CN115622093A - 一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能*** - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，包括风潮联合发电***、微电网混合储能***、反渗透海水淡化***、电负荷和碱水电解制氢***等组成，同时运用了综合发电单元功率平滑控制进行稳态控制。如图所示，所述风潮联合发电***为混合储能***提供能量。所述混合储能单元在微电网背景下通过反渗透海水淡化***进行变工况海水淡化，能高效调整RO海水运行负荷，回收浓水降低能耗与成本。同时该回收水通过碱水电解制氢***进行储能，实现电力转储，保障电力供给。
Description
技术领域
本发明属于海洋能发电与应用技术领域，具体涉及一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***。
背景技术
面对全球日益紧缺的淡水资源现状与我国日益发展的工业化道路，海水淡化技术对缓解水资源危机，混合储能对推动我国经济社会可持续发展迈向新台阶具有重要作用。同时，在常规能源紧缺和生态环境恶化的背景下，潮流能发电具有绿色环保、可预测性较强等优势；风能发电作为一种可再生和无污染的新能源技术逐渐走向成熟，海洋能发展受到我国政策的大力扶持。海水淡化制氢属于高能耗产业，风潮耦合发电为海水淡化***提供能源供给，具有缓解能源危机和水资源缺乏的双重效应。因此，探究风力潮流为基础的制氢储能与海水淡化耦合***的意义重大。
现有技术存在单一发电装置运行下的制氢储能单元，也有针对海水淡化制氢***参数、运行机制等方面研究，但对于利用海上多能耦合发电单元实现制氢储能与海水淡化，以及将海水淡化制氢技术应用于海上微电网仍有待进一步研究。同时由海洋能耦合发电输出功率稳定性差，混合储能耗能高的工程难题也对实现耦合***提出挑战。因此，如何对风力潮流耦合发电输出功率进行稳态控制，如何高效实现混合储能，提高海洋能利用率，降低能耗，这些都是推动海洋能综合开发利用的关键问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***。
针对现有技术中存在的缺陷，本发明采用如下方案实现：
一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，包括海上风力发电机构、潮流能发电机构、海水淡化机构、电解槽、储氢罐、燃料电池和蓄电池。
所述海上风力发电机构和潮流能水轮机发电机分别利用风能、潮流能发电构为电解槽、反渗透海水淡化机构供电，多余电量将供给蓄电池储存；所述海水淡化机构将海水淡化后通过电解槽电解制得的氢气，氢气储存于储氢罐中，并供给氢氧燃料电池；
当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电。
进一步优化，微电网混合储能***的功率约束条件为：
∑Pore(t)+Ppur(t)+Pdis,bat(t)+Pfc(t)＝Pload(t)+Pcha,bat(t)+Pel(t)+Pde(t)
其中，Ppur(t)为t时刻从电网并入的功率，Pore(t)是风力发电机构、潮流能发电机构的实际输出功率，Pload(t)为本***的负载端(制氢、海水淡化及供给本***正常运行所需的)的输出功率；Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率； Pcha,bat(t)为时段t蓄电池的充电功率，Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的放电功率。
进一步优化，海水淡化、制氢的主要步骤包括利用海水淡化机构使海水脱盐，以及通过电解槽将产生的淡水电解为氢气和氧气与液氯、烧碱、浓盐酸等相关附加产物；
利用海水淡化机构对海水进行反渗透法淡化，此过程的电力消耗表示为：
Pde(t)＝αPel(t)
其中，Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率，α为海水淡化***的电力消耗与电解水所需电量的比值；
在电解过程中，电解槽输出功率表示为：
Pel,H(t)＝ηelPel(t)
其中，Pel,H为时段t电解槽的制氢功率；ηel为电解槽的制氢效率；
所述储气罐储氢用于储存电解水产生的氢气，并为燃料电池提供氢气，其储能数学模型表示为：
其中，
为时段t储氢罐的存储能量，
为时段t燃料电池的耗氢功率，
分别为氢气充入和放出的效率；Δt为调度时间；
所述燃料电池将清洁能源氢气转化为电能，其数学模型表示为
其中，Pfc(t)为时段t燃料电池的发电功率，ηfc为燃料电池的氢发电效率。
进一步优化，制氢储能过程的功率消耗主要为电解水制氢过程，t时段内电解槽耗电功率内部约束条件主要取决于储氢罐的容量以及储氢罐剩余容量；此外，储氢罐需要满足始末状态一致的约束，因而有如下三个约束条件：
其中，Wel为电解槽的储量，
分别为储氢罐的容量上限与下限，
为t 时刻储氢罐中的储氢量，
为储氢罐始、末状态。
进一步优化，所述燃料电池用于消耗氢气将氢气作为燃料进行发电对***供能，以及提供部分有功支撑，其需要满足的约束条件为燃料电池的输出功率取决于燃料电池的容量及当前时刻下储氢罐剩余且可以供给燃料电池的氢气量，因而约束条件为：
其中Wfc为燃料电池的容量。
进一步优化，当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电；所述蓄电池能够有效平抑微电网内负荷需求突变引起的波动，其数学模型为:
式中，Pcha,bat(t)、Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的充、放电功率；ηcha,bat(t)，ηdis,bat(t)为蓄电池充、放电效率；Ebat(t)为时段t蓄电池的存储能量；δ为蓄电池自放电损耗率；
所述蓄电池需要满足容量约束条件与始末状态一致的约束，且需要满足充放电效率约束，具体约束关系如下：
其中，Ebat,min，Ebat,max分别为蓄电池储量的下限与上限，Ebat(0)、Ebat(T)分别为蓄电池的始、末状态，Pcb,min、Pcb,max分别为蓄电池最小与最大的充电功率，Pdb,min、Pdb,max分别为蓄电池最小与最大放电功率。
进一步优化，所述海水淡化机构包括原水预处理装置、反渗透装置、能量回收装置和后处理装置，能够利用反渗透原理将海水中的溶质和溶剂进行分离，适应供能变化调整RO海水淡化运行负荷，采用能量回收装置回收反渗透装置浓水出口的高压能量，降低能源消耗与淡化成本。
所述预处理装置包括取水泵、内含絮凝装置的海水箱、增压泵、多介质过滤器、超滤膜和保安过滤器，经过水质净化和水质调整，将海水处理至PH：2～11；污染指数SDI<5；游离氯<0.1g/L；Mn<1.0mg/L；Fe<0.1g/L。
所述多介质过滤器的外壳材质为玻璃钢，滤料材质为无烟煤何石英砂；超滤膜的膜壳材质为聚氯乙烯，膜材质为聚偏氟乙烯；保安过滤器为滤壳为PVC，滤芯为PP棉。
所述反渗透装置包括反渗透供水泵、高压泵和反渗透膜(芳香族聚酰胺复合膜)，借助渗透现象，以压力差为推动力，使得溶剂分子通过选择性透过膜，溶质分子被截留在进水口侧，从而达到溶质和溶剂分离，实现海水淡化，平均脱盐率可达到99.2％。反渗透膜为芳香族聚酰胺复合膜。
考虑到风潮联合发电供能存在不稳定性，采取变工况海水淡化方式，借助变频器对高压泵电机转速进行改变，进而控制电动阀开度，进水流量，从而实现反渗透膜海水淡化运行负荷的调整；采用功交换式能量回收装置，将排放浓盐水中的压力能量回收变成进水能量，实现能量高效利用，降低***能耗。通过设置后处理存水装置，可以调节反渗透出水的pH值，以适应不同要求。
进一步优化，碱性电解器的电化学反应如下：
阳极：
阴极：
总体：
进一步优化，碱水制氢电解槽的内部结构形式多样，基本上可分为双极板、极框、阳极电极、阴极电极、隔膜、密封垫。碱水制氢电解槽外接部分有氢侧出口、氧侧出口及电解液进口。工作时，电解液从下侧的进口进入电解槽，在每个电解小室内将水电解为氢气和氧气，氢气与电解液的混合液从氢侧出口流出，氧气与电解液的混合液从氧侧出口流出。双极板材料为耐碱性腐蚀并且有良好导电性的金属，双极板上有凹凸不平的结构，可提高电流密度，从而提高制氢效率。极框具有沿轴线旋转对称的特点，一方面能降低制造难度和成本，另一方面减少了工人可能因分辨错误而导致的组装问题。碱性电解水所用的电极材料为镍基材料。具备快速的吸氢、脱氢能力，材料结构稳定，导电性好；成型的电极材料具备高的比表面积，增大有效电解表观电解面积的电流密度，电极制造成本不过高。
进一步优化，能耗指标是电解槽性能评价最重要的指标，电解槽总电压的计算公式为：
Etotal＝E(P，T)+E0(T)+Eact，k+Eele+Eel+Emem+Ediff
式中，Etotal表示总电压，E(P，T)表示可逆过电势，E0(T)表示可变可逆过电势，Eact，k表示活化过电势；其中，k代表阳极和阴极的集合，Eele表示电极液欧姆过电势，Eel表示电极欧姆过电势，Emem表示隔膜欧姆过电势，Ediff表示浓差过电势；
整个电解器***总体的效率，又被称为能量效率，定义为：
其中Utn是电解单元的热中性电势，Ucell是电解单元瞬时电压。
进一步优化，所述风力发电机构和潮流能发电机构的稳态控制***包括风速采集器、风速流速采集器、转速转矩传感器、水轮机组转子侧控制器、风机转子侧控制器、离合器、转速保护模块。潮流能水轮机加装离合器，应对飞轮储能时候叶片受海水阻力的影响。在转速桨距角协调控制中加入转速保护模块，有效防止转子释放动能后转速长期低于该潮流流速下的最优转速，同时避免***的小干扰稳定性降低。
通过改变可预测性较强的潮流能发电机构置的运行方式，对风速导致的综合发电单元随机功率波动进行补偿，实现功率的平滑控制与平稳输出。
实现综合发电单元随机功率波动的稳态控制，需先通过转速转矩传感器采集发电风力发电机构的转速n，由风力机双馈异步发电机工作特性得对应风的实时功率Pwind，通过风力发电机构输出功率的一阶低通滤波，从而提取高频噪声，即风导致的随机波动功率ΔP：
Psmooth(k)＝λPavg+(1-λ)Pwind(k)
ΔP＝Psmooth(k)-Pwind(k)
其中Psmooth(k)为风力发电总功率的低频分量，Pwind(k)为风力发电实测功率表，Pavg为 N个状态值的平均基准值，λ为一阶滤波器的时间常数，式中为获得较好平滑效果，取前N个状态值的平均值作为基准值。
进一步优化，双馈异步发电机DFIG运行过程最大旋转动能E：
其中J为DFIG机组转子的转动惯量。惯性时间常数H为靠转子动能支撑情况下DFIG机组以额定功率输出的时间，表达式为：
其中Pn为DFIG机组额定有功功率。若对转子转速ωr进行超速或减速、变桨控制，则其有能力为综合发电***提供有功功率支撑。
进一步优化，DFIG机组控制***的控制目标是令转子转速始终运行在最大功率跟踪点，也即按最大功率跟踪策略MPPT进行控制。按照最大功率跟踪策略MPPT运行的DFIG机组可提供的转子动能有限。如果机组转子速度能够提高，则可以增加转子中存储的动能，并在需要的时候释放，同样可以提供有功功率支撑。
根据双馈异步发电机DFIG的运行特性，稳态控制包括如下两种工况：
1)、当流速采集器采集的潮流流速小于设定的启动流速时，将潮流能发电机构作为飞轮储能使用；利用潮流能发电机组电力电子变流器的解耦控制，实现潮流能发电机在电动与发电两种状态的切换；当风力发电随机功率波动ΔP＞0时，发电机工作在电动状态，转子加速，吸收波动功率实现能量转储；当ΔP≤0时，发电机工作在发电状态，转子减速，将转子动能转换为电能提供有功支撑；
2)、当潮流流速大于启动流速时，潮流能发电机构的发电机转子转速和桨距角的协调控制来补偿风电随机波动功率ΔP；当ΔP＞0时，潮流能发电机构优先通过减小桨距角β使得潮流能有功出力增加，其次释放转子动能弥补缺失的有功支撑；当ΔP≤0，则先应用超速法转储转子动能，后再利用桨距角控制完成减载。实现了平台实时补偿风电的波动功率量，维持了综合发电单元总输出功率的平稳。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，将海水淡化制氢技术应用于微电网***，提出针对以海上风电潮流为主要电源的微电网中混合储能***的优化规划方法，实现了安全稳定运行的前提下，经济效益和电利用率具有明显优势；利用反渗透海水淡化***实现实时调整RO海水淡化运行负荷；采用能量回收装置回收反渗透装置浓水出口的高压能量，降低能源消耗与淡化成本；运用碱水制氢电解槽，耐碱性腐蚀强，制氢效率高，同时成本较低；应用综合发电单元随机波动功率稳态控制策略，使平台能实时补偿风电的波动功率量，维持了综合发电单元总输出功率的平稳，缓解了海洋能发电稳定性差的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述反渗透海水淡化***框图；
图2为风力潮流综合发电单元稳态控制策略流程图示意图；
图3为潮流能机组桨距角协调控制框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，包括海上风力发电机构、潮流能发电机构、海水淡化机构、电解槽、储氢罐、燃料电池和蓄电池。
本实施例中，为使***供能更加平稳，采用了混合储能***设计。所述海上风力发电机构和潮流能水轮机发电机分别利用风能、潮流能发电构为电解槽、反渗透海水淡化机构供电，多余电量将供给蓄电池储存；所述海水淡化机构将海水淡化后通过电解槽电解制得的氢气，氢气储存于储氢罐中，并供给氢氧燃料电池；
当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电。同时，该混合储能***也可为周围用电***(如岛礁)进行供电。
本实施例中，采用***双层规划模型，包括外层容量配置与内部运行调度。
本实施例中，外层容量配置主要考虑本***的经济性进行设计，设计成本的目标函数为约束条件：
minAall＝Acm+Apun+Abuy
Aall为本***的总成本，Acm为本ORE海洋能多能互补***的建造成本，此处成本包括投资建设成本与运行维护成本。Apun为ORE海洋能发电***中因为弃风弃电所产生的成本，Abuy为电网购电的成本。此外，外层容量配置模型也基于本混合储能***的设备容量约束，约束条件为：Wm,min≤Wm≤Wm,max，其中Wm为第m个装置的实际容量，Wm,min、Wm,max分别为其上下临界值。
本实施例中，内部运行调度主要考虑储能***消纳风能与潮流能的能力。针对***的功率约束条件为：
∑Pore(t)+Ppur(t)+Pdis,bat(t)+Pfc(t)＝Pload(t)+Pcha,bat(t)+Pel(t)+Pde(t)
其中，Ppur(t)为t时刻从电网并入的功率，Pore(t)是风力发电机构、潮流能发电机构的实际输出功率，Pload(t)为本***的负载端(制氢、海水淡化及供给本***正常运行所需的)的输出功率；Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率； Pcha,bat(t)为时段t蓄电池的充电功率，Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的放电功率。
在本实施例中，海水淡化、制氢的主要步骤包括利用海水淡化机构使海水脱盐，以及通过电解槽将产生的淡水电解为氢气和氧气与液氯、烧碱、浓盐酸等相关附加产物；
利用海水淡化机构对海水进行反渗透法淡化，此过程的电力消耗表示为：
Pde(t)＝αPel(t)
其中，Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率，α为海水淡化***的电力消耗与电解水所需电量的比值；
在电解过程中，电解槽输出功率表示为：
Pel,H(t)＝ηelPel(t)
其中，Pel,H为时段t电解槽的制氢功率；ηel为电解槽的制氢效率；
所述储气罐储氢用于储存电解水产生的氢气，并为燃料电池提供氢气，其储能数学模型表示为：
其中，
为时段t储氢罐的存储能量，
为时段t燃料电池的耗氢功率，
分别为氢气充入和放出的效率；Δt为调度时间；
所述燃料电池将清洁能源氢气转化为电能，其数学模型表示为
其中，Pfc(t)为时段t燃料电池的发电功率，ηfc为燃料电池的氢发电效率。
本实施例中，制氢储能单元通过碱水电解槽电解水制氢，并将氢气加压液化储存与储氢罐中。因此，制氢储能单元的功率消耗主要为电解水制氢过程，因而t时段内电解槽耗电功率内部约束条件主要取决于储氢罐的容量以及储氢罐剩余容量。此外，储氢罐需要满足始末状态一致的约束，因而有如下三个约束条件。
其中，Wel为电解槽的储量，
为储氢罐的容量上限与下限，
为t时刻储氢罐中的储氢量，
为储氢罐始末状态。
本实施例中，燃料电池用于消耗氢气将氢气作为燃料进行发电对***供能与提供部分有功支撑，其需要满足的约束条件为燃料电池的输出功率取决于燃料电池的容量及当前时刻下储氢罐剩余且可以供给燃料电池的氢气量，因而约束条件为
其中Wfc为燃料电池的容量。
本实施例中，当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电；所述蓄电池能够有效平抑微电网内负荷需求突变引起的波动，其数学模型为:
式中，Pcha,bat(t)、Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的充、放电功率；ηcha,bat(t)，ηdis,bat(t)为蓄电池充、放电效率；Ebat(t)为时段t蓄电池的存储能量；δ为蓄电池自放电损耗率。
蓄电池需要满足容量约束条件与始末状态一致的约束，且需要满足充放电效率约束，具体约束关系如下
其中，Ebat,min，Ebat,max为蓄电池储量的下限与上限，Ebat(0)、Ebat(T)为蓄电池的始末状态， Pcb,min、Pcb,max为蓄电池最小与最大的充电功率，Pdb,min、Pdb,max为蓄电池最小与最大放电功率。
本反渗透海水淡化***具体包括原水预处理装置，反渗透装置，能量回收装置和后处理装置。
本实施实例中，如图1所示，图中虚线框1，原水预处理装置包括取水泵，海水箱，絮凝装置，多介质过滤器(外壳材质：玻璃钢；滤料材质：无烟煤，石英砂)，超滤膜(膜壳材质：聚氯乙烯；膜材质：聚偏氟乙烯)，保安过滤器(滤壳：PVC，滤芯：PP棉)。
本实施实例中，反渗透装置包括反渗透供水泵，高压泵，反渗透膜(芳香族聚酰胺复合膜)，此装置运行的关键条件在于克服渗透压，相关计算公式如下：
π＝CRT(单位：kPa)
其中，π渗透压，C表示离子浓度，R表示气体常数，T表示热力学温度，ΔPa1表示膜两侧压力差；Δπ表示膜两侧渗透压差；Kw表示纯水渗透系数；d表示膜分离层厚度，Qw表示水的透过量。此式可化简为
Qw＝A×NDP
其中，A为膜的水透过常数；NDP为净驱动力。
其中，QS表示透盐量，ΔC表示膜两侧盐浓度差，B表示膜的盐透过系数，CP表示透过液浓度，SP表示透盐率。由此可知，随压力增高，***脱盐率提高。
本实施实例中，采用变工况海水淡化方式，在不同供能工况下，通过调节变频器输出频率按比例降低高压泵转速，公式如下：
其中，n电机为电机转速，P为消耗功率，ΔPa2为泵压力差，QV为进水流量，η为电机效率。
转速改变时同时调整电动阀开度，关联公式如下，实现RO海水淡化运行负荷调整。
其中，
为阀门进水流量与最大流量之比，
为阀门相对开度，A为阀门特性参数。
本实施例中，设置能量回收装置，如图1框2，超滤出水分别供给高压泵和能量回收装置，此部分低压海水通过反渗透海水(即高压浓水)余压进行加压，再由增压泵加压进入反渗透装置，此过程平均能量回收率可达到32％。
本实施例中，当风潮联合发电***足以维持供电时，由风潮联合发电***向碱性电解槽供电，多余电量将供给蓄电池，同时电解制得的氢气储存于储氢罐中，并供给氢氧燃料电池。当风潮发电***不足以维持供电时，蓄电池以及氢氧燃料电池可以接入微电网继续供电。
本实施例中，经过反渗透海水淡化装置所淡化的海水，要调节pH>7.5，防止pH过低，加速金属基底的腐蚀。精致浓海水从阳极侧进入离子膜电解槽，阴极侧加入部分海水淡化所得的淡水，经电解后阳极侧得到淡盐水和氯水，在阴极侧得到电解液和氢气。阳极生成的淡盐水和氯气冷却器冷却后气液分离，流出的淡盐水经脱氯环节，去除其中的次氯酸，可以在浓海水精致环节中重复利用。氯气冷却干燥后可以液化储存，氢气干燥后可进入储氢罐储存，并供给氢氧燃料电池。阴极所得的电解液蒸发便可获得固体烧碱产品。
本实施例中，所述潮流能发电机构的水轮机包括壳体、转轴和多个叶片；转轴通过轴承转动设置在壳体中，转轴的一端伸出壳体与连接件固连，多个叶片设置在连接件上；转轴的另一端与发电机的转子连接。所述连接件中设置有与叶片数量相同的电机；电机安装的连接件的腔体中，电机输出轴与对应的一个叶片的根部固定连接，电机能够驱动叶片相对于连接件发生转动；所述叶片靠近其根部的位置套设有支撑环，支撑环通过轴承与叶片转动连接，支撑环沿周向均匀设置有多个支撑杆，支撑杆的另一端与连接件固定连接。水轮机的上设置有角度传感器，用于检测叶片的偏转角度。潮流能发电机构的支架上设置有流速采集器。
所述风力发电机构和潮流能发电机构的稳态控制***包括风速采集器、流速采集器、转速转矩传感器、水轮机组转子侧控制器、风机转子侧控制器、离合器、转速保护模块。潮流能水轮机加装离合器，应对飞轮储能时候叶片受海水阻力的影响。在转速桨距角协调控制中加入转速保护模块，有效防止转子释放动能后转速长期低于该潮流流速下的最优转速，同时避免***的小干扰稳定性降低。
通过改变可预测性较强的潮流能发电机构置的运行方式，对风速导致的综合发电单元随机功率波动进行补偿，实现功率的平滑控制与平稳输出。
本实施例中，如图2所示，实现综合发电单元随机功率波动的稳态控制，需先通过转速转矩传感器采集风力发电机构中发电机的转速n，由该双馈异步发电机工作特性得对应风的实时功率Pwind，通过风力发电机构输出功率的一阶低通滤波，从而提取高频噪声，即风导致的随机波动功率ΔP：
Psmooth(k)＝λPavg+(1-λ)Pwind(k)
ΔP＝Psmooth(k)-Pwind(k)
其中Psmooth(k)为风力发电总功率的低频分量，Pwind(k)为风力发电实测功率表，Pavg为 N个状态值的平均基准值，λ为一阶滤波器的时间常数，式中为获得较好平滑效果，取前N个状态值的平均值作为基准值。
潮流能发电机构中的双馈异步发电机DFIG运行过程最大旋转动能E：
其中J为DFIG机组转子的转动惯量。惯性时间常数H为靠转子动能支撑情况下DFIG机组以额定功率输出的时间，表达式为：
其中Pn为DFIG机组额定有功功率。若对转子转速ωr进行超速或减速、变桨控制，则其有能力为综合发电***提供有功功率支撑。
在本实施例中，DFIG机组控制***的控制目标是令转子转速始终运行在最大功率跟踪点，也即按最大功率跟踪策略MPPT进行控制。按照最大功率跟踪策略MPPT运行的DFIG机组可提供的转子动能有限。如果机组转子速度能够提高，则可以增加转子中存储的动能，并在需要的时候释放，同样可以提供有功功率支撑。
根据潮流能发电机构中双馈异步发电机的运行特性，稳态控制包括如下两种工况：
1)、当流速采集器采集的潮流流速小于设定的启动流速时，将潮流能发电机构作为飞轮储能使用；利用潮流能发电机组电力电子变流器的解耦控制，实现潮流能发电机在电动与发电两种状态的切换；当风电随机功率波动ΔP＞0时，发电机工作在电动状态，转子加速，吸收波动功率实现能量转储；当风电随机功率ΔP≤0时，发电机工作在发电状态，转子减速，将转子动能转换为电能提供有功支撑；
2)、当潮流流速大于启动流速时，潮流能发电机构的发电机转子转速和桨距角的协调控制来补偿风电随机波动功率ΔP；当ΔP＞0时，潮流能发电机构优先通过减小桨距角β使得潮流能有功出力增加，其次释放转子动能弥补缺失的有功支撑；当ΔP≤0，则先应用超速法转储转子动能，后再利用桨距角控制完成减载。实现了平台实时补偿风电的波动功率量，维持了综合发电单元总输出功率的平稳。
本实施例中，转速保护模块如图3所示，转速转矩传感器传递信号至模块，若电机实际转速小于最低转速，且持续时间超过设定值，则乘法系数取1，进去PI控制器，不断调整机组有功参数值，尽快使转速达到最优转速，防止转子释放动能后转速长期低于该潮流流速下的最优转速。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，包括海上风力发电机构、潮流能发电机构、海水淡化机构、电解槽、储氢罐、燃料电池和蓄电池；
所述海上风力发电机构和潮流能水轮机发电机分别利用风能、潮流能发电构为电解槽、反渗透海水淡化机构供电，多余电量将供给蓄电池储存；
所述海水淡化机构将海水淡化后通过电解槽电解制得的氢气，氢气储存于储氢罐中，并供给氢氧燃料电池；
当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电。
2.根据权利要求1所述的基于海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，微电网混合储能***的功率约束条件为：
∑Pore(t)+Ppur(t)+Pdis,bat(t)+Pfc(t)＝Pload(t)+Pcha,bat(t)+Pel(t)+Pde(t)
其中，Ppur(t)为t时刻从电网并入的功率，Pore(t)是风力发电机构、潮流能发电机构的实际输出功率，Pload(t)为本***的负载端的输出功率；Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率；Pcha,bat(t)为时段t蓄电池的充电功率，Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的放电功率。
3.根据权利要求2所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，海水淡化、制氢的主要步骤包括利用海水淡化机构使海水脱盐，以及通过电解槽将产生的淡水电解为氢气和氧气与液氯、烧碱、浓盐酸等相关附加产物；
利用海水淡化机构对海水进行反渗透法淡化，此过程的电力消耗表示为：
Pde(t)＝αPel(t)
其中，Pde(t)为时段t海水淡化机构的耗电功率，Pel(t)为时段t电解槽的耗电功率，α为海水淡化***的电力消耗与电解水所需电量的比值；
在电解过程中，电解槽输出功率表示为：
Pel,H(t)＝ηelPel(t)
其中，Pel,H为时段t电解槽的制氢功率；ηel为电解槽的制氢效率；
所述储气罐储氢用于储存电解水产生的氢气，并为燃料电池提供氢气，其储能数学模型表示为：
其中，
为时段t储氢罐的存储能量，
为时段t燃料电池的耗氢功率，
分别为氢气充入和放出的效率；Δt为调度时间；
所述燃料电池将清洁能源氢气转化为电能，其数学模型表示为
其中，Pfc(t)为时段t燃料电池的发电功率，ηfc为燃料电池的氢发电效率。
4.根据权利要求3所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，制氢储能过程的功率消耗主要为电解水制氢过程，t时段内电解槽耗电功率内部约束条件主要取决于储氢罐的容量以及储氢罐剩余容量；此外，储氢罐需要满足始末状态一致的约束，因而有如下三个约束条件：
其中，Wel为电解槽的储量，
分别为储氢罐的容量上限与下限，
为t时刻储氢罐中的储氢量，
为储氢罐始、末状态。
5.根据权利要求4所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，所述燃料电池用于消耗氢气将氢气作为燃料进行发电对***供能，以及提供部分有功支撑，其需要满足的约束条件为燃料电池的输出功率取决于燃料电池的容量及当前时刻下储氢罐剩余且可以供给燃料电池的氢气量，因而约束条件为：
其中Wfc为燃料电池的容量。
6.根据权利要求5所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，当风力发电机构、潮流能发电机构产生的电能不足以维持整个***运行时，蓄电池接入微电网继续供电；所述蓄电池能够有效平抑微电网内负荷需求突变引起的波动，其数学模型为:
式中，Pcha,bat(t)、Pdis,bat(t)为时段t蓄电池的充、放电功率；ηcha,bat(t)，ηdis,bat(t)为蓄电池充、放电效率；Ebat(t)为时段t蓄电池的存储能量；δ为蓄电池自放电损耗率；
所述蓄电池需要满足容量约束条件与始末状态一致的约束，且需要满足充放电效率约束，具体约束关系如下：
其中，Ebat,max Ebat,min分别为蓄电池储量的下限与上限，Ebat(0)、Ebat(T)分别为蓄电池的始、末状态，Pcb,min、Pcb,max分别为蓄电池最小与最大的充电功率，Pdb,min、Pdb,max分别为蓄电池最小与最大放电功率。
7.根据权利要求6所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，所述海水淡化机构包括原水预处理装置、反渗透装置、能量回收装置和后处理装置；所述预处理装置包括取水泵、内含絮凝装置的海水箱、增压泵、多介质过滤器、超滤膜和保安过滤器，经过水质净化和水质调整，将海水处理至pH：2～11；污染指数SDI<5；游离氯<0.1g/L；Mn<1.0mg/L；Fe<0.1g/L；
所述反渗透装置包括反渗透供水泵、高压泵和反渗透膜；
采取变工况海水淡化方式，借助变频器对高压泵电机转速进行改变，进而控制电动阀开度、进水流量，实现反渗透膜海水淡化运行负荷的调整；
采用功交换式能量回收装置，将排放浓盐水中的压力能量回收变成进水能量。
通过设置后处理存水装置，可以调节反渗透出水的pH值，以适应不同要求。
8.根据权利要求7所述的基于风力、潮流能及海水淡化制氢的微电网混合储能***，其特征在于，所述风力发电机构和潮流能发电机构的稳态控制***包括风速采集器、风速流速采集器、转速转矩传感器、水轮机组转子侧控制器、风机转子侧控制器、离合器、转速保护模块；
通过改变可预测性较强的潮流能发电机构置的运行方式，对风速导致的综合发电单元随机功率波动进行补偿，实现功率的平滑控制与平稳输出；
实现综合发电单元随机功率波动的稳态控制，需先通过转速转矩传感器采集发电风力发电机构的转速n，由风力机双馈异步发电机工作特性得对应风的实时功率Pwind，通过风力发电机构输出功率的一阶低通滤波，从而提取高频噪声，即风导致的随机波动功率ΔP：
Psmooth(k)＝λPavg+(1-λ)Pwind(k)
ΔP＝Psmooth(k)-Pwind(k)
其中Psmooth(k)为风力发电总功率的低频分量,Pwind(k)为风力发电实测功率表，Pavg为N个状态值的平均基准值，λ为一阶滤波器的时间常数，式中为获得较好平滑效果，取前N个状态值的平均值作为基准值；
根据双馈异步发电机的运行特性，稳态控制包括如下两种工况：
1)、当流速采集器采集的潮流流速小于设定的启动流速时，将潮流能发电机构作为飞轮储能使用；利用潮流能发电机组电力电子变流器的解耦控制，实现潮流能发电机在电动与发电两种状态的切换；当风电随机功率波动ΔP＞0时，发电机工作在电动状态，转子加速，吸收波动功率实现能量转储；当风电随机功率ΔP≤0时，发电机工作在发电状态，转子减速，将转子动能转换为电能提供有功支撑；
2)、当潮流流速大于启动流速时，潮流能发电机构的发电机转子转速和桨距角的协调控制来补偿风电随机波动功率ΔP；当ΔP＞0时，潮流能发电机构优先通过减小桨距角β使得潮流能有功出力增加，其次释放转子动能弥补缺失的有功支撑；当ΔP≤0，则先应用超速法转储转子动能，后再利用桨距角控制完成减载。实现了平台实时补偿风电的波动功率量，维持了综合发电单元总输出功率的平稳。
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|---|---|---|---|---|
| CN116575049A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-08-11 | 上海丝竺投资有限公司 | 一种海水淡化厂原水厂pem制氢27mw-1008mw装置及方法 |
| CN117748595A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 宁波市电力设计院有限公司 | 基于清洁能源的海上综合供电*** |
| CN117852712A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-04-09 | 江苏海洋大学 | 一种海岛综合能源***的优化方法 |
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2022
- 2022-09-24 CN CN202211168442.8A patent/CN115622093A/zh active Pending
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