基于虚拟同步机的新能源制氢系统协调控制策略

针对传统控制策略下新能源制氢系统缺乏惯量响应特性,难以主动参与电网调节、系统频率稳定性差等问题,提出基于虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)的新能源制氢系统协调控制策略。首先,在建立新能源制氢系统模型的基础上,考虑到通过变流器并网的制氢系统惯量缺失和电解槽低功率运行的安全约束,提出基于电解槽与蓄电池的VSG控制方案,建立系统网侧VSG控制模型;其次,为防止VSG过度响应导致系统平抑新能源波动能力下降,提出考虑系统状态的VSG自适应方法;然后,针对系统功率波动影响直流母线电压稳定的问题,设计各单元控制策略,并在电解槽单元加入附加响应控制环节以缓解直流母线电压波动;最后,为实现能量合理分配,针对系统不同运行模式,提出考虑各单元运行状态的能量管理策略。仿真结果表明:所提策略充分发挥了电解槽调节能力,系统具备惯量与一次调频响应特性,频率稳定性增强等。

考虑电氢负荷柔性的多堆电解槽优化运行

可再生能源电解水制氢是降低新能源弃电率,提升绿氢占比的有效途径之一,针对大规模新能源制氢系统的优化运行和高弃电率的问题,建立了考虑电、氢负荷柔性的多堆碱性电解槽优化运行模型。首先考虑用户侧电、氢负荷需求,基于电、氢的可转移特性建立可转移电、氢负荷模型。其次,考虑电解槽的运行特性和电解效率,提出多堆电解槽优化运行策略,满足系统运行约束条件,建立以经济成本最小为目标函数的系统优化运行模型,并采用Yalmip工具箱和Cplex求解。算例结果表明,可转移负荷的参与能够促进风电消纳,减少系统购电量,提升系统经济性,且与多堆电解槽轮值策略相比,该文所提策略有效降低了电解槽的启停次数,使电解槽功率波动标准差稳定在0.27以内,提升电解槽阵列的使用寿命,整体电解效率上升至57%左右。

平抑风电波动的电-氢混合储能容量优化配置

针对电-氢混合系统协同平抑接入新型电力系统的新能源波动问题,提出考虑碱性电解槽运行特性的电-氢混合储能容量优化配置方案。首先,基于经验模态分解,将原始风电功率信号分解为符合波动量限值的直接并网分量和混合储能功率任务;在综合考虑电化学储能和氢储能介质充放电功率约束和存储状态约束的基础上,制定计及碱性电解槽运行特性的混合储能能量管理策略。基于此策略,以综合成本最小为目标,建立用于平抑风电波动的电-氢混合储能容量配置模型,并通过实际数据进行计算分析。算例结果表明,所提策略下的容量配置方案,在满足平抑需求的前提下,可以有效提高系统经济性。

基于LSTM-MPC的PEMFC运行状态建模与容错控制

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有多物理场耦合特性易产生不同故障且难以控制。为了能在故障状态下快速有效控制,提出基于模型预测控制(modelpredictivecontrol,MPC)的容错控制方案。首先,以长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的预测误差为遗传算法的适应度函数,寻优获取LSTM的最优超参数组合,基于数据驱动构建PEMFC系统在4种不同运行状态下的LSTM预测模型作为预测模型模块。然后,建立基于神经网络的控制器作为优化控制器模块,根据上述模块制定以PEMFC系统阴阳极输入气体压强为控制量、电堆电压为输出量的容错控制方案。最后,仿真验证LSTM预测模型与容错控制方案得到,LSTM预测模型在训练集和测试集的评估指标均方根误差(root mean square error,RMSE)指标值分别为0.0489和0.0558,具有较好的拟合效果。在不同故障状态下,MPC相较于传统PID容错控制方案电压恢复时间缩短50%及以上,并在氢气泄露故障状态下,最大压降降低22.2%,证明了所提控制策略的有效性和正确性。

计及跨领域氢需求的电源低碳规划

大规模多领域的氢能应用会对电力负荷的规模、结构及分布等产生影响,进而对电源规划带来新的挑战。为此,文中提出一种考虑跨领域氢负荷的电源低碳规划模型。首先,计及工业、交通和供热领域的氢负荷,构建包含常规火电机组、碳捕集机组、新能源机组以及氢能系统的电-氢系统结构,并基于系统动力学理论对多领域的氢需求进行预测;其次,引入阶梯碳交易机制,在满足系统常规约束和氢能设备约束的前提下,考虑电、氢负荷需求,建立以投资、运行、碳交易以及弃电成本之和最小为优化目标的电源低碳规划模型;最后,以中国西北某地区的实际数据为例进行算例分析。结果表明,引入氢负荷和碳捕集电厂后的电源低碳规划模型能够优化电源结构、提高能源利用效率、降低系统碳排放量。

计及热负荷柔性的户用氢能系统运行优化研究

针对风电/光伏出力的随机性和间歇性给户用氢能系统热电联供可靠性带来的挑战,提出基于热负荷柔性松弛运行约束的户用氢能系统热电联供优化策略。首先,搭建包含不同模块的户用氢能系统基础架构,并详细说明该系统的运行原理;其次,建立系统中关键环节的数学模型,确定电解槽平均氢/热比和燃料电池在不同温度下电/热比的范围;然后,为了兼顾用户的舒适度和热负荷的灵活性,根据热感觉平均标度预测指标对户用氢能系统的热负荷需求进行调整;最后,综合考虑储氢罐的容量限制、氢能设备的电/热功率和用户侧柔性热能需求等约束条件,以总投资成本最少和新能源弃电率最低为目标,建立户用氢能系统优化运行模型。仿真结果表明:引入柔性热负荷进行运行调节时,不仅增强了可再生能源的消纳能力,还显著降低了系统的运行成本。

考虑时空特性与多指标约束的电力系统惯量需求评估

针对传统惯量需求评估方法难以准确刻画高随机性新能源接入下电力系统运行方式多变导致惯量需求时空动态变化特点的问题,提出一种考虑时空特性与多指标约束的电力系统惯量需求评估方法。首先通过分析系统惯量需求影响因素,建立考虑新能源渗透率以及虚拟惯量的电力系统频率响应模型;其次,在传统频率响应指标的基础上,引入一次调频恢复频差约束,建立惯量需求评估模型;然后,在时间和空间两方面分别考虑系统参数和节点位置对惯量需求的影响,在不同场景下采用优化方法评估系统惯量需求;最后,分别针对传统电力系统和基于虚拟惯量的新能源发电系统开展算例分析,验证了所提方法的有效性和准确性。

基于系统动力学的交通领域氢能需求预测

为预测“双碳”目标下氢能的需求,充分挖掘与氢能需求相关的影响因素,构建了基于系统动力学的交通领域氢能需求预测系统。绘制了交通领域氢能需求预测系统的因果关系图和系统流图,重点考虑公共汽车、重型卡车和家用汽车的氢能替代,通过历史数据检验模型的有效性,以新疆地区为例,设置低速、中速、高速3个发展水平来分析政策支持和经济投入对交通领域氢能需求的影响。模拟结果表明,交通领域的转型在2030年前发展得较为缓慢,政策和经济投资的影响在之后会逐渐明显,发展水平越高各类交通工具的增长幅度会越来越大,至2050年高速发展水平下的平均氢能替代率会达到低速发展水平下的2.2倍,高速发展水平下的售氢回报会达到低速发展水平下的2.5倍。

风电–氢储能与煤化工多能耦合系统及其氢储能子系统的EMR建模

为了提高风电消纳能力、减少煤化工对环境的污染,提出以氢储能技术为媒介将风电和煤化工进行整合。构建了风电–氢储能与煤化工多能耦合系统基本架构,将电网不能消纳的富裕风电通过电解水制氢储能;储存的氢气除供给煤化工使用以简化其生产流程外,还可在需要时用于发电以平抑风电对电力系统的安全稳定运行的掣肘;针对多能耦合系统中的氢储能过程,利用宏观能量描述法（EMR）建立了氢储能系统模型,揭示了制氢系统中的能量传递或转换机制;并基于反转规则建立了氢储能系统的控制结构,初步构建了调整系统功率流和氢气流的控制策略。最后,基于MATLAB/Simulink搭建了多能耦合系统中氢储能系统的仿真模型并进行了仿真实验。结果表明,氢气储能系统可以在0~100%额定功率范围内自适应风电功率的随机、间歇和波动等特性,验证了所提多能系统的基本思路和所建立的氢储能系统仿真模型的正确性。

风电—氢储能与煤化工多能耦合系统设备投资规划优化建模

以氢储能为媒介将风电与煤化工进行有机整合,是提升风电消纳能力、降低煤化工耗能与污染的有效技术路线。提出以风电全额消纳和煤化工低耗能、低污染的风电—氢储能与煤化工多能耦合系统(W-HES&CC)集成架构设计方案;以多能耦合系统设备一次性投资最小为目标,以风电全额消纳与W-HES&CC稳定运行为约束,构建多能耦合系统设备投资规划数学模型,进而使用遗传算法对上述模型求解;基于新疆某地区风电场与煤化工企业为算例背景,仿真结果表明提出的多能耦合系统设备投资优化规划数学模型的正确性,并进一步基于规定应用场景分析了不同风电并网比例与风电非电形态消纳比例条件下系统的投资成本变化规律。

提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学建模

富裕风电电解水制氢,耦合高污染的钢铁冶炼过程,既促进炼钢产业低碳转型,又可有效提升风电消纳能力。为了模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响,综合考虑钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性,确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统内部交互关系和反馈机制;结合钢铁行业发展趋势和绿氢替代潜力,建立了提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学模型;同时考虑到政府支持力度与制氢技术的发展,构建差异化情景,分析不同条件下的氢能需求规模和风电消纳水平。基于新疆案例表明,加大氢冶金支持力度和提高制氢电解效率,能够有效提升钢铁行业的绿氢替代率并加速绿氢成本降低,进而实现风电的全额消纳,有效解决“弃风”难题。

电力市场环境下含风电机组的环境经济调度模型及其仿真

电力市场环境下的传统经济调度不考虑环境补偿因素。文章在传统经济调度的基础上,考虑各机组和各种能源的环境成本,提出了火电机组名义环境补偿成本,用电方不需实际支付费用,发电方排污特性越好,火电机组的名义环境补偿成本越低;同时考虑了风电备用容量补偿成本,反映风电接入系统后火电热备用容量的变化;建立了电力市场环境下含风电机组的环境经济调度模型。基于Matlab优化工具箱,对一个包含2个火电机组和1个风电机组的系统进行优化仿真,结果表明:基于所提出的模型,环境友好的发电机组或能源将获得更大的调度权重。

储能系统改善大规模风电场出力波动的策略

针对利用储能提高风电对其并网系统的友好性,给出了一种基于储能平抑风电出力波动的策略。对大规模风电并网的某区域电网负荷与风电出力的数据进行了统计分析,得到负荷和风电出力的时域分布规律,提出了利用储能系统协调风电场有功出力与其并网系统负荷功率波动的策略,并建立了相应的数学模型。基于电力系统分析软件DIgSILENT-POWER FACTORY13.1进行了仿真验证,结果表明利用储能改善后的风电有功出力,能够追踪负荷曲线的变化规律,并网风储合成出力对电力系统可以起到"削峰填谷"作用,储能以较低的成本提高了风电对其并网系统的友好性。

大规模风电并网电力系统经济调度中风电场出力的短期预测模型

考虑到大规模风电并网电力系统经济调度中,对风电场出力的短期预测在时间尺度和精度尺度方面的要求,以传统的反传播神经网络(back propagation artificial neural network,BP-ANN)作为预测手段的基础,建立了风电场短期出力预预测模型。考虑到历史的预测误差与未来预测误差间的映射关系,利用传统的BP-ANN预测技术对未来的预测误差进行预测。通过算例仿真发现,误差预测变化趋势能跟踪预预测的误差变化,基于此并考虑到经济调度对风电场出力预测精度的要求,建立了对风电场出力短期预预测进行修正的风电场出力短期预测模型,进一步的算例仿真表明了该模型的有效性。

电力系统中长期负荷预测综合模型研究

中长期电力负荷预测是电力系统规划的基础和重要前提。分析比较了目前中长期负荷预测方法的特点,并进行了简单的分类。对传统的电力消费弹性系数法进行了改进,结合灰色预测模型与二次滑动平均预测法,建立了新的综合预测模型,并利用遗传算法优化各单一预测模型的权重。通过与人工神经网络模型进行对比仿真验证,结果表明所提出的预测模型具有较高的预测精度和较强的适用性。

基于风电极限穿透功率的经济调度优化模型研究

风电出力的时变特性,决定了风电极限穿透功率对大规模风电并网系统的调度策略有重要的影响。在充分体现环境保护和风电特性的火电和风电的运行价格模型基础上,基于风电场极限穿透功率和风电场出力预报可信度,建立了风电并网电力系统经济优化调度模型。基于新疆乌鲁木齐电网对该调度模型进行算例仿真,并采用遗传算法(GA)实现模型求解,结果表明提出的清洁经济调度模型合理、有效。

风储一体化电站容量双层优化规划研究

在风储一体化电站系统规划问题中,为了达到系统总容量最大且全局经济性最优的目的。提出一种双层规划模型方法:上层规划模型以风储一体化电站总容量最大为目标,考虑当地风能资源与电网资产构成的风电消纳能力等约束条件;下层规划模型以风储一体化系统一次性投资费用最小为目标,优化风储配比,主要考虑风储出力目标和电力瞬时平衡等约束。并设计嵌套的遗传算法对该模型进行求解。其次,通过某风电场实例验证,得出该模型规划的风储一体化系统在无风或系统出力与调度计划出力不一致的情况时能以2.8 MW的风电场期望功率持续出力4.9 h的结果,表明该模型规划的系统在一定时间内具备响应电力系统出力需求的能力。最后,进一步分析了发电机组类型和风资源Weibull参数对风储容量规划结果的影响,结果表明当形状参数位于1-3和尺度参数位于4-10的区域时其规划结果具有很强的适应性,同时也指出规划模型没有能够全面反映储能作用的局限性。

基于氢储能技术的双馈风力发电系统基本架构及其建模

针对风力发电系统面临能量输出不稳定、低电压穿越能力弱等问题,提出将氢储能系统安装在双馈风力发电机组变流器中间直流母线处,构建了基于氢储能技术的双馈风力发电系统的基本架构。进一步,利用宏观能量表示法(EMR)建立了基于氢储能技术的双馈风力发电系统的模型,并基于EMR反转规则建立了系统的最大控制框架。在此基础上,基于MATLAB/Simulink搭建了基于氢储能技术的双馈风力发电系统的仿真模型,并进行了仿真验证,结果表明了氢储能系统能够平抑风电输出功率波动及提高系统的低电压穿越能力,同时验证了所建EMR模型的正确性。

大规模风电并网电力系统动态清洁经济优化调度的建模

本文建立了充分体现环境保护和风电特性的火电和风电的新的运行价格理论模型:1)在风电价格方面,提出风电场出力可信度基础上的风电备用容量补偿成本及风电场"负效率"运行(negative efficiency operation of wind farm,NEOWF)的概念,在此基础上定义了风电场负效率功率(negative efficiency power of wind farm,NEPWF),并建立基于风电场极限穿透功率的NEPWF的惩罚成本模型;2)火电价格方面,在传统火电价格基础上,考虑了火电机组的排污特性,并用名义环境补偿成本来量化其火电环境成本。构建了一个新的清洁经济优化调度模型。基于遗传算法(genetic algorithm,GA)和某含风电的区域电网算例来进行仿真验证,结果表明,所提出的模型为解决风电并网运行提供了一种对策。

基于时序仿真和GA的风储系统储能容量优化配比

鉴于风储一体化系统中储能容量是影响风电并网系统综合技术经济性能的关键因素之一,提出了基于时序仿真原理和GA算法相结合的协调风电有功功率与其并网系统负荷功率波动的风储一体化系统中储能容量优化配比新方法。根据电网日负荷分布的规律性与风电场出力的随机性,构建了协调风电有功功率与其并网系统负荷功率波动的储能充放电控制策略数学模型;在此基础上,以储能容量最小为目标,考虑储能装置充放电效率、荷电状态与风储合成出力目标等因素,构建了基于时序仿真原理的风储一体化系统中储能容量优化配比数学模型;进一步,采用GA算法对上述时序仿真模型求解。最后,以新疆某风电并网系统实际运行数据对上述风储系统中储能容量优化配比方法进行仿真验证,结果表明:在确保风电出力对系统不构成威胁的情况下,风储功率配比≤8:1,储能系统持续最大持续充放电时间≤1.2 h,较好地兼顾了系统的技术与经济性能。