CN102264950A - 用于从风力电解产生氢气的电力分派系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于将来自产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统。还提供一种用于将来自产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统。

Description

用于从风力电解产生氢气的电力分派系统
技术领域
本发明涉及将风产生的电分配到电解槽模块以用于产生氢气。
背景技术
氢气是重要的工业气体，其广泛用于石油炼制以及合成燃料、氨水和甲醇的制造。氢气还经考虑在未来用于由氢燃料电池引擎或氢内燃机提供动力的氢交通工具(或还部分由电池提供动力的混合氢交通工具)中。大多数当前的氢气供应是通过使用天然气原料的蒸汽甲烷重整而产生。随着例如天然气等基于化石的能源的有限供应和这些能源的价格增长，以及强加碳排放税的可能性，将不利地影响氢气的成本且最终影响氢气的可用性，除非可实施一种替代的清洁且可持续的“原料”。
风力资源代表大量可持续且清洁能量的潜在来源。随着近来天然气成本的增加，在“风力农场”中使用风力涡轮发电机来将可持续、清洁且相对低成本的电力供应到电解槽以用于“绿色”氢气的大规模生产的概念正变为经济上可行的方法。
电解槽使用DC电来通过电化学反应(即，在与电解液接触的电极处发生的反应)将反应物化学品变换为所需的产品化学品。可产生氢气的电解槽包含：水电解槽，其从水和电产生氢气和氧气；氨水电解槽，其从氨水和电产生氢气和氮气；以及氯碱电解槽，其从盐水和电产生氢气、氯气和苛性碱溶液。
水电解槽是用于产生气态氢气的最常见类型的电解槽。氧气也是重要的工业气体，且产生的氧气可为可销售的产品。当前最常见类型的市售水电解槽是碱性水电解槽。其它类型的水电解槽包含当前限于相对小的生产能力的PEM水电解槽，以及尚未商业化的固体氧化物水电解槽。碱性水电解槽利用与经适当催化的电极接触的碱性电解液。当电流在电极之间经过时，氢气在阴极(负电极)的表面处产生，且氧气在阳极(正电极)的表面处产生。在不存在寄生反应和杂散电流的情况下且对于电解槽的给定物理大小，氢气和氧气产生的速率与DC电流成比例。
风力农场由大体上散布在广大地理区域上的若干风力涡轮发电机组成。风力农场通常产生AC电以递送到AC公用事业电力网，但DC电力的产生也是可能的。AC电可容易地变换为较高电压以在长距离上有效地传输高电力。风力农场总输出的范围可在数十MW到数百MW。电解槽模块大小的范围可从1MW以下直到5MW。使用电解槽模块作为连接到大型风力农场的负载的专用氢气产生因此将采用大量的电解槽模块。
“风力氢气”(使用风力通过水电解产生的氢气)的大规模低成本生产需要俘获高百分比的所产生风力，其输出是随着时间可变的。此要求首先必须使用多个大规模低成本水电解槽模块，所述模块可充当极其可变的负载以涵盖从低到极高功率密度的广范围的操作功率。在全文以引用的方式并入本文中的共同待决申请案中揭示适当的水电解槽模块设计。其它必要的元素是用以将风力分配到多个水电解槽模块的有效、低成本且灵活的电力分派系统和操作方法，以及用以确保与风力农场输出的负载匹配的对电解槽模块的有效控制。本文描述适当的电力分派系统以及操作和控制方法。虽然本文的本发明的描述涉及“风力氢气”，但应了解本发明也适用于其它化学品的电解生产，例如使用US 2008/0193360中描述的电解槽直接生产“风力氨水”。
现有技术
用于工业应用的市售电解槽系统当前通常利用电源，例如SCR整流器，其将AC电转换为具有所需功率电水平和电流-电压的经调节DC电。然而，SCR整流器的最佳效率和功率因数处于标称功率额定值；效率和功率因数均随着功率电水平减弱而显著下降，风力供电的电解槽系统的情况常常如此。由于馈送到电解槽模块的全部功率都必须经过电力分派系统，因此SCR整流器低效率的潜在影响是重大的。此外，谐波水平通常可能不满足IEEE 519方针，尽管其通过使用12脉冲配置而改进；这对于大型系统来说是有意义的。SCR整流器的使用还必须用两个变压器级来使来自高电压AC传输线的电压逐步降低。
Pritchard(US 5,592,028)描述了用于风力氢气系统的替代电力调节设备，其目标是通过使用开关来改变电解槽模块中的每一者中涉及的单元数目来在约1.6V的单元电压下操作水电解槽模块。此设备强调实现高电解槽模块操作电压效率。对应的操作电流密度对于任何给定单元配置和组件集合将有必要较低。因此，为了俘获由风力农场产生的高百分比的风力，电解槽模块的数目和/或物理大小将非常大，且相关联的资本成本将相对高。显然，风力氢气的低成本生产的关键因素是低成本风力的可用性(即，高风力能力因数)；这与水电解的显著热力学(即，最小)电压要求组合限制了与高电解槽模块操作效率的目标相关联的潜在成本益处。除了在开关设备的上游使用AC-DC转换器/滤波器之外，Pritchard未提供对应的电力分派系统的其余部分或其控制的任何细节。
Morse(US 2008/0047502)也简要地描述了作为风力氢气系统的一部分的类似的电力转换设备。可例如通过调整作用中单元的数目来改变单位负载以确保最大电解槽模块效率。Morse还教示了大体上在风力农场产生的AC电可逐步升高到高电压且传输到使用点，随后通过全桥整流器或等效物而逐步降低且转换为DC电，但在此方面未提供另外细节。
Doland(US 2008/0127646)描述根据电解槽模块的要求来同时控制和调整来自风力农场的电力输出和电力转换两者的系统。Doland大体上提到例如最大化所产生的氢气和最小化能量损失等功能要求，但未描述如何实现这些要求的细节。
发明内容
一种用于将来自产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统，其包括：
a.功率确定和监视构件，其用于进行以下动作中的一者或一者以上：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述AC电的功率；
b.传输线，其连接到所述风力农场以用于将来自所述风力农场的所述中等到高电压AC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
c.一个或一个以上逐步降低n脉冲变压器，其位于所述多个电解槽模块邻近处以用于从所述传输线接收所述中等到高电压AC电且将其变换为低电压AC电；
d.一个或一个以上未经调节n脉冲整流器，其用于从所述逐步降低变压器接收所述低电压AC电且将其转换为未经调节低电压DC电；
e.一个或一个以上n脉冲DC母线，其连接到所述一个或一个以上未经调节n脉冲整流器以用于接收和分配所述未经调节低电压DC电；
f.一个或一个以上经调节n脉冲DC-DC转换器，其与所述多个电解槽模块中的每一者相关联，所述经调节n脉冲DC-DC转换器中的每一者连接到所述一个或一个以上n脉冲DC母线中的至少一者，用于从所述一个或一个以上n脉冲DC母线中的至少一者接收所述未经调节低电压DC电且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
g.一个或一个以上电解槽模块控制器，其连接到所述多个电解槽模块以用于控制所述多个电解槽模块；
h.一个或一个以上分派控制器，其连接到所述功率确定和监视构件以及所述一个或一个以上电解槽模块控制器，用于监视所述功率确定和监视构件以及所述一个或一个以上电解槽模块控制器且用于控制所述系统以分配电力；
i.一个或一个以上替代负载，其连接到所述传输线中的一者或一者以上、所述一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器的低电压侧，且用于要求来自所述风力农场的所述电力中未由所述多个电解槽模块要求的任何电力；
j.一个或一个以上替代功率源，其连接到所述一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器的高电压侧和低电压侧中的至少一者以及所述至少一个n脉冲DC母线，用于供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力。
其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
一种用于将来自产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统，其包括：
a.功率确定和监视构件，其用于进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述DC电的功率；
b.传输线，其连接到所述风力农场以用于将来自所述风力农场的所述中等电压DC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
c.一个或一个以上逐步降低转换器，其位于所述多个电解槽模块邻近处以用于从所述传输线接收所述中等电压DC电且将其转换为未经调节低电压DC电；
d.一个或一个以上DC母线，其连接到所述一个或一个以上逐步降低转换器以用于接收和分配所述低电压DC电；
e.一个或一个以上经调节DC-DC转换器，其与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述一个或一个以上DC母线中的至少一者，用于从所述一个或一个以上DC母线接收所述未经调节低电压DC电且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
f.一个或一个以上电解槽模块控制器，其连接到所述多个电解槽模块以用于控制所述多个电解槽模块；
g.一个或一个以上分派控制器，其连接到所述功率确定和监视构件以及所述电解槽模块控制器，用于监视所述功率确定和监视构件以及所述一个或一个以上电解槽模块控制器且用于控制所述系统以分配电力；
h.一个或一个以上替代负载，其连接到所述传输线中的一者或一者以上、所述一个或一个以上逐步降低转换器的低电压侧和所述一个或一个以上DC母线，用于要求来自所述风力农场的所述电力中未由所述多个电解槽模块要求的任何电力；
i.一个或一个以上替代功率源，其连接到所述一个或一个以上逐步降低转换器的中等电压侧和低电压侧中的一者或一者以上以及所述一个或一个以上DC母线，用于供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力。
一种用于将来自产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的方法，其包括以下步骤：
a.进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述AC电的功率；
b.估计功率传输和分配损失；
c.将所述中等到高电压AC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
d.使用一个或一个以上逐步降低n脉冲变压器将所述AC电变换为低电压AC电；
e.使用一个或一个以上未经调节n脉冲整流器将所述低电压AC电转换为未经调节低电压DC电；
f.经由一个或一个以上n脉冲DC母线分配所述未经调节低电压DC电；
g.根据由所述风力农场产生的所述中等到高电压AC电的所测量、估计和预测的功率中的至少一者以及估计的功率传输和转换损失，使用与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述一个或一个以上n脉冲DC母线中的至少一者的一个或一个以上经调节n脉冲DC-DC转换器接收和调节所述未经调节低电压DC电，且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
h.将由所述风力农场产生的未由所述多个电解槽模块要求的任何电力引导到一个或一个以上替代负载；
i.从一个或一个以上替代功率源供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力；
其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
一种用于将来自产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的方法，其包括以下步骤：
a.进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述DC电的功率；
b.估计功率传输和分配损失；
c.将所述中等电压DC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
d.使用一个或一个以上逐步降低转换器将所述中等电压DC电转换为未经调节低电压DC电；
e.经由一个或一个以上DC母线分配所述未经调节低电压DC电；
f.根据由所述风力农场产生的所述中等电压DC电的所测量、估计和预测的功率中的至少一者以及估计的功率传输和转换损失，使用与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述一个或一个以上DC母线中的一者或一者以上的一个或一个以上经调节DC-DC转换器接收和调节所述未经调节低电压DC电，且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
g.将由所述风力农场产生的未由所述多个电解槽模块要求的任何电力引导到一个或一个以上替代负载；
h.从一个或一个以上替代功率源供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力。
一种用于控制来自产生中等到高电压AC电和中等电压DC电中的至少一者的风力农场的电力向用于产生氢气的多个电解槽模块的分配的方法，其包括以下步骤：
a.估计在电解槽端子处可用作DC的实时风力农场功率；
b.确定可用电解槽模块的数目；
c.测量每一电解槽模块的温度；
d.基于所述估计的可用DC功率、可用电解槽模块的数目以及所述可用电解槽模块中的每一者的温度来确定所述多个电解槽模块中的每一者的目标电流设定点；
e.朝向所述目标电流设定点斜变(ramping)由所述一个或一个以上DC-DC功率转换器供应到所述可用电解槽模块中的每一者的DC电流；
f.以适当的时间间隔重复步骤a到e。
附图说明
图1展示根据本发明的用于将由风力农场产生的AC电力分配到多个电解槽模块的系统。虚线指示控制信号载运连接；实线指示电力载运连接。
图2展示根据本发明的用于将风力农场产生的DC电力分配到多个电解槽模块的系统。虚线指示控制信号载运连接；实线指示电力载运连接。
图3展示根据本发明的用于将由风力农场产生的电力分配到多个电解槽模块的系统的主控制功能步骤。
图4概述根据本发明的用于控制用于将由风力农场产生的电力分配到多个电解槽模块的系统的方法的第一主控制块。
图5概述根据本发明的用于控制用于将由风力农场产生的电力分配到多个电解槽模块的系统的方法的第二主控制块。
图6概述根据本发明的用于控制用于将由风力农场产生的电力分配到多个电解槽模块的系统的方法的第三主控制块。
具体实施方式
用于分配AC电力的系统
图1中大体在1处展示根据本发明的用于将由风力农场产生的AC电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统。虚线指示控制信号载运连接；实线指示电力载运连接。具有一个或一个以上风力涡轮发电机的风力农场2产生中等到高电压AC电。一个或一个以上功率确定和监视构件3位于风力农场中或附近以测量风力农场产生的AC电的功率和/或实现对其的估计和/或预测。传输线4将中等到高电压AC电有效地从风力农场2传输到位于所述多个电解槽模块5附近的中央变换和整流设备。在该处，一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器6将中等到高电压AC电变换为低电压AC电。一个或一个以上中央未经调节n脉冲整流器7随后将来自逐步降低n脉冲变压器的低电压AC电转换为未经调节低电压DC电。一个或一个以上n脉冲DC母线8随后将未经调节低电压DC电分配到经调节n脉冲DC-DC转换器9；一个或一个以上n脉冲DC-DC转换器用于电解槽模块5中的每一者。n脉冲DC-DC转换器9将未经调节低电压DC电转换为具有对应电解槽模块5中的每一者在任一给定时间所需的电流-电压比率的经调节DC电。电解槽模块5利用经调节DC电来产生氢气，且在水电解的情况下产生氧气。
电力分派系统1进一步包括：一个或一个以上电解槽模块控制器10，其连接到电解槽模块5和n脉冲DC-DC转换器9以用于控制电解槽模块；和至少一个分派控制器11，其连接到所述一个或一个以上功率确定和监视构件3以及所述至少一个电解槽模块控制器10以用于实施如本文描述的系统控制。优选地但非必要地，对于电解槽模块5中的每一者及其相关联的一个或一个以上DC-DC转换器存在一个电解槽模块控制器10。
电力分派系统1进一步包括用于解决初级功率源(风力农场)与初级功率宿(电解槽模块)之间的功率不平衡的构件，涉及如下各项的系统：一个或一个以上替代负载12，用于要求风力农场2产生的电力中未由电解槽模块5要求的任何电力；一个或一个以上替代功率源13，用于供应电解槽模块5要求的未由风力农场2供应的任何电力；以及一个或一个以上快速作用功率平衡控制器14，其适当地激活所述一个或一个以上替代负载和所述一个或一个以上替代功率源以便平衡功率(和用于AC电力网的无功功率)且因此维持稳定的电压(和用于AC电力网的稳定频率)。所述一个或一个以上功率平衡控制器连接到所述一个或一个以上替代负载12和所述一个或一个以上替代功率源13，以及任选地传输线4、所述一个或一个以上n脉冲DC母线8和所述至少一个分派控制器11。在到相对大的公用事业电网的互连的情况下，替代负载、替代功率源和功率平衡控制器的功能是通过较大公用事业电网按需要吸收和递送足够功率电水平的能力来“自动”实施。不具有足够按需功率供应和吸收能力的较弱电网上需要替代负载、替代功率源和功率平衡控制器以在功率不平衡发生时维持稳定性。
下文描述电力分派系统1的细节。
任一给定系统中的n脉冲设备可为6脉冲、12脉冲或24脉冲中的一者；每一12脉冲或24脉冲未经调节整流器、DC母线或DC-DC转换器大体上分别由两个6脉冲单位或四个6脉冲单位组成。12脉冲或24脉冲配置对于在MW规模应用中的使用是优选的，以获得相对于6脉冲配置的显著减少的谐波和较高的功率因数。
根据本发明的功率路径将常规功率路径中的功率供应(例如，SCR整流器)的功能性划分为两个离散功能：AC-DC功率转换和DC功率调节(DC-DC功率转换)。所述两个功能性的分离实现了AC-DC功率转换设备的“集中”，即使用单个较大且较具成本效益的AC-DC功率转换器。合适硬件的非限制性实例是用于AC-DC功率转换的二极管整流器(即，所述一个或一个以上中央未经调节n脉冲整流器7)，和用于DC功率调节的斩波器(即，用于电解槽模块5中的每一者的所述一个或一个以上n脉冲DC-DC转换器)；12脉冲或24脉冲设备和连接母线对于MW规模电力系统是优选的。由于未使用SCR整流器，因此所述一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器6可为单级变压器。
未经调节二极管整流器7与经调节DC-DC转换器9的组合提供了相对于SCR整流器的优点，例如在广范围操作功率上的良好效率(“平坦效率”)、良好的功率因数和低谐波。这些特性还允许使用较常规的变压器和从高电压的较有效且高效的单级逐步降低。虽然SCR整流器与具有一个以上转换级的其它电源相比具有接近额定输出的较好的效率，但在较低功率输出下，因切分AC波形产生的谐波造成变压器中的发热和损失。12脉冲或24脉冲二极管整流器和下游DC母线的使用对于MW规模电力系统是优选的。
斩波器型DC/DC转换器可用作所述一个或一个以上DC-DC转换器9以将具有所需电压和电流的经调节DC电提供到多个电解槽模块5。在对MW规模应用优选的12脉冲配置的情况下，每一电解槽单元模块需要至少一个12脉冲斩波器(由两个6脉冲斩波器组成)以用于独立的功率控制。可考虑使用相同的DC-DC功率转换器9以将功率馈送到多个电解槽模块5，只要可容许在多个电解槽模块之间的不均匀电流共享的可能性即可。
所述至少一个分派控制器11可为PLC或类似装置。PLC的稳健性和响应性使得其非常适于此应用。所述至少一个分派控制器监视也可为PLC或类似装置的所述一个或一个以上电解槽模块控制器10以查看数据、警报和故障；其还监视所述一个或一个以上功率确定和监视构件3以获取实时或预测的风力数据。除了直接功率测量之外，还可使用如此项技术中已知的估计或预测风力的其它方法。举例来说，可在每一风力涡轮机处测量风力或风速，且可使用多个测量来提供风力农场的总体估计的实时或预测的风力。所述至少一个分派控制器使用获取的数据来通过实施本文描述的控制策略来控制电力分派系统。所述至少一个分派控制器可具有冗余处理器用于故障保护操作，且可经由冗余通信网络与所述一个或一个以上电解槽模块控制器且与所述一个或一个以上功率确定和监视构件通信。
图1中将每个电解槽模块5一个电解槽模块控制器10展示为优选的，但不一定是所需的方法。电解槽模块控制器监视和控制电解槽模块和DC-DC转换器9的所有功能。除了标准控制器功能之外，还可使用单独的安全性临界中继系统来监视在界限外操作期间将保证单元模块及其电源的关闭的安全性临界条件。此单独的安全系统确保在控制器发生故障的情况下可靠地关闭。
所述一个或一个以上替代功率源12可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、发电机组或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。所述一个或一个以上替代功率源12可连接到所述一个或一个以上中央逐步降低DC-DC转换器6的中等电压或低电压侧中的一者或一者以上，或连接到所述一个或一个以上DC母线8。所述一个或一个以上替代功率源13可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、发电机组或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。在风力氢气系统正在将氢气提供到例如化学工厂或精炼厂等相关联氢气用户的情况下，相关联氢气用户可提供所需替代负载和替代功率源中的一些或全部。
所述一个或一个以上替代负载12可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、堆积电阻性负载或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。所述一个或一个以上替代负载12可连接到传输线4中的一者或一者以上、所述一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器6的低电压侧，和所述一个或一个以上n脉冲DC母线8。所述一个或一个以上替代功率源13可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、发电机组或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。在风力氢气系统正在将氢气提供到例如化学工厂或精炼厂等相关联氢气用户的情况下，相关联氢气用户可提供所需替代负载和替代功率源中的一些或全部。
替代负载12和替代功率源13可为中等到高电压AC、低电压AC或DC中的一者或一者以上。在12脉冲和24脉冲设备的情况下，必须针对12脉冲配置的两侧的每一侧和24脉冲配置的四侧的每一侧来平衡连接到所述一个或一个以上中央逐步降低n脉冲变压器6或DC母线的低电压侧的任何替代负载和/或替代功率源。如果AC负载和功率源必须与电网同步，那么DC负载和功率源可能具有较快的响应。
相对大的风力农场(标称风力例如为50MW或50MW以上)中的单个风力涡轮发电机的例如风力突然下降或突然损失等正常风力偏差将扰动风力氢气系统1，且将需要采用一个或一个以上替代功率源13来补足电解槽模块5要求的电力与风力农场2供应的电力之间的短期电力差。电力差的量值和持续时间将取决于风力损失的量值和持续时间以及风力测量与对电解槽模块的电流控制之间的时间延迟。功率测量与电流控制之间的时间延迟优选小于一秒。
然而，例如在电力网故障期间由于大量风力涡轮发电机的突然关闭将发生的大的电力差将使得必须使用具有接近于总风力农场额定值的高额定值的替代功率源13。这显然不是合意的或可行的解决方案。因此，对于突然的大风力损失，必须有另一种方式能快速地使电解槽模块脱机。在整个风力农场立即关闭的最基本情况下，来自风力农场2、所述一个或一个以上功率确定和监视构件3或功率损失检测中继器的关闭信号可用以将关闭信号发送到电解槽工厂。此能力还可在控制器足够快的情况下通过分派控制器11来实施；然而一般来说，通过较快构件，例如通过硬连线电路或作为功率平衡控制器14功能的一部分的实施方案是优选的。
如果风力农场的仅若干部分立即关闭，还有重要的功率源仍在作用中，那么只有电解槽工厂的等效部分可关闭或“隔离”。此能力需要作为功率平衡控制器的一部分的特殊设计来通过接通功率源或隔离例如电解槽模块等负载而适当地维持功率平衡。
具有较大量值的突然阵风也可使电力分派系统不平衡，有时候高达风力农场的额定值。只要电解槽模块功率斜坡率(ramp rate)无法跟上风力斜坡率，就将维持不平衡。接通任何未操作的电解槽模块以跟上风力的此上升只会增加再次获得功率平衡的时间。适当大小的较大替代负载(虽然只在极短时间周期内需要)可能在大小和成本方面是不合适的。现代的风力涡轮发电机提供自动或按需要缩减(减少)其输出的手段，且此特征可能是较弱电力网非常需要的，以便避免对非常大的替代负载的要求。在风力涡轮发电机控制中使用的现代的风速预测算法也可有助于提供风力涡轮发电机功率的高度响应性的缩减。
风力阵风不是电力网上的功率不平衡的唯一潜在原因。电解槽模块对风力的紧密跟踪要求将准确且及时的风力确定(测量/估计/预测)转换为电解槽模块的准确功率设定。在实践中，功率测量中的一些误差可能由于仪器中的校准误差和估计风力测量点与电解槽模块DC母线之间的损失/转换的不准确性而发生。而且，测量/估计/预测风力和电解槽模块电流控制之间的时间延迟将增加此误差。这些误差将转换为较弱电力网上的功率不平衡，其必须通过替代负载和替代功率源控制系统来校正。
误差减轻方法可潜在地减少这些误差且降低替代负载和源的额定值和成本。一个误差减轻方法是利用由功率平衡控制器确定的功率不平衡读数且将此信息馈送回到分派控制器，使得其可调整对电解槽模块的功率设定。功率平衡控制器必须具有将频率(在AC电力网的情况下)或电压(在DC电力网的情况下)偏差转换为功率不平衡水平(对于电力网上的过量功率为正，且对于电力网上的过量吸取为负)的能力。
此误差减轻方法的一个潜在实施方案是设定阈值功率电水平，且每当功率平衡控制器测量到电力网上的不平衡高于此阈值电水平时，其将中断信号发送到分派控制器以在校正不平衡的方向上按照所述阈值功率电水平来调整到电解槽模块的功率电水平，只要电解槽模块电流额定值和最大斜坡率得以维持即可。可通过计算机模拟来确定最佳阈值功率电水平。此方法不需要准确确定功率不平衡水平。来自此“阶梯型误差减轻”方法的计算机模拟结果在以下实例中展示。
误差减轻方法的另一潜在实施方案是连续确定电力网上的实际功率不平衡(正或负)且将这些数据馈送到分派控制器，因此其可成比例地调整对电解槽模块的功率设定。此潜在实施方案需要准确的功率不平衡确定；否则，其自身向控制策略中引入误差将不提供任何改进。
如果采用误差减轻方法，那么功率平衡控制器14将向分派控制器11发送信号。在阶梯型误差减轻方法的情况下，当在正或负功率不平衡中超过阈值功率设定时，将数字信号发送到分派控制器。在连续误差减轻方法的情况下，将与正或负功率不平衡成比例的模拟信号发送到分派控制器。
在到相对大的公用事业电网的互连的情况下，替代负载和替代功率源的功能是通过较大公用事业电网按需要吸收和递送足够功率电水平的能力来“自动”实施。在相反的极端，在风力氢气系统是独立系统的情况下，需要如此项技术中已知的有功功率管理来控制和适当地利用所需水平的替代负载或替代功率源来校正任何功率不平衡。用于有功功率管理的功率平衡控制器14必须快速且动态，其具有毫秒响应以及用以测量频率和电压变化的构件。在远程公用事业电网的情况下，远程公用事业电网可“自动”提供替代负载和替代功率源的功能中的一些功能，且远程公用事业电网可具有有功功率管理系统。
因此，将来自用于产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块大体上涉及以下步骤：(a)实时估计和/或预测风力农场产生的AC电的功率；(b)将中等到高电压AC电传输到多个电解槽模块；(c)使用一个或一个以上逐步降低变压器将中等到高电压AC电变换为低电压AC电；(d)使用一个或一个以上未经调节整流器将低电压AC电转换为未经调节低电压DC电；(e)经由一个或一个以上DC母线分配未经调节低电压DC电；(f)使用与多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述一个或一个以上DC母线中的至少一者的一个或一个以上经调节DC-DC转换器来接收和调节未经调节低电压DC电，且根据风力农场产生的AC电的测得功率以及估计的电力传输和转换损失将经调节DC电供应到多个电解槽模块中的每一者；(g)将风力农场产生的未由多个电解槽模块要求的任何功率引导到一个或一个以上替代负载；以及(h)从一个或一个以上替代功率源供应由多个电解槽模块要求的未由风力农场供应的任何电力。
用于分配DC电力的系统
图2中大体上在1处展示根据本发明的用于将风力农场产生的DC电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统。虚线指示控制信号载运连接；实线指示电力载运连接。具有一个或一个以上风力涡轮发电机的风力农场2产生中等电压DC电。一个或一个以上功率确定和监视构件3位于风力农场中或附近以测量中等电压DC电的功率和/或实现对其的估计和/或预测。传输线4将中等电压DC电有效地从风力农场传输到所述多个电解槽模块5附近。在该处，一个或一个以上中央逐步降低DC-DC转换器6将中等电压DC电转换为低电压DC电。一个或一个以上DC母线7随后将未经调节低电压DC电分配到经调节DC-DC转换器8；一个或一个以上DC-DC转换器用于电解槽模块5中的每一者。DC-DC转换器8将未经调节低电压DC电转换为具有对应电解槽模块中的每一者在任一给定时间所需的电压-电流比率的经调节DC电。电解槽模块5利用经调节DC电来产生氢气，且在水电解的情况下产生氧气。
电力分派系统1进一步包括：一个或一个以上电解槽模块控制器10，其连接到电解槽模块5和相应的DC-DC转换器9以用于控制电解槽模块；和至少一个分派控制器11，其连接到功率确定和监视构件3以及电解槽模块控制器10以用于实施如本文描述的系统控制。
电力分派系统1进一步包括用于解决初级功率源(风力农场)与初级功率宿(电解槽模块)之间的功率不平衡的构件，涉及如下各项的系统：一个或一个以上替代负载11，用于要求风力农场2产生的电力中未由电解槽模块5要求的任何电力；或一个或一个以上替代功率源12，用于供应电解槽模块5要求的未由风力农场2供应的任何电力；以及一个或一个以上快速作用功率平衡控制器13，其适当地激活所述一个或一个以上替代负载和所述一个或一个以上替代功率源以平衡功率且因此维持稳定的电压。所述一个或一个以上功率平衡控制器13连接到所述一个或一个以上替代负载11和所述一个或一个以上替代功率源12，以及任选地传输线4和所述至少一个分派控制器10。在到相对大的公用事业电网的中等电压DC传输线的互连的情况下，替代负载和替代功率源的功能是通过较大公用事业电网按需要吸收和递送足够功率电水平的能力来“自动”实施。不具有足够按需功率供应和吸收能力的较弱电网上需要替代负载、替代电源和功率平衡控制器以在功率不平衡发生时维持稳定性。
下文描述电力分派系统1的细节。
产生DC电力的风力涡轮发电机虽然当前不如产生AC电力的风力涡轮发电机那样常见，但在市场上也能购买到。个别DC风力涡轮发电机通常各自具有整流器，其将低电压DC电力递送到DC-DC升压转换器。升压转换器将电压从低水平升压到中等水平。用于个别风力涡轮发电机的升压转换器馈入到共同的中等电压DC传输线。DC传输线可经埋入且布设到电解槽模块。在电解槽模块位置处，所述一个或一个以上中央DC-DC转换器7可为(但不限于)降压转换器(buck converter)，其使电压下降回到共同DC母线上的低电压。所述一个或一个以上经调节DC-DC转换器8可为(但不限于)个别斩波器电源，其将来自DC母线的经调节DC电递送到电解槽模块5中的每一者。每一电解槽单元模块需要至少一个DC-DC转换器以用于独立的功率控制。可考虑使用相同的DC-DC功率转换器8以将功率馈送到多个电解槽模块5，只要可容许不均匀电流共享的可能性即可。
所述分派控制器10可为PLC或类似装置。PLC的稳健性和响应性使得其非常适于此应用。所述分派控制器监视也可为PLC或类似装置的电解槽模块控制器9以查看数据、警报和故障；其还监视所述一个或一个以上功率确定和监视构件3以获取实时或预测的风力数据。除了直接功率测量之外，还可使用如此项技术中已知的估计或预测风力的其它方法。举例来说，可在每一风力涡轮机处测量风力或风速，且可使用多个测量来提供风力农场的总体估计的实时或预测的风力。所述分派控制器使用获取的数据来通过实施本文描述的控制策略来控制电力分派系统。所述分派控制器可具有冗余处理器用于故障保护操作，且可经由冗余通信网络与电解槽模块控制器且与功率确定和监视构件通信。
图1中将每个电解槽模块5一个电解槽模块控制器9展示为优选的，但不一定是所需的方法。电解槽模块控制器控制电解槽模块和DC-DC转换器8的所有功能。除了标准控制器功能之外，还可使用单独的安全性临界中继系统来监视在界限外操作期间将保证单元模块及其电源的关闭的安全性临界条件。此单独的安全系统确保在控制器发生故障的情况下可靠地关闭。
所述一个或一个以上替代负载11可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、堆积电阻性负载或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。所述一个或一个以上替代负载11可连接到传输线4中的一者或一者以上、所述一个或一个以上中央逐步降低DC-DC转换器6的低电压侧，和所述一个或一个以上DC母线7。所述一个或一个以上替代功率源12可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、发电机组或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。所述一个或一个以上替代功率源12可连接到所述一个或一个以上中央逐步降低DC-DC转换器6的中等电压或低电压侧中的一者或一者以上，或连接到所述一个或一个以上DC母线7。所述一个或一个以上替代功率源12可包含(但不限于)公用事业电网、本地电网、发电机组或能量储存和电再生设备，例如飞轮、电池(包含氧化还原流电池)和压缩空气能量系统。所述一个或一个以上替代功率源12可连接到所述一个或一个以上中央逐步降低DC-DC转换器6的中等电压或低电压侧中的一者或一者以上，或连接到所述一个或一个以上DC母线7。在风力氢气系统正在将氢气提供到例如化学工厂或精炼厂等相关联氢气用户的情况下，相关联氢气用户可提供所需替代负载和替代功率源中的一些或全部。
替代负载11和替代功率源12是DC的，在替代负载和替代功率源由AC电力网(公用事业电力网或本地电力网)提供的情况下除外。
相对大的风力农场(标称风力例如为50MW或50MW以上)中的单个风力涡轮发电机的例如风力突然下降或突然损失等正常风力偏差将扰动风力氢气系统1，且需要采用一个或一个以上替代功率源12来补足电解槽模块5要求的电力与风力农场2供应的电力之间的短期电力差。电力差的量值和持续时间将取决于风力损失的量值和持续时间以及风力测量与对电解槽模块的电流控制之间的时间延迟。功率测量与电流控制之间的时间延迟优选小于一秒。
然而，例如在电力网故障期间由于大量风力涡轮发电机的突然关闭将发生的大的电力差将使得必须使用具有接近于总风力农场额定值的高额定值的替代功率源12。这显然不是合意的或可行的解决方案。因此，对于突然的大风力损失，必须有另一种方式能快速地使电解槽模块脱机。在整个风力农场立即关闭的最基本情况下，来自风力农场2、所述一个或一个以上功率和/或风速测量和监视构件3或功率损失检测中继器的关闭信号可用以将关闭信号发送到电解槽工厂。此能力还可在控制器足够快的情况下通过分派控制器10来实施；然而一般来说，通过较快构件，例如通过硬连线电路或作为功率平衡控制器13功能的一部分的实施方案是优选的。
如果风力农场的仅若干部分立即关闭，还有重要的功率源仍在作用中，那么电解槽工厂的仅等效部分可关闭或“隔离”。此能力需要作为功率平衡控制器的一部分的特殊设计来通过接通功率源或隔离例如电解槽模块等负载而适当地维持功率平衡。
具有较大量值的突然阵风也可使电力分派系统不平衡，有时候高达风力农场的额定值。只要电解槽模块功率斜坡率无法跟上风力斜坡率，就将维持不平衡。接通任何未操作的电解槽模块以跟上风力的此上升只会增加再次获得功率平衡的时间。适当定大小的较大替代负载(但是极短时间周期所需)可能在大小和成本方面是不合适的。现代的风力涡轮发电机提供自动或按需要缩减(减少)其输出的手段，且此特征可能是较弱电力网非常需要的，以便避免对非常大的替代负载的要求。在风力涡轮发电机控制中使用的现代的风速预测算法也可有助于提供风力涡轮发电机功率的高度响应性的缩减。
如果采用误差减轻方法，那么功率平衡控制器13将向分派控制器10发送信号。在阶梯型误差减轻方法的情况下，当在正或负功率不平衡中超过阈值功率设定时，将数字信号发送到分派控制器。在连续误差减轻方法的情况下，将与正或负功率不平衡成比例的模拟信号发送到分派控制器。
在到相对大的公用事业电网的互连的情况下，替代负载和替代功率源的功能是通过较大公用事业电网按需要吸收和递送足够功率电水平的能力来“自动”实施。在相反的极端，在风力氢气系统是独立系统的情况下，需要如此项技术中已知的有功功率管理来控制和适当地利用所需水平的替代负载或替代功率源来校正任何功率不平衡。用于有功功率管理的功率平衡控制器13必须快速且动态，其具有毫秒响应和用以测量电压变化的构件。在到远程公用事业电网的互连的情况下，远程公用事业电网可“自动”提供替代负载和替代功率源的功能中的一些功能，且远程公用事业电网可具有有功功率管理系统。
因此，将来自用于产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块大体上涉及以下步骤：(a)实时估计和/或预测风力农场产生的DC电的功率；(b)将中等电压DC电传输到多个电解槽模块；(c)使用至少一个逐步降低变压器将中等电压DC电转换为未经调节低电压DC电；(d)经由至少一个DC母线分配未经调节低电压DC电；(e)使用与多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述至少一个DC母线中的至少一者的至少一个经调节DC-DC转换器来接收和调节未经调节低电压DC电，且根据风力农场产生的DC电的测得功率以及估计的电力传输和转换损失将经调节DC电供应到多个电解槽模块中的每一者；(f)将风力农场产生的未由多个电解槽模块要求的任何电力引导到一个或一个以上替代负载；以及(g)从一个或一个以上替代功率源供应由多个电解槽模块要求的未由风力农场供应的任何电力。
当前，针对基于效率、成本、可靠性和证实的技术在本发明中的使用来说，AC传输比DC传输优选。在DC电力传输变为可行的选项之前，DC-DC功率转换和调节技术将需要进一步发展以改善效率、成本和可靠性。然而，风力农场与电解槽模块之间的长传输距离可能最终使得对于50km或50km以上的传输距离来说DC电力传输比AC传输更具成本效益。
电力分派系统控制和对风力农场功率的负载匹配
图3中概述用于控制来自用于产生中等到高电压AC电和中等电压DC电中的至少一者的风力农场的电力向用于产生氢气的多个电解槽模块的分配的方法。控制方法由以下步骤组成：(a)估计来自风力农场的实时可用DC功率；(b)确定作用中电解槽模块(界定为不在警报或故障条件下的电解槽模块)的数目；(c)测量每一电解槽模块的电压；(d)基于估计的来自风力农场的可用DC功率、作用中电解槽模块的数目和所述作用中电解槽模块中的每一者的电压来确定所述多个电解槽模块中的每一者的目标电流设定点；以及(e)朝向目标电流设定点斜变由DC-DC功率转换器供应到可用电解槽模块中的每一者的DC电流。以适当时间间隔重复步骤(a)到(e)。因此，电解槽模块的操作功率持续朝向通过估计风力农场产生的实时可用功率以及可用电解槽模块的数目及其所估计性能而确定的目标设定点功率移动。每一电解槽模块将在任一给定操作温度下具有特性电流-电压曲线；因此，电解槽模块的操作功率是通过设定操作电流来设定，这又设定了操作电压。
使用实际的风力农场发电数据的计算机模拟建模已展示步骤(a)到(e)的重复的大约1到10秒的时间间隔对于具有51MW或150MW的风力农场的系统来说可为足够的；如任何“集成”型过程中，时间间隔越短，控制将越好，且在此情况下，功率跟踪和能量俘获将越好。在实践中，时间间隔的下限将由控制器和功率测量装置的响应以及命令的数目来设定；对于150MW风力农场可能需要几百个命令。对于几百个命令，时间间隔可能高达几百毫秒。因此，对于150MW风力农场，步骤(a)到(e)的重复的时间间隔的近似实际“最佳”范围可例如为0.7到1秒。针对具有不同标称输出功率的风力农场的系统可以类似方式来估计适当的时间间隔。
每一电解槽模块的电流斜坡率也预期为重要参数。使用实际风力农场发电数据的计算机模拟建模指示电解槽模块的标称功率额定值的至少约0.5％或峰值功率额定值的至少约0.25％的电流斜坡率导致俘获极高百分比的所产生风力。这些电流斜坡率的量值对应于至少约19A/s。因此，能够实现高电流斜坡率的电解槽模块的使用是优选的。可允许的电流斜坡率可随着操作温度而变化。随着操作温度而变的可允许电流斜坡率也可预期针对不同的电解槽模块设计而变化。
电解槽模块具有操作电流窗，其在高端处由标称电流(功率)额定值界定且在低端处由最小电流(功率)降低运转界定。电解槽模块的标称电流(功率)额定值由内部功能组件的额定值且由其以良好流体循环、良好气体-液体分离且无过热来产生气体的能力决定。电解槽模块的最小电流降低运转能力由其以良好纯度产生氢气的能力以及相关联功率转换设备的操作效率曲线决定。优选地，操作电流不应延伸到任一延伸周期的操作电流窗外部。因此，使用具有宽操作电流窗(例如，在电流密度方面为0.1-1.0A/cm2)的电解槽模块是有利的。在全文并入本文中的共同待决申请案中描述具有宽操作电流窗的适当大规模电解槽模块设计。
促进良好的风力跟踪和高能量俘获的控制策略的另一重要方面是在所有可用的电解槽模块上均匀地分配总功率。此方法使每一电解槽模块所经历的功率波动的量值最小化，进而使针对任一给定电流斜坡率的功率跟踪能力最大化。所述方法还使“净空高度(head room)”最大化以适应突然的风力增加，且进一步针对每一电解槽模块将电流设定点维持为尽可能低，进而使电解槽模块的效率最大化。
对风力农场产生的低功率的跟踪可通过在电流设定点小于所建立的低最小电流的情况下在一时间延迟之后通过断开一个或一个以上电解槽模块而向下延伸有效的总体操作电流窗来改进。(此处，“所建立的”参数指代控制逻辑中的由设计者设定且在整个控制中使用的固定参数。)如果电流设定点增加到高于所建立的高最小电流，那么在一时间延迟之后重新接通电解槽模块中被断开的一者或一者以上。所述时间延迟和所建立的低最小电流与所建立的高最小电流之间的范围有助于使其中以高频率接通和断开电解槽模块的情况最少。在此方面，(通过单独的控制逻辑)使得多个电解槽模块的运行时间均匀化；也就是说，使得其随着时间尽可能相等。此外，多个电解槽模块中的每一者的任何开关操作随着时间(通过另一单独控制逻辑)间隔开。电解槽模块也可在遇到警报条件的情况下在最小电流下操作。警报条件可包含(但不限于)高或低温度、压力或液面。在最小电流下操作任何报警电解槽模块的目的是提供安全操作条件，其可“自愈”且允许电解槽模块返回到正常操作状态。处于警报条件中的任何电解槽模块均在警报条件自行校正的情况下恢复到正常操作。如果警报条件未自行校正，那么将电解槽模块条件提升到故障状态，且断开电解槽模块。
控制功能步骤描述
图3中概述主控制功能步骤。存在三个主控制块，下文在以下方面描述其中每一者：(i)实时数据输入；(ii)特性数据；(iii)控制输出；以及(iv)控制逻辑和控制动作。
图4中概述控制块1。在控制块1中，估计实时可用的DC风力。实时数据输入是处于规则间隔(例如，每秒或更频繁)的所测量、估计或预测的总风力农场输出功率(时间间隔越精细，功率跟踪将越好)。优选但不一定以查找表形式提供的所需特性数据是随着功率电水平而变的从风力农场功率确定点到对电解槽模块的经调节DC功率输入的功率转换路径的效率。控制逻辑是：对电解槽模块的总DC功率输入＝风力农场输出功率x功率转换路径的效率。
如果采用误差减轻方法，那么将风力农场输出功率调整一量，所述量由来自功率平衡控制器的信号确定。在阶梯型误差减轻方法的情况下，数字信号将按照阈值功率，依据不平衡的方向而将风力农场输出功率的值调整为正或负。在连续误差减轻方法的情况下，与正或负功率不平衡成比例的模拟信号将使风力农场输出功率调整所述量。
图5中概述控制块2。在控制块2中，针对可用电解槽模块确定电解槽模块电流目标设定点，且使电解槽模块朝向目标设定点斜变。实时数据输入是：(i)每一电解槽模块的实时DC电压；(ii)任选地，每一电解槽模块的实时温度；以及(iii)每一电解槽模块的警报、故障和运行状态。特性数据是：(i)电解槽模块的最小可允许降低运转电流；(ii)每一电解槽模块的接通转变发生；(iii)电解槽模块的最大电流设定；(iv)每一电解槽模块的接通/断开状态；(v)适当的电流斜坡率；以及任选地，(vi)电解槽模块的电压对电流对温度。控制输出是每一电解槽模块的电流设定点。
用于控制块2的控制逻辑是：每个作用中电解槽模块的目标功率＝(总DC功率-到报警电解槽模块的功率)/(作用中电解槽模块的数目)，其中作用中电解槽模块是正在操作且不在警报或故障条件中的那些电解槽模块；也就是说，作用中电解槽模块的数目＝(电解槽模块的总数目)-(报警和故障电解槽模块的数目)-(完全断开的电解槽模块的数目)。对应的控制动作如下：(i)处于警报状态中的电解槽模块将固定于最小降低运转设定下而操作；(ii)超时警报状态动作是(a)如果恢复，那么清除警报状态，且(b)如果未恢复，那么提升到故障状态；(iii)处于故障状态中的电解槽模块将总是断开；(iv)目标功率将在可用的电解槽模块之间均匀划分，从而补偿在最小降低运转电流下运行的报警电解槽模块；(v)根据目标功率除以电压确定每一电解槽模块的目标电流设定点，如果准确的电压对电流对温度数据可用，那么其可用以估计下一电流迭代下的电压，否则将使用实际的电解槽模块电压；(vi)朝向目标电流斜变每一可用电解槽模块的电流，所述电流不可超过最大电解槽模块电流。也可检查或确定针对电解槽模块操作温度可允许的电流斜坡率。
图6中概述控制块3。在控制块3中，基于电解槽模块的电流设定、操作压力以及接通-断开和运行时间表来接通或断开电解槽模块。实时数据输入是每一电解槽模块的操作电流和压力。特性数据是：(i)电解槽模块的最小可允许降低运转电流；(ii)电解槽模块的最大可允许降低运转电流；(iii)决定一个或一个以上电解槽模块的接通转变的时间延迟；(iv)决定一个或一个以上电解槽模块的断开转变的时间延迟；(v)可接受的操作压力范围；(vi)每一电解槽模块的接通或断开状态；以及(iv)每一电解槽模块的最后的接通-断开转变时间和累积运行时间。控制输出是对每一电解槽模块的接通-断开转变的控制。
用于控制块3的控制逻辑和控制动作如下。如果电解槽模块的实际操作电流上升高于所建立的高最小电流，那么：(i)等待接通转变延迟；(ii)如果电流设定点仍高于所建立的高最小值，那么接通一个或一个以上电解槽模块；(iii)如果一个或一个以上电解槽模块的操作压力低于可接受的操作压力范围，那么选择待接通的那些电解槽模块；(iv)否则，基于最小运行时间和自从最后的接通-断开转变起的最长时间而选择接通哪些电解槽模块。如果电解槽模块的实际操作电流下降到所建立的低最小电流以下，那么：(i)等待断开转变时间延迟；(ii)如果电流仍低于所建立的低最小电流，那么断开一个或一个以上电解槽模块；(iii)基于最大运行时间和自从最后的接通-断开转变起的最长时间而选择断开哪些电解槽模块；(iv)保持具有低压力的电解槽模块接通，直到压力达到可接受的操作压力范围为止。
此外，控制接口将具有对系统的实时操作数据的接入，所述数据包含：(i)在损失之后的总AC风力农场功率和对应的DC功率；(ii)到电解槽模块的实际总DC功率；(iii)风力农场对应DC与到电解槽模块的实际DC功率之间的差，其指示功率跟踪的成功水平；(iv)(i)到(iii)的累积能量指数。控制接口还将具有对每一电解槽模块的实时操作数据的接入，所述数据包含：(i)每一电解槽模块的接通-断开、警报或故障状态；(ii)关于原因的详细描述的警报和故障条件；(iii)接通-断开转变时间和运行时间；(iv)操作电流、电压、温度和压力。
实例1
使用来自标称51MW风力农场的数据通过计算机模型来模拟根据本发明的功率分配系统。使用一周的高产量和低产量周期的逐秒数据。功率传输和转换路径效率假定为在97％处平坦。电解槽模块额定为3MW最大值(7500A和标称400V)。所使用的电解槽模块的数目为17。单元电压假定为在所有操作电流下为2.0V/单元作为近似。电解槽模块电流斜坡率为每秒最大电流的0.5％，或基于7500A的最大电流为37.5A/s。电解槽模块低最小电流为375A(最大电流的5％)且高最小电流为562.5A(最大电流的7.5％)。接通或断开电解槽模块的决策的延迟时间为10秒。每次接通或断开一个电解槽模块。基本控制算法的重复的时间间隔是一秒。在此初始建模中，忽略功率测量延迟和误差的影响。
高产量周的功率俘获大体上在任一给定时间是约98％或更好，且累积能量俘获为99.96％。(这些值同与功率传输和转换路径相关联的3％损失分开。)电解槽模块在高产量周期间平均操作97％的时间，其中平均接通-断开转变频率为21小时。低产量周的功率俘获大体上在任一给定时间是约99.5％或更好，且累积能量俘获为99.74％。电解槽模块在低产量周期间平均操作40％的时间，其中平均接通-断开转变频率为2小时。
实例2
接着，研究在实例1的计算机模型模拟中改变电流斜坡率的影响。再次忽略功率测量延迟和误差的影响。表1中展示结果。大于或等于7500A的最大电流额定值的0.25％的电流斜坡率带来99.5％或更好的总体能量俘获；大于或等于最大电流额定值的0.5％的斜坡率带来99.7％或更好的总体能量俘获；且1％的斜坡率带来99.85％或更好的总体能量俘获。
表1在高产量和低产量周期间电流斜坡率对从51MW风力农场的能量俘获的影响
实例3
接着，针对7500A的最大电流额定值的0.5％的电流斜坡率研究在实例1和2的计算机模型模拟中改变估计来自风力农场的实时可用DC功率的频率的影响。表2中展示结果。估计频率越高，损失越低。针对低产量周观察到的损失高于针对高产量周观察到的损失。
表2在高产量和低产量周期间估计来自51MW风力农场的实时可用DC功率的频率的影响
实例4
接着，扩展计算机模拟模型以涵盖一整年。使用两个连续6个月周期的51MW风力农场的逐秒数据。功率传输和转换路径效率假定为在97％处平坦。电解槽模块额定为3MW最大值(7500A和标称400V)。所使用的电解槽模块的数目为17。单元电压假定为在所有操作电流下为2.0V/单元作为近似。电解槽模块电流斜坡率为每秒最大电流的0.5％，或基于7500A的最大电流为37.5A/s。电解槽模块低最小电流为375A(最大电流的5％)且高最小电流为562.5A(最大电流的7.5％)。接通或断开电解槽模块的决策的延迟时间为10秒。每次接通或断开一个电解槽模块。基本控制算法的重复的时间间隔是一秒。
整年的风力农场的标称能力因数是36.8％。电解槽模块在80％的时间中接通。第一和第二六个月周期两者的功率俘获分别都为99.97％。(这些值同与功率传输和转换路径相关联的3％损失分开。)对于此理想情况(忽略功率测量延迟和误差)，对替代电源的要求可忽略。
随后将电解槽模块单元的电压-电流关系添加到计算机模拟模型(与假定电流密度的操作范围上的2.0V/单元的恒定单元电压相比)。第一和第二六个月周期的功率俘获几乎不变，分别为99.96％和99.97％。(这些值同与功率传输和转换路径相关联的3％损失分开。)对替代电源的要求可忽略。
实例5
接着，使用半年的数据来建模功率测量延迟和/或误差的影响以及阶梯型误差减轻的影响。表3中展示结果。对替代负载的最大要求是总风能的0.94％，即使具有5％的较大功率测量误差加上1秒的功率测量延迟。具有+/-70kW阈值的阶梯型误差减轻将对替代负载的要求减少31％到总风能的0.65％。对替代电源的最大要求是总风能的0.22％，即使具有5％的较大功率测量误差加上1秒的功率测量延迟。具有+/-70kW阈值的阶梯型误差减轻将对替代功率源的要求减少18％到总风能的0.18％。
表3在半年操作中功率测量延迟和误差对针对51MW风力农场的替代负载和替代功率源的要求的影响
Figure BDA0000071431740000291
已呈现对本发明的优选实施例以及设备和过程的实例的上述描述，以说明本发明的原理且不将本发明限于所说明的特定实施例。希望本发明的范围由权利要求书及/或其等效物内涵盖的所有实施例界定。

Claims (21)

1.一种用于将来自产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统，其包括：
a.功率确定和监视构件，其用于进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述AC电的功率；
b.传输线，其连接到所述产生中等电压AC电以用于将来自所述风力农场的所述中等到高电压AC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
c.至少一个逐步降低n脉冲变压器，其位于所述多个电解槽模块邻近处以用于从所述传输线接收所述中等到高电压AC电且将其变换为低电压AC电；
d.至少一个未经调节n脉冲整流器，其用于从所述至少一个逐步降低n脉冲变压器接收所述低电压AC电且将其转换为未经调节低电压DC电；
e.至少一个n脉冲DC母线，其连接到所述至少一个未经调节n脉冲整流器以用于接收和分配所述未经调节低电压DC电；
f.至少一个经调节n脉冲DC-DC转换器，其与所述多个电解槽模块中的每一者相关联，所述经调节n脉冲DC-DC转换器中的每一者连接到所述至少一个n脉冲DC母线中的一者，用于从所述至少一个n脉冲DC母线中的所述一者接收所述未经调节低电压DC电且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
g.至少一个电解槽模块控制器，其连接到所述多个电解槽模块以用于控制所述多个电解槽模块；
h.至少一个分派控制器，其连接到所述功率确定和监视构件以及所述至少一个电解槽模块控制器，用于监视所述功率确定和监视构件以及所述至少一个电解槽模块控制器且用于控制所述系统以分配电力；
i.至少一个替代负载，其连接到所述传输线中的至少一者、所述至少一个中央逐步降低n脉冲变压器的低电压侧和所述至少一个n脉冲DC母线，用于要求来自所述风力农场的所述电力中未由所述多个电解槽模块要求的任何电力；
j.至少一个替代功率源，其连接到所述至少一个中央逐步降低n脉冲变压器的所述高电压侧和所述低电压侧中的至少一者以及所述至少一个n脉冲DC母线，用于供应所述电力中由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力；
其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个未经调节n脉冲整流器包括至少一个n脉冲二极管整流器，其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
3.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的系统，其中与所述多个电解槽模块中的每一者相关联的所述至少一个经调节n脉冲DC-DC转换器包括至少一个n脉冲斩波器型转换器，其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的系统，其中用于将所述AC电变换为较低电压的所述至少一个逐步降低变压器包括至少一个单级逐步降低变压器。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的系统，其进一步包括功率平衡控制器。
6.一种用于将来自产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的系统，其包括：
a.功率确定和监视构件，其用于进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述DC电的功率；
b.传输线，其连接到所述产生中等电压DC电以用于将来自所述风力农场的所述中等电压DC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
c.至少一个逐步降低转换器，其位于所述多个电解槽模块邻近处以用于从所述传输线接收所述中等电压DC电且将其转换为未经调节低电压DC电；
d.至少一个DC母线，其连接到所述至少一个逐步降低转换器以用于接收和分配所述低电压DC电；
e.至少一个经调节DC-DC转换器，其与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述至少一个DC母线中的至少一者，用于从所述至少一个DC母线中的所述至少一者接收所述未经调节低电压DC电且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
f.至少一个电解槽模块控制器，其连接到所述多个电解槽模块以用于控制所述多个电解槽模块；
g.至少一个分派控制器，其连接到所述功率确定和监视构件以及所述至少一个电解槽模块控制器，用于监视所述功率确定和监视构件以及所述至少一个电解槽模块控制器且用于控制所述系统以分配电力；
h.至少一个替代负载，其连接到所述传输线中的至少一者、所述至少一个逐步降低转换器的低电压侧和所述至少一个DC母线，用于要求来自所述风力农场的所述电力中未由所述多个电解槽模块要求的任何电力；
i.至少一个替代功率源，其连接到所述至少一个逐步降低转换器的中等电压侧和所述低电压侧中的至少一者以及所述至少一个DC母线，用于供应所述电力中由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力。
7.根据权利要求6所述的系统，其中与所述多个电解槽模块中的每一者相关联的所述至少一个经调节DC-DC转换器包括至少一个斩波器型转换器。
8.根据权利要求6到7中任一权利要求所述的系统，其进一步包括功率平衡控制器。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的系统，其中所述至少一个替代负载包括公用事业电网、本地电网、飞轮、电池、电容器、压缩空气能量系统和堆积负载中的至少一者。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的系统，其中所述至少一个替代功率源包括公用事业电网、本地电网、飞轮、电池、电容器、压缩空气能量系统和发电机组中的至少一者。
11.一种用于将来自产生中等到高电压AC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的方法，其包括以下步骤：
a.进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述AC电的功率；
b.估计功率传输和转换损失；
c.将所述中等到高电压AC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
d.使用至少一个逐步降低n脉冲变压器将所述AC电变换为低电压AC电；
e.使用至少一个未经调节n脉冲整流器将所述低电压AC电转换为未经调节低电压DC电；
f.经由至少一个n脉冲DC母线分配所述未经调节低电压DC电；
g.根据由所述风力农场产生的所述中等到高电压AC电的所测量、估计和预测的功率中的至少一者以及估计的功率传输和转换损失，使用与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述至少一个n脉冲DC母线中的至少一者的至少一个经调节n脉冲DC-DC转换器接收和调节所述未经调节低电压DC电，且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
h.将由所述风力农场产生的所述电力中未由所述多个电解槽模块要求的任何电力引导到至少一个替代负载；
i.从至少一个替代功率源供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力；
其中n脉冲是6脉冲、12脉冲和24脉冲中的一者。
12.一种用于将来自产生中等电压DC电的风力农场的电力分配到用于产生氢气的多个电解槽模块的方法，其包括以下步骤：
a.进行以下动作中的至少一者：测量、估计和预测所述风力农场产生的所述DC电的功率；
b.估计功率传输和转换损失；
c.将所述中等电压DC电传输到所述多个电解槽模块的附近；
d.使用至少一个逐步降低转换器将所述中等电压DC电转换为未经调节低电压DC电；
e.经由至少一个DC母线分配所述未经调节低电压DC电；
f.根据由所述风力农场产生的所述中等电压DC电的所测量、估计和预测的功率中的至少一者以及估计的功率传输和转换损失，使用与所述多个电解槽模块中的每一者相关联且连接到所述至少一个DC母线中的至少一者的至少一个经调节DC-DC转换器接收和调节所述未经调节低电压DC电，且将经调节DC电供应到所述多个电解槽模块中的每一者；
g.将由所述风力农场产生的未由所述多个电解槽模块要求的任何电力引导到至少一个替代负载；
h.从至少一个替代功率源供应由所述多个电解槽模块要求且未由所述风力农场供应的任何电力。
13.一种用于控制来自产生中等到高电压AC电和中等电压DC电中的至少一者的风力农场的电力向用于产生氢气的多个电解槽模块的分配的方法，其包括以下步骤：
a.估计实时可用的DC功率；
b.确定可用电解槽模块的数目；
c.测量每一电解槽模块的温度；
d.基于所述估计的可用DC功率、可用电解槽模块的所述数目以及所述可用电解槽模块中的每一者的所述温度来确定所述多个电解槽模块中的每一者的目标电流设定点；
e.朝向所述目标电流设定点斜变由所述至少一个斩波器型DC-DC功率转换器供应到所述可用电解槽模块中的每一者的DC电流；
f.以适当的时间间隔重复步骤a到e。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括在所述电流设定点小于所建立的低最小值的情况下在时间延迟之后断开至少一个电解槽模块的步骤。
15.根据权利要求13到14中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在所述电流设定点大于所建立的高最小值的情况下在时间延迟之后接通至少一个电解槽模块的步骤。
16.根据权利要求13到15中任一权利要求所述的方法，其进一步包括使所述多个电解槽模块的运行时间均匀化的步骤。
17.根据权利要求13到16中任一权利要求所述的方法，其进一步包括确保所述多个电解槽模块中的每一者的接通-断开操作随着时间间隔开的步骤。
18.根据权利要求13到17中任一权利要求所述的方法，其进一步包括将在警报条件下的所述多个电解槽模块中的任一者的所述电流设定点减少到所建立的最小降低运转的步骤。
19.根据权利要求13到18中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在警报条件自行校正的情况下将在所述警报条件下的所述电解槽模块中的任一者恢复到正常操作的步骤。
20.根据权利要求13到19中任一权利要求所述的方法，其进一步包括确定对应于阈值功率电水平的功率不平衡且按照所述阈值功率电水平依据所述不平衡的方向将到所述电解槽模块的功率调整为正或负的任选步骤。
21.根据权利要求13到19中任一权利要求所述的方法，其进一步包括确定电力网上的实际功率不平衡且成比例地调整到所述电解槽模块的所述功率的任选步骤。
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