一种光伏电解水制氢典型工况生成方法及其应用

技术领域

本发明涉及的是氢能生产领域，针对光伏电解水制取绿氢的电解槽侧工况分析，尤其是涉及一种光伏电解水制氢典型工况生成方法。

背景技术

随着“双碳”目标的提出，可再生能源发电在我国电力系统电源结构中的比重越来越高。然而，以光伏为例，其白天黑夜出力的大峰谷差与白天时段出力波动性在导致其并网困难

电解水制氢是一种绿色制氢技术，氢能可实现长时间、大容量存储，对于季节和日波动特性明显的光伏出力具有很好的契合性。光伏电解水产生的“绿氢”，是实现绿色低碳转型的重要载体，将成为国家能源体系的重要部分。氢能在未来具有非常广阔的市场前景，随着《“十四五”能源领域科技创新规划》的提出，我国将构建完善的“制储运用”一体化的氢能产业链，并积极建设一批相关的示范工程项目。质子交换膜电解水制氢具有分钟级甚至秒级的功率响应能力，且运行的功率范围能从5％一150％额定功率，更能够适应光伏出力的强波动性，因此在光伏制氢领域应用广泛，但是质子交换膜电解制氢存在的问题是电解槽材料成本高，产业化较为困难。在变化幅度相当大的光伏波动输入以及频繁的启停下，质子交换膜电解槽会产生性能退化的现象，例如膜的降解与催化剂的活性下降，这会导致制氢效率的下降。

电解槽的典型工况是指模拟测试电解槽典型应用场景下的工作模式。然而对于PEM电解槽在孤立制氢场景的典型工况研究尚未设定相关标准。对电解制氢电解槽的典型工况的研究，能够为实验室条件下电解槽适应性分析与寿命性能衰减规律探究提供测试输入条件，从而构建得到适应性评价体系，有利于规范相关行业准则，加快可再生能源制氢领域的发展。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种光伏接入电解槽制氢场景下的电解槽典型工况的提取方法，以解决目前暂无电解槽制氢典型工况的情况。

本发明考虑了光伏的时频特征与电解槽在波动输入下存在的性能衰减，得到“三北”地区下用光伏制取绿氢场景下的电解槽工作功率特性。

本发明所采用的技术方案如下：

步骤S1、采用经验小波变换对原始光伏出力曲线P进行模态分解；

步骤S2、对每个模态采用特征指标对光伏出力曲线降维分析，将分解后的曲线分为三个时段再进行工况特征提取；

步骤S3、采用客观赋权法对特征指标序列配置权重，进而使用带权模糊聚类方法处理特征指标序列，得到典型的特征指标序列；

步骤S4、根据特征指标序列重构得到简化后的电解制氢典型工况曲线，按照典型特征指标相应类型的占比构建得到含场景概率的典型工况曲线。

有益效果

本发明提出了光伏直接耦合电解制氢的质子交换膜电解槽典型工况生成方法，弥补了之前尚无质子交换膜电解槽相关的工况制订规则的缺陷。

本发明利用经验小波变化处理光伏出力曲线，能够将光伏出力曲线分解为“基础出力+波动出力”的频率分量模式，便于后续特征指标的提取；本发明考虑了光伏出力的波动特征与电解槽的衰减特性，综合地提出了一种特征提取、聚类分析、简化重构的工况生成方法，经算例验证，该方法重构的曲线与原始曲线具有良好的相似性，能够良好表征典型光伏出力场景下电解槽工作模式；并提出了完整的工况生成流程、有较好的可操作性与可移植性。

附图说明

图1为本发明实施过程中的整体流程图；

图2为本发明中经验小波变换对光伏出力曲线分解的示意图；

图3为根据特征重构曲线的示意图；

图4为本发明中带权模糊聚类后的各类典型特征序列对应原始曲线与重构后曲线的对比图；

图5为生成最终简化典型工况的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方案进行详细说明。基于本发明中的实施方案，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方案，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，其为本发明提出的光伏电解制氢工况曲线生成的整个操作的流程图。

参照图1内容，具体的光伏电解制氢典型工况生成步骤如下：

步骤S1、采用经验小波变换对原始光伏出力曲线进行模态分解；

步骤S101、将光伏出力功率曲线P的频域频带划分，划分的方法采用locmaxmin法，得到在归一化后的傅里叶频谱的支撑区间。

A

式(1)中，Λ

步骤S102、设计由经验小波函数ψ

式(3)和式(4)中，τ

步骤S103、细节系数

式(5)、(6)中，表示两个信号的内积，F

步骤S104、根据需求设定频率分量阈值δ，在归一化傅里叶频谱中按该阈值划分各个区间归属于低频、中频、高频分量的其中一种。

低频分量反映曲线的整体走势，中频分量反映曲线的波动程度，高频分量反映出力曲线的误差与电力电子设备的纹波，电解堆无需承担该部分，以滤波方式去除。

本发明设定低频分量阈值为0.05，中频分量阈值为0.1，分解后的各个分量由图2展示。图2表示将某天光伏出力曲线数据按局部极大极小值(locmaxmin)规则划分区间并以经验小波变换处理后的各个分量示意图，即步骤S101-S104操作后的结果。其中低频分量符合理想的光伏出力曲线走势，中频分量体现了光伏出力在不同时段的波动特性，高频分量以滤波的方式去除，不参与电解制氢。

步骤S2、对每个模态采用特征指标对光伏出力曲线降维分析，将分解后的曲线分为三个时段再进行工况特征提取；

步骤S201、对电解槽的衰减特性进行分析，电解制氢的电解槽在波动输入下会产生性能衰减，其中主要影响电解堆寿命的三类衰减分别是膜降解，催化剂降解，多孔传输层氧化。

在不同输入电流密度下质子交换膜中的氟化物在机械应力与化学反应的双重作用下具有不同的降解速率，并且降解会导致膜厚度、膜电导率的降低，氢氧渗透系数的提升。

在输入电流发生突变下，会主要产生阳极铱催化剂的溶解、中毒、迁移、氧化等现象，引起其有效表面积减小，结果是交换电流密度下降，活化区域电阻增加。

在持续的输入电流下，含钛的多孔传输层(porous transport layer，PTL)出现氧化现象，造成欧姆电阻的升高，提高欧姆过电压，若在含钛PTL上添加一层铱涂层作为保护膜，则能够抑制氧化钛的形成，提高电解池性能。

电解制氢电解槽在极端电流密度下与突变输入下会产生性能衰减，工况指标需对电流密度大小与电流密度波动进行提取。

步骤S202、结合光伏出力的波动性与电解槽的衰减特性，提取步骤S1得到的低频、中频分量的特征指标。

先将光伏出力时段分解为三个典型时段：上午时段即7：00-11：00；中午时段即11：00-13：00；下午时段即13：00-17：00，并分别用下标1、2、3表示。

以光伏出力曲线的低频分量为基础，定义如下两个特征指标：

1)中午时段平均值，能够反映最大光伏出力时段的平均大小与电解槽最大负载水平。

2)上午时段、下午时段爬坡率，能够反映光伏出力在某一时段内的变化速度与电解槽的变载速率。

以光伏出力曲线的中频分量为基础，定义如下两个特征指标：

3)上午时段、中午时段、下午时段波动幅值，能够衡量光伏出力曲线中频分量的平均峰谷差与电解槽的功率波动大小。

4)上午时段、中午时段、下午时段波动频率，能够衡量光伏出力曲线中频分量的峰谷数量与电解槽的功率波动速度。

式(9)-(12)中，X

步骤S3、采用客观赋权法对特征指标序列配置权重，进而使用带权模糊聚类方法处理特征指标序列，得到典型的特征指标序列。

步骤S301、对步骤S2提取的特征序列进行特征权重配置，得到带权模糊聚类分析的权重项。

采用客观赋权法对特征序列赋权，先把光伏出力特征序列归一化，再用指标变异性s

式(13)中，

步骤S302、根据聚类有效性函数确定最优聚类数c。

适用于模糊聚类的聚类有效性函数g由下式给出：

g(U，V)＝wsd-sep(17)

式(17)中，wsd表示类内样本的聚拢度，sep表示类与类之间的分离度。

式(18)中，参数

式(19)中，重叠度函数

当函数g的值最小时，对应的聚类数c为最优聚类数。

步骤S303、采用带权模糊聚类分析对赋权后的特征序列进行聚类。

具体的聚类操作为，重复迭代求解隶属度函数U和聚类中心V，直到距离函数F达到最小值或者迭代次数达到上限。带权模糊聚类分析的迭代公式为：

式(20)中，n为样本总个数，c为聚类数，m是特征指标总个数，U

步骤S4、根据特征指标序列重构得到简化后的电解制氢典型工况曲线，按照典型特征指标相应类型的占比构建得到典型出力曲线。

步骤S401、利用每一类典型特征序列的最大出力指标X

步骤S402、利用每一类典型特征序列的爬坡率指标X

步骤S403、利用每一类典型特征序列的每个出力时段下波动幅值指标X

步骤S404、将简化的低频分量与中频分量信号叠加，得到每一类典型场景下的简化光伏电解制氢电解槽工况曲线。

图3为步骤S401-S404重构部分的示意图。该示意图是对步骤S401—一S404的概括，即利用提取的特征指标作为重构数据的依据，将爬坡率与工况出力水平重构成新的低频分量，波动幅值与波动频率(统称为波动率)重构成新的高频分量，两个分量叠加即为新生成的简化光伏电解制氢电解槽工况曲线。

步骤S405、计算各个典型场景对应光伏出力特征序列的聚类簇占比，按该占比重新构建，生成包含场景发生概率的光伏电解制氢电解槽工况曲线。

步骤S406、若需要进一步满足实验室测试简化要求，则可以对生成曲线进行平滑，选取电解制氢电解槽的典型功率工作点，制订平滑规则，将附近的功率出力点归为典型的功率工作点，对生成的电解制氢典型工况曲线作进一步的简化。

具体的平滑规则如下表所示：

表1工况功率区间化简平滑规则

以三北某偏远地区光伏电站3年的出力数据作为基础数据，其中剔除了一些场站维护或者极少概率出现的极端天气对应的数据，光伏电站的额定容量为20MW，PEM电解堆栈的总额定容量为10MW。

应用本发明的工况生成方法处理该数据，能够得到所有出力数据经分解后得到的三大类分量，经特征提取与聚类分析后，得到对应的聚类后特征序列，再根据该序列重构成简化的测试用工况曲线。

本发明提出的聚类方法得到的聚类结果如下。

表2第一类聚类结果特征序列

表3第二类聚类结果特征序列

表4第三类聚类结果特征序列

表5第四类聚类结果特征序列

第一类聚类结果的X1最大，X2、X3值较大；X4大、X7小；X5小、X8大；X6小、X9大；代表晴天下的电解槽工作曲线，以均匀的速率变载到过载工况，再以均匀的速率变载至停机，中间的波动程度较小。

第二类聚类结果的X1、X2、X3值较大；X4、X7较小；X5、X8较小；X6、X9较小；代表阴天小波动下的电解槽工作曲线，在爬坡过程中叠加了低频率高幅值的分量。

第三类聚类结果的X1最小，X2很小、X3最大；X4、X7很小；X5、X8很小；X6、X9很小；代表雨雪天下的电解槽工作曲线，基本处于低载工况范围。

第四类聚类结果的X1、X2、X3值较大；X4、X7较大；X5、X8较大；X6、X9较大；代表阴天大波动下的电解槽工作曲线，在爬坡过程中叠加了高频率低幅值的分量。

该特征序列对应的原始出力曲线与利用该特征序列简化重构后的曲线对比图如图4所示。图4为4类典型工况曲线重构前后的比较图，体现了本发明的工况曲线化简方法能够正确地还原出原始出力曲线的总体功率大小与波动情况，即本发明提出的化简方法具有一定的有效性，生成的工况曲线既有易于实施测试的优势，又能保留典型光伏出力曲线的出力特征，具有测试意义。

对简化后的典型曲线与原始曲线进行平均绝对百分误差(MAPE)的计算，计算结果如下表所示。

表6简化工况曲线与原始曲线的平均绝对百分误差值

在时序上并无严格对齐的情况下，计算得的平均绝对百分误差值仍小于0.4的范围，证明了本发明提出的简化方法的有效性。

图5展示了最终按比例构建生成的最终简化工况曲线，该工况曲线从0min开始启动，在质子交换膜电解槽5％-150％输入范围内将上述重构生成的简化典型工况曲线按场景出现比例生成，最后停机，形成一次完整的工况测试。整个测试过程持续11520min，需要循环测试时，可在启停过程中重复添加简化典型工况曲线。该图展示了不同光伏输入场景比例下电解槽工作时的出力大小范围与功率变化情况。

本发明的技术方案通过经验小波变换将光伏出力曲线按出力特征分解，并将光伏出力特性与电解槽工作特性相结合，根据特征序列聚类的模式，提出了一种光伏电解制氢电解槽典型工况生成方法，解决了目前尚无光伏输入的质子交换膜水电解槽测试工况的相关生成技术的空白，并为后续电解制氢电解槽的性能衰减测试提供基础输入数据、对其性能衰减特性的深入探究具有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。