CN105186660A - 离网型风电制氢转换系统 - Google Patents

Abstract

一种离网型风电制氢转换系统，其整流单元将风力发电单元输入交流电转变为直流电，电解直流变换单元多路输出端连接水电解槽多个电解输入端，将整流后的直流电压转变为满足水电解槽工作条件的电压；储能单元通过双向直流变换单元接入整流单元输出端，双向直流变换单元通过调整储能单元的充放电来平衡整流单元与电解直流变换单元的瞬时功率不平衡，提高风力发电单元吸收的风能效率；卸荷单元接入整流单元的输出端，并实现过电压保护。本发明在脱离电网的条件下实现风能-电能-氢能过程中能量装换，将波动的风能转变为平滑的电解水制氢所需的电能，并提高风能利用水平。

Description

离网型风电制氢转换系统

技术领域

本发明涉及一种风电制氢转换系统，特别是涉及一种离网型风电制氢转换系统

背景技术

利用风、光等可再生能源发电技术为偏远无电地区、海岛地区以及无电网连接的通讯基站等设施供电已经成为当前的发展趋势，相比铺设电网有着明显的成本优势，相比化石燃料不仅可以持续循环运行，而且环境友好、无污染。但是，可再生能源发电存在着功率输出波动较大，具有典型的季节性差异，稳定性低等问题，如何充分利用可再生能源，减少装机备用容量，提高供电可靠性往往引入储能系统，目前储能系统一般以化学储能电池为主，存在着一些问题，为了保障系统供电的持续，需要配备大量化学储能电池，频繁的充放电，对电池的寿命是一个严峻的考验，而且储能电池存在着自放电问题，不能长时间存储。通过把电能转化成容易存储的其它形式的能源，需要时再转化为电能的方法为解决此类问题提供了一个很好的途径。氢能因其清洁无污染、来源广泛、能效高等优势被认为是21世纪在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。将风、光等可再生能源电解水制氢进行存储，通过燃料电池将存储的氢能转化为电能的方式进行能量调节，可以很好地解决上述问题，同时制取的氢气还可以有其它的用途，具有很好的发展前景。目前相关的工作已经开展，但是如何将波动的可再生能源能源转化为电解水所需要的供电条件，同时在离网条件下维持系统稳定工作，并且尽可能提高可再生能源发电效率，尤其是风电制氢，风力发电输出的功率短时间内波动范围由零功率状态达到额定输出功率之上，成为一个棘手的问题。

专利CN201010538149.7“一种风电制氢调控并网系统”提出了利用风电电解水制取氢能，由燃料电池回馈电网的风电并网功率调节系统，该系统主要应用于风电并网情况下，利用氢能作为储能形式来稳定并网功率，由于系统工作于并网情况下，通常可由电网维持系统的稳定，系统只需要实现功率的调节，相对于化学储能电池，其转换效率相对较低，应用前景有待于开发。专利CN201210057067.X“非并网风电制氢装置”，公开了一种非并网风电制氢装置，提出了不以风电并入电网为目标风电制氢装置的框架。该装置需要电网的辅助支撑，主功率流通过储能电池，对电池有较大冲击，且无法有效跟踪风力发电机组的最大功率输出。总结目前可再生能源制氢的现状，主要处于研究与示范阶段，对于离网型风电制氢供能系统还处于起步阶段，如何实现离网型风电制氢系统的稳定运行，提升系统的利用效率，实现波动的风能转变为满足电解水制氢所需的供电条件，有效的提升风电机组的风能利用水平，减少储能电池等辅助设备的容量，扩大电解装置的功率工作范围，都是需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的主要是针对当前离网型风电制氢系统应用于偏远无电地区、海岛地区以及无电网连接的通讯基站等设施供电场合存在的上述问题，提出一种离网型风电制氢转换系统。本发明可将波动的风能转化为电解水制氢所需要的供电条件，提升风电机组的风能利用水平，减少储能电池等辅助设备的容量，扩大电解水制氢工作范围。

本发明离网型风电制氢转换系统，包括风力发电单元、整流单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元、水电解槽、卸荷单元，以及集控单元。

整流单元的输出端、双向直流变换单元的输出端、电解直流变换单元的输入端及卸荷单元的输入端接入公共直流母线；双向直流变换单元的输入端与电压源逆变单元的输入端连接储能单元的输出端；风力发电单元的输出端连接整流单元的输入端，电解直流变换单元的输出端连接水电解槽；集控单元通过控制线路连接风力发电单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元以及卸荷单元。

整流单元将风力发电单元输出的交流电转变为直流电。双向直流变换单元结合储能单元平滑整流单元输出的电功率，并跟踪风力发电单元最大风能利用效率。电解直流变换单元将整流单元输出的直流电压转变为满足水电解槽工作条件的直流电压。水电解槽将电能转变氢能。电压源逆变单元结合储能单元承担系统运行辅助供电功能，当公共母线电压超过设定值，卸荷单元起到公共直流母线过压保护作用。集控系统为本发明离网型风电制氢转换系统的控制核心。

所述的水电解槽为一个槽体，其上安装有多个电解输入端。电解直流变换单元由多路隔离变换模块串联而成，每个隔离变换模块的输出端按照输出电压由低到高依次接入水电解槽单元多个电解输入端。电解直流变换单元实时跟踪整流单元输出功率，根据整流单元输出功率由小到大，依次将电解直流变换单元各路输出由待机状态转变为工作状态，当风力发电单元输入功率较小时，只让部分水电解槽体工作，提高了离网型风电制氢转换系统系统工作范围。

双向直流变换单元实现功率双向流动控制以及直流电压变换，将储能单元较低的电压变换为直流母线电压，实现储能单元与直流母线间的能量交换，通过调整储能单元的充放电来平衡整流单元与电解直流变换单元的瞬时功率不平衡，使公共直流母线电压满足电解直流变换单元的工作条件，同时扰动整流单元输出的直流电压，判断整流单元输出的功率增减来跟踪风力发电单元的最大风能利用效率，储能单元只提供功率差值，因此降低了储能单元的容量。

集控单元实时采集本发明离网型风电制氢转换系统的状态参数并对风力发电单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元以及卸荷单元进行协调控制与保护。集控单元检测风速达到风力发电单元工作条件时，控制风力发电单元启动，检测直流母线电压达到设定电压值时，控制双向直流变换单元工作，检测风力发电单元输出功率达到水电解槽工作范围，控制电解直流变换单元启动，检测直流母线电压超过设定值，控制卸荷单元启动进行保护动作。当风力发电单元、整流单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元、水电解槽、卸荷单元中的某一个发生故障时，集控单元进行停机保护。

本发明的优点在于：

1.能够实现离网条件下将波动的风能转换为水电解制氢所需要的供电条件；

2.本发明的可以提高水电解槽工作功率范围，扩大系统工作的风能条件，同时大大减少储能单元的容量；

3.本发明能够实现风力发电单元的最大风能利用效率的跟踪。

附图说明

图1为本发明离网型风电制氢转换系统结构图；

图2为水电解槽与电解直流变换单元结构简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明离网型风电制氢转换系统。如图1所示，所述的系统包括风力发电单元、整流单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元、水电解槽、卸荷单元，以及集控单元。整流单元的输出端、双向直流变换单元的输出端、电解直流变换单元的输入端及卸荷单元的输入端接入公共直流母线，双向直流变换单元的输入端与电压源逆变单元的输入端连接储能单元，风力发电单元的输出端连接整流单元的输入端，电解直流变换单元的输出端连接水电解槽，集控单元通过控制线路连接风力发电单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元以及卸荷单元。

图2所示为水电解槽与电解直流变换单元的结构简图。如图2所示，水电解槽单元为一个槽体，其上安装有多个电解输入端。电解直流变换单元由多路隔离变换模块串联组成，每个隔离变换模块的输出端分别连接水电解槽单元的多个电解输入端。由于目前较为经济常用的水电解槽以碱性电解槽为主，水电解槽存在起始消耗功率，因此风力发电单元输入的功率必须大于水电解槽的起始消耗功率，离网型风电制氢转换系统才能工作，使得离网型风电制氢转换系统对风能条件要求较高，大大缩小了离网型风电制氢转换系统运行的范围。本发明从水电解槽体引出多个抽头，连接电解直流变换单元的多个输出。当风力发电单元输入功率较小时，只让部分水电解槽体工作，降低了水电解槽的初始工作功率，扩大了离网型风电制氢转换系统工作范围。

风力发电单元将风能转变为交流电能，交流电能无法直接被水电解槽利用，通过整流单元将风力发电单元输出的频率变化的交流电整流成直流电。水电解槽电解水制氢一般需要较低的直流电压，通过电解直流变换单元可以将整流单元输出较高电压等级的直流电转变为较低电压等级直流电，满足水电解槽的工作条件。

风力发电单元输出的电能随风速变化剧烈，导致整流单元输出的直流电压不稳定，一旦超出电解直流变换单元的工作范围，离网型风电制氢转换系统便无法工作，因此本发明通过双向直流变换单元接入储能单元来稳定直流电压。双向直流变换单元能实现功率双向流动控制以及直流电压变换，将储能单元较低的电压变换为直流母线电压，实现储能单元与直流母线间的能量交换，当整流单元的输出功率大于电解直流变换单元消耗的功率，储能单元吸收多余的电能，反之放电，维持直流电压的相对稳定。由于电解直流变换单元吸收的功率实时跟踪整流单元输出的功率，因此储能单元只需要提供瞬时不平衡功率的差值，因此大大降低了储能单元的容量。

风力发电单元转换风能的效率跟整流单元输出的电压有关，因此通过双向直流变换单元调节整流输出单元的电压，同时检测整流单元输出的功率增减来跟踪风力发电单元最大风能利用效率。

卸荷单元起到公共直流母线过压保护的作用。由于水电解系统的启动需要一定时间，而风电转换单元输入功率可能短时间内达到额定值，造成功率不平衡或者系统故障等现象，造成公共直流母线电压突升，此时卸荷单元工作，消耗功率降低公共母线电压。

集控单元包含了风速传感器、电压传感器、电流传感器以及温度传感器，实时采集本发明离网型风电制氢转换系统的状态参数，包括风速、直流母线电压、储能单元电压电流、风力发电单元输出电压、整流单元输出电流、电解直流变换单元输出电压电流。集控单元协调控制的流程为：检测风速达到风力发电单元工作条件时，控制风力发电单元启动将风能转换为电能，交流电能通过整流单元转变直流电能，母线电压逐渐升高。当直流母线电压达到设定电压值时，集控单元控制双向直流变换单元工作，此时储能单元与直流母线单元进行功率交换，母线电压逐渐稳定，风力发电单元转换的电能随着吸收的风能而变化。当检测到风力发电单元的输出功率达到水电解槽的工作范围要求，集控单元控制电解直流变换单元启动，水电解槽在电解直流变换单元的作用下开始产生氢气。如果集控单元检测到直流母线电压超过设定值，控制卸荷单元启动进行保护动作。当风力发电单元、整流单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元、水电解槽、卸荷单元中的某一个自身发生故障时，将故障信息上传给集控单元进行停机保护。集控单元具有人机交互接口，方便对本发明离网型风电制氢转换系统运行监测。

Claims (3)

1.一种离网型风电制氢转换系统，其特征在于：所述的风电制氢转换系统由风力发电单元、整流单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元、水电解槽、卸荷单元，以及集控单元构成；整流单元的输出端，双向直流变换单元的输出端及电解直流变换单元的输入端接入公共直流母线，双向直流变换单元的输入端与电压源逆变单元的输入端连接储能单元的输出端；风力发电单元的输出端连接整流单元的输入端，电解直流变换单元的输出端连接水电解槽，集控单元通过控制线路连接风力发电单元、双向直流变换单元、电解直流变换单元、电压源逆变单元、储能单元以及卸荷单元。

2.如权利要求1所述的离网型风电制氢转换系统，其特征在于：所述的水电解槽为一个槽体，其上安装有多个电解输入端；电解直流变换单元由多路隔离变换模块串联组成，每个隔离变换模块的输出端接入水电解槽单元的多个电解输入端；电解直流变换单元实时跟踪整流单元的输出功率，根据整流单元输出功率由小到大，依次将电解直流变换单元各路输出由待机状态转变为工作状态；当风力发电单元输入功率较小时，只有部分水电解槽体工作。

3.如权利要求1所述的离网型风电制氢转换系统，其特征在于：所述的双向直流变换单元通过调整储能单元的充放电来平衡整流单元与电解直流变换单元的瞬时功率不平衡，使公共直流母线电压满足电解直流变换单元的工作条件，同时扰动整流单元输出的直流电压，判断整流单元输出的功率增减来跟踪风力发电单元的最大风能利用效率。