CN110042413B - 非并网风电电解水制氢系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非并网风电电解水制氢系统和方法，该系统包括：风力发电机组、整流模块、电解水制氢模块、储氢模块和控制模块。风力发电机组与直流母线连接；电解水制氢模块与直流母线连接，电解水制氢模块包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，每个并联支路上串联有一个支路开关，每个制氢单元并联有一个功率开关，功率开关闭合时，功率开关对应的制氢单元短路。储氢模块与电解水制氢模块通过管道连接。控制单元分别与风力发电机组、整流模块和功率开关连接。本发明的非并网风电电解水制氢系统和方法，避免了变流次数较多导致的电力消耗问题，且能够在不同的发电效率下均具备较高的氢气转换效率。

Description

非并网风电电解水制氢系统和方法
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种非并网风电电解水制氢系统和方法。
背景技术
非并网风电技术是一种直接将风电应用于高耗能产业的风力发电技术，可有效地应对风电本身的间歇性、波动性等问题对电网的影响。非并网风电+电解水制氢构成的非并网风电制氢，实现了“风能-电能-氢能”的绿色能源转化，加之氢能的使用完全做到零碳排放、零污染，形成100％可再生能源循环体系。
目前利用风电制氢的系统通常主要包括风力发电机组、AC/DC整流及调压装置、控制装置和电解水制氢装置。工作时，将风力发电机组输出电能接入风电场内部交流电网，再经过AC/DC整流及调压装置得到电解水所需的直流电连接到电解水制氢装置。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：风力发电机的电能接入风电场内部交流电网之前需要对每个风机输出电压进行一次变流调控，AC/DC整流及调压装置通常采用不可控整流+DC/DC变换装置或可控整流装置来实现对直流电压的调控，整个系统变流装置较多，引入了大量的电力电子电路的损耗；且制氢装置容量固定，在风电功率较小时制氢效率较低，不能够充分将风能转化为氢能。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种非并网风电电解水制氢系统和方法。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种非并网风电电解水制氢系统，所述系统包括：风力发电机组、整流模块、电解水制氢模块、储氢模块和控制模块；所述风力发电机组包括多个风力发电机，每个所述风力发电机与一个所述整流模块的交流侧连接，所述整流模块的直流侧与直流母线连接；所述电解水制氢模块与所述直流母线连接，所述电解水制氢模块包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，每个所述制氢单元包括多个电解槽，每个所述并联支路上串联有一个支路开关，每个所述制氢单元并联有一个功率开关，所述功率开关闭合时，所述功率开关对应的制氢单元短路；所述储氢模块与所述电解水制氢模块通过管道连接，用于储存氢气；所述控制单元分别与所述风力发电机组、所述整流模块、所述支路开关和所述功率开关连接，用于监控所述风力发电机组的运行状态、调整所述整流模块的输出、控制所述支路开关和所述功率开关的启闭。
在一种可能的设计中，所述直流母线与一个所述整流模块的直流侧连接，所述整流模块的交流侧与所述公共交流电网连接。
在一种可能的设计中，所述电解水制氢模块包括m*n个电解槽，每个所述制氢单元包括n/j个并联支路，每个并联支路上有m/k个串联的电解槽。
在一种可能的设计中，所述风力发电机组为三相永磁同步发电机或双馈发电机。
在一种可能的设计中，所述整流模块为三相准Z源整流模块。
在一种可能的设计中，所述功率开关为电力三极管、金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管；和/或，所述支路开关为电力三极管、门级可关断晶闸管或绝缘栅双极型晶体管。
在一种可能的设计中，所述电解槽为单极式离子交换膜电解槽或双极式离子交换膜电解槽。
第二方面，提供了一种非并网风电电解水制氢方法，所述方法包括：
控制模块检测风力发电机组的运行状态，获取当前的风电功率；
当风电功率大于或等于第一预设值时，所述控制单元使全部制氢单元接入电路，并获取此时电解水制氢模块的工作电压，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值；
当风电功率小于第一预设值且大于或等于第二预设值时，所述控制单元根据风电功率获取当前最佳的电解水制氢单元接入量和直流母线电压，断开部分支路开关和/或短接部分制氢单元，每个并联支路上短接的制氢单元数量相同，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值。
进一步地，所述方法还包括：当风电功率小于第二预设值时，直流母线接入公共交流电网，所述控制单元使全部制氢单元接入电路，并通过整流模块调整直流母线电压值至电解水制氢模块的最低维持电压。
进一步地，所述方法还包括：当风电功率从第一设预设值以上减小至第一预设值和第一预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第一预设值以下增大至第一预设值和第一预设阈值之和以上时，所述控制单元发出指令进行工作状态的切换；所述风电功率从第二预设值以上减小至第二预设值与第二预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第二预设值以下增大至第二预设值和第二预设阈值之和以上时，所述控制单元发出指令进行工作状态的切换。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的非并网风电电解水制氢系统和方法，风力发电机组直接通过整流模块与直流母线连接，产生的风电直接用于制氢，不向公共交流电网输送电能，避免了变流次数较多导致的电力消耗问题。此外，通过设置功率可调的电解水制氢模块，控制单元能够根据风力发电机组的实时发电效率，调整电解水制氢模块中制氢单元的接入数量，并相应调整整流模块使直流母线的电压值与当前电解水制氢模块的工作电压相适配，能够在不同的发电效率下均具备较高的氢气转换效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供的非并网风电电解水制氢系统的系统架构图；
图2为本发明一个实施例提供的非并网风电电解水制氢系统中电解水制氢模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种非并网风电电解水制氢系统，如附图1所示，该系统包括：风力发电机组、整流模块、电解水制氢模块、储氢模块和控制模块。风力发电机组包括多个风力发电机，每个风力发电机与一个整流模块的交流侧连接，整流模块的直流侧与直流母线连接。电解水制氢模块与直流母线连接，电解水制氢模块包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，每个制氢单元包括多个电解槽，每个并联支路上串联有一个支路开关，每个制氢单元并联有一个功率开关，功率开关闭合时，功率开关对应的制氢单元短路。储氢模块与电解水制氢模块通过管道连接，用于储存氢气。控制单元与风力发电机组、整流模块、支路开关和功率开关连接，用于监控风力发电机组的运行状态、调整整流模块的输出、控制支路开关和功率开关的启闭。
以下对本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统的工作原理进行说明：
电解水制氢模块包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，每个并联支路上串联有支路开关，每个制氢单元并联有一个功率开关，功率开关闭合时，功率开关对应的制氢单元短路。通过控制支路开关的断开和闭合，可以对并联支路是否接入电路进行控制。通过控制功率开关的启闭，可以对接入电路的制氢单元的数量进行控制。控制单元可以根据实时的风力发电机组的发电效率，结合电解水制氢单元的伏安特性曲线以及氢气转化效率曲线，对电解水制氢模块的功率进行实时调控。具体地，控制模块检测风力发电机组的运行状态，获取当前的风电功率。当风电功率大于或等于第一预设值时，控制单元闭合所有支路开关，断开所有功率开关，使所有制氢单元接入电路，并获取此时电解水制氢模块的工作电压，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值。当风电功率小于第一预设值且大于或等于第二预设值时，控制单元根据风电功率获取当前最佳的电解水制氢单元接入量和直流母线电压(该最佳接入量和直流母线电压通过电解水制氢单元的伏安特性和串并联关系，以产氢量最大为标准确定)，断开部分支路开关，调整接入电路的并联支路的数量，和/或，闭合功率开关短接部分制氢单元，每个并联支路上短接的制氢单元数量相同，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值。
可见，本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统，风力发电机组直接通过整流模块与直流母线连接，产生的风电直接用于制氢，不向公共交流电网输送电能，避免了变流次数较多导致的电力消耗问题。此外，通过设置功率可调的电解水制氢模块，控制单元能够根据风力发电机组的实时发电效率，调整电解水制氢模块中制氢单元的接入数量，并相应调整整流模块使直流母线的电压值与当前电解水制氢模块的工作电压相适配，能够在不同的发电效率下均具备较高的氢气转换效率。
其中，为了使电解水制氢模块的每条并联支路保持一致的工作电压，短接部分制氢单元时，每个并联支路上短接的制氢单元数量相同。进一步地，短接的制氢单元可以在空间方位上均匀分布，使电解水制氢模块的温度分布均匀。
可选地，本发明实施例中，直流母线与一个整流模块的直流侧连接，整流模块的交流侧与公共交流电网连接。如此设置，当风电功率小于第二预设值时，直流母线接入公共交流电网，控制单元使所有制氢单元接入电路，并通过整流模块调整直流母线电压值至电解水制氢模块的最低维持电压。采用风电和公共交流电网协同供电来保持电解水制氢模块中电解液的温度。
进一步地，电解水制氢模块包括m*n个电解槽，每个制氢单元包括n/j个并联支路，每个并联支路上有m/k个串联的电解槽。如此设置，一方面，每个制氢单元的额定电压工作和电流一致，便于电能分配，在每个制氢单元内部，每条支路上的电解槽数量相同，便于调节每个电解槽的工作电压。另一方面，单个电解槽故障时，其只会影响其所在支路的其余电解槽的工作，使局部故障对制氢单元整体工作效率的影响较小。
本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统中，风力发电机组用于将风能转换为电能，示例地，风力发电机组可以为三相永磁同步发电机或双馈发电机。
整流模块用于将交流电转换为直流电输送至直流母线上，且通过调整整流模块，可以对直流母线的电压进行调整，示例地，整流模块可以为三相准Z源整流模块。
支路开关和功率开关起电流控制作用，作为一种示例，功率开关可以为电力三极管、金属氧化物半导体场效应管(MOS管)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insujated GateBipojar Transistor)，和/或，支路开关为电力三极管、门级可关断晶闸管(GTO，GateTurn-Off Thyristor)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insujated Gate BipojarTransistor)，上述几种开关均可以利用较小的电压输入控制较大的电流输出，且能在控制单元的控制下进行启闭，满足使用需求。
电解槽用于将电能转换为氢能，其只要能实现制氢功能即可。示例地，电解槽可以为单极式离子交换膜电解槽或双极式离子交换膜电解槽。
第二方面，本发明实施例提供了一种非并网风电电解水制氢方法，该方法包括：
控制模块检测风力发电机组的运行状态，获取当前的风电功率。
当风电功率大于或等于第一预设值时，控制单元使全部制氢单元接入电路，根据电解水制氢单元的伏安特性曲线和串并联关系获取此时电解水制氢模块的工作电压，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值。
当风电功率小于第一预设值且大于或等于第二预设值时，控制单元根据风电功率获取当前最佳的电解水制氢单元接入量和直流母线电压(以产氢量最大为目标)，断开部分支路开关和/或短接部分制氢单元，每个并联支路上短接的制氢单元数量相同，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值。
本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢方法，风力发电机组直接通过整流模块与直流母线连接，产生的风电直接用于制氢，不向公共交流电网输送电能，避免了变流次数较多导致的电力消耗问题。此外，通过设置功率可调的电解水制氢模块，控制单元能够根据风力发电机组的实时发电效率，调整电解水制氢模块中制氢单元的接入数量，并相应调整整流模块使直流母线的电压值与当前电解水制氢模块的工作电压相适配，能够在不同的发电效率下均具备较高的氢气转换效率。
进一步地，该方法还包括：当风电功率小于第二预设值时，直流母线接入公共交流电网，控制单元断开所有功率开关，并通过整流模块调整直流母线电压值至电解水制氢模块的最低维持电压，通过风电和公共交流电网协同供电来保持电解水制氢模块中电解液的温度。
通过上述过程可知，当风电功率在第一预设值或第二预设值处发生变动时，控制模块会发出指令进行工作状态的切换，为了避免风电效率在第一预设值或第二预设值处浮动导致的频繁切换问题，本发明实施例提供的方法还包括：当风电功率从第一设预设值以上减小至第一预设值和第一预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第一预设值以下增大至第一预设值和第一预设阈值之和以上时，控制单元发出指令进行工作状态的切换。风电功率从第二预设值以上减小至第二预设值与第二预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第二预设值以下增大至第二预设值和第二预设阈值之和以上时，控制单元发出指令进行工作状态的切换。
具体地，设风电功率为P，第一预设值为P12,，第二预设值为P23，第一预设阈值为δ12，第二预设阈值为δ23，风电功率大于或等于第一预设值时的工作状态为情况一，风电功率小于第一预设值且大于或等于第二预设值时的工作状态为情况二，风电功率小于第二预设值时的工作状态为情况三，工作状态切换如下式所示。
情况一、情况二之间的切换
Figure BDA0002029976490000061
情况二、情况三之间的切换
Figure BDA0002029976490000062
通过上述设置，实现滞环式的工作状态切换，避免频繁切换导致的设备损坏等问题。
其中，第一预设值、第二预设值、第一预设阈值、第二预设阈值等数据可以通过电解水制氢模块的伏安特性曲线、氢气转换效率曲线和风力发电机组的发电效率等实际工况确定。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种非并网风电电解水制氢方法，其特征在于，所述方法包括：
控制模块检测风力发电机组的运行状态，获取当前的风电功率；
当风电功率大于或等于第一预设值时，所述控制模块使全部制氢单元接入电路，并获取此时电解水制氢模块的工作电压，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值；
当风电功率小于第一预设值且大于或等于第二预设值时，所述控制模块根据风电功率获取当前最佳的电解水制氢单元接入量和直流母线电压，断开部分支路开关和/或短接部分制氢单元，每个并联支路上短接的制氢单元数量相同，调整整流模块以获得适配的直流母线电压值；
当风电功率小于第二预设值时，直流母线接入公共交流电网，所述控制模块使全部制氢单元接入电路，并通过整流模块调整直流母线电压值至电解水制氢模块的最低维持电压。
2.根据权利要求1所述的非并网风电电解水制氢方法，其特征在于，所述方法还包括：当风电功率从第一设预设值以上减小至第一预设值和第一预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第一预设值以下增大至第一预设值和第一预设阈值之和以上时，所述控制模块发出指令进行工作状态的切换；
所述风电功率从第二预设值以上减小至第二预设值与第二预设阈值之差以下时，或者，当风电功率从第二预设值以下增大至第二预设值和第二预设阈值之和以上时，所述控制模块发出指令进行工作状态的切换。
3.一种利用权利要求1或2所述的非并网风电电解水制氢方法进行风电制氢的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述系统包括：风力发电机组、整流模块、电解水制氢模块、储氢模块和控制模块；
所述风力发电机组包括多个风力发电机，每个所述风力发电机与一个所述整流模块的交流侧连接，所述整流模块的直流侧与直流母线连接；
所述电解水制氢模块与所述直流母线连接，所述电解水制氢模块包括j个并联支路，每个并联支路上有k个串联的制氢单元，每个所述制氢单元包括多个电解槽，每个所述并联支路上串联有一个支路开关，每个所述制氢单元并联有一个功率开关，所述功率开关闭合时，所述功率开关对应的制氢单元短路；
所述储氢模块与所述电解水制氢模块通过管道连接，用于储存氢气；
所述控制模块分别与所述风力发电机组、所述整流模块、所述支路开关和所述功率开关连接，用于监控所述风力发电机组的运行状态、根据风力发电机组的风电功率调整电解水制氢模块中制氢单元的接入量、调整所述整流模块的输出、控制所述支路开关和所述功率开关的启闭；
所述直流母线与一个所述整流模块的直流侧连接，所述整流模块的交流侧与公共交流电网连接。
4.根据权利要求3所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢模块包括m*n个电解槽，每个所述制氢单元包括n/j个并联支路，每个并联支路上有m/k个串联的电解槽。
5.根据权利要求3所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述风力发电机组为三相永磁同步发电机或双馈发电机。
6.根据权利要求3所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述整流模块为三相准Z源整流模块。
7.根据权利要求3所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述功率开关为电力三极管、金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管；和/或，
所述支路开关为电力三极管、门级可关断晶闸管或绝缘栅双极型晶体管。
8.根据权利要求3所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述电解槽为单极式离子交换膜电解槽或双极式离子交换膜电解槽。
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