)分别为t时刻控制协调***下发的光伏、风机和制氢电解槽调度指令。

5.根据权利要求1所述的一种可再生能源直流微网制氢黑启动优化方法，其特征在于，所述步骤(10)，预定供电条件是指：

P_dis(t)+P_PV(t)-P_{sup_PV}≥P_sup；所述约束条件是α(0)＝1。

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