CN108574277B - 大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，包括：电网等效电路；三相电解水制氢设备，三相电解水制氢设备与电网等效电路相连，以通过降压变压器将电网中高压交流电经过至少一级降压降到380V三相交流电；三台单相制氢设备，三相电解水制氢设备包括三台单相制氢设备，三台单相制氢设备分别由380V三相交流电的A、B和C的单相交流电压供电，以通过电解水制取氢气。该模型提供一种大规模接入电网的电解水制氢装备的电力电子系统模型，可有效的分析大规模电解水制氢装备接入电网后的稳态与动态特性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统和氢气制造技术领域，特别涉及一种大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型。
背景技术
目前，随着全球传统能源的日益枯竭，以及化石能源的过度开采与大量消耗引起的环境恶化问题凸显，摆脱现有的能源供应，寻找一种新型的清洁高效、可持续和易利用开发的能源载体方式迫在眉睫，已引起了世界范围内的高度重视。与此同时，氢气由于其无污染、能源密度高、资源丰富等优点而被广泛认为是人类未来利用的主要能源载体，是一种发展前景十分广阔的新能源。有科学家预测，21世纪将是“氢经济(Hydrogeneconomy)时代”。在此背景下，制氢技术也得到了较大的发展，其中以电解水为基础的制氢系统的研究和分析受到了广泛关注。
相关技术中，一种新型大规模电力储能装置，公开了一种新型的利用氢气和氧气进行大规模电力储能的装置，主要将电力系统多余的电能通过电解水系统制氢和制氧，利用储氢和储氧系统进行储能，在电网高峰期再利用燃料电池发电提供电能，改善可再生能源发电的输出功率波动，提升供电质量。另外，一种大规模风电储存系统及方法，则更加具体的提出了一种利用风电多余电能进行大规模电解水制氢储能系统及方法，主要利用能量管理系统控制在风电丰富时将多余电能转化为氢气储能，电力缺乏时通过燃料电池转为电能，提高风能利用率。所述两个专利的制氢模型均针对以储能缓冲为目的的使用场景，代表了目前对制氢系统模型构建的主要研究方向。
总结上述以及目前对大规模制氢系统构建的模型本质，主要为将氢气作为中间储能媒介，吸收多余电能，电源出力不足时通过燃料电池转化为电能，提高新能源的利用率以及电网功率的稳定性，无法应用于大规模制氢系统接入电网后相关问题的研究分析。然而，新时代下，氢气必将成为未来各行各业甚至日常生活中的能源利用载体，为满足其生产需要，必将有大规模制氢系统接入电网，会严重影响到电网的动态行为，甚至可以改造电网的动态行为。因此，亟需构建满足“氢能”时代需求的大规模制氢系统的电气模型，为相关分析与控制奠定基础。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，该模型可以有效提高电解水制氢装备接入电网的规模，并提供了一种大规模接入电网的电解水制氢装备的电力电子系统模型构建方法，可有效的分析大规模电解水制氢装备接入电网后的相关问题。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，包括：电网等效电路；三相电解水制氢设备，所述三相电解水制氢设备与所述电网等效电路相连，以通过降压变压器将电网中高压交流电经过至少一级将压降到380V三相交流电；单相制氢设备，所述三相电解水制氢设备包括三台所述单相制氢设备，三台所述单相制氢设备分别由所述380V三相交流电的A、B和C的单相交流电压供电，以通过电解水制取氢气。
本发明实施例的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，通过三相电解水制氢设备接入电网，构建大规模接入电网的电解水制氢装备，从而为相关研究人员提供可建模仿真、特性研究、接入电网后相关问题分析等研究的分析模型，有效提高了电解水制氢装备接入电网的规模。
另外，根据本发明上述实施例的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述单相制氢设备包括：电能变换系统，用于将输入的220单相交流电压整流为直流电压以及对直流电压进行斩波，并进行滤波；电解槽工作等效电气模型，用于通过电解槽制取氢气；电源控制系统模型，用于控制所述隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路工作，以将整流后的直流电压变换为满足预设条件的直流电压，并通过电容滤波后为电解槽工作等效电气模型供电，使得电解槽工作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电能变换系统包括：整流电路和隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述单相制氢设备还包括：制氢系统辅助设备功耗等效模型，以反映存储所述氢气所需的辅助设备功耗，所述制氢系统辅助设备包括气体压缩机、增压泵和氢气储存等装置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电源控制系统模型进一步用于通过电压和电流双闭环控制输出占空比可调的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波形，以驱动隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路中逆变电路的开关管的导通与关断，从而将输出直流电压稳定在预设值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设条件的直流电压为所述电解槽的工作电压。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，电压环PI(proportional integral，比例积分)调节的传递函数为
电流环PI调节的传递函数为：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电解槽工作等效电气模型根据端电压和端电流构建，其中，所述端电压和所述端电流满足以下公式：
其中，UE为电解槽的端电压；n为电解槽中电解小室的串联个数；Uwork为电解小室的最小工作电压；IE为电解槽的工作电流；RE为电解小室的平均电阻；Uact为电解小室电极过电压；Ua·act为电解小室阳极过电压；Uc·act为电解小室阴极过电压。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三相电解水制氢设备还包括：供电接口，以将所述380V三相交流电的ABC单相电压分别为所述三台单相制氢设备供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述三相电解水制氢设备为多个。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的三相电解水制氢装备中单相制氢设备电气模型；
图3为根据本发明一个实施例的单相制氢设备详细电气模型；
图4为根据本发明一个实施例的电解水制氢设备电能变换器控制框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型。
图1是本发明一个实施例的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型的结构示意图。
如图1所示，该大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型10包括：电网等效电路100、三相电解水制氢设备200和三台单相制氢设备300。
其中，电网等效电路100。三相电解水制氢设备200与电网等效电路100相连，以通过降压变压器将电网中高压交流电经过至少一级将压降到380V三相交流电。三相电解水制氢设备200包括三台单相制氢设备300，三台单相制氢设备300分别由380V三相交流电的A、B和C的单相交流电压供电，以通过电解水制取氢气。该模型10有效提高电解水制氢装备接入电网的规模，提供一种大规模接入电网的电解水制氢装备的电力电子系统模型，可有效的分析大规模电解水制氢装备接入电网后的稳态与动态特性。
可以理解的是，首先，大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型中制氢设备为三相制氢设备，通过电力变压器，将电网中高压交流电经过至少一级降压降为380V三相交流电，为至少一台的三相制氢设备供电。进而，三相制氢设备模型中包括三个单相制氢设备模型，其供电电源皆为220V交流电，分别由380V三相交流电中的A、B和C单相交流电压供电。其中，三相电解水制氢设备200即为三相制氢设备，单相制氢设备300即为单相电解水制氢设备。
具体而言，本发明实施例的模型10包括电网等效电路、大规模三相电解水制氢设备以及单台三相电解水制氢设备内部结构图。电源部分为从电网的高压交流母线上通过降压变压器进行至少一级变压，降到380V三相电压为至少一台电解水制氢设备供电。然后每台三相制氢设备需要利用特制的供电接口，将380V三相交流电的ABC单相电压分别为内部的三台单相制氢设备供电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，单相制氢设备包括：电能变换系统、电解槽工作等效电气模型和电源控制系统模型。
其中，电能变换系统用于将输入的220单相交流电压整流为直流电压以及对直流电压进行斩波，并进行滤波。电解槽工作等效电气模型用于通过电解槽制取氢气。电源控制系统模型用于控制隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路工作，以将整流后的直流电压变换为满足预设条件的直流电压，并通过电容滤波后为电解槽工作等效电气模型供电，使得电解槽工作。
在本发明的一个实施例中，电能变换系统包括：整流电路和隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路。
在本发明的一个实施例中，单相制氢设备还包括：制氢系统辅助设备功耗等效模型，以反映存储所述氢气所需的辅助设备功耗，制氢系统辅助设备包括气体压缩机、增压泵和氢气储存等装置。可以理解的是，单相制氢系统模型中包括电能变换系统、电解槽工作等效电气模型、制氢系统辅助设备等效模型以及控制系统模型。其中电能变换系统由整流电路和隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路组成，该DC-DC变换器适合应用于像本发明一样大功率、低电压、大电流输出场合；制氢系统辅助设备电气模型为制氢系统中气体压缩机、增压泵、氢气储存等辅助环节耗能等效电气模型；控制系统为电源控制系统。
具体而言，如图2所示，电解水制氢装备中单相制氢设备电气模型包括电能变换系统、电解槽工作等效电气模型、制氢系统辅助设备等效模型。如图3所示，单相制氢设备电气模型的工作原理为整流桥将输入的220V交流电压整流为直流电压，通过电容进行滤波；进而通过如图4所示控制系统控制隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路工作，将整流后的直流电压变换为适合电解槽工作的直流电压，经过电容进行滤波后为电解槽等效电路供电，便构成了大型电解水制氢装备中最底层电路的电气模型。
进一步地，在本发明的一个实施例中，电源控制系统模型进一步用于通过电压和电流双闭环控制输出占空比可调的PWM波形，以驱动隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路中逆变电路的开关管的导通与关断，从而将输出直流电压稳定在预设值。
在本发明的一个实施例中，预设条件的直流电压为电解槽的工作电压。
可以理解的是，电源控制系统的工作原理为通过电压电流双闭环控制输出占空比可调的PWM波形，驱动隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路中逆变电路的开关管的导通与关断，从而将输出直流电压稳定在期望值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，三相电解水制氢设备200还包括：供电接口。其中，供电接口，以将380V三相交流电的ABC单相电压分别为三台单相制氢设备供电。
在本发明的一个实施例中，三相电解水制氢设备200可以为多个。
进一步地，构建大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型的原理可包括以下步骤：
1)首先构建将电网的高压电通过降压变压器进行至少一级降压的降压环节，从而得到制氢系统所需的380V三相交流电以及A、B、C单相220V交流电，包括至少一个降压变压器以及分相器或特制的供电接口。
2)然后计算电能变换部分电路的相关参数，包括控制电路的设计，整流桥二极管的选型，滤波电容的选型，隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路中功率开关管、高频变压器、谐振电感电容、输出滤波电感、输出整流二极管以及输出滤波电容的选型。
3)电解槽等效电路的模型的构建，主要是通过电气模型来反映实际电解槽的工作状态，包括反映电解槽辅助设备功耗的阻抗之路以及电解槽中工作特性等效电路两大部分。根据所需建模的实际电解槽的参数和工作特性来设计选择电解槽等效电路每一部分的模型参数。
在本发明的一个具体实施例中，首先是根据所接高压母线电压选择合适的降压级数以及合适变比的电力变压器，所接高压母线电压可以为110kV、220kV、500kV、750kV或其他电压等级电压。例如所接电压母线电压为220kV时，电气模型中可选择4级变压，变比分别为220/110kV、110/35kV、35/10kV、10/0.38kV的理想变压器。然后至少一台或者大量的三相制氢设备模型接入到0.38kV的供电母线或特制类型的供电接口上。
进而是电能变换部分的元件参数选择，这里给出一种参数选型方案。首先是整流桥元件选型，已知电能变换部分输入电压为220V交流电压，则整流二极管的反向耐受电压要大于1000V，最大电流承受值要大于30A；滤波电容可选择3000μF，耐压值600V以上的电解电容。然后是隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器部分元件选型，功率开关管可选择耐压1000V，承受电流值70A以上的IGBT；谐振电感参数可选择2.197μH，谐振电容可选择2.355μF的型号；高频变压器的变比则根据输入、输出电压及占空比来确定，此处选择的变比为2.23；输出滤波电感的选型根据输出电流的纹波来确定，此处参数可为360μH；输出整流二极管可选择耐压在300V，承受电流值300A以上的型号；输出滤波电容选择4000μF，耐压80V以上的型号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，电压环PI调节的传递函数为
电流环PI调节的传递函数为：
具体而言，电源控制系统主要为设计其直流电压参考值、PI调节器的控制参数、PWM波形发生器。直流电压参考值vref选择为电解槽的工作电压。PI调节器的传递函数为
KP为PI调节器的比例放大系数，τ为PI调节器的积分时间常数，合适的选择参数KP和τ的值，可以取得好的电压控制效果。此处给出一种PI设计方案，电压环PI调节器传递函数为
电流环PI调节器传递函数为
PWM波形发生器通过占空比α来控制其工作，产生相应脉宽的PWM驱动波形。
最后是电解槽等效电路建模，包括辅助设备功耗等效支路和电解槽中工作特性等效电路。电解槽辅助设备功耗等效支路根据实际的辅助设备功耗、电压水平以及功率因数计算支路参数。当电解槽辅助设备有功功耗为Pf，交流电压有效值为U，电源频率为f，功率因数为
时，其等效支路的电阻Rf和电感Lf参数可根据下式计算：
例如已知Pf＝600W，U＝220V，f＝50Hz，
时，可由上式计算得等效电路参数Rf＝51.628Ω，Lf＝0.1233H。
进一步地，在本发明的一个实施例中，电解槽工作等效电气模型根据端电压和端电流构建，其中，端电压和端电流满足以下公式：
其中，UE为电解槽的端电压；n为电解槽中电解小室的串联个数；Uwork为电解小室的最小工作电压；IE为电解槽的工作电流；RE为电解小室的平均电阻；Uact为电解小室电极过电压；Ua·act为电解小室阳极过电压；Uc·act为电解小室阴极过电压。
具体而言，电解水制氢电解槽中工作特性等效电路以其端电压电流关系为基础进行构建，其关系式如下：
式中：UE为电解槽的端电压；n为电解槽中电解小室的串联个数；Uwork为电解小室的最小工作电压；IE为电解槽的工作电流；RE为电解小室的平均电阻；Uact为电解小室电极过电压；Ua·act为电解小室阳极过电压；Uc·act为电解小室阴极过电压。由于电极过电压Uact可分为阳极过电压Ua·act和阴极过电压Uc·act，因此电极过电压的电路等效参数既可以电极过电压为整体进行建模，也可对阳极过电压和阴极过电压分开建模，可根据具体情况选择相应方案。电解槽详细电气模型的建立已开展相当多的研究，这里不作为本发明的重点内容，因此，仅以前人所建传统碱性电解槽电气模型为例做实例说明，本发明实例中电极过电压电路等效参数是以分开为基础来建立的。本实例对应公式3中的各部分如下式所示：
式中：
为参考标准条件下工作电压；R＝8.315J/(K·mol)；T为温度；z为产生一摩尔的氢气电子转移摩尔数(z＝2)，F＝96485C/mol，为法拉第常数；P为压强，Pv,KOH为溶液的蒸汽压强；
为液体活力参数；s,t,ν,w表明了阳极和阴极活化过电压和电流之间的相关性，根据具体设备相关工作特性曲线拟合而得；Iact,a和Iact,c分别为阳极和阴极电流；r为一个电解室的面积比电阻，单位为Ωm2；A是电解室表面积，单位为m2。另外还包括阳极和阴极处电荷积累的电容Cdi,a,E和Cdi,c,E，根据实际电解槽工作特性拟合而得。本实例中各参数值如下：
至此，本发明实例电气模型建立完毕，其电路如图3所示。
需要说明的是，本发明实施例针对的制氢装备电力电子系统模型以电解水制氢方法为表述前提，实施实例采用的传统碱性电解水制氢方法用于说明本发明，但应说明，通过适当调整电解槽等效电路部分模型，可以适用于质子交换膜电解制氢、固体氧化物电解制氢等制氢装备电力电子系统模型，同样属于本发明实施例所限定的范围。更应说明，相关人员可以对本发明实施例模型进行修改或者改动，可以适用于其他以非电解水制氢方法为基础的大规模制氢装备电力电子系统模型构建，同样属于本发明实施例模型请所限定的范围。
根据本发明实施例提出的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，通过三相电解水制氢设备接入电网，构建大规模接入电网的电解水制氢装备，从而为相关研究人员提供可建模仿真、特性研究、接入电网后相关问题分析等研究的分析模型，有效提高电解水制氢装备接入电网的规模，提供一种大规模接入电网的电解水制氢装备的电力电子系统模型，可有效的分析大规模电解水制氢装备接入电网后的稳态与动态特性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，包括：
电网等效电路；
三相电解水制氢设备，所述三相电解水制氢设备与所述电网等效电路相连，以通过降压变压器将电网中高压交流电经过至少一级降压降到380V三相交流电；以及
三台单相制氢设备，所述三相电解水制氢设备包括所述三台单相制氢设备，所述三台单相制氢设备分别由所述380V三相交流电的A、B和C的单相交流电压供电，以通过电解水制取氢气。
2.根据权利要求1所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述单相制氢设备包括：
电能变换系统，包括：整流电路和隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路，用于将输入的220单相交流电压整流为直流电压以及对直流电压进行斩波，并进行滤波；
电解槽工作等效电气模型，用于反映电解槽制取氢气的工作特性；
电源控制系统模型，用于控制所述隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路工作，以将整流后的直流电压变换为满足预设条件的直流电压，并通过电容滤波后为电解槽工作等效电气模型供电，使得电解槽工作。
3.根据权利要求2所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述单相制氢设备还包括：
制氢系统辅助设备功耗等效模型，以反映存储所述氢气所需辅助设备的功耗，所述制氢系统辅助设备包括一台或多台气体压缩机、一台或多台增压泵和一台或多台氢气储存装置。
4.根据权利要求2所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述电源控制系统模型进一步用于通过电压和电流双闭环控制输出占空比可调的PWM波形，以驱动隔离式全桥倍流整流DC-DC变换器电路中逆变电路的开关管的导通与关断，从而将输出直流电压稳定在预设值。
5.根据权利要求2所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述预设条件的直流电压为所述电解槽的工作电压。
6.根据权利要求4所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，其中，
电压环PI调节的传递函数为
电流环PI调节的传递函数为：
7.根据权利要求2所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述电解槽工作等效电气模型根据端电压和端电流构建，其中，所述端电压和所述端电流满足以下公式：
UE＝n(Uwork+IERE+Uact)
＝n(Uwork+IERE+Ua·act+Uc·act)，
其中，UE为电解槽的端电压；n为电解槽中电解小室的串联个数；Uwork为电解小室的最小工作电压；IE为电解槽的工作电流；RE为电解小室的平均电阻；Uact为电解小室电极过电压；Ua·act为电解小室阳极过电压；Uc·act为电解小室阴极过电压。
8.根据权利要求1所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述三相电解水制氢设备还包括：
供电接口，以将所述380V三相交流电的ABC单相电压分别为所述三台单相制氢设备供电。
9.根据权利要求1-8任一项所述的大规模电解水制氢装备的电力电子系统模型，其特征在于，所述三相电解水制氢设备为多个。
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