(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211195851.7 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 河北工业大 学 地址 300130 天津市红桥区丁字沽光 荣道8 号河北工业大 学东院330# (72)发明人 李帅　林涛　林宇晨　李伟剑　 边同声　程淑伟　张大威　 (74)专利代理 机构 天津翰林知识产权代理事务 所(普通合伙) 12210 专利代理师 蔡运红 (51)Int.Cl. C25B 15/02(2021.01) C25B 9/65(2021.01) C25B 1/04(2021.01) H02J 3/24(2006.01)H02J 3/28(2006.01) H02J 3/38(2006.01) H02J 15/00(2006.01) (54)发明名称 基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵 列控制方法 (57)摘要 本发明为一种基于功率效率特性的离网制 氢pem电解槽阵列控制方法， 首先基于电解槽参 数建立了pem电解槽的功率 ‑效率模型； 接着， 以 制氢机组的最大制氢量作为优化目标， 提出目标 函数和约束条件； 最后， 基于多时间尺度调度对 电解槽阵列进行轮询控制， 通过 实时优化调度对 处于波动功率的pem电解槽进行实时监控， 当监 控到处于波动功率状态的pem电解槽运行功率超 出安全运行功率范围时， 需要及时调整电解槽阵 列的功率分配。 该方法考虑到pem电解槽快速启 停的特性， 提出了更适合pem电解槽的新的时间 尺度， 通过长期时间调度确定电解槽阵列启停状 态， 通过短期滚动优化调度确定最优稳定功率， 通过实时优化对电解槽阵列进行实时监测， 抑制 大范围风功率波动， 灵活性更高， 稳定性更 强， 效 率更可观。 权利要求书2页 说明书12页 附图8页 CN 115491720 A 2022.12.20 CN 115491720 A 1.一种基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法， 其特征在于， 该方法包 括以下步骤： 步骤一、 建立pem电解槽的功率 ‑效率模型， 表达式为： 式中， ηpem为pem电解槽的制氢效率， HHV为氢气热值， Uth为热中性电压， Upem为电解槽电 压， f1为电流效率拟合 参数， Pe为pem电解槽额定功率， Pu为pem电解槽 输入功率标幺值； 步骤二、 以制氢机组的最大制氢量作为优化目标， 计及pem电解槽的功率 ‑效率特性以 及风电机组出力约束， 提出目标函数为： 其中， Vpem表示制氢机组在时间段t内产出的氢气总量， Vn， j表示第n个pem电解槽在第j 个时间段内产出的氢气总体积， N表示阵列中pem电解槽的个数； 目标函数的约束条件包括风电机组有功功率约束、 pem电解槽最优稳定运行区间约束 和pem电解槽安全运行功率约束； 风电机组有功 功率平衡约束为： 式中， Pwind， t、 Pcurt， t分别表示时间段t内风电机 组的出力功率和弃风功率， Ppemn， t表示时 间段t内第n个pem电解槽运行功率； pem电解槽最优稳定功率 运行区间约束为： Ppemn， min≤Pwpem， t≤Ppemn， max     (13) 式中， Ppemn， max、 Ppemn， min分别表示第n个pem电解槽基于功率 ‑效率模型得到的最优工作区 间的上、 下限； Pwpem， t表示时间段t内pem电解槽的最优稳定功率； pem电解槽安全运行功率约束为： Pbpem， min≤Pbpem， t≤Pbpem， max     (14) 式中， Pbpem， max、 Pbpem， min分别表示处于波动功率的pem电解槽由于安全限制而必须遵守的 功率上、 下限， Pbpem， t表示时间段t内pem电解槽安全运行功率； 步骤三、 基于多时间尺度调度对电解槽阵列进行轮询控制； 首先， 确定电解槽阵列的启停状态： 获取风电机组未来t1时间段内的风功率预测数据， 计算t1时间段内的平均风功率； 根据t1时间段的平均风功率计算每个t2时间段内的平均风 功率 计及风电机组的风功率预测数据， 确定电解槽阵列中每个pem电解槽的启 停状态， 需满足下述 不等式： 其中， Ppemq表示第q个处于开机状态的pem电解槽额定功率， Q表示电解槽阵列中处于开 机状态的pem电解槽数量； 其次， 根据约束条件式(12)～(14)， 使用粒子群算方法对目标函数进行优化， 得到电解 槽阵列的最优稳定功率： 计及t2时间段内的平均风功率 最优稳定功率进一 步约束为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115491720 A 2式中， Pwpemq， t为时间段t内电解槽阵列中第q个处于开机状态的pem电解槽的最优稳定功 率； 最后， 对电解槽阵列进行轮询控制： 电解槽阵列中每个pem电解槽的工作状态以及选择 处于波动功率状态的pem电解槽都是由每个pem电解槽的数字轮值锁决定的， 处于开机状态 的pem电解槽都各自有一个数字轮值锁； 以Xmin为一个时段， 在该时段的结束时刻对pem电 解槽的数字轮值锁进行更新； 数字轮值锁更新策略包括两种情况， 一种 是当前后相邻的两 个调度时间段电解槽阵列的启停状态无需更改时， 将处于波动功率的pem电解槽的数字轮 值锁数值设置为Q， 对于该时刻所 处时间段电解槽阵列中处于稳定功 率的pem电解槽的数字 轮值锁数值均减1， 数字轮值锁最小值为1； 另一种 是当前后相邻的两个调度时间段电解槽 阵列的启停状态需要更改时， 对于即将关机的pem电解槽， 只需取消其数字轮值锁即可； 对 于即将由关机状态启动的pem电解槽， 将数字轮值锁数值设置为1， 对于前后两个调度时间 段都处于开机状态的pem电解槽， 按照数字轮值锁的数值从大到小进 行排序， 若在新调度时 间段， 处于开机状态的pem电解槽数量增加， 那么就对前后两个调度时间段均处于开机状态 的pem电解槽排序后分别设置数字轮值锁数值为m， m ‑1，…， (m‑q+1)， 其中m为新调度时间段 电解槽阵列中处于开机状态的pem电解槽数量， q为前一调 度时间段电解槽阵列中处于开机 状态的pem电解槽数量； 若在新调度时间段， 处于开机状态的pem电解槽数量减少， 优 先关闭 处于波动功率的pem电解槽， 其次关闭轮值锁数值较大的pem电解槽； 然后在新调度时间段 内， 电解槽阵列中所有处于开机状态的电解槽排序后分别设置轮值锁数值 为m， m‑1，…， 1； 通过实时优化调度对处于波动功率的pem电解槽进行实时监控， 当监控到处于波动功 率状态的pem电解槽运行功率超出安全运行功率范围时， 需要及时调整电解槽阵列的功率 分配； 以检测到功率超出限制的时间点为起始点， 对风电机组进行1min级别的超短期风功 率预测， 计算风电机组在 1min内的平均风功率预测值； 根据约束条件式(12)～(14)、 (16)， 使用粒子群算法对目标函数进 行优化， 得到最优稳定功 率预测结果和制氢机组在最优稳定 功率下的最大制氢量。 2.根据权利要求1所述的基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法， 其特 征在于， 电解槽电压的表达式为： 式中， Urev为可逆电压， T为温度， P为压强， r1、 r2、 d1、 d2均为欧姆系数， k1、 k2、 k3、 s均为超 电压系数， Ipem为电解槽电流。 3.根据权利要求1所述的基于功率效率特性的离网制氢pem电解槽阵列控制方法， 其特 征在于， 在轮询控制中， 数字轮值锁表示控制位， 所有 数字轮值锁均为正整 数且初值为 1； 数 字轮值锁数值越小表明对应的pem电解槽距离上次被设置为波动功率状态的时间就越长； 对于两个或者多个pem电解槽的数字轮值锁数值相同的情况， 规定在轮换电解槽工作状态 时， 须在当前时段所有pem电解槽中选出数字轮值锁 最小的一个或多个电解槽集合， 在该集 合中挑选电解槽编号最大的pem电解槽， 使该pem电解槽在下一时段处于波动功率状态， 吸 纳来自风电机组的波动功率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115491720 A 3