风光氢热电综合利用电站的控制方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及电网控制技术领域，特别是涉及一种氢能综合利用电站控制方法、系统、设备及介质。

背景技术

“以电为主、电氢融合”，是利用氢能的储能和灵活优势，支撑新型电力系统优化构建，实现能源电力系统“双碳”发展目标的重要思路。氢能作为具有物质和能量双重属性的二次能源，其可存储性有效弥补了电能作为二次能源的局限性；氢能还可以作为终端能源广泛使用，推动能源产业由“产供用”相对独立向综合能源服务转变，从而提供更匹配的专业服务。风光氢热电综合利用电站将打破氢能多场景高效综合利用的瓶颈，成为支撑新型电力系统灵活调节的重要手段，实现电力与工业、建筑、交通等行业深度融合，构建以电为核心的低碳能源互联网。

风光氢热电综合利用电站在运行控制策略、调峰支撑能力和业务模式等方面仍需突破和验证。在负荷密集区域采用并网型可再生能源制氢模式发展满足电、氢、热等多元负荷需求的电氢融合能源枢纽，为促进源侧可再生电力消纳，提高网侧灵活调节能力，拓展荷侧多能供应服务提供了新思路。风光氢热电综合利用电站包含风/光发电、电制氢、储氢、充电、注氢、燃料电池热电联供等诸多环节，涉及电转氢、氢转电/热等能源转换以及储存、释放等能源储输过程，涵盖电、热、气多物理场耦合，源侧和荷侧频繁且快速的波动使得运行工况多变，在后续落地实践中，市场潜力、业务模式、运营方案等经济性问题还有待理清。

传统的氢储能电站是在用电低谷时将电能转换为氢气进行长时间存储，在用电高峰时将氢能转换为电能进行发电，通过峰谷电价差赚取运营费用。但是氢储能电站在运营时始终面临着以下问题，

1、氢能电站的电-氢-电转换不灵活，其运行方案未考虑电网需求和风电、光电等新能源发电量变化，未实现通过氢能的储能属性使得风电和光伏发电系统平滑并网，峰谷电价差实现盈利。

2、电力系统中大量并网的风电和光电发电不受系统调度，其发电不灵活，造成发电系统火电机组需要进行深度调峰以适应电网需求，降低了电力系统灵活性和运行上下限。

目前，氢储能电站通过利用氢能的优秀二次能源属性，扩展氢能的利用领域。然而，如何将风能、光能、氢能、热能、电能高效利用，灵活控制多种能源耦合，实现经济化运行是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风光氢热电综合利用电站的控制方法、系统、设备及介质，以充分调动综合能源电站所有能源形式，响应电网调度，降低弃风弃光等能源损耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种风光氢热电综合利用电站的控制方法，所述控制方法应用于风光氢热电综合利用电站，所述风光氢热电综合利用电站包括：风力发电系统、光伏发电系统和燃料电池发电系统；所述控制方法包括：

获取调度指令、氢气储量和电站实时发电量；所述电站实时发电量包括：风力发电量和光伏发电量；

判断所述调度指令为发电指令还是负荷指令；所述发电指令表征电网匮电，所述负荷指令表征电网电量富余；

当所述调度指令为发电指令时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，根据所述电站实时发电量和目标发电功率计算发电量缺口，并在所述氢气储量能够弥补所述发电量缺口时，利用所述燃料电池发电系统发电并网，在所述氢气储量不能弥补所述发电量缺口时，购买氢气发电并网；

当所述调度指令为负荷指令时，将所述风力发电系统、所述光伏发电系统和市电用于制氢储能，并在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气。

可选地，所述燃料电池发电系统包括：燃料电池热电联供系统；所述控制方法还包括：

获取当前室温，并判断所述当前室温是否小于温度阈值；

当所述当前室温小于温度阈值时，将所述燃料电池热电联供系统接入厂内生活区，对厂内生活区进行供暖；

当所述当前室温大于或等于温度阈值时，将所述燃料电池热电联供系统接入制氢车间，对制氢系统进行热机。

可选地，所述控制方法还包括：

判断是否处于用电高峰期；

当处于用电高峰期时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，并判断所述氢气储量是否低于储氢阈值；

当所述氢气储量低于储氢阈值时，购买氢气发电并网；

当所述氢气储量超出或等于储氢阈值时，利用所述燃料电池发电系统发电并网；

当未处于用电高峰期时，维持所述风光氢热电综合利用电站正常运行。

可选地，所述控制方法还包括：

当所述光伏发电量大于光伏发电量阈值时，获取当前上网电价；

当所述当前上网电价为低谷电价时，将所述光伏发电系统用于制氢储能；

当所述当前上网电价为峰值电价时，将所述光伏发电系统并网，并利用所述燃料电池发电系统补偿发电。

可选地，所述控制方法还包括：

当光照强度低于设定强度时，获取当前上网电价；

当所述当前上网电价为低谷电价时，利用所述燃料电池发电系统发电并网；

当所述当前上网电价为峰值电价时，将市电用于制氢储能。

可选地，所述控制方法还包括：

当所述风力发电量大于风力发电量阈值时，获取当前上网电价；

当所述当前上网电价为低谷电价时，将所述风力发电系统用于制氢储能；

当所述当前上网电价为峰值电价时，将所述风力发电系统并网，并利用所述燃料电池发电系统补偿发电。

可选地，在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气，具体包括：

在所述氢气储量超出储氢阈值时，判断是否处于风光大发季节；

当处于风光大发季节时，售卖全部氢气；

当未处于风光大发季节时，售卖超出储氢阈值部分的氢气，并在用电高峰期利用所述燃料电池发电系统发电并网。

一种风光氢热电综合利用电站的控制系统，所述控制系统应用于风光氢热电综合利用电站，所述风光氢热电综合利用电站包括：风力发电系统、光伏发电系统和燃料电池发电系统；所述控制系统包括：

获取模块，用于获取调度指令、氢气储量和电站实时发电量；所述电站实时发电量包括：风力发电量和光伏发电量；

判断模块，用于判断所述调度指令为发电指令还是负荷指令；所述发电指令表征电网匮电，所述负荷指令表征电网电量富余；

第一执行模块，用于当所述调度指令为发电指令时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，根据所述电站实时发电量和目标发电功率计算发电量缺口，并在所述氢气储量能够弥补所述发电量缺口时，利用所述燃料电池发电系统发电并网，在所述氢气储量不能弥补所述发电量缺口时，购买氢气发电并网；

第二执行模块，用于当所述调度指令为负荷指令时，将所述风力发电系统、所述光伏发电系统和市电用于制氢储能，并在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的风光氢热电综合利用电站的控制方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的风光氢热电综合利用电站的控制方法。

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：

本发明提供的风光氢热电综合利用电站的控制方法，通过在调度指令为发电指令时，将风力发电系统和光伏发电系统并网，根据电站实时发电量和目标发电功率计算发电量缺口，并在氢气储量能够弥补发电量缺口时，利用燃料电池发电系统发电并网，在氢气储量不能弥补发电量缺口时，购买氢气发电并网，在调度指令为负荷指令时，将风力发电系统、光伏发电系统和市电用于制氢储能，并在氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气，能够合理高效控制氢能综合利用电站内多种能量耦合运行，突破传统氢能在实际生产应用中的桎梏，使得风电、光伏等新能源发电站平滑并网，响应电网调度，降低弃风弃光等能源损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的风光氢热电综合利用电站的工作原理图；

图2为本发明提供的风光氢热电综合利用电站的控制方法的流程图；

图3为本发明提供的光伏发电系统的运行逻辑图；

图4为本发明提供的夜间储氢系统的运行逻辑图；

图5为本发明提供的风力发电系统的运行逻辑图；

图6为本发明提供的热电联供系统的运行逻辑图；

图7为本发明提供的储氢系统的储氢量控制逻辑图；

图8为本发明提供的7、8、9月份用电高峰的发电逻辑图；

图9为本发明提供的燃料电池发电系统参与调峰的运行逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种风光氢热电综合利用电站的控制方法、系统、设备及介质，以充分调动综合能源电站所有能源形式，响应电网调度，降低弃风弃光等能源损耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本发明实施例提供一种风光氢热电综合利用电站的控制方法。所述控制方法应用于风光氢热电综合利用电站，所述风光氢热电综合利用电站包括：风力发电系统、光伏发电系统和燃料电池发电系统，其工作原理如图1所示，输入为风电、光电、市电和氢，可以采用PEM电解水制氢系统将风电、光电和市电转换为氢能输出，或采用储氢系统储氢，或采用PEM燃料电池发电系统将氢转化为电能和热能输出，能够实现储能、售氢、加氢、调峰发电和供热等多种功能。

基于风光氢热电多能耦合的氢能综合系统的控制系统采用市电、光伏、风电多种能源输入形式，利用质子交换膜电解槽和质子交换膜燃料电池灵活转换，产生电能、热能、氢能等多种二次能源存储利用，在电网系统中可有效削峰填谷，响应电网调度，能够有效解决在光伏和风电等新能源发电系统并网造成的发电不平衡问题，配合电力系统稳定运行。本发明提供的风光氢热电综合利用电站的控制方法，可以根据分时电网电价和各能源形式价格，在不同季节和不同时间段，采用不同的能量管理模式，实现最优化运行。

如图2所示，本发明提供的风光氢热电综合利用电站的控制方法包括：

步骤S1：获取调度指令、氢气储量和电站实时发电量；所述电站实时发电量包括：风力发电量和光伏发电量。

步骤S2：判断所述调度指令为发电指令还是负荷指令；所述发电指令表征电网匮电，所述负荷指令表征电网电量富余。

步骤S3：当所述调度指令为发电指令时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，根据所述电站实时发电量和目标发电功率计算发电量缺口，并在所述氢气储量能够弥补所述发电量缺口时，利用所述燃料电池发电系统发电并网，在所述氢气储量不能弥补所述发电量缺口时，购买氢气发电并网。

步骤S4：当所述调度指令为负荷指令时，将所述风力发电系统、所述光伏发电系统和市电用于制氢储能，并在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气。

进一步地，所述控制方法还包括：当所述光伏发电量大于光伏发电量阈值时，获取当前上网电价；当所述当前上网电价为低谷电价时，将所述光伏发电系统用于制氢储能；当所述当前上网电价为峰值电价时，将所述光伏发电系统并网，并利用所述燃料电池发电系统补偿发电。

具体地，如图3所示，当光照较强，上网电价为低谷电价(即未处于用电高峰期)时，将光伏电能输入质子交换膜制氢系统，采用光伏制氢储能；当光照较强，上网电价为峰值电价(即处于用电高峰期)时，采用光伏并网发电，同时采用氢燃料电池补偿发电，使氢能电站上网电量平稳，提高发电质量。

进一步地，所述控制方法还包括：当光照强度低于设定强度时，获取当前上网电价；当所述当前上网电价为低谷电价时，利用所述燃料电池发电系统发电并网；当所述当前上网电价为峰值电价时，将市电用于制氢储能。

具体地，如图4所示，当夜间上网电价为峰值电价时，利用储氢发电，保护电网平衡；当夜间上网电价为低谷电价时，利用市电输入质子交换膜制氢系统，执行制氢功能，减少制氢成本。

进一步地，所述控制方法还包括：当所述风力发电量大于风力发电量阈值(具体为100kw)时，获取当前上网电价；当所述当前上网电价为低谷电价时，将所述风力发电系统用于制氢储能；当所述当前上网电价为峰值电价时，将所述风力发电系统并网，并利用所述燃料电池发电系统补偿发电。

具体地，如图5所示，当风电大发，且上网电价为低谷电价时，利用风电输入质子交换膜制氢系统制氢，执行储氢功能，减少制氢成本；当风电大发，且上网电价为峰值电价时，利用风电上网，同时采用氢燃料电池补偿发电，使氢能电站上网电量平稳，提高发电质量。

进一步地，所述燃料电池发电系统包括：燃料电池热电联供系统；所述控制方法还包括：获取当前室温，并判断所述当前室温是否小于温度阈值；当所述当前室温小于温度阈值时，将所述燃料电池热电联供系统接入厂内生活区，对厂内生活区进行供暖；当所述当前室温大于或等于温度阈值时，将所述燃料电池热电联供系统接入制氢车间，对制氢系统进行热机。优选地，所述温度阈值为10℃。

其中，热电联供的工作原理如下：燃料电池发电过程是一种化学反应，会产生一定的热量，同时其反应温度需要稳定在60℃以上，给燃料电池布置外循环水装置维持温度稳定，逸散的热量通过外循环管道进行热量回收，输入储热水箱，储热水箱的热量最终进入制氢车间进行暖机或者进入厂内生活区进行供暖。

具体地，如图6所示，在冬季室温低于10℃时，燃料电池热电联供系统接入厂内生活区，将余热供给厂内生活区供暖使用；非供暖季节，燃料电池热电联供系统接入制氢车间，辅助制氢系统热机。

进一步地，在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气，具体包括：在所述氢气储量超出储氢阈值(如20％)时，判断是否处于风光大发季节；当处于风光大发季节时，售卖全部氢气；当未处于风光大发季节时，售卖超出储氢阈值部分的氢气，并在用电高峰期利用所述燃料电池发电系统发电并网。

具体地，如图7所示，在氢气存储量超过一定阈值时，将多余氢气售卖或者燃料电池车加氢。储氢阈值视当地电量调控策略、氢气价格、氢气需求和储氢总量等多种因素影响。

进一步地，如图8所示，所述控制方法还包括：判断是否处于用电高峰期；当处于用电高峰期时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，并判断所述氢气储量是否低于储氢阈值；当所述氢气储量低于储氢阈值时，购买氢气发电并网；当所述氢气储量超出或等于储氢阈值时，利用所述燃料电池发电系统发电并网；当未处于用电高峰期时，维持所述风光氢热电综合利用电站正常运行。优选地，所述用电高峰期为7、8、9月份用电高峰。

在参与调峰方面，本发明提供的燃料电池发电系统参与调峰的运行逻辑如图9所示，具体为：当电网处于用电高峰，风电光伏首先并网，并判断风电和光伏处理是否能够达到调峰要求，如能够达到，则将多余处理用于质子交换膜电解槽制氢，如不能达到，即当电网处于用电高峰，亟需长时大量发电弥补电网亏损时，整站将停止制氢，视情况打开风电、光伏、氢燃料电池发电系统，多系统耦合发电，利用氢燃料电池发电系统的快速响应能力配合风电和光伏系统，实现平稳发电并网，保证电网供电平衡；当电网处于用电高峰，且储能电站储氢量不足时，采用购氢发电模式，延长发电时长，同时打开风电、光伏、氢燃料电池发电系统，多系统耦合发电，利用氢燃料电池发电系统的快速响应能力配合风电和光伏系统，实现平稳发电并网，保证电网供电平衡。

此外，当市场对氢气需求量较大时，采用光伏、风电和市电低谷电制氢，快速储氢售卖。

下面提供一个具体实施例，对上述控制方法进行详细说明。

以某10kv并网的兆瓦级氢能综合利用示范站为例，其配备了兆瓦级PEM制氢系统、兆瓦级PEM发电系统、储氢系统、光伏和风电系统。当地全年日照、风力情况下，1兆瓦风力发电机一年稳定发电功率390kw，按照2022年7月分时电价进行运行控制，具体运行情况如下，所制取的99.999％纯度氢气，按照市场无政府补贴价格，以每公斤60元进行采购和售卖；供暖仅在冬天的厂内生活区进行，大大提高了厂区能量利用效率，但是无实际利润产生。

日运行方案：

0:00-8:00此时为低谷时段，电价为0.2834元，采用市电和风电制氢，以制氢4.15kw.h/m

9:00-12:00此时为高峰时段，电价为1.1307，1、7、8、9、12月份为1.1980元，此时光照较强，以当地光照情况计算，光伏约发电1027度，风力发电1170度，并网获利2484元。

12:00-17:00此时为平时段，电价为0.6673，此时光照较强，以当地光照情况计算，光伏约发电1712度，风力发电1950度，并网获利2444元。

17:00-22:00此时为高峰时段，电价为1.1307，1、7、8、9、12月份为1.1980元，光伏发电0度，风力发电1950度，并网获利2205。

22:00-23:00此时为平时段，电价为0.6673，光伏发电0度，风力发电390度，并网获利260元。

23:00-0:00此时为低谷时段，电价为0.2834，采用市电和风电制氢，产氢气220标方，耗电913度，其中风电390度，产生电费148元。

综上，该站按照此种运行方案，一天内共产氢1980标方，产生电费1334元，发电盈利7393元。

年运行方案：

当在1、7、8、9、12高峰月份，为辅助新能源发电系统平滑并网，并实现储能调峰功能，在高峰时段启动氢燃料电池发电，可额外发电3801.6度，同时按照当地储能发电补贴政策，可额外获4554元。

同时在1月和12月，可将氢发电余热进行供暖，厂区内供暖不产生盈利，但减少了供暖费用，提高整站能量利用效率。

在7、8、9月份，当地电力系统严重匮电，需要从外地高价购电时，可采用购氢发电模式，弥补电力系统发电不足，延长发电时长。此时不具备盈利效益，主要发挥电站长时发电能力，具体发电时长和购氢制氢量视电网需求而定。

在2、3、4、5、6、10、11非高峰月份，将制取多余氢气进行售卖，或者给氢燃料电池车进行加注，氢气以市场价格60元/公斤计算，每日制氢1980标方，每日售氢收益最大为10607元。

以传统的氢储能电站作为比较例，其调度、盈利和配合风光进行储能的模式类似于锂离子等电化学储能电站，未充分利用氢储能电站中氢的优秀二次能源属性。在调度方面，传统氢储能电站接受到调度指令后，首先查看氢气量，其次依此计算可发电/负荷的时长，然后响应电网调度，其发电/负荷时长受储氢量控制，当储氢量不足或储氢余量不足时，会造成发电时长/负荷时长短，且未耦合风电和光伏发电情况，造成弃风弃光。在盈利方面，传统氢储能电站通过调峰价差进行盈利，如在电网电价低时，制氢存储，在电网电价高时，利用氢燃料电池发电。其盈利范围小，运行不灵活，转换损耗较大。

与现有技术相比，本发明通过在风光氢热电综合利用电站接受调度指令后，首先计算氢气余量以及风电光伏的实时发电量，如果是发电指令，则将风电光伏并网，然后计算发电量缺口，再用氢燃料电池发电弥补发电不足。如果是负荷指令，则将风电光伏用于制氢，再用市电制氢，达到负荷要求。如果氢气储量不足，而电网仍处于严重匮电阶段，可采用购氢发电，延长发电时间；如果储氢余量不足，而电网仍需要大量负荷消纳富余电量，可以将氢气进行售卖，延长制氢时长。在调度方面，风光氢热电综合利用电站可响应时长，调度范围，风电和光伏发电稳定性，均超过传统储能电站。在盈利方面，风光氢热电综合利用电站可通过售氢、售电、加氢等多种方式盈利，且采用风光制氢的方式减少了新能源并网波动性，降低了制氢成本。

实施例二

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种风光氢热电综合利用电站的控制系统，所述控制系统应用于风光氢热电综合利用电站，所述风光氢热电综合利用电站包括：风力发电系统、光伏发电系统和燃料电池发电系统；所述控制系统包括：

获取模块，用于获取调度指令、氢气储量和电站实时发电量；所述电站实时发电量包括：风力发电量和光伏发电量。

判断模块，用于判断所述调度指令为发电指令还是负荷指令；所述发电指令表征电网匮电，所述负荷指令表征电网电量富余。

第一执行模块，用于当所述调度指令为发电指令时，将所述风力发电系统和所述光伏发电系统并网，根据所述电站实时发电量和目标发电功率计算发电量缺口，并在所述氢气储量能够弥补所述发电量缺口时，利用所述燃料电池发电系统发电并网，在所述氢气储量不能弥补所述发电量缺口时，购买氢气发电并网。

第二执行模块，用于当所述调度指令为负荷指令时，将所述风力发电系统、所述光伏发电系统和市电用于制氢储能，并在所述氢气储量超出储氢阈值时售卖氢气。

实施例三

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器用于运行计算机程序以使电子设备执行实施例一中的风光氢热电综合利用电站的控制方法。所述电子设备可以是服务器。

另外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一中的风光氢热电综合利用电站的控制方法。

综上所述，本发明提供的风光氢热电综合利用电站的控制方法、系统、设备及介质，在其传统的储能电站峰谷价差的运行基础上，考虑电网调峰、调度以及配合风电、光伏平滑并网需求，最终实现多能耦合运行控制和经济化运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。