CN106856354B - 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法 - Google Patents

一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106856354B
CN106856354B CN201710022893.3A CN201710022893A CN106856354B CN 106856354 B CN106856354 B CN 106856354B CN 201710022893 A CN201710022893 A CN 201710022893A CN 106856354 B CN106856354 B CN 106856354B
Authority
CN
China
Prior art keywords
photovoltaic
power
converter
generating module
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710022893.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106856354A (zh
Inventor
孙秋野
张化光
高子昊
马大中
黄博南
刘振伟
陈斯
陈磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University China
Original Assignee
Northeastern University China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University China filed Critical Northeastern University China
Priority to CN201710022893.3A priority Critical patent/CN106856354B/zh
Publication of CN106856354A publication Critical patent/CN106856354A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106856354B publication Critical patent/CN106856354B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/40—Fuel cell technologies in production processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/50—Energy storage in industry with an added climate change mitigation effect

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明提出一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法，该系统包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块；光伏发电模块为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电；燃料电池储能模块将光伏发电模块的剩余电能通过进行储存，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电；电网供电模块为电解铝电解槽供电；时空异构耦合控制器根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。该系统缓解了电网的供电压力和调峰压力，节约了化石能源的消耗。

Description

一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法
技术领域
本发明属于清洁能源供电与电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法。
背景技术
铝电解负荷为一级负荷，电解车间的电解槽、多功能天车、空压站、变电整流所等负荷也均为一级负荷。铝电解厂的一级负荷占全厂负荷的95％。大型铝工业基地的电解系列电流也在向超大方向发展。电解铝厂的高负荷对电网的供电系统产生了较大负担。同时电解铝生产中发生的电解反应不可避免的产生了二氧化碳影响了环境。
电解铝现在有供电系统仅为电网供电，方式单一，而电解铝中电解槽向大容量、高电流密度、高技术的方向发展，且电解铝产业本身又是一个高耗能的行业，启动时也会对电网峰谷调节产生较大影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法。
本发明的技术方案是：
一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块；
所述光伏发电模块，用于为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电；
所述燃料电池储能模块，用于当光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps大于电解铝电解槽的额定功率P0时，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电；
所述电网供电模块，用于在光伏发电模块和燃料电池储能模块均不能为电解铝电解槽供电时，为电解铝电解槽供电；
所述时空异构耦合控制器，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
所述光伏发电模块，包括：多个光伏发电板、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；
所述燃料电池储能模块，包括：燃料电池和第三DC/DC变换器；
所述电网供电模块，包括：供电网和AC/DC变换器；
所述AC/DC变换器的输入端连接供电网，所述AC/DC变换器的输出端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端还连接时空异构耦合控制器，所述电解铝电解槽的另一端连接第一DC/DC变换器的输出端和第三DC/DC变换器的输出端，所述多个光伏发电板并联连接，所述多个光伏发电板的输出端均连接时空异构耦合控制器的输入端、第一DC/DC变换器的输入端和第二DC/DC变换器的输入端，所述第二DC/DC变换器的输出端连接燃料电池的输入端，所述燃料电池的输出端连接第三DC/DC变换器的输入端和时空异构耦合控制器的输入端，所述时空异构耦合控制器的输出端连接第一DC/DC变换器的控制端、第二DC/DC变换器的控制端、第三DC/DC变换器的控制端和AC/DC变换器的控制端，所述电解铝电解槽的气体传输至燃料电池。
所述时空异构耦合控制器为DSP，包括：最大功率跟踪模块，功率选择模块和DC/DC变换器控制模块；
所述最大功率跟踪模块，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；
所述功率选择模块，用于实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；
所述DC/DC变换器控制模块，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
所述第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、第三DC/DC变换器结构相同，均为Buck-Boost变流器；
所述Buck-Boost变流器，包括第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3、第四IGBT管S4、谐振电感Lr、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一续流二极管D3、第二续流二极管D4、第三续流二极管D5、续流电感L；
所述第一IGBT管S1的门极、第二IGBT管S2的门极、第三IGBT管S3的门极连接DSP的输出端，所述第一IGBT管S1的发射极连接第一续流二极管D3的负极和供电侧正极，所述第一IGBT管S1的集电极连接第一续流二极管D3的正极和谐振电感Lr的一端，所述谐振电感Lr的另一端连接第二IGBT管S2的集电极、第二续流二极管D4的正极、续流电感L的一端和第一二极管D1的负极，所述第二IGBT管S2的发射极连接第二续流二极管D4的负极和第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接供电侧负极和第四IGBT管S4的发射极，所述第四IGBT管S4的集电极连接第一二极管D1的正极，所述续流电感L的另一端连接第三IGBT管S3的集电极、第三续流二极管D5的正极和第二二极管D2的正极，所述第三IGBT管S3的发射极连接第三续流二极管D5的负极、第二电容C2的一端和电解铝电解槽的输入端，所述第二二极管D2的负极连接第二电容C2的另一端和电解铝电解槽的输入端。
所述根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps的具体过程如下所示：
根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；
所述电流预测模型如下所示：
其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；
根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；
根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UIt+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率Pmax；
根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps＝nPmax，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
采用用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，包括以下步骤：
步骤1：通过时空异构耦合控制器实时采集光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流，确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；
步骤1.1：根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；
所述电流预测模型如下所示：
其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；
步骤1.2：根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；
步骤1.3：根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UIt+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率Pmax；
步骤1.4：根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps＝nPmax，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
步骤2：通过时空异构耦合控制器实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；
步骤3：通过时空异构耦合控制器比较光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps与电解铝电解槽的额定功率P0的大小，若Ps＞P0，则执行步骤4，若Ps＜P0，则执行步骤7；
步骤4：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比上限阈值η1，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6；
步骤5：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，同时控制光伏发电模块的第二DC/DC变换器导通，并且确定第二DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为燃料电池储能模块的燃料电池充电，返回步骤1；
步骤6：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，返回步骤1；
步骤7：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比下限阈值η2，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤9；
步骤8：通过时空异构耦合控制器控制电网供电模块的AC/DC变换器导通，为电解铝电解槽供电，返回步骤1；
步骤9：通过时空异构耦合控制器控制燃料电池储能模块的第三DC/DC变换器导通并且确定第三DC/DC变换器的占空比，控制燃料电池储能模块的燃料电池为电解铝电解槽供电，返回步骤1。
本发明的有益效果：
本发明提出一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法，该系统针对电解铝厂存在的能耗问题和二氧化碳排放问题提供了解决方案，其中能耗问题由文中所提及的光伏供电系统为电解铝供电，缓解了电网的供电压力和调峰压力，间接节约了化石能源的消耗。并针对所电解铝厂排放的二氧化碳进行就地消纳，减轻了对环境的影响，具体体现在通过燃料电池储能装置，将二氧化碳通过光伏电池产生的过剩的电能和水发生化学反应，转变成可以储存的无害气体甲烷和氧气，在需要时再进行放电为电解提供电能需求。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统的结构框图；
图2为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统的电路连接图；
图3为本发明具体实施方式中Buck-Boost变流器的电路连接图；
图4为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细说明。
一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，如图1所示，包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块。
光伏发电模块，用于为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电。
燃料电池储能模块，用于当光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps大于电解铝电解槽的额定功率P0时，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电。
电网供电模块，用于在光伏发电模块和燃料电池储能模块均不能为电解铝电解槽供电时，为电解铝电解槽供电。
时空异构耦合控制器，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
光伏发电模块，包括：多个光伏发电板、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器。
燃料电池储能模块，包括：燃料电池和第三DC/DC变换器。
本实施方式中，燃料电池采用甲烷燃料电池，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电。
光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存具体为：
电解铝过程产生的二氧化碳和水经过通电和催化剂生成甲烷和氧气，所用到的化学方程式为：C+2O2--4e-＝CO2↑，电解铝生产时阳极产生二氧化碳，通过气体收集器来收集，并作为燃料电池的储能原料用来将光伏发出的过剩功率通过转化成燃料气体的形式储存起来；其中阳极化学反应方程式为C+2O2--4e-＝CO2，充燃料电池放电反应为CH4+O2＝H2O+CO2。
电网供电模块，包括：供电网和AC/DC变换器。
如图2所示，AC/DC变换器的输入端连接供电网，AC/DC变换器的输出端连接直流母线，电解铝电解槽的一端连接直流母线，电解铝电解槽的一端还连接时空异构耦合控制器，电解铝电解槽的另一端连接第一DC/DC变换器的输出端和第三DC/DC变换器的输出端，多个光伏发电板并联连接，多个光伏发电板的输出端均连接时空异构耦合控制器的输入端、第一DC/DC变换器的输入端和第二DC/DC变换器的输入端，第二DC/DC变换器的输出端连接燃料电池的输入端，燃料电池的输出端连接第三DC/DC变换器的输入端和时空异构耦合控制器的输入端，时空异构耦合控制器的输出端连接第一DC/DC变换器的控制端、第二DC/DC变换器的控制端、第三DC/DC变换器的控制端和AC/DC变换器的控制端，电解铝电解槽的气体传输至燃料电池。
本实施方式中，时空异构耦合控制器为DSP，包括：最大功率跟踪模块，功率选择模块和DC/DC变换器控制模块。
最大功率跟踪模块，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps。
本实施方式中，根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps的具体过程如下所示：
根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型。
当光伏发电板的输出电压为U时，采集到的电流值为It，但当得It时，实际电流值和观测电流值之间已有延时τ时间，则输出电流预测值因此以当前时刻光伏发电板的输出电流It和下一时刻输出电流预测值构建非负双曲余弦函数，得到电流预测模型如式(1)所示：
其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数。
将公式(1)可以改写成如式(2)所示：
根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B。
根据对电流预测模型求偏导如式(3)和式(4)所示：
根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率如式(5)，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率Pmax。
P＝UIt+τ (5)
根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率如式(6)所示：
Ps＝nPmax (6)
其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
功率选择模块，用于实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧。
DC/DC变换器控制模块，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
本实施方式中，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比D的公式如式(7)所示：
其中，E为输入侧电压。
第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、第三DC/DC变换器结构相同，均为Buck-Boost变流器。
本实施方式中，Buck-Boost变流器如图3所示，包括第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3、第四IGBT管S4、谐振电感Lr、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一续流二极管D3、第二续流二极管D4、第三续流二极管D5、续流电感L。
第一IGBT管S1的门极、第二IGBT管S2的门极、第三IGBT管S3的门极连接DSP的输出端，第一IGBT管S1的发射极连接第一续流二极管D3的负极和供电侧正极，第一IGBT管S1的集电极连接第一续流二极管D3的正极和谐振电感Lr的一端，谐振电感Lr的另一端连接第二IGBT管S2的集电极、第二续流二极管D4的正极、续流电感L的一端和第一二极管D1的负极，第二IGBT管S2的发射极连接第二续流二极管D4的负极和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接供电侧负极和第四IGBT管S4的发射极，第四IGBT管S4的集电极连接第一二极管D1的正极，续流电感L的另一端连接第三IGBT管S3的集电极、第三续流二极管D5的正极和第二二极管D2的正极，第三IGBT管S3的发射极连接第三续流二极管D5的负极、第二电容C2的一端和电解铝电解槽的输入端，第二二极管D2的负极连接第二电容C2的另一端和电解铝电解槽的输入端。
本实施方式中，第四IGBT管S4为工作模式控制开关，第一IGBT管S1和第一续流二极管D3组成降压控制开关，第三IGBT管S3与第三续流二极管D5组成升压控制开关，第二IGBT管S2、第二续流二极管D4、谐振电感Lr和第一电容C1构成软开关；
当Buck-Boost变流器工作在Buck模式时，工作模式控制开关为导通状态，降压控制开关为导通状态，续流电感L为降压工作电感，此时软开关的工作时间控制降压比例：
当Buck-Boost变流器工作在Boost状态时，工作模式控制开关为断开状态，降压控制开关为导通状态，谐振电感Lr与续流电感L构成Boost电路的升压工作电感，升压控制开关控制升压比例。
采用用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：通过时空异构耦合控制器实时采集光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流，确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps。
步骤1.1：根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型如式(1)所示。
步骤1.2：根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B。
步骤1.3：根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UIt+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率Pmax。
步骤1.4：根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps＝nPmax，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
步骤2：通过时空异构耦合控制器实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η。
步骤3：通过时空异构耦合控制器比较光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps与电解铝电解槽的额定功率P0的大小，若Ps＞P0，则执行步骤4，若Ps＜P0，则执行步骤7。
步骤4：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比上限阈值η1，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6。
本实施方式中，燃料电池电量百分比上限阈值η1为0.9。
步骤5：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，同时控制光伏发电模块的第二DC/DC变换器导通，并且确定第二DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为燃料电池储能模块的燃料电池充电，返回步骤1。
步骤6：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，返回步骤1。
步骤7：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比下限阈值η2，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤9。
本实施方式中，燃料电池电量百分比下限阈值η2为0.1。
步骤8：通过时空异构耦合控制器控制电网供电模块的AC/DC变换器导通，为电解铝电解槽供电，返回步骤1。
步骤9：通过时空异构耦合控制器控制燃料电池储能模块的第三DC/DC变换器导通并且确定第三DC/DC变换器的占空比，控制燃料电池储能模块的燃料电池为电解铝电解槽供电，返回步骤1。

Claims (7)

1.一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，其特征在于，包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块；
所述光伏发电模块，用于为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电；
所述燃料电池储能模块，用于当光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps大于电解铝电解槽的额定功率P0时，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电；
所述电网供电模块，用于在光伏发电模块和燃料电池储能模块均不能为电解铝电解槽供电时，为电解铝电解槽供电；
所述时空异构耦合控制器，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
2.根据权利要求1所述的用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，其特征在于，所述光伏发电模块，包括：多个光伏发电板、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；
所述燃料电池储能模块，包括：燃料电池和第三DC/DC变换器；
所述电网供电模块，包括：供电网和AC/DC变换器；
所述AC/DC变换器的输入端连接供电网，所述AC/DC变换器的输出端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端还连接时空异构耦合控制器，所述电解铝电解槽的另一端连接第一DC/DC变换器的输出端和第三DC/DC变换器的输出端，所述多个光伏发电板并联连接，所述多个光伏发电板的输出端均连接时空异构耦合控制器的输入端、第一DC/DC变换器的输入端和第二DC/DC变换器的输入端，所述第二DC/DC变换器的输出端连接燃料电池的输入端，所述燃料电池的输出端连接第三DC/DC变换器的输入端和时空异构耦合控制器的输入端，所述时空异构耦合控制器的输出端连接第一DC/DC变换器的控制端、第二DC/DC变换器的控制端、第三DC/DC变换器的控制端和AC/DC变换器的控制端，所述电解铝电解槽的气体传输至燃料电池。
3.根据权利要求2所述的用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，其特征在于，所述时空异构耦合控制器为DSP，包括：最大功率跟踪模块，功率选择模块和DC/DC变换器控制模块；
所述最大功率跟踪模块，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；
所述功率选择模块，用于实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps和电解铝电解槽的额定功率P0的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；
所述DC/DC变换器控制模块，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U0计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。
4.根据权利要求3所述的用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，其特征在于，所述第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、第三DC/DC变换器结构相同，均为Buck-Boost变流器；
所述Buck-Boost变流器，包括第一IGBT管S1、第二IGBT管S2、第三IGBT管S3、第四IGBT管S4、谐振电感Lr、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一续流二极管D3、第二续流二极管D4、第三续流二极管D5、续流电感L；
所述第一IGBT管S1的门极、第二IGBT管S2的门极、第三IGBT管S3的门极连接DSP的输出端，所述第一IGBT管S1的发射极连接第一续流二极管D3的负极和供电侧正极，所述第一IGBT管S1的集电极连接第一续流二极管D3的正极和谐振电感Lr的一端，所述谐振电感Lr的另一端连接第二IGBT管S2的集电极、第二续流二极管D4的正极、续流电感L的一端和第一二极管D1的负极，所述第二IGBT管S2的发射极连接第二续流二极管D4的负极和第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接供电侧负极和第四IGBT管S4的发射极，所述第四IGBT管S4的集电极连接第一二极管D1的正极，所述续流电感L的另一端连接第三IGBT管S3的集电极、第三续流二极管D5的正极和第二二极管D2的正极，所述第三IGBT管S3的发射极连接第三续流二极管D5的负极、第二电容C2的一端和电解铝电解槽的输入端，所述第二二极管D2的负极连接第二电容C2的另一端和电解铝电解槽的输入端。
5.根据权利要求3所述的用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，其特征在于，所述根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps的具体过程如下所示：
根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；
所述电流预测模型如下所示：
其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；
根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；
根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UIt+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率Pmax；
根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps＝nPmax，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
6.采用权利要求1或2所述的用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过时空异构耦合控制器实时采集光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流，确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps；
步骤2：通过时空异构耦合控制器实时采集电解铝电解槽的额定功率P0和额定电压U0，以及燃料电池当前电量百分比η；
步骤3：通过时空异构耦合控制器比较光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps与电解铝电解槽的额定功率P0的大小，若Ps＞P0，则执行步骤4，若Ps＜P0，则执行步骤7；
步骤4：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比上限阈值η1，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6；
步骤5：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，同时控制光伏发电模块的第二DC/DC变换器导通，并且确定第二DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为燃料电池储能模块的燃料电池充电，返回步骤1；
步骤6：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，返回步骤1；
步骤7：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比下限阈值η2，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤9；
步骤8：通过时空异构耦合控制器控制电网供电模块的AC/DC变换器导通，为电解铝电解槽供电，返回步骤1；
步骤9：通过时空异构耦合控制器控制燃料电池储能模块的第三DC/DC变换器导通并且确定第三DC/DC变换器的占空比，控制燃料电池储能模块的燃料电池为电解铝电解槽供电，返回步骤1。
7.根据权利要求6所述的用于电解铝电解生产的 光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：根据当前时刻光伏发电板的输出电流It与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；
所述电流预测模型如下所示：
其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；
步骤1.2：根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；
步骤1.3：根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值It+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UIt+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率pmax；
步骤1.4：根据光伏发电板的最大输出功率Pmax确定光伏发电模块的光伏发电最大功率Ps＝nPmax，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。
CN201710022893.3A 2017-01-12 2017-01-12 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法 Expired - Fee Related CN106856354B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710022893.3A CN106856354B (zh) 2017-01-12 2017-01-12 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710022893.3A CN106856354B (zh) 2017-01-12 2017-01-12 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106856354A CN106856354A (zh) 2017-06-16
CN106856354B true CN106856354B (zh) 2019-10-11

Family

ID=59126146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710022893.3A Expired - Fee Related CN106856354B (zh) 2017-01-12 2017-01-12 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106856354B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108418202B (zh) * 2018-04-04 2021-06-18 北京航空航天大学 一种基于可再生能源的循环发电系统
CN109995127B (zh) * 2019-03-28 2022-06-21 湖南科技大学 一种光储电解电源系统及其控制方法
CN113054889B (zh) * 2021-04-25 2024-05-31 济南易航新材料科技有限公司 一种利用弃风弃光发电制氢的系统
CN112994112B (zh) * 2021-04-26 2024-04-12 济南易航新材料科技有限公司 一种组合能源消纳发电系统
CN113839419A (zh) * 2021-11-01 2021-12-24 西部金属材料股份有限公司 一种电解镁生产与清洁能源发电储能结合的系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170138A (zh) * 2011-03-23 2011-08-31 沈阳航空航天大学 一种基于电-铝-氢循环系统的大规模储能方法
CN102943287A (zh) * 2012-11-12 2013-02-27 东南大学 风光互补电解铝装置
CN102983618A (zh) * 2012-11-19 2013-03-20 江苏科技大学 独立式光伏燃料电池电热联供能源系统容量配置方法
CN102983604A (zh) * 2012-11-23 2013-03-20 国家电网公司 光伏和燃料电池联合发电系统
CN203382827U (zh) * 2013-07-24 2014-01-08 顾为东 非并网多能源协同供电的电解铝系统
CN204325265U (zh) * 2014-12-10 2015-05-13 程礼华 太阳能煤电铝肥碳油纸一体化碳氢氧循环装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6770186B2 (en) * 2001-11-13 2004-08-03 Eldat Communication Ltd. Rechargeable hydrogen-fueled motor vehicle

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102170138A (zh) * 2011-03-23 2011-08-31 沈阳航空航天大学 一种基于电-铝-氢循环系统的大规模储能方法
CN102943287A (zh) * 2012-11-12 2013-02-27 东南大学 风光互补电解铝装置
CN102983618A (zh) * 2012-11-19 2013-03-20 江苏科技大学 独立式光伏燃料电池电热联供能源系统容量配置方法
CN102983604A (zh) * 2012-11-23 2013-03-20 国家电网公司 光伏和燃料电池联合发电系统
CN203382827U (zh) * 2013-07-24 2014-01-08 顾为东 非并网多能源协同供电的电解铝系统
CN204325265U (zh) * 2014-12-10 2015-05-13 程礼华 太阳能煤电铝肥碳油纸一体化碳氢氧循环装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于混合储能的光伏微网动态建模与仿真;李春华等;《电网技术》;20130131;第37卷(第1期);39-46 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106856354A (zh) 2017-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106856354B (zh) 一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法
CN109004665B (zh) 风电、光电储能及离/并网制氢系统
CN207010249U (zh) 一种风电制氢储能的氢燃料复合电池
EP3965249A1 (en) Direct-current coupling hydrogen production system and control method therefor
CN106541845B (zh) 一种无线电动汽车充电系统及控制方法
CN107017651A (zh) 一种风电制氢储能的氢燃料复合电池及其发电方法
CN108574277B (zh) 大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型
CN208748209U (zh) 一种风能宽功率下电解水制氢装置
CN103944395A (zh) 质子交换膜燃料电池用前级直流变换器及其构建方法
CN212063513U (zh) 再生能源发电制甲烷装置及具备调峰能力的发电装置
CN113794193B (zh) 一种可再生能源直流微网制氢的决策方法
CN113949054A (zh) 电网自治系统及方法
CN113224745A (zh) 一种智慧供电电解水制氢电源系统及供电方法
CN111030148B (zh) 一种多绿色能源组成的零污染电力微网系统
CN101024884A (zh) 高耗能产业的非并网风力供电方法及其装置
CN104577172A (zh) 一种自带工作电源的全钒液流电池
CN115879837A (zh) 一种负荷可调容量评估方法、系统及计算机可读介质
CN215896471U (zh) 一种带能源回收功能的燃料电池发电系统
CN214850485U (zh) 一种智慧供电电解水制氢电源系统
CN214741839U (zh) 一种风网协同智能控制电解水制氢系统
CN104767468A (zh) 一种太阳能服务器控制系统和方法
Vaculik et al. Calculation of efficiency of hydrogen storage system at the fuel cells laboratory
CN204315671U (zh) 一种自带工作电源的全钒液流电池
CN113541133A (zh) 一种混合微电网精细化调度方法
Cheng et al. Modeling and Control for Alkaline Water Electrolyzers Operating in Wide Range

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20191011

Termination date: 20220112