一种极地离网型风氢供能系统及其控制方法与流程

本发明涉及新能源供能领域，特别是涉及一种极地离网型风氢供能系统及其控制方法。

背景技术：

1、极地科学考察是人类探索自然奥秘、探求新的发展空间的重要领域，是一项功在当代、利在千秋的事业。随着南极科考活动的增多，南极考察活动中的能源利用技术已经成为南极活动保障的重中之重。

2、在南极环境下，清洁能源系统中的电气设备面临着极寒、强风雪/风沙、低压低氧、强紫外线等严酷自然条件以及极端天气、极昼/夜等特殊现象，如何设计制造科学适用的清洁能源发电、氢能等设备，满足南极供能需求是重大挑战。由于缺乏针对南极环境特点的清洁能源技术系统性应用开发，南极清洁能源利用正处于尝试阶段。发展风、氢供电有利于解决南极能源多燃油化、多污染问题，因此提高南极风、氢系统的适应性迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种极地离网型风氢供能系统及其控制方法，能够在面临极寒、强风雪、强风沙等极端环境下稳定高效的输出电能，提高可再生能源使用比例，减少南极科考燃料消耗和排放。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种极地离网型风氢供能系统，包括：

4、风电系统、低温电池储能系统、氢燃料电池系统和智能监控系统；

5、所述风电系统、所述低温电池储能系统、所述氢燃料电池系统和所述智能监控系统均通过直流母线连接；

6、所述风电系统用于将风能转换为电能，并向低温电池储能系统充电；

7、所述氢燃料电池系统用于将氢气和氧气的化学转换成电能，并向低温电池储能系统充电；

8、所述低温电池储能系统用于储能，平抑风力发电的波动性，平滑负荷；

9、所述智能监控系统用于获取所述风电系统、所述低温电池储能系统和所述氢燃料电池系统的运行参数。

10、可选的，所述风电系统包括：固定支架、风力发电机和控制器模块；

11、所述风力发电机安装于所述固定支架上；所述风力发电机与所述控制器模块连接；所述风力发电机通过直流母线分别与所述风电系统、所述氢燃料电池系统和所述智能监控系统连接；

12、所述风力发电机用于将风能转换为电能，并向低温电池储能系统充电；

13、所述控制器模块用于对所述风力发电机进行过电流限制，并向智能监控系统发送所述风力发电机的运行参数。

14、可选的，所述低温电池储能系统包括：

15、低温蓄电池组和双向储能变流器；

16、所述低温蓄电池组与所述双向储能变流器连接；所述双向储能变流器通过直流母线分别与所述风电系统、所述氢燃料电池系统和所述智能监控系统连接；

17、所述低温蓄电池组用于储能，平抑风力发电的波动性，平滑负荷；

18、所述双向储能变流器用于直流转换。

19、可选的，所述氢燃料电池系统包括：

20、氢控制器和依次连接的电解制氢装置、储氢装置和氢燃料电池发电装置；

21、所述氢燃料电池发电装置通过直流母线分别与所述风电系统、所述低温电池储能系统和所述智能监控系统连接；

22、所述储氢装置和所述氢燃料电池发电装置之间设置有开关；

23、所述氢控制器与所述开关连接；所述氢控制器用于控制所述开关的开度；

24、所述氢燃料电池发电装置用于将氢气和氧气的化学转换成电能，并向低温电池储能系统充电。

25、可选的，所述智能监控系统包括：

26、微型气象站、gps模块、摄像头、铱星模块、工业控制模块、msp430模块、功率测量模块、pdu模块和工控机；

27、所述gps模块、所述摄像头和所述铱星模块均与所述msp430模块连接；所述微型气象站、所述msp430模块、所述功率测量模块、所述pdu模块和所述工控机均与所述工业控制模块连接；所述铱星模块与远程监控系统连接；所述工控机分别与所述风电系统和氢燃料电池系统连接；所述功率测量模块和所述pdu模块与多个用电设备进行连接；

28、所述微型气象站用于监测实时气象数据；

29、所述gps模块用于获取位置信息；

30、所述摄像头用于获取环境图像信息；

31、所述工业控制模块用于将实时气象数据和位置信息传输至所述msp430模块；

32、所述msp430模块用于将实时气象数据、位置信息和环境图像信息通过所述铱星模块传输至远程监控系统；

33、所述铱星模块用于还用于获取控制指令；

34、所述msp430模块用于传输所述控制指令；

35、所述工业控制模块用于传输所述控制指令；

36、所述pdu模块用于对多个用电设备的进行供电查询、供电连通、供电断开或供电重启；

37、所述功率测量模块用于获取多个用电设备的功率；

38、所述工控机用于采集风机控制器以及氢能控制器的数据并进行控制和指令下发。

39、一种极地离网型风氢供能系统的控制方法，所述方法应用于所述的极地离网型风氢供能系统，所述控制方法包括：

40、获取风电系统的运行参数和低温电池储能系统的运行参数；

41、根据风电系统的运行参数，构建风机模型；

42、根据低温电池储能系统的运行参数，构建蓄电池模型；

43、基于所述风机模型和所述蓄电池模型，构建目标函数；

44、基于约束条件，以目标函数最小为目标求解所述目标函数，得到极地离网型风氢供能系统的最优调度解；

45、基于所述最优调度解调度所述极地离网型风氢供能系统。

46、可选的，所述目标函数为：

47、；

48、其中，为目标函数；α和β均为权重；为经济成本；；为风机购置成本，为蓄电池购置成本，为风机运行成本，为蓄电池运行成本，为可靠性成本；； pcur为切负荷量； ρcur为切负荷惩罚成本。

49、可选的，所述约束条件包括：功率平衡约束、风机约束和蓄电池约束；

50、所述风机约束包括风机功率约束和第一个数约束；

51、所述蓄电池约束包括：容量-功率关系约束：充放电择一约束、充电功率约束、放电功率约束、蓄电池容量约束和第二个数约束。

52、可选的，所述功率平衡约束为：

53、；

54、所述风机功率约束为：

55、；

56、所述第一个数约束为：

57、；

58、所述容量-功率关系约束为：

59、；

60、所述充放电择一约束为：

61、；

62、所述充电功率约束为：

63、；

64、所述放电功率约束为：

65、；

66、所述蓄电池容量约束为：

67、；

68、所述第二个数约束为：

69、；

70、其中，pwt为风机实际功率，pde为柴油发电机输出功率，pdis为蓄电池放电功率，pdis( t)为t时刻的蓄电池放电功率，为蓄电池的放电效率，pch为蓄电池充电功率，为最大充电功率，为最大放电功率，σpload为总负荷量，pcur为切负荷量，pwt,t为t时刻风机实际功率，nwt为风机数量，为风机数量上限，cbs(t)为t时刻蓄电池实际容量，cbs，min表示蓄电池最小储电量，cbs，max表示蓄电池最大储电量，为t-1时刻蓄电池实际容量，为蓄电池自放电率， ηdis为放电效率，为充电效率，c为充电状态，d为放电状态，nbs为蓄电池数量，为蓄电池数量上限。

71、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

72、本发明提供的一种极地离网型风氢供能系统及其控制方法，以极地环境为基础，将风电与氢能进行结合，构建风氢耦合系统的基本框架，分析系统的工作模式，建立极地风能、氢能耦合系统。极地离网型风能、氢能供电系统一方面可以最大限度的利用极地丰富的风力资源，减少一次能源的使用；另一方面，本系统采用风氢耦合发电，将风电转化为氢气，有效地缓解风电的随机波动性，钝化了风电对系统稳定的不利影响。