用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法及系统

本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法及系统。

背景技术：

1、随着风光等新能源大规模并网，电力系统惯量进一步降低，严重影响扰动后系统的频率稳定。而由于制氢的绿色性、经济性要求，电制氢装置常需要配合大量新能源电站接入，导致大扰动后含电制氢负荷的系统频率稳定性的维持更加困难，制约了新能源并网与大规模制氢负荷的接入利用。研究表明，负荷参与紧急需求响应计划能够有效缓解系统调频能力不足的问题。电制氢装置具有快速功率调节能力且控制灵活，适宜参与系统大扰动事件后的频率紧急控制，提升系统频率安全性。

2、目前对电制氢装置参与系统频率紧急控制的具体实现方法与调节过程认识不足。要实现电制氢装置对系统频率紧急控制的参与，亟需对电解槽动态响应过程进行精准刻画，而当前对于电解槽功率调节的研究未涉及运行特性中多因素相互作用，难以精确反映功率调节中的瞬态过程，导致相应的电解槽功率调节特性无法适应系统频率紧急控制应用，影响电制氢装置参与调频的具体实施。

3、除此之外，目前系统频率紧急控制模型中尚未将电制氢装置纳入调频资源中，相应的频率响应方程难以体现适应频率紧急控制的电解槽功率调节特性。同时，在频率紧急控制中既要实现快速准确的频率响应，又要兼顾控制经济性，必须协调多种调频资源，实现控制代价的最小化。但目前对电制氢装置辅助调频系统，这方面的研究还有所欠缺，成为制约电制氢装置参与系统频率紧急控制的重要问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法及系统，其目的在于解决电制氢装置参与频率紧急控制难以实现的问题，从而有效提升系统频率紧急控制效果，并使得系统频率控制经济性得以增加。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法，包括：s1，构建电流控制型功率调节模式下电制氢装置的电解槽动态响应模型，将所述电解槽动态响应模型重构为电解槽功率调节特性模型；s2，联合电力系统中的各调频资源，根据所述电解槽功率调节特性模型建立表征电制氢装置辅助调频系统频率控制过程的离散化频率响应方程；s3，以预设扰动事件下系统频率紧急控制代价最小为目标，结合所述离散化频率响应方程，构建满足系统内设备运行限制约束、系统频率安全约束和系统稳控措施约束的频率控制模型；s4，求解所述频率控制模型，得到频率控制决策指令，并在发生所述预设扰动事件时发出所述频率控制决策指令以进行频率控制。

3、更进一步地，所述电解槽动态响应模型包括：

4、iele(t)＝iele,0+(iele,∞-iele,0)δ(t)

5、

6、pele,0＝f(iele,0,φ0)

7、pele,in＝f(iele,∞,φ0)

8、pele,∞＝f(iele,∞,φ∞)

9、其中，iele(t)为动态过程中的电解槽电流，t为时间，iele,0为调节前初始稳态电解槽电流，iele,∞为调节后末稳态电解槽电流，δ(t)为阶跃函数，φ(t)为动态过程中的电解槽流道等效气泡覆盖率，φ0为调节前初始稳态电解槽流道等效气泡覆盖率，φ∞为调节后末稳态电解槽流道等效气泡覆盖率，l为电解槽流道长度，v为电解质流速，i0为调节前初始稳态电解槽电流密度，i∞为调节后末稳态电解槽电流密度，t为电解槽运行温度，t0为电解槽初始温度，p为电解槽运行压力，p0为电解槽初始压力，a、b、c为反映稳态下电解槽电流-流道等效气泡覆盖率关系的三个经验参数，pele,0为调节前初始稳态电解槽功率，f表示电解槽功率是电流与流道等效气泡覆盖率的二元函数，pele,in为调节后瞬态电解槽功率，pele,∞为调节后末稳态电解槽功率。

10、更进一步地，所述电解槽动态响应模型中电解槽运行点满足：

11、ucell＝urev+uact.a+uact.c+uohm

12、

13、pele＝ncellucelliele＝f(iele,φ)

14、其中，ucell为电解槽电压，urev为电解槽可逆电压，uact.a为阳极活化电压，uact.c为阴极活化电压，uohm为欧姆电压，r为理想气体常数，t为电解槽运行温度，n为电解反应转移电荷数，αa、αc分别为电解槽阳极、阴极的转移系数，f为法拉第常数，iele为电解槽电流，j0,a、j0,c分别为电解槽阳极、阴极的等效交换电流密度，s为电解槽极板反应面积，φ为电解槽流道等效气泡覆盖率，rohm为电解槽欧姆电阻，δ1为电解质等效电导率，l为阴阳两极板间距，pele为电解槽功率，ncell为电解槽串联的单槽电解单元数量，f表示电解槽功率是电流与流道等效气泡覆盖率的二元函数。

15、更进一步地，所述电解槽功率调节特性模型包括：

16、

17、δpele,in＝pele,0-pele,in

18、δpele,∞＝pele,0-pele,∞

19、其中，δpele(t)为电解槽功率调节量，δpele,in为电解槽功率瞬态调节量，δpele,∞为电解槽功率末态调节量，tele为电解槽的流场气泡效应动态时间常数，pele,0为调节前初始稳态电解槽功率，pele,in为调节后瞬态电解槽功率，pele,∞为调节后末稳态电解槽功率。

20、更进一步地，所述离散化频率响应方程为：

21、

22、tg,iδpg,i,n+1＝tg,iδpg,i,n+(-δpg,i,n-kg,iδfn)δt

23、δpgl,i,n＝δpg,i,n-mgp,i,n+mgn,i,n

24、其中，h为系统惯量，δfn为第n个时间步的系统频率偏差，δpc为预设扰动事件造成的系统功率波动量，δpcut.g为预设扰动事件下稳控措施的火电机组切除量，δpcut.r为预设扰动事件下稳控措施的新能源机组切除量，δpgl,i,n为预设扰动事件下火电机组i在第n个时间步的频率响应调节量，ng为系统内火电机组数量，δpele,n为预设扰动事件下电解槽在第n个时间步的频率响应调节量，d为系统负荷阻尼系数，ug,i为表示火电机组i是否切机的状态变量，pg,i为调度计划中火电机组i的出力，δpele,∞为电解槽功率末态调节量，δpele,in为电解槽功率瞬态调节量，δt为时间步长，tele为与电解槽流场条件相关的流场气泡效应动态时间常数，tg,i为火电机组i的调频时间常数，δpg,i,n为不考虑限幅时火电机组i在第n个时间步的频率响应调节量，kg,i为火电机组i的功频特性系数，mgp,i,n、mgn,i,n为考虑限幅因素的火电机组i在第n个时间步的两个辅助变量。

25、更进一步地，所述频率控制模型的优化目标为：

26、

27、其中，f为目标函数，ch为系统电制氢装置频率响应单位控制代价，δpcut.ele为预设扰动事件下电制氢装置频率响应调节量，cg为系统稳控措施下火电切机单位控制代价，δpcut.g为预设扰动事件下稳控措施的火电机组切除量，cr为系统稳控措施下新能源切机单位控制代价，δpcut.r为预设扰动事件下稳控措施的新能源机组切除量，cf为火电机组限幅辅助变量惩罚系数，mgp,i、mgn,i为考虑限幅因素的火电机组i的两个辅助变量，ng为系统内火电机组数量。

28、更进一步地，所述系统内设备运行限制约束包括：电解槽输入功率约束、电解槽电流约束、电解槽流道等效气泡覆盖率约束、电解槽调频备用约束和火电机组调频备用约束；所述系统频率安全约束包括：系统最大频率变化率约束、最大频率偏差约束、准稳态频率约束和调频资源出力限制约束；所述系统稳控措施约束包括：电制氢装置频率响应调节量约束和新能源电站机组切除量约束。

29、按照本发明的另一个方面，提供了一种用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制系统，包括：处理器；存储器，其存储有计算机可执行程序，所述程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述的用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法。

30、按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法。

31、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

32、(1)提供了一种用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制方法，通过对电流控制型功率调节模式下电解槽动态响应过程与功率调节特性的精确建模，实现电制氢装置对系统频率紧急控制的有效参与，促进了含电制氢负荷系统调频效能的提升，确保电力系统安全稳定运行；

33、(2)提供的适用于电制氢装置辅助调频系统的频率控制模型，能够准确反映扰动事件后电制氢装置等多种调频资源作用下的频率响应情况，通过在线预决策方式得到决策方案，降低了系统频率紧急控制代价，保证系统频率紧急控制的有效性与经济性。