CN110635510A - 非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法，所述系统包括：风力发电机组，准Z源变流装置、直流母线、制氢装置和控制单元；风力发电机组中每个风力发电机通过一个对应的准Z源变流装置与直流母线连接；制氢装置与直流母线连接，制氢装置包括n个并联支路，每个并联支路上有m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。控制单元用于监控风力发电机组的运行状态、调整直流母线的电压等级、控制支路开关和功率开关的启闭。本发明的非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法，可以保证制氢过程中源端和荷端的适配性，提高制氢效率，降低生产成本。

Description

非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法

技术领域

本发明涉及电解水技术领域，尤其涉及一种非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法。

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。

现有技术提供的非并网风电电解水制氢系统中，风力发电机组通过AC/DC整流模块与直流母线连接，直流母线与制氢装置连接。风力发电机组将风能转化为交流电，经AC/DC整流模块整流后向直流母线输送直流电，用制氢装置供能，由制氢装置进行电解水制氢，将电能转换为氢能。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：由于风电的间歇性和波动性，风电独立供电不稳定，进而导致制氢装置效率较低，生产成本提高。

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及其协同控制方法。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，准Z源变流装置、直流母线、制氢装置和控制单元；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通过一个对应的所述准Z源变流装置与所述直流母线连接；所述制氢装置与所述直流母线连接，所述制氢装置包括n个并联支路，每个并联支路上有m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；所述控制单元分别与所述风力发电机组、所述准Z源变流装置、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、调整所述直流母线的电压等级、控制所述支路开关和所述功率开关的启闭。

可选地，公共交流电网通过AC/DC整流装置连接至所述直流母线。

可选地，所述控制单元包括控制层和决策层，所述控制层，用于监控所述风力发电机组和所述制氢装置的运行状态，并上传至所述决策层；所述决策层，用于根据所述风力发电机组和所述制氢装置的运行状态，进行功率匹配和划分，向所述控制层发出调控指令；所述控制层，还用于根据所述调控指令，调节每个所述风力发电机的工况、所述直流母线的电压等级和所述制氢装置中所述制氢单元的接入量。

第二方面，提供了一种非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，所述方法包括：

控制单元监测风力发电机组和制氢装置的运行状态，获取源端功率和荷端功率的功率偏差，源端功率为风力发电机组的发电功率，荷端功率为制氢装置的额定制氢功率；

控制模块根据功率偏差调节制氢装置中制氢单元的接入量，并根据制氢单元的接入量调整直流母线的电压，使荷端功率与源端功率相适配。

可选地，根据下式公式获取源端功率和荷端功率的功率偏差：

式中，ΔP为源端功率和荷端功率的功率偏差，P_wi为第i台风力发电机的输出功率，m₁、n₁分别为实际工作的制氢单元的串联数和并联支路数，m₁≤m，n₁≤n，P_cell为每个制氢单元的额定容量。

可选地，若ΔP≤-β，对称地按行或按列减少制氢单元的接入量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压；若ΔP≥γ，对称地按行或按列增加制氢单元的接入量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压；

其中，

每个制氢单元额定电压下的工作区间为：P_cell-p₁≤P≤P_cell+p₂。

可选地，源端功率低至预设阈值时，将制氢装置中的全部制氢单元接入，由公共交流电网供电使全部制氢单元工作于维持电压。

可选地，减少或增加制氢单元的接入量时，优先在每条接入的并联支路中切除或添加相同数量的制氢单元。

可选地，控制层中用于控制准Z源变流装置的qZSR控制器以功率环作为外环，跟踪风力发电机的功率，并具有前馈解耦控制的电流内环控制，实现电流的动态解耦控制。

可选地，控制层根据由决策层发出的每个风力发电机的功率给定和直流母线的电压给定，通过前馈控制，调节直通占空比，跟踪控制直流母线的电压。

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及其协同控制方法，通过在源端采用准Z源变流装置，可以实现直流母线电压的稳定控制。通过采用制氢单元串并联形成模块化的制氢装置，便于调节至不同功率，以适应不同的风电功率，保证制氢过程中源端和荷端的适配性，提高制氢效率，降低生产成本。

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结构示意图；

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准Z源变流装置的电路图；

图3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制氢装置的结构示意图；

图4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控制单元的结构示意图；

图5-1为本发明一个实施例提供的第一组风电功率曲线图；

图5-2为本发明一个实施例提供的第二组风电功率曲线图；

图6-1为本发明一个实施例提供的第一组源端仿真结果图；

图6-2为本发明一个实施例提供的第二组源端仿真结果图；

图7-1为本发明一个实施例提供的第一组荷端仿真结果图；

图7-2为本发明一个实施例提供的第二组荷端仿真结果图。

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至附图3所示，该系统包括：风力发电机组，准Z源变流装置(qZSR)、直流母线、制氢装置和控制单元。风力发电机组包括多个风力发电机，每个风力发电机通过一个对应的准Z源变流装置与直流母线连接。制氢装置与直流母线连接，制氢装置包括n个并联支路，每个并联支路上有m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。控制单元分别与风力发电机组、准Z源变流装置、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、调整直流母线的电压等级、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：

使用时，将该系统划分为源端和荷端，源端包括风力发电机组和准Z源变流装置，荷端包括制氢装置，直流母线用于电流输送，将荷端与源端连接在一起。对于源端，准Z源变流装置的电路结构可以参见附图2。通过协同控制三相桥六个开关管以qZS中SW的开通关断进行直通模式和非直通模式的交替运行。该电路结构由全控整流桥和qZS电路组成，二者亦独立实现功能：全控整流桥可实现对风力发电机的MPPT以及风机侧功率因数的调节，而qZS电路则通过其强大的升降压能力，实现直流母线电压的稳定控制。对于荷端，如附图3所示，制氢装置包括n个并联支路，每个并联支路上有m个串联的制氢单元(即，划分为n行m列)，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，对荷端的功率进行控制。

可见，本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统，通过在源端采用准Z源变流装置，可以实现直流母线电压的稳定控制。通过采用制氢单元串并联形成模块化的制氢装置，便于调节至不同功率，以适应不同的风电功率，保证制氢过程中源端和荷端的适配性，提高制氢效率，降低生产成本。

其中，制氢装置中每个制氢单元可以为离子膜(PEM)电解池，每个制氢单元由多个电解槽串并联构成。可选地，多个电解槽中的电解液可以保持相互连通，以便在制氢单元切除后维持其中的温度，进而保证制氢单元接入电路后能够快速开始制氢。进一步地，制氢单元中的电解槽可以为单级式离子交换膜电解槽或双极式离子交换膜电解槽，功率开关可以为电力三极管、MOS管(金属氧化物半导体场效应管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

可选地，本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统中，直流母线通过AC/DC整流母线与公共交流电网连接。如此设置，风力发电机组的发电功率极低时，可以由公共交流电网供能，使制氢装置保持在维持电压。

对于控制单元的结构，以下进行示例说明：

参见附图4，控制单元包括控制层和决策层。控制层，用于监控风力发电机组和制氢装置的运行状态，并上传至决策层；决策层，用于根据风力发电机组和制氢装置的运行状态，进行功率匹配和划分，向控制层发出调控指令；控制层，还用于根据调控指令，调节每个风力发电机的工况、直流母线的电压等级和制氢装置中的制氢单元的接入量。

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系统的协同控制方法，该方法包括：控制单元监测风力发电机组和制氢装置的运行状态，获取源端功率和荷端功率的功率偏差，源端功率为风力发电机组的发电功率，荷端功率为制氢装置的制氢功率。控制模块根据功率偏差调节制氢装置中制氢单元的接入量，并根据制氢单元的接入量调整直流母线的电压，使荷端功率与源端功率相适配。进而提高制氢效率，降低生产成本

以下对控制单元具体如何完成源端和荷端的协同控制，进行详细阐述。

控制单元包括控制层和决策层，控制层对源端和荷端的物理状态(包括风力发电机的电流、电压和功率等，制氢装置的制氢电流、产氢量等)进行实时检测和采样，并将采样数据发送给决策层。决策层根据短期的风功率预测数据以及采样数据进行源端和荷端的功率匹配和划分，从而决策每台风力发电机的工况、直流母线电压等级以及制氢装置中制氢单元的接入量。

对于决策层：

首先，根据下式公式一获取源端功率和荷端功率的功率偏差：

式中，ΔP为源端功率和荷端功率的功率偏差，P_wi为第i台风力发电机的输出功率，m₁、n₁分别为实际工作的制氢单元的串联数和并联支路数，m₁≤m，n₁≤n，P_cell为每个制氢单元的额定容量。

若ΔP≤-β，该模式下，源端的输出功率不能满足荷端电解水的需求，通过以最小切换量对称地按行或按列减少制氢单元的接入量，减小负载容量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压，使制氢装置的总容量与风电总功率相适配。

进一步地，该模式中，源端功率低至预设阈值(即，源端输出功率极低)时，将制氢装置中的全部制氢单元接入，由公共交流电网供电使全部制氢单元工作于维持电压。

若-β<ΔP<γ，该模式下，功率偏差在上下阈值范围内，系统处于相对稳定的状态，无需添加或切除制氢单元。

若ΔP≥γ，该模式下，源端的输出功率大于荷端电解水的需要，通过以最小切换量对称地按行或按列增加制氢单元的接入量，增加负载容量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压，使制氢装置的总容量与风电总功率相当。

其中，所谓最小切换量为保持每行接入制氢模块相等增加或减少的最少制氢单元数量。

其中，-β与γ分别调整的下限和上限，且按照列调整的模式来设计。假设每个制氢单元额定电压下的工作区间为：P_cell-p₁≤P≤P_cell+p₂，对于m₁×n₁的制氢负载，通过下述公式二，得到满足调整要求下阈值的取值：

进一步地，源端功率低至预设阈值时，将制氢装置中的全部制氢单元接入，由公共交流电网供电使全部制氢单元工作于维持电压。

本发明实施例中，在进行制氢单元的切除和添加时，应遵循以下原则：

每一条并联支路上的制氢单元数量应保持一致；按照功率偏差，每次进行一级调整判断，即增删最少量制氢单元；保证制氢装置工作在其高效工作区间。在满足上述原则的基础上，进行调整时，优先在每条接入的并联支路中切除或添加相同数量的制氢单元。

通常，在进行一级调整时，需在每一条接入的并联支路中同时切除或添加一个制氢单元，即按列切除或增加。而如果需要减少或增加一条并联支路(按行调整)，则按照以下规则进行。当前一状态满足m₁＝m且n₁<n时，并且ΔP≥γ，则应增加一行即m₁×n₁→m₂×(n₁+1)，增加后的列数m₂

式中，[]代表四舍五入取整。

对于何时切除一行，即m₁×n₁→m₂×(n₁-1)，则在ΔP≤-β时，切除前后满足如下条件时执行：

切除一列后的列数m₂：

综上所述，本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法中，在确定减少或增加制氢单元的接入量时，可根据ΔP按最小切换量逐级减少或增加制氢单元，直到-β<ΔP<γ。

或者，在确定减少或增加制氢单元的接入量时，亦可按上述方法，列出源端功率与制氢单元接入量增减调节的关系表，通过查表来确定减少或增加的制氢单元接入量。

对于控制层：

在荷端，控制层直接根据决策层的容量设置，通过启闭支路开关和功率开关，进行低频次的负载容量调整。

对于源端的准Z源变流装置，在风力发电机交流侧，根据风力发电机MPPT以及直流母线动态调节的需求，所设计的qZSR控制器以功率环作为外环，以实现对风力发电机功率的跟踪，并设计有前馈解耦控制的电流内环控制，实现电流的动态解耦控制。对于直流侧，则根据有决策层给出的每台风力发电机的功率给定P^* _wi以及直流母线的电压给定V^* _DC，通过前馈控制，调节直通占空比d，来实现对直流电压的跟踪控制。

以下将结合具体实施例对本发明实施例提供的非并网风电电解水制氢系统及其协同控制方法进行进一步说明：

表一

根据表一中的设计参数，建立基于qZSR的非并网风电电解水制氢系统的仿真模型。源端选用两台1.5MW风力发电机，额定转速1800r/min，其参数及运行状态则根据某风场两台同容量风机获得，并相应地设计相匹配的qZSR电路。荷端制氢负载则以某型号90kWPEM电解水制氢设备为制氢单元，考虑制氢负荷与风电功率相互匹配，按所提出的模块化结构设计为3×10的电解水制氢装置矩阵。选取两个时间段功率变化用作系统仿真的输入，第一组风电功率曲线和第二组风电功率曲线可以参见附图5-1和附图5-2。

根据决策层的功率及负荷调节方法，结合制氢单元的工作特性可以确定模块化制氢单元n₁×m₁的规格增删变化，同时确定直流母线电压V^* _DC。附图5-1和附图5-2的右上角以标尺的形式给出了随着两组风电功率的变化的一种制氢单元的增删变化界限。

为验证系统控制效果，在仿真中风电功率以阶跃形式变化(最后一段叠加线性变化)，变化周期设置为5s，则源端风电功率及qZSR整流系统的仿真结果如附图6-1和附图6-2所示。图中上侧的虚线为两台风力发电机供电的总功率，下方两条虚线为两台风机各自的输出功率。由源端qZSR输出，施加于荷端制氢装置的直流母线电压V_DC以及电流I_DC也在图中给出。附图7-1和附图7-2则给出了对应于上述两组功率变化，总的产氢率以及每个制氢单元的产氢率和电流的对应变化曲线。

第一组风电功率数据的变化对荷端制氢装置的控制只有列的调整，制氢单元的列数根据输入风电功率进行动态增删操作。相应地，直流母线电压也按照列数的变化而改变，如附图6-1V_DC曲线，始终维持每个制氢单元工作电压为额定电压。在附图6-1中15-20s之间，功率呈线性变化，15.3s左右，风电功率超过了当前制氢装置规格(3×8)的工作上限，遂对制氢单元进行制氢单元的列调整，在增加一列制氢单元的同时，提高直流电压，总的制氢电流相应下降。但是，从附图7-1中可以看出，随着功率或者电流的变化，制氢装置总的产氢率相应变化。虽然整个过程的产氢率波动较大，但是在本文提出的协同控制方法下，荷端每个制氢单元的工作电流基本维持在额定电流附近，其产氢率也维持在较稳定的范围，可以确保制氢装置高效地产生氢气。

第二组风电功率较低，涉及到制氢单元的行列切换。参见附图6-2，5s处，风电功率由2443.9kW降低到1441.7kW，通过决策层对功率偏差的逐级的判断，相匹配的制氢装置规格直接由5s前3×8切换至2×8，制氢装置切除一行。由于切换前后列数相等，直流侧给定电压不变，从而在控制层实现对qZSR输出电压的控制。然后，随着功率的变化，制氢装置按列调整，避免行的频繁增删。对比5s处删除行前后，虽然总的电流降低约1/3，但从附图7-2中可以看出，每个制氢单元的电流依然可调节在额定电流附近较为固定的范围，单个模块的产氢率也维持在15-20Nm³/h的范围内，可实现高效制氢。

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 (10)

1.一种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，准Z源变流装置、直流母线、制氢装置和控制单元；

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通过一个对应的所述准Z源变流装置与所述直流母线连接；

所述制氢装置与所述直流母线连接，所述制氢装置包括n个并联支路，每个并联支路上有m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；

所述控制单元分别与所述风力发电机组、所述准Z源变流装置、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、调整所述直流母线的电压等级、控制所述支路开关和所述功率开关的启闭。

2.根据权利要求1所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，公共交流电网通过AC/DC整流装置连接至所述直流母线。

3.根据权利要求1所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，所述控制单元包括控制层和决策层，

所述控制层，用于监控所述风力发电机组和所述制氢装置的运行状态，并上传至所述决策层；

所述决策层，用于根据所述风力发电机组和所述制氢装置的运行状态，进行功率匹配和划分，向所述控制层发出调控指令；

所述控制层，还用于根据所述调控指令，调节每个所述风力发电机的工况、所述直流母线的电压等级和所述制氢装置中所述制氢单元的接入量。

4.一种非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，所述方法包括：

控制单元监测风力发电机组和制氢装置的运行状态，获取源端功率和荷端功率的功率偏差，源端功率为风力发电机组的发电功率，荷端功率为制氢装置的额定制氢功率；

控制模块根据功率偏差调节制氢装置中制氢单元的接入量，并根据制氢单元的接入量调整直流母线的电压，使荷端功率与源端功率相适配。

5.根据权利要求4所述的非并网风电电解水制氢系统，其特征在于，根据下式公式获取源端功率和荷端功率的功率偏差：

式中，ΔP为源端功率和荷端功率的功率偏差，

P_wi为第i台风力发电机的输出功率，

m₁、n₁分别为实际工作的制氢单元的串联数和并联支路数，m₁≤m，n₁≤n，

P_cell为每个制氢单元的额定容量。

6.根据权利要求5所述的非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，

若ΔP≤-β，对称地按行或按列减少制氢单元的接入量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压；

若ΔP≥γ，对称地按行或按列增加制氢单元的接入量，并根据串联支路上的制氢单元的数量调节直流母线电压；

其中，

每个制氢单元额定电压下的工作区间为：P_cell-p₁≤P≤P_cell+p₂。

7.根据权利要求6所述的非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，源端功率低至预设阈值时，将制氢装置中的全部制氢单元接入，由公共交流电网供电使全部制氢单元工作于维持电压。

8.根据权利要求6所述的非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，减少或增加制氢单元的接入量时，优先在每条接入的并联支路中切除或添加相同数量的制氢单元。

9.根据权利要求4所述的非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，控制层中用于控制准Z源变流装置的qZSR控制器以功率环作为外环，跟踪风力发电机的功率，并具有前馈解耦控制的电流内环控制，实现电流的动态解耦控制。

10.根据权利要求4或9所述的非并网风电电解水制氢系统的协同控制方法，其特征在于，控制层根据由决策层发出的每个风力发电机的功率给定和直流母线的电压给定，通过前馈控制，调节直通占空比，跟踪控制直流母线的电压。

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