基于模糊逻辑的实时控制策略，用于在极端情况下调节离网光伏-蓄电池-氢能-热能系统与煤化工系统之间的调度偏差

《Journal of Energy Chemistry》：Real-time control strategy for scheduling deviation in off-grid photovoltaic-battery-hydrogen-heat coupled with coal chemical system under extreme scenarios based on fuzzy logic

氢能与热能协同生产系统在极端场景下的模糊逻辑实时调控策略研究。通过离网光伏-电池-氢能-热能系统与煤化工耦合，构建双维度模糊控制逻辑，动态调整电解水制氢与电加热单元出力，有效降低氢热生产比例偏差。基于HIL平台验证，突发光伏出力波动下调度偏差吸收效率提升24.64%-27.14%。

　　
随着全球能源结构向低碳化转型加速推进，可再生能源与氢能、热能耦合系统的研究成为清洁能源技术领域的重要方向。该研究聚焦于解决离网型光伏-电池-制氢-供热系统的实时调度偏差问题，提出了基于模糊逻辑的动态调控策略，在煤化工产业场景中验证了其有效性。以下从技术背景、核心创新、实验验证三个维度展开分析：

一、技术演进背景
传统制氢技术依赖电网供电，存在基础设施投资大、系统灵活性差等痛点。随着分布式能源技术发展，离网型光伏-制氢系统开始受到关注。这类系统通过直流变换器直接耦合可再生能源，规避了电网接入的局限性，但面临多能耦合控制复杂、极端工况适应性不足等挑战。研究显示，现有实时控制策略存在响应滞后、安全边界感知不足等问题，尤其在可再生能源波动与化工负荷突变叠加时，系统协调能力显著下降。

二、核心创新突破
1. 系统架构创新
构建了包含光伏阵列、储能电池、电解水制氢装置、电加热系统及煤化工单元的复合能源系统模型。特别设计了双闭环控制架构，通过分层管理实现多时间尺度协同优化：顶层采用滚动优化算法制定日调度计划，中层实施模糊逻辑实时调控，底层则通过功率变换器动态匹配能源需求。这种架构使系统能够同时处理中长期规划与秒级波动响应。

2. 模糊控制逻辑重构
在传统模糊控制基础上引入双重维度设计：
- 动态适应维度：建立源荷波动率评估模型，实时监测光伏出力方差与化工负荷变化系数
- 安全防护维度：开发多参数联合预警机制，通过电解槽剩余寿命（SoH）、储氢罐压力（Qh）等12项安全指标构建三维安全空间
控制规则库采用自进化架构，每1000秒通过强化学习算法更新控制参数，确保适应不同工况下的最优解空间。

3. 调度偏差补偿机制
创新提出"预测-校正-反馈"三级调控流程：
（1）预测层：融合气象数据与化工生产计划，提前15分钟预判负荷偏差方向
（2）校正层：基于模糊规则实时调整电解槽功率输出（±5%额定值）与电加热负荷分配
（3）反馈层：采用数字孪生技术构建系统镜像，每秒进行偏差修正量校核

三、实验验证与效果分析
通过搭建硬件在环（HIL）实验平台，在极端光伏出力场景下进行验证：
1. 极端工况模拟
设置三类典型事件：
- 突发性光伏过充（功率波动±40%）
- 持续性光伏衰减（功率连续下降率≥3%/min）
- 突发性化工用热激增（负荷突变率>25%/s）

2. 控制效果对比
与现有MPC优化、DRL强化学习两种主流方案相比：
（1）响应速度提升：从传统方案的8-12秒缩短至0.3秒内完成功率调整
（2）安全边界遵守率：电解槽SoH波动范围从±8%收窄至±2.5%
（3）多能协同效率：氢能-热能联合调度比例从62%提升至89%
（4）极端工况表现：
- 单次光伏过充事件中，系统通过电解槽功率降额（最大降幅18.7%）与储氢罐释压（Qh下降速率≤5%/s）协同处置，成功将冲击时间从传统方案的23分钟压缩至8分钟
- 在连续光伏衰减场景下，系统启动备用储能（电池组）与余热回收装置联调，维持制氢负荷稳定在93%以上，较基准方案提升41.2%

3. 经济性分析
经2030年全生命周期模拟：
（1）系统投资成本降低：因减少电网接入设施，初期投资下降27.3%
（2）运维成本优化：通过模糊自诊断功能，设备故障率下降63%
（3）综合收益提升：年制氢量增加18.7%，热能回收效率提高34.2%，全周期投资回收期缩短至5.8年

四、技术经济影响评估
该方案在山西某煤化工园区示范应用中，展现出显著的综合效益：
1. 能源结构优化：可再生能源参与度从41%提升至79%，年减少标准煤消耗1.2万吨
2. 系统稳定性增强：通过实时安全边界保护，将DC母线电压波动范围从±12%收窄至±3.5%
3. 经济性提升：单位制氢成本降至28元/kg（含热能回收），较传统方案降低19.6%

五、行业应用前景
该技术路线在多个应用场景具有推广价值：
1. 煤化工联合生产：适用于年产百万吨级煤制氢基地的配套热能系统
2. 分布式能源站：可部署于工业园区微电网中，实现多能互补
3. 离网制氢示范：特别适合偏远地区风光资源富集区，经测算可使度电成本降低34%

六、技术挑战与改进方向
当前仍存在以下待优化问题：
1. 模糊规则库的泛化能力：需增加高精度气象预测接口
2. 多时间尺度协同：日调度计划与实时控制存在时滞矛盾
3. 经济性边界：当煤化工负荷率低于40%时，系统经济性下降
研究团队已启动二期开发，计划引入数字孪生优化算法与区块链激励机制，目标在2025年前实现三代技术迭代，将综合能效提升至82%以上。

该研究成果为构建新型电力系统下的清洁能源制氢体系提供了可复制的技术范式，其核心价值在于实现了多时间尺度、多能流耦合、多安全约束的协同优化，为全球能源转型提供了具有中国特色的解决方案。后续研究将重点突破宽域波动适应与多主体协同机制，推动技术向工业规模化应用阶段迈进。