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专利号: 2018110980216
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,电-氢孤岛直流微电网包括光伏发电系统、燃料电池系统、电解槽系统、储氢罐系统、蓄电池系统以及控制中心,所述光伏发电系统、燃料电池系统、电解槽系统和蓄电池系统均连接至直流母线,所述电解槽系统通过储氢罐系统连接至燃料电池系统;控制中心对各个系统状态进行检测,并通过分层控制对各个系统进行能量管理;所述光伏发电阵列为微电网的供能系统,所述蓄电池系统为微电网的电储能系统,所述电解槽系统、储氢罐系统以及燃料电池系统为微电网的氢储能系统;

对于所述电-氢孤岛直流微电网的能量管理方法包括步骤:

S100,初始化各个系统;

S200,测量当前时刻电-氢孤岛直流微电网状态,获得测量数据;

S300,通过分层控制的顶层根据测量数据基于系统经济性及稳定性计算当前时刻各储能系统的最优输出功率参考值;

S400,通过分层控制的底层根据功率参考值对各个系统输出功率进行调节,控制蓄电池系统、燃料电池系统、电解槽系统及储氢罐系统的工作模式,完成孤岛直流微电网的能量管理。

2.根据权利要求1所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,通过所述控制中心测量当前时刻用户侧需求功率PLOAD以及光伏阵列系统侧输出功率PPV,计算当前直流母线需求功率Pbus;并测量各个储能系统状态。

3.根据权利要求2所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述控制中心的分层控制包括顶层能量管理层和底层物理层;所述顶层对底层传递的信息进行最优计算,并向底层传递计算结果;所述底层为各个系统中微源及变流器的物理结构层,根据顶层计算结果并参照各系统限制及约束对各系统输出进行控制操作;所述顶层和底层通过TCP/IP协议进行通信。

4.根据权利要求3所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,在所述步骤S300中,所述顶层能量管理层包含系统经济性及储能状态稳定性算法;所述系统经济性及储能状态稳定性算法,以电储能系统输出功率Pbat以及氢储能系统输出功率Phy分别作控制变量u、v,以蓄电池系统soc及储氢罐系统储氢量sohc做状态变量;在工况Pbus中分配燃料电池系统、蓄电池系统及电解槽系统之间进行功率分配,使得电储能系统和氢储能系统整体使用成本在当前时刻为最小,同时使得蓄电池系统soc以及储氢罐系统sohc维持在约束范围内。

5.根据权利要求4所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述系统经济性及储能状态稳定性算法,首先测量得到当前时刻各数据值,输入控制中心;其次,基于等效氢耗最小算法计算蓄电池功率输出惩罚函数,根据计算氢储能系统功率输出惩罚函数;再次,根据输入的母线需求功率及惩罚函数,基于储能系统使用成本最小原则计算各储能单元参考功率,最后将参考功率信号通过通讯设备传递至下一层。

6.根据权利要求5所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述系统经济性及储能状态稳定性算法,包括步骤:S301,在当前系统功率需求Pbus下,所述系统经济性及储能状态稳定性函数为:Cst(Cbat,Chy,soc,sohc)=min(λ(soc)Cbat+f(sohc)Chy);

其中,Cbat与Chy分别为蓄电池系统及氢储能系统使用成本,λ(soc)为关于蓄电池soc的惩罚函数,f(sohc)为关于储氢罐sohc的惩罚函数;

所述sohc为储氢罐等效荷电状态,表示为:sohc=Psto/PN;其中,Psto为当前罐内压强,PN为储氢罐最大容许压强;

S302,针对所述系统经济系统及储能状态稳定性函数,获取成本函数:

所述电储能系统使用的成本函数为:

其中,Cbat,c为蓄电池购置成本,Lbat为蓄电池使用寿命,Cbat,O&M为蓄电池运行、维护成本,ηbat,ch为蓄电池充电效率,ηbat,dis为蓄电池放电效率;

由于蓄电池寿命以充放电循环次数给出,则蓄电池寿命Lbat示为:

其中,n为蓄电池组数,C为蓄电池容量,UN为蓄电池额定电压,Ncl为蓄电池循环次数,Pbat为蓄电池输出功率;

所述氢储能系统使用的成本函数为:

其中,Cel,c为电解槽购置成本,Cfc,c为燃料电池购置成本,Cel,O&M为电解槽运行、维护成本,Cfc,O&M为燃料电池运行、维护成本,ηfc为燃料电池效率,ηel为电解槽效率;

S303,针对所述系统经济系统及储能状态稳定性函数,获取惩罚函数:

蓄电池soc的电储能系统惩罚函数为:

其中,e1为修正系数,Pbatopt(soc)为关于soc的蓄电池等效氢耗最优输出功率,Pch,max为蓄电池最大充电功率,Pdis,max为蓄电池最大放电功率;

储氢罐sohc的氢储能系统惩罚函数为:

其中,e2为修正系数,sohcref为储氢罐参考最优储量;

S304,根据所述系统经济系统及储能状态稳定性函数、成本函数和惩罚函数,求取最优解。

7.根据权利要求6所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述求取最优解的方法,包括步骤:S3041,根据系统当前soc及sohc值,计算惩罚函数;

S3042,根据当前微电网需求功率Pbus、蓄电池最大充电功率和蓄电池最大放电功率,求解蓄电池从无输出至最大值的成本集Cbat[0,Pmax]及对应功率下氢储能系统成本Chy[0,Pbus-Pmax];

S3043,将各个系统功率输出下得到的成本进行比较,得到系统总运行成本最小值,取出在系统总运行成本最小值下对应蓄电池输出功率Pbat及氢储能系统功率Phy;

S3044,将计算输出的最优解向下一层传递。

8.根据权利要求7所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述底层物理层为各个系统中变流器及控制器与燃料电池、电解槽、蓄电池、光伏阵列以及储氢罐构成的控制结构;

所述光伏发电系统采用最大功率点跟踪控制;所述燃料电池系统和电解槽系统采用电流单环PID控制;所述蓄电池系统采用下垂控制。

9.根据权利要求8所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述系统限制及约束包括:燃料电池最大输出功率,电解槽最大输出功率,蓄电池最大充放电功率,燃料电池响应时间,电解槽响应时间,储氢罐sohc上下限,以及蓄电池soc上下限;

若上层要求输出功率超过限制,则下层控制输出功率维持在限值以内;若储氢罐sohc高于上限,则下层不启动电解槽,若储氢罐sohc低于下限,则下层不启动燃料电池;若蓄电池soc超越限值,则不启动蓄电池。

10.根据权利要求1-9中任一所述的一种电-氢孤岛直流微电网能量管理方法,其特征在于,所述燃料电池系统包括相互连接的质子膜交换燃料电池与单向DC/DC变流器;所述电解槽系统包括相互连接的电解槽与单向DC/DC变流器;所述蓄电池系统包括相互连接的蓄电池与双向DC/DC变流器;所述光伏发电系统包括相互连接的光伏电池与单向DC/DC变流器组;所述控制中心包括测量组件测量母线电压、氢储能系统的sohc值及电储能系统的soc值;所述控制中心与各系统的变流器连接并向各系统变流器输入控制信号。