CN109962482B - 基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统及其控制方法 - Google Patents

基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统及其控制方法。系统包括风力发电机,风力发电机的风电输出端口经由风电稳压逆变器、谐振降压变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,市电电网经由市电AC/DC逆变器、谐振半桥变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,中央控制系统采集风电稳压逆变器、市电AC/DC逆变器的输出电压和输出电流,以及采集电解水制氢装置的功率数据,中央控制系统对谐振降压变换器进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器进行PWM控制。本发明通过市电功率补偿方式平抑了风电波动,可确保电解水制氢装置可长期稳定运行在低功率高效率区,运行、维护成本低,使用寿命长。

Description

基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于市电功率补偿的风电非并网制氢集成系统以及该系统的控制方法,属于可再生能源制氢技术领域。
背景技术
近年来,在可再生能源应用领域里,风力发电发展迅猛,但是由于自然条件造成的供能波动以及电网负荷导致的弃风浪费日益突出,与此同时,氢作为重要的工业原料和燃料电池的发电原料,得到越来越多的重视,利用可再生能源制氢成了解决弃风问题的重要途径。然而目前广泛应用的电解水制氢技术对功率的稳定性有较高的要求,无法与可再生能源的波动性完全匹配,不能达到一定时间内稳定工作的要求,而在频繁停机开机过程中易出现各种故障和损耗。
虽然目前在风电制氢集成系统中已有大容量电池并联进行储能削峰来平抑风电波动的措施,但是,目前市场上较为成熟的大容量电池普遍价格过高,寿命有限,且充放电速度及容量都很大程度上会受环境温度的影响,与风电场普遍较为严苛的自然环境不相匹配,另外在生产和使用过程中还有污染问题和安全问题,风电制氢系统的制造、运行和维修成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统以及该系统的控制方法,该系统通过市电功率补偿方式平抑了风电波动,可确保电解水制氢装置可长期稳定运行在低功率高效率区,运行、维护成本低,使用寿命长。
为了实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统,其特征在于:它包括风力发电机,风力发电机的风电输出端口经由风电稳压逆变器、谐振降压变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,市电电网经由市电AC/DC逆变器、谐振半桥变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,中央控制系统采集风电稳压逆变器、市电AC/DC逆变器的输出电压和输出电流,以及采集电解水制氢装置的功率数据,中央控制系统对谐振降压变换器进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器进行PWM控制。
一种所述的基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统的控制方法,其特征在于,它包括步骤:当风力发电机处于无风时段或风速过大停机时段,风电稳压逆变器的输出功率为0时,中央控制系统对谐振半桥变换器进行PWM控制,使谐振半桥变换器输出功率等于电解水制氢装置制氢所需功率;当风力发电机处于风速过小的功率低谷时段,风电稳压逆变器的输出功率小于电解水制氢装置制氢所需功率时,中央控制系统对谐振降压变换器进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器进行PWM控制,使谐振降压变换器和谐振半桥变换器的输出电压相等,在谐振降压变换器以最大输出功率输出的基础上,使谐振降压变换器和谐振半桥变换器的输出功率之和等于电解水制氢装置制氢所需功率,实现市电功率对风电功率不足的补偿。
本发明的优点是:
本发明通过市电功率补偿方式平抑了风力发电机输出功率的变化(风电波动),即用市电功率补偿风电波动造成的无风时段、风速过大停机时段和风速过小的功率低谷时段的功率缺口,满足电解水制氢装置实际所需制氢功率的需求,以确保制氢作业可长期稳定运行在低功率高效率区,令可再生能源利用效率达到最大,可承担可再生能源波动性的影响,建设、运行及维护成本低,使用寿命长。
附图说明
图1是本发明基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统的组成示意图。
图2是谐振降压变换电路的原理图。
图3是谐振半桥变换电路的原理图。
具体实施方式
如图1所示,本发明基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统包括风力发电机10,风力发电机10的风电输出端口经由风电稳压逆变器20、谐振降压变换器40与电解水制氢装置70的输入端口连接,市电电网80(交流220伏)经由市电AC/DC逆变器30、谐振半桥变换器50与电解水制氢装置70的输入端口连接,中央控制系统60采集风电稳压逆变器20、市电AC/DC逆变器30的输出电压和输出电流数据,以及采集电解水制氢装置70的功率数据(电解水制氢装置70自身的自控模块可以实时提供其制氢所需的实际功率),即风电稳压逆变器20、市电AC/DC逆变器30、电解水制氢装置70的检测端口分别与中央控制系统60的相应检测端口连接,中央控制系统60对谐振降压变换器40进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器50进行PWM控制,即谐振降压变换器40、谐振半桥变换器50的受控端口分别与中央控制系统60的相应控制端口连接。
在实际设计中,谐振降压变换器40包括谐振降压变换电路,其中:如图2所示,谐振降压变换电路包括晶闸管VT;晶闸管VT的负极与风电稳压逆变器20的正极输出端连接;晶闸管VT的负极分两路,一路经由串联的第一二极管VD1、第二二极管VD2与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,第一二极管VD1的负极与晶闸管VT的正极连接,第二二极管VD2的正极与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,另一路与第一电感Lr的一端连接;第一电感Lr的另一端分两路,一路经由第三二极管VD3与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,第三二极管VD3的正极与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,第三二极管VD3的负极与第一电感Lr的相应一端连接,另一路经由第三电容Cn与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,第三电容Cn的负极与风电稳压逆变器20的负极输出端连接,第三电容Cn的正极与第一电感Lr的相应一端连接,风电稳压逆变器20的正、负极输出端之间连接有第一电容Ci,风电稳压逆变器20的负极输出端与第一、第二二极管VD1、VD2的公共端之间连接有第二电容Cr,第三二极管VD3的正极与第三电容Cn的负极之间连接有第二电感Ln,第三电容Cn的正极经由第四二极管VD4与电解水制氢装置70的正输入端连接,第三电容Cn的负极与电解水制氢装置70的负输入端连接,晶闸管VT的控制极与中央控制系统60的相应控制端连接。
在实际应用时,谐振降压变换电路还可有其它电路形式,并不局限于上述。
在实际设计中,谐振半桥变换器50包括谐振半桥变换电路,其中:如图3所示,谐振半桥变换电路包括连接在市电AC/DC逆变器30的正、负极输出端之间的串联的第一晶闸管VT1和第二晶闸管VT2,第一晶闸管VT1的负极与市电AC/DC逆变器30的正极输出端连接,第二晶闸管VT2的正极与市电AC/DC逆变器30的负极输出端连接,第一晶闸管VT1和第二晶闸管VT2的控制极与中央控制系统60的相应控制端连接,第二晶闸管VT2的正极经由第一电感Lr’、变压器T的原边、第一电容Cr’后与第二晶闸管VT2自身负极连接,变压器T的原边并联有第二电感Lm,变压器T的第一副边的正极经由第五二极管VD5、第三电感L、第二电容C、第六二极管VD6与变压器T的第二副边的负极连接,第五二极管VD5、第六二极管VD6的正极分别与变压器T的第一副边的正极、第二副边的负极连接,变压器T的第一、第二副边的公共端分别与第五、第六二极管VD5、VD6的负极连接,第二电容C的两端作为输出端Uo而与电解水制氢装置70的正、负输入端连接。
在实际应用时,谐振半桥变换电路还可有其它电路形式,并不局限于上述。
如图1,谐振降压变换器40、谐振半桥变换器50分别与电解水制氢装置70之间通过直流母线相连。
在本发明中,电解水制氢装置70为利用可再生能源(如风能)制氢的碱性或SPE(solid polymer electrolyte的缩写,固体聚合物电解质电解水制氧技术)电解水制氢装置。电解水制氢装置70为本领域的熟知装置,故其构成、工作原理不在这里详述。
中央控制系统60包括PLC可编程逻辑控制器、MCU多点控制单元或DSP高速数字信号处理器中的一种或多种。另外,中央控制系统60可通过网络与远程监控中心通讯,实现远程监控。
本发明适用于各种型号、发电功率的风力发电机。在本发明中,风力发电机10(AC/DC或DC/DC形式,视风力发电机10类型而定)、风电稳压逆变器20、市电AC/DC逆变器30、中央控制系统60为本领域的已有设备或熟知技术,故不在这里详述。
在本发明中,MPPT控制为一种提供最大功率输出的控制技术,PWM(Pulse WidthModulation)控制为一种脉冲宽度调制技术,MPPT、PWM控制方式为本领域的已有控制方法,故在这里不加以详述。
本发明还提出了一种市电功率补偿的风电非并网制氢系统的控制方法,它包括如下步骤:
当风力发电机10处于无风时段或风速过大停机时段,风电稳压逆变器20的输出功率为0时,中央控制系统60对谐振半桥变换器50进行PWM控制,使谐振半桥变换器50的输出功率等于电解水制氢装置70制氢所需的功率;
当风力发电机10处于风速过小的功率低谷时段,风电稳压逆变器20的输出功率小于电解水制氢装置70制氢所需的功率时,中央控制系统60对谐振降压变换器40进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器50进行PWM控制,使谐振降压变换器40和谐振半桥变换器50的输出电压相等,在谐振降压变换器40以最大输出功率输出,即谐振降压变换器40输出的是风力发电机10自身可达到的最大输出功率的基础上,使谐振降压变换器40和谐振半桥变换器50的输出功率之和等于电解水制氢装置70制氢所需的功率,实现市电功率对风电功率不足的补偿。
在实际实施时,当风力发电机10,即谐振降压变换器40的输出功率便可满足电解水制氢装置70制氢所需的功率时,中央控制系统60可通过控制谐振半桥变换器50不输出功率,仅由风力发电机10提供功率。
本发明的工作过程为:
中央控制系统60实时采集电解水制氢装置70制氢所需的功率信息。
当风力发电机10处于无风时段或风速过大停机时段,中央控制系统60通过采集风电稳压逆变器20的输出电压和输出电流得知风电稳压逆变器20的输出功率为0时,中央控制系统60对谐振半桥变换器50进行PWM控制,使谐振半桥变换器50的输出功率等于电解水制氢装置70制氢所需的功率。
当风力发电机10处于风速过小的功率低谷时段,中央控制系统60通过采集风电稳压逆变器20的输出电压和输出电流得知风电稳压逆变器20的输出功率小于电解水制氢装置70制氢所需的功率时,中央控制系统60同时根据其对市电AC/DC逆变器30的输出电压和输出电流的采集数据,对谐振降压变换器40进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器50进行PWM控制,调节使得谐振降压变换器40和谐振半桥变换器50的输出电压相等,在谐振降压变换器40以最大输出功率输出的基础上,令谐振半桥变换器50的输出功率补偿谐振降压变换器40输出功率的不足,以使谐振降压变换器40和谐振半桥变换器50的输出功率之和等于电解水制氢装置70制氢所需的功率,实现市电功率对风电功率不足的补偿。
当中央控制系统60通过采集风电稳压逆变器20的输出电压和输出电流得知风力发电机10,即谐振降压变换器40的输出功率已经可以满足电解水制氢装置70制氢所需的功率时,中央控制系统60控制谐振半桥变换器50不输出功率,仅由风力发电机10向电解水制氢装置70提供功率。
如图2所示,谐振降压变换电路的工作原理为:
初始时,晶闸管VT从零电流启动,第一电感Lr的电流上升,第三二极管VD3的电流下降并与晶闸管VT的电流发生换流,直到第三二极管VD3的电流下降至0为止。第三二极管VD3截止后,第二二极管VD2导通,导致第一电感Lr与第二电容Cr谐振,第二电容Cr的电压与输入电压Ui相等时,第一二极管VD1导通,将第二电容Cr钳位锁定,谐振结束,导致第一电感Lr的电压为负,导致第一电感Lr的电流下降,使第一二极管VD1和第二二极管VD2截止进入电路稳定工作状态。晶闸管VT在零电流关断时,第二电容Cr上的电压与输入电压Ui相等,导致第一二极管VD1和第二电感Ln开始续流,使得第二电容Cr放电至电压归零,此时第三二极管VD3导通,使得第一电感Lr和第二电容Cr开始谐振至第二电容Cr的电压与其初始电压相反时,第二二极管VD2导通,第二电容Cr的电压钳位时,谐振结束,第一电感Lr的电压为负,导致第一电感Lr的电流下降,由第三二极管VD3和第四二极管VD4续流,形成循环。
如图3所示,谐振半桥变换电路的工作原理为:
初始时第一晶闸管VT1打开,第二晶闸管VT2关闭,第一晶闸管VT1的寄生电容持续放电至0时,其内部反关联二极管导通,使第五二极管VD5导通且第二电感Lm钳位,导致第一电感Lr’与第一电容Cr’谐振。然后,第一晶闸管VT1从零电流导通,变压器T的原边N1承受正电压,第二晶闸管VT2和第六二极管VD6关断,直至第五二极管VD5关断。变压器T的副边N2脱离电路,第二电感Lm、第一电感Lr’和第一电容Cr’谐振,直至第一晶闸管VT1关断。第二晶闸管VT2的寄生电容对谐振电流放电至0时,其内部反关联二极管导通,使第六二极管VD6导通且第二电感Lm钳位,导致第一电感Lr’与第一电容Cr’再次谐振。然后,第二晶闸管VT2从零电流导通,变压器T的原边N1承受负电压,第一晶闸管VT1和第五二极管VD5关断,直至第六二极管VD6关断。变压器T的副边N2脱离电路,第二电感Lm、第一电感Lr’和第一电容Cr’谐振,直至第一晶闸管VT1关断。
本发明的有益效果为:
1、目前风力发电的储能削峰功能主要依靠储能电池实现,造价高昂、寿命有限,且储能总量很难满足需求,还无法解决风电场自然环境温度变化对工作效率的负面影响,相比之下,本发明通过市电功率补偿风电波动的方式,极大降低了平抑风电功率波动的建设、运行及维护成本,大幅延长了使用寿命,降低了维护难度,使电解水制氢装置的风电制氢工艺能够长时间稳定运行。
2、电解水制氢装置的制氢功率依赖电解槽在工作中自然升温而被动调整,一旦停机再启动则需要从新预热升温,特殊环境下只能利用辅热系统加热,增加了造价和能耗,因此,单纯依靠风电和储能电池运行会因为风电波动较大而造成能源浪费和维护成本升高,相比之下,本发明通过市电功率补偿风电波动的方式,可以长时间维持电解槽正常稳定运行,大大提高了能源利用效率,维护简单、成本低,使用安全。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理,对于本领域的技术人员来说,在不背离本发明的精神和范围的情况下,任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变,均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统,其特征在于:它包括风力发电机,风力发电机的风电输出端口经由风电稳压逆变器、谐振降压变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,市电电网经由市电AC/DC逆变器、谐振半桥变换器与电解水制氢装置的输入端口连接,中央控制系统采集风电稳压逆变器、市电AC/DC逆变器的输出电压和输出电流,以及采集电解水制氢装置的功率数据,中央控制系统对谐振降压变换器进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器进行PWM控制,其中:
谐振降压变换器包括谐振降压变换电路,其中:谐振降压变换电路包括晶闸管;晶闸管的负极与风电稳压逆变器的正极输出端连接;晶闸管的负极分两路,一路经由串联的第一二极管、第二二极管与风电稳压逆变器的负极输出端连接,第一二极管的负极与晶闸管的正极连接,另一路与第一电感的一端连接;第一电感的另一端分两路,一路经由第三二极管与风电稳压逆变器的负极输出端连接,第三二极管的正极与风电稳压逆变器的负极输出端连接,另一路经由第三电容与风电稳压逆变器的负极输出端连接,第三电容的负极与风电稳压逆变器的负极输出端连接,风电稳压逆变器的正、负极输出端之间连接有第一电容,风电稳压逆变器的负极输出端与第一、第二二极管的公共端之间连接有第二电容,第三二极管的正极与第三电容的负极之间连接有第二电感,第三电容的正极经由第四二极管与电解水制氢装置的正输入端连接,第三电容的负极与电解水制氢装置的负输入端连接,晶闸管的控制极与中央控制系统的相应控制端连接;
谐振半桥变换器包括谐振半桥变换电路,其中:谐振半桥变换电路包括连接在市电AC/DC逆变器的正、负极输出端之间的串联的第一晶闸管和第二晶闸管,第一晶闸管和第二晶闸管的控制极与中央控制系统的相应控制端连接,第二晶闸管的正极经由第三电感、变压器的原边、第四电容后与自身负极连接,变压器的原边并联有第四电感,变压器的第一副边的正极经由第五二极管、第五电感、第五电容、第六二极管与变压器的第二副边的负极连接,第五二极管的正极与变压器的第一副边的正极连接,第六二极管的正极与变压器的第二副边的负极连接,变压器的第一、第二副边的公共端分别与第五、第六二极管的负极连接,第五电容的两端与电解水制氢装置的正、负输入端连接。
2.如权利要求1所述的基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统,其特征在于:
所述谐振降压变换器、所述谐振半桥变换器分别与所述电解水制氢装置之间通过直流母线相连。
3.如权利要求1或2所述的基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统,其特征在于:
所述电解水制氢装置为利用可再生能源制氢的碱性或SPE电解水制氢装置。
4.如权利要求1或2所述的基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统,其特征在于:
所述中央控制系统包括PLC可编程逻辑控制器、MCU多点控制单元或DSP高速数字信号处理器中的一种或多种。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的基于市电功率补偿的风电非并网制氢系统的控制方法,其特征在于,它包括步骤:
当风力发电机处于无风时段或风速过大停机时段,风电稳压逆变器的输出功率为0时,中央控制系统对谐振半桥变换器进行PWM控制,使谐振半桥变换器输出功率等于电解水制氢装置制氢所需功率;
当风力发电机处于风速过小的功率低谷时段,风电稳压逆变器的输出功率小于电解水制氢装置制氢所需功率时,中央控制系统对谐振降压变换器进行MPPT控制以及对谐振半桥变换器进行PWM控制,使谐振降压变换器和谐振半桥变换器的输出电压相等,在谐振降压变换器以最大输出功率输出的基础上,使谐振降压变换器和谐振半桥变换器的输出功率之和等于电解水制氢装置制氢所需功率,实现市电功率对风电功率不足的补偿。
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