CN111463807A - 一种分布式直流耦合制氢系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式直流耦合制氢系统及其控制方法，该分布式直流耦合制氢系统的能量变换系统中，变换单元的输入端与新能源发电系统的输出端相连，该变换单元的第一输出端与制氢槽系统的输入端相连，第二输出端与电网或储能系统相连；以使该分布式直流耦合制氢系统的各个变换单元能够通过自身的第一输出端向制氢槽系统提供制氢电能，和/或，通过自身的第二输出端向电网或储能系统提供发电电能，进而即便是在新能源发电系统的功率与制氢槽系统的功率不匹配的情况下，本申请也能够充分利用新能源发电系统的功率，避免能量浪费，提高新能源能量利用率。

Description

一种分布式直流耦合制氢系统及其控制方法

技术领域

本发明属于制氢技术领域，更具体的说，尤其涉及一种分布式直流耦合制氢系统及其控制方法。

背景技术

随着环境问题的不断突出，新能源步入人们的视野，太阳能发电与风力发电技术不断发展。由于太阳能发电与风力发电存在不稳定性、能量密度低的缺点，导致产生的电能与电网需求的电能不匹配，以及传统的化学储能技术具有容量小、寿命短等缺点，很多地区不得不弃光、弃风、限电，造成了严重的资源浪费。氢气作为一种从制取到终端使用完全无污染的储能介质，可以和光伏发电与风力发电配合，弥补太阳能发电与风力发电的缺点。

目前，现有技术中提供直流耦合的制氢方案，该方案能量转换级数少、系统效率高、结构简单。如图1所示，光伏系统PV的输出端与碱液制氢槽系统的输入端之间设置有DC/DC变换器，光伏系统PV不连接电网，功率变换级数少，光伏能量利用率高、控制简单和系统成本低；但是该方案中光伏系统PV与碱液制氢槽系统的功率需相匹配，光伏系统PV出力过多，比如中午时，仍然可能会出现弃光、限电的情况，造成光伏能量利用率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分布式直流耦合制氢系统及其控制方法，用于具备多种的工作模式，以使在新能源能量与制氢能量需求处于何种关系均能够充分利用新能源发电系统的功率，避免能量浪费，提高新能源能量利用率。

本发明第一方面公开了一种分布式直流耦合制氢系统，包括：制氢槽系统、通信主机和至少一个能量变换系统；所述能量变换系统包括：新能源发电系统和变换单元；其中：

在所述能量变换系统中，所述变换单元的输入端与所述新能源发电系统的输出端相连，所述变换单元的第一输出端与所述制氢槽系统的输入端相连，所述变换单元的第二输出端与电网或储能系统相连；

所述通信主机用于实现各个所述变换单元与外部之间的通信。

可选的，所述变换单元包括：第一变换器、第二变换器、单元控制器和变换装置；其中：

所述第一变换器的一端与所述第二变换器的一端相连，连接点作为所述变换单元的输入端；

所述第一变换器的另一端作为所述变换单元的第一输出端、与所述制氢槽系统的输入端相连；

所述第二变换器的另一端与所述变换装置的一端相连；

所述变换装置的另一端作为所述变换单元的第二输出端、与所述电网或所述储能系统相连；

所述单元控制器用于与所述通信主机进行通信，并控制所述第一变换器和所述第二变换器的工作状态。

可选的，若所述新能源发电系统为光伏发电系统，则所述第一变换器为DC/DC变换器，所述第二变换器为DC/AC变换器；

若所述新能源发电系统为风力发电系统，则所述第一变换器为AC/DC变换器，所述第二变换器为AC/AC变换器。

可选的，所述第二变换器为单向变换器或双向变换器；

若所述第二变换器为所述双向变换器，则所述变换单元还包括：设置于正极线路和/或负极线路上的可控开关。

可选的，所述可控开关为断路器或接触器。

可选的，所述单元控制器独立设置于所述变换单元中，或者集成于所述第二变换器或所述第一变换器中。

可选的，所述新能源发电系统包括：至少一个光伏发电模块或风力发电模块；

所述光伏发电模块或所述风力发电模块输出相应的电能至所述新能源发电系统的输出端。

可选的，在所述新能源发电系统包括多个所述光伏发电模块时，所述新能源发电系统还包括：汇流箱；

所述汇流箱的一侧接收各个所述光伏发电模块输出的电能，所述汇流箱的另一侧与所述新能源发电系统的输出端相连。

可选的，所述制氢槽系统为碱液制氢槽系统、PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜片)制氢槽系统和固体氧化物制氢槽系统中的任意一种。

可选的，所述通信主机，集成于各个所述变换单元中的一个，或者，独立设置于所述分布式直流耦合制氢系统中。

本发明第二方面公开了一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法，应用于如本发明第一方面任一所述的分布式直流耦合制氢系统，包括：

所述分布式直流耦合制氢系统的通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值及所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元；

各个所述变换单元根据接收到的所述模式分配指令进入制氢模式和/或发电模式。

可选的，所述模式分配指令中包括：所述发电模式，或者，所述制氢模式及电流指令值。

可选的，各个所述变换单元根据接收到的所述模式分配指令进入制氢模式和/或发电模式，包括：

各个所述变换单元判断自身接收到的模式分配指令中是否包括制氢模式；

若至少一个所述变换单元自身接收到的模式分配指令中包括制氢模式，则判断自身接收到的电流指令值是否大于等于自身电流值；若自身接收到的电流指令值大于等于自身电流值，则控制自身仅进入制氢模式；若自身接收到的电流指令值小于自身电流值，则控制自身同时进入制氢模式和发电模式；

若至少一个所述变换单元自身接收到的模式分配指令中包括发电模式，则控制自身仅进入发电模式。

可选的，控制自身仅进入制氢模式，包括：控制自身的第一变换器以自身电流值为输出参数运行，控制自身的第二变换器待机；

控制自身同时进入制氢模式和发电模式，包括：控制自身的第一变换器以所述电流指令值为输出参数运行，控制自身的第二变换器以所述自身电流值减去所述电流指令值的差值为输出参数运行；

控制自身仅进入发电模式，包括：控制自身的第一变换器待机，控制自身的第二变换器运行。

可选的，通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值和所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元，包括：

所述通信主机判断各个所述变换单元的电能总值是否大于所述制氢电能指令值；

若各个所述变换单元的电能总值大于所述制氢电能指令值，则所述通信主机确定需至少进入制氢模式的变换单元和需进入发电模式的变换单元，并下发所述制氢模式及电流指令值至所述需至少进入制氢模式的变换单元，以及，下发所述发电模式至所述需进入发电模式的变换单元；

若各个所述变换单元的电流总值小于等于所述制氢电能指令值，则所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至各个所述变换单元。

可选的，所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至所述需至少进入制氢模式的变换单元，以及，所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至各个所述变换单元，均包括：

所述通信主机将所述制氢电能指令值按预设分配原则为相应各个变换单元分配电流指令值，并下发所述制氢模式及相应电流指令值至相应各个变换单元。

可选的，所述预设分配原则包括：变换单元的电流值等比例原则或者均分原则。

可选的，所述分布式直流耦合制氢系统的通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值及所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元之前，还包括：

所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值。

可选的，在所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值之前，还包括：

所述制氢槽系统判断所述新能源发电系统的发电功率是否低于预设值；

若所述新能源发电系统的发电功率不低于预设值时，则执行所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值的步骤。

可选的，若各个变换单元内的第二变换器为双向变换器、各个变换单元还包括可控开关，则所述制氢槽系统判断所述新能源发电系统的发电功率是否低于预设值之后，还包括：

若所述新能源发电系统的发电功率低于预设值时，则所述制氢槽系统在满足两级式制氢条件的情况下，向所述通信主机下发启机制氢指令。

可选的，所述两级式制氢条件包括：电网电价低于预设阈值、储能SOC(State ofCharge，荷电状态)大于预设SOC、上位机指令为制氢指令中的至少一种。

可选的，在向所述通信主机下发启机制氢指令之后，还包括：

所述通信主机依据所述启机制氢指令中的总参考电流值，确定进入工作状态的变换单元及其制氢电流值，并下发启动指令至相应变换单元；

相应变换单元依据所述启动指令，关断自身的可控开关，并控制自身以所述启动指令中的制氢电流指令值为第一输出端的输出参数进行两级式制氢。

可选的，相应变换单元依据所述启动指令，关断自身的可控开关，并控制自身以所述启动指令中的制氢电流指令值为第一输出端的输出参数进行两级式制氢，包括：

相应变换单元在接收到所述启动指令之后，先控制自身的可控开关关断，再控制自身的所述双向变换器以整流模式运行、自身的第一变换器以所述制氢电流值为输出参数运行。

可选的，所述通信主机依据所述启机制氢指令中的总参考电流值，确定进入工作状态的变换单元及其制氢电流值，并下发启动指令至相应变换单元之后，还包括：

未接收到所述启动指令的变换单元中的所述双向变换器和第一变换器均待机。

从上述技术方案可知，本发明提供的一种分布式直流耦合制氢系统，其能量变换系统包括：新能源发电系统和变换单元；在能量变换系统中，变换单元的输入端与新能源发电系统的输出端相连，该变换单元的第一输出端与制氢槽系统的输入端相连，第二输出端与电网或储能系统相连；以使该分布式直流耦合制氢系统的各个变换单元能够通过自身的第一输出端向制氢槽系统提供制氢电能，和/或，通过自身的第二输出端向电网或储能系统提供发电电能，进而即便是在新能源发电系统的功率与制氢槽系统的功率不匹配的情况下，本申请也能够充分利用新能源发电系统的功率，避免能量浪费，提高新能源能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的一种直流耦合制氢系统的示意图；

图2是现有技术提供的另一种直流耦合制氢系统的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种分布式直流耦合制氢系统的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的另一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的另一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的另一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在本申请中，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供了一种分布式直流耦合制氢系统，用于解决现有技术中光伏系统与碱液制氢槽系统的功率需相匹配，若光伏系统出力过多，比如中午时，仍然可能会出现弃光、限电的情况，造成光伏能量利用率低的问题。

该分布式直流耦合制氢系统，参见图3，包括：制氢槽系统20、通信主机30和至少一个能量变换系统10；能量变换系统10包括：新能源发电系统11和变换单元12；其中：

在能量变换系统10中，变换单元12的输入端与新能源发电系统11的输出端相连，变换单元12的第一输出端与制氢槽系统20的输入端相连，以使在变换单元12处于制氢模式时其能够通过自身的第一输出端向制氢槽系统20提供制氢电能；变换单元12的第二输出端与电网(如图3所示的高压电网)相连，或者，与储能系统相连(未进行图示)，以使在变换单元12处于发电模式时其能够通过自身的第二输出端向电网或储能系统提供发电电能。

在实际应用中，该变换单元12包括：第一变换器121、第二变换器122、变换装置123和单元控制器(未进行图示)；其中：第一变换器121的一端与第二变换器122的一端相连，连接点作为变换单元12的输入端；第一变换器121的另一端作为变换单元12的第一输出端、与制氢槽系统20的输入端相连，即第一变换器121能够向制氢槽系统20输出电能；第二变换器122的另一端与变换装置123的一端相连，变换装置123的另一端作为变换单元12的第二输出端与电网(如图3所示的高压电网)相连，该高压电网可以是10KV，也可以是35KV等电压等级电网，或者，变换装置123的另一端作为变换单元12的第二输出端与储能系统相连(未进行图示)，即第二变换器122能够通过变换装置123向电网或储能系统输出发电电能。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

单元控制器分别与第一变换器121、第二变换器122和通信主机30通信连接，用于与通信主机30进行通信，并控制第一变换器121和第二变换器122的工作状态，如分别控制第一变换器121和/或第二变换器122待机，或者，以相应的运行参数运行。需要说明的是，该单元控制器可以独立设置于变换单元12中，也可以集成于第二变换器122或第一变换器121中，单元控制器的具体形式在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，该制氢槽系统20为碱液制氢槽系统、PEM制氢槽系统和固体氧化物制氢槽系统中的任意一种，在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，上述第二变换器122为单向变换器或双向变换器；相应的，若第二变换器122为双向变换器，则变换单元12还可以包括：设置于正极线路和/或负极线路上的可控开关124(图3仅以设置于正极线路上为例进行展示)。该可控开关124可以是断路器，也可以是接触器，当然也可以是其他能够受该单元控制器控制的其他开关器件，可控开关124的具体选型在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，上述新能源发电系统11可以包括：至少一个发电模块111，各个发电模块111的输出端与新能源发电系统11的输出端相连，即各个发电模块111输出相应的电能至新能源发电系统11的输出端。该发电模块111可是风力发电模块，也可以是光伏发电模块。需要说明的是，在发电模块111为光伏发电模块且同一新能源发电系统11中包括多个发电模块111时，该新能源发电系统11还可以包括汇流箱112，该汇流箱112的一侧与各个光伏发电模块的输出端相连、接收各个光伏发电模块输出的电能，汇流箱112的另一侧与新能源发电系统11的输出端相连，即汇流箱112将接收到的各个光伏发电模块的电能输出至新能源发电系统11的输出端。

需要说明的是，上述光伏发电模块可以是目前市面上各种功率等级的光伏组件组成，各个光伏发电模块可以构成1000V或1500V的光伏发电系统，甚至更高电压等级的光伏发电系统；相应的，汇流箱112依据所连接的各个光伏发电模块的功率、电压等进行选配，在此不做限定，均在本申请的保护范围内。

在实际应用中，若新能源发电系统11中的发电模块111为光伏发电模块。即该新能源发电系统11为光伏发电系统，则该新能源发电系统11中的第一变换器121为DC/DC变换器，该新能源发电系统11中的第二变换器122为DC/AC变换器；而若新能源发电系统11中的发电模块111为风力发电模块，即该新能源发电系统11为风力发电系统，则该新能源发电系统11中的第一变换器121为AC/DC变换器，该新能源发电系统11中的第二变换器122为AC/AC变换器。需要说明的是，本申请提供的分布式直流耦合制氢系统中的各个新能源发电系统11可以均为光伏发电系统或风力发电系统，也可以是一部分为光伏发电系统，另一部分为风力发电系统，在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

该第一变换器121的拓扑结构可以包括：隔离拓扑或非隔离拓扑，升压拓扑、降压拓扑或升降压拓扑，谐振拓扑或非谐振拓扑，全桥结构或半桥结构，以及，两电平拓扑或三电平拓扑，在此不对第一变换器121的拓扑结构做具体限定，其可以包括上述任一种拓扑结构，或者，多种拓扑结构的结合拓扑，在此不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请保护范围内。

该第二变换器122可以是三电平拓扑，也可以是两电平离拓扑，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。该第二变换器122可以是隔离扑，也可以是非隔离拓扑，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

该变换装置123可以是固态电力电子变压器，也可以是箱变，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

通信主机30分别与各个变换单元12中的单元控制器通信连接，用于实现各个变换单元12与外部之间的通信。

在实际应用中，通信主机30集成于各个变换单元12中的一个，或者，通信主机30独立设置于分布式直流耦合制氢系统中，在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

在本实施例中，在能量变换系统10中，变换单元12的输入端与新能源发电系统11的输出端相连，该变换单元12的第一输出端与制氢槽系统20的输入端相连、以使在变换单元12处于制氢模式时其能够通过自身的第一输出端向制氢槽系统20提供制氢电能；该变换单元12的第二输出端与电网或储能系统相连、以使在变换单元12处于发电模式时其能够通过自身的第二输出端向电网或储能系统提供发电电能；由此，使得各个能量变换系统10中的变换单元12可以根据新能源发电系统11输出能量的多少，选择仅为制氢槽系统20提供电能，或者，仅为电网或储能系统提供电能，又或者同时为制氢槽系统20及电网或储能系统提供电能；比如，当新能源发电系统11输出能量很少、不足以满足碱液制氢槽系统的制氢要求(氢气纯度要求)时，可以选择仅为电网或储能系统提供电能，避免新能源发电系统11的能量浪费；而当新能源发电系统11输出能量增多、满足碱液制氢槽系统的制氢要求时，可以选择仅为制氢槽系统20提供电能、进行制氢；当新能源发电系统11输出能量满足碱液制氢槽系统的制氢要求之后还有余量时，可以选择同时为制氢槽系统20及电网或储能系统提供电能，以最大化利用新能源发电系统11的输出能量。由上述分析可知，即便是在新能源发电系统11的功率与制氢槽系统20的功率不匹配的情况下，本申请也能够充分利用新能源发电系统11的功率，避免能量浪费，提高新能源能量利用率。

需要说明的是，如图1所示，现有技术中提出了采用单台/单模块的大容量DC/DC变换器来进行能量转换，但是该方案中无法使用于山丘、工商业屋顶等复杂地形的光伏系统；例如，单路MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)在地形复杂场合光伏阵列的串并联失配会造成较大的能量损失；单台/单模块DC/DC变换器一旦出现故障，会造成整个制氢系统关闭，造成较大的经济损失；而本实施例提供了分布式的制氢系统，解决了单台/单模块的大容量DC/DC变换器不适用于山丘、工商业屋顶等复杂地形的光伏系统的问题，实现新能源能量的最大化利用。

如图2所示，现有技术还提出了一种分布式制氢槽系统，各个光伏系统PV与制氢槽系统之间均通过相应的DC/DC变换器相连，但各个光伏系统PV的能量仅能够输出至制氢槽系统，在光伏能量大于制氢能量需求时，存在某些变换器可以不参与制氢就可以满足制氢能量需求，因此，该方案中的设备利用率较低，系统控制自由度也较低；而本实施例在分布式制氢的基础上，引入电网或储能系统，实现能量的存储与转换、多模式制氢，即本实施例可进行发电和/或制氢，提高系统控制自由度和设备利用率。

本发明实施例提供了一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法，应用于上述分布式直流耦合制氢系统中，该分布式直流耦合制氢系统的具体结构详情参见上述实施例，在此不再一一赘述。

参见图4，该分布式直流耦合制氢系统的控制方法，包括：

S101、分布式直流耦合制氢系统的通信主机依据分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的电能总值及分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元。

需要说明的是，各个变换单元的工作模式包括发电模式和/或制氢模式，因此，通信主机可以根据后级制氢槽系统的实际制氢能量需求，对前级变换单元的工作模式进行合理分配，实现光伏能量的最大化利用，如通信主机可以根据该电能总值和该制氢电能指令值(即制氢槽系统的实际能量需求)之间的大小关系，下发相应的模式分配指令至各个变换单元，以使各个变换单元能够执行相应动作。如在电能总值大于制氢电指令值时，通信主机仅需控制一部分变换单元向制氢槽系统输出制氢电能，只要制氢槽系统接收到的制氢电能能够满足自身的实际制氢能量需求即可，而对于另一部分的变换单元，通信主机可以控制其向电网或储能系统输出电能，以将多余的光伏电能进行并网或储存。在电能总值小于等于制氢电指令值时，通信主机需各个变换单元均向制氢槽系统输出电能，以尽可能满足制氢槽系统的实际能量需求。

在实际应用中，模式分配指令中包括：发电模式，或者，制氢模式及电流指令值。具体的，通信主机下发制氢模式及电流指令值至需向制氢槽系统输出电能的各个变换单元，通信主机下发发电模式至需向电网或储能系统输出电能的各个变换单元。需要说明的是，通信主机下发的各个模式分配指令，可以相同也可以不同，在电能总值大于制氢电指令值时，各个模式分配指令中一部分包括发电模式，另一部分包括制氢模式及电流指令值；在电能总值小于等于制氢电指令值时，各个模式分配指令中均包括制氢模式及电流指令值。

S102、各个变换单元根据接收到的模式分配指令进入制氢模式和/或发电模式。

各个变换单元进入的工作模式与通信主机发送的模式分配指令相关，具体的，若变换单元接收到的模式分配指令中包括制氢模式，则该变换单元将至少进入制氢模式，即该变换单元可以仅进入制氢模式，也可以同时进入制氢模式和发电模式，根据其输出能力而定即可；若变换单元接收到的模式分配指令中包括发电模式，则该变换单元仅进入发电模式。

需要说明的是，变换单元分别处于发电模式和/或制氢模式时，其第一变换器和第二变换器的运行不同，如变换单元仅处于发电模式时，其第一变换器待机、其第二变换器运行；变换单元仅处于制氢模式时，其第一变换器运行、其第二变换器待机；变换单元仅处于发电模式和制氢模式时，其第一变换器和第二变换器均运行。

还值得说明的是，接收到制氢模式及电流指令值的变换单元，将会以相应电流指令值为第一输出端的输出参数进行制氢；而接收到发电模式的变换单元，则可以以最大功率点对应的功率值为第二输出端的输出参数进行发电，当然，也不排除固定功率发电，比如额定功率。

在本实施例中，通过通信主机实现各个变换单元与外部之间的通信，提高系统控制自由度，实现各个变换单元的制氢模式与发电模式的无缝切换，该分布式直流耦合制氢系统的控制简单，便于实现。

在实际应用中，上述步骤S102，参见图5，包括：

S201、各个变换单元判断自身接收到的模式分配指令中是否包括制氢模式。

若至少一个变换单元自身接收到的模式分配指令中包括制氢模式，则说明该变换单元需至少进入制氢模式、即需执行步骤S202，而若至少一个变换单元自身接收到的模式分配指令中不包括制氢模式，即该模式分配指令中包括发电模式，则说明该变换单元需进入发电模式、即需执行步骤S205。

S202、判断自身接收到的电流指令值是否大于等于自身电流值。

需要说明的是，若模式分配指令中包括制氢模式，则该模式分配指令中还包括电流指令值。

具体的，需至少进入制氢模式的变换单元通过比较自身接收到的电流指令值和自身电流值的大小关系，来确定自身为仅进入制氢模式还是同时进入制氢模式和发电模式。

若需至少进入制氢模式的变换单元自身接收到的电流指令值大于等于自身电流值，则说明该变换单元需仅进入制氢模式、即需执行步骤S203，而若自身接收到的电流指令值小于自身电流值，则说明该变换单元的输出能力对于制氢而言是有结余的，应同时进入制氢模式和发电模式、即需执行步骤S204。

S203、控制自身仅进入制氢模式。

具体的，需仅进入制氢模式的变换单元控制自身的第一变换器以自身电流值为输出参数运行、以使将自身所连接的新能源发电系统输出的全部电能输出至制氢槽系统，并控制自身的第二变换器待机。

S204、控制自身同时进入制氢模式和发电模式。

具体的，需同时进入制氢模式和发电模式的变换单元控制自身的第一变换器以电流指令值为输出参数运行、以使将自身所连接的新能源发电系统输出的部分电能输出至制氢槽系统，以及，控制自身的第二变换器以自身电流值减去电流指令值的差值为输出参数运行、以使将自身所连接的新能源发电系统输出的另一部分电能输出至电网或储能系统。输出至电网或储能系统的电能与输出至制氢槽系的电能等于对应新能源发电系统输出的全部电能。

S205、控制自身仅进入发电模式。

具体的，需仅进入发电模式的变换单元控制自身的第一变换器待机，以及，控制自身的第二变换器运行、以使自身所连接的新能源发电系统输出的全部电能输出至电网或储能系统。

需要说明的是，若变换单元中包括可控开关，则在步骤S203、步骤S204和步骤S205之前，该变换单元控制设置于自身内的可控开关开通，以使新能源制氢系统能够将自身的电能输出至第一变换器和/或第二变换器。

需要说明的是，在步骤S101之前，各个变换单元上报自身电能信息至通信主机，该电能信息包括功率值和电流值。具体的，可以是在各个变换单元上电之后主动上报，也可以是各个变换单元依据通信主机下发的查询指令进行上报，在此不做具体限定，均在本申请的保护范围内。另外，在步骤S101之前，制氢槽系统主动向通信主机下发制氢电能指令值。

在实际应用中，上述步骤S101，参见图6(以在图4的基础之上为例进行展示)，包括：

S301、通信主机判断各个变换单元的电能总值是否大于制氢电能指令值。

具体的，通信主机对接收到的各个变换单元上报的电流值进行求和，得到电能总值，再判断该电能总值是否大于该制氢电能指令值。

若各个变换单元的电能总值大于制氢电能指令值，则说明一部分变换单元至少进入制氢模式即可满足制氢槽系统的实际能量需求、即存在一些变换单元无需进入制氢模式，执行步骤S302；而若各个变换单元的电流总值小于等于制氢电能指令值，则说明各个变换单元均进入制氢模式才能尽可能满足制氢槽系统的实际能量需求，执行步骤S303。

S302、通信主机确定需至少进入制氢模式的变换单元和需进入发电模式的变换单元，并下发制氢模式及电流指令值至需至少进入制氢模式的变换单元，以及，下发发电模式至需进入发电模式的变换单元。

在实际应用中，通信主机下发制氢模式及电流指令值至需至少进入制氢模式的变换单元的具体过程为：通信主机将制氢电能指令值按预设分配原则为相应各个变换单元分配电流指令值，并下发制氢模式及相应电流指令值至相应各个变换单元。该预设分配原则包括：变换单元的电流值等比例原则或者均分原则，当然该预设分配原则也可以是其他分配原则，只要各个至少进入制氢模式的变换单元向制氢槽系统输出的电能之和等于该制氢电能指令值即可，在此不再一一赘述，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

S303、通信主机下发制氢模式及电流指令值至各个变换单元。

在实际应用中，S303的具体过程与S302中的相应内容相同，此处不再赘述。

在实际应用中，在步骤S101之前，参见图7(以在图4的基础之上为例进行展示)，还包括：S401、制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向通信主机下发制氢电能指令值。

在步骤S401之前还包括：制氢槽系统判断新能源发电系统的发电功率是否低于预设值；若新能源发电系统的发电功率不低于预设值时，则执行步骤S401。

若分布式直流耦合制氢系统中的第二变换器为双向变换器、分布式直流耦合制氢系统还包括可控开关，则在制氢槽系统判断新能源发电系统的发电功率是否低于预设值之后，若新能源发电系统的发电功率低于预设值，比如新能源发电系统为光伏发电系统且其处在夜间或阴天，新能源发电系统为风力发电系统且其处在无风或弱风期间时，则还可以包括：

(1)制氢槽系统在满足两级式制氢条件的情况下，向通信主机下发启机制氢指令。

具体的，该制氢槽系统判断是否满足电网电价低于预设阈值、储能SOC大于预设SOC和上位机指令为制氢指令中的至少一种，并在电网电价低于预设阈值、储能SOC大于预设SOC和上位机指令为制氢指令中的至少一种情况下，向通信主机下发启机制氢指令。

其中，在电网电价低于预设阈值时，说明电网电价处于谷电期间，此时通过电网电能制氢，能够节约制氢成本。在储能SOC大于预设SOC时，说明此时的储能系统足以输出预设工作时长内制氢所需的电能，而不仅仅是满足基本的制氢要求而已。在接收到的上位机指令为制氢指令时，说明此时需要服从总体安排、进行辅助能源的制氢。无论满足何种条件，都能够通过下述步骤实现辅助能源的制氢工作，提高系统的设备利用率。

需要说明的是，上述三个条件仅为两级式制氢条件的可选示例，并不仅限于此，也不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

(2)在通信主机接收到上述启机制氢指令之后，通信主机依据接收到的启机制氢指令中的总参考电流值，确定进入工作状态的变换单元及其制电流值。并下发启动指令至相应变换单元。

具体的，可以是确定需运行的变换单元的个数N1及其对应的制氢电流值后再按照预设顺序选择N1个变换单元，也可以是直接确定各个需运行的变换单元的编号及其对应的制氢电流值。确定进入工作状态的变换单元及其制氢电流的具体过程，在此不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。

(3)各个变换单元判断是否接收到启动指令。

若至少一个变换单元判断接收到启动指令，则执行步骤(4)；若至少一个变换单元判断未接收到启动指令，则执行步骤(5)。

(4)接收到启动指令的变换单元依据该启动指令，关断自身的可控开关并以该启动指令中的制氢电流指令值为第一输出端的输出参数进行两级式制氢。

具体的，相应变换单元在接收到下发启动指令之后，先控制自身的可控开关关断，再控制自身的双向变换器以整流模式运行、自身的第一变换器以制氢电流值为输出参数运行。

(5)未接收到启动指令的变换单元中的双向变换器和第一变换器均待机。

需要说明的是，上述由变换单元执行的控制动作均为其内部单元控制器执行的。

在本实施例中，可以实现谷电制氢功能，提高分布式直流耦合制氢系统中各个设备的利用率，进一步提高分布式直流耦合制氢系统的经济性。

本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (24)

1.一种分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，包括：制氢槽系统、通信主机和至少一个能量变换系统；所述能量变换系统包括：新能源发电系统和变换单元；其中：

在所述能量变换系统中，所述变换单元的输入端与所述新能源发电系统的输出端相连，所述变换单元的第一输出端与所述制氢槽系统的输入端相连，所述变换单元的第二输出端与电网或储能系统相连；

所述通信主机用于实现各个所述变换单元与外部之间的通信。

2.根据权利要求1所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述变换单元包括：第一变换器、第二变换器、单元控制器和变换装置；其中：

所述第一变换器的一端与所述第二变换器的一端相连，连接点作为所述变换单元的输入端；

所述第一变换器的另一端作为所述变换单元的第一输出端、与所述制氢槽系统的输入端相连；

所述第二变换器的另一端与所述变换装置的一端相连；

所述变换装置的另一端作为所述变换单元的第二输出端、与所述电网或所述储能系统相连；

所述单元控制器用于与所述通信主机进行通信，并控制所述第一变换器和所述第二变换器的工作状态。

3.根据权利要求2所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，若所述新能源发电系统为光伏发电系统，则所述第一变换器为DC/DC变换器，所述第二变换器为DC/AC变换器；

若所述新能源发电系统为风力发电系统，则所述第一变换器为AC/DC变换器，所述第二变换器为AC/AC变换器。

4.根据权利要求2所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述第二变换器为单向变换器或双向变换器；

若所述第二变换器为所述双向变换器，则所述变换单元还包括：设置于正极线路和/或负极线路上的可控开关。

5.根据权利要求4所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述可控开关为断路器或接触器。

6.根据权利要求2所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述单元控制器独立设置于所述变换单元中，或者集成于所述第二变换器或所述第一变换器中。

7.根据权利要求1所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述新能源发电系统包括：至少一个光伏发电模块或风力发电模块；

所述光伏发电模块或所述风力发电模块输出相应的电能至所述新能源发电系统的输出端。

8.根据权利要求7所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，在所述新能源发电系统包括多个所述光伏发电模块时，所述新能源发电系统还包括：汇流箱；

所述汇流箱的一侧接收各个所述光伏发电模块输出的电能，所述汇流箱的另一侧与所述新能源发电系统的输出端相连。

9.根据权利要求1-8任一所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述制氢槽系统为碱液制氢槽系统、质子交换膜片PEM制氢槽系统和固体氧化物制氢槽系统中的任意一种。

10.根据权利要求1-8任一所述的分布式直流耦合制氢系统，其特征在于，所述通信主机，集成于各个所述变换单元中的一个，或者，独立设置于所述分布式直流耦合制氢系统中。

11.一种分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-10任一所述的分布式直流耦合制氢系统，包括：

所述分布式直流耦合制氢系统的通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值及所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元；

各个所述变换单元根据接收到的所述模式分配指令进入制氢模式和/或发电模式。

12.根据权利要求11所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述模式分配指令中包括：所述发电模式，或者，所述制氢模式及电流指令值。

13.根据权利要求12所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，各个所述变换单元根据接收到的所述模式分配指令进入制氢模式和/或发电模式，包括：

各个所述变换单元判断自身接收到的模式分配指令中是否包括制氢模式；

若至少一个所述变换单元自身接收到的模式分配指令中包括制氢模式，则判断自身接收到的电流指令值是否大于等于自身电流值；若自身接收到的电流指令值大于等于自身电流值，则控制自身仅进入制氢模式；若自身接收到的电流指令值小于自身电流值，则控制自身同时进入制氢模式和发电模式；

若至少一个所述变换单元自身接收到的模式分配指令中包括发电模式，则控制自身仅进入发电模式。

14.根据权利要求的13所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，控制自身仅进入制氢模式，包括：控制自身的第一变换器以自身电流值为输出参数运行，控制自身的第二变换器待机；

控制自身同时进入制氢模式和发电模式，包括：控制自身的第一变换器以所述电流指令值为输出参数运行，控制自身的第二变换器以所述自身电流值减去所述电流指令值的差值为输出参数运行；

控制自身仅进入发电模式，包括：控制自身的第一变换器待机，控制自身的第二变换器运行。

15.根据权利要求的12所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值和所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元，包括：

所述通信主机判断各个所述变换单元的电能总值是否大于所述制氢电能指令值；

若各个所述变换单元的电能总值大于所述制氢电能指令值，则所述通信主机确定需至少进入制氢模式的变换单元和需进入发电模式的变换单元，并下发所述制氢模式及电流指令值至所述需至少进入制氢模式的变换单元，以及，下发所述发电模式至所述需进入发电模式的变换单元；

若各个所述变换单元的电流总值小于等于所述制氢电能指令值，则所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至各个所述变换单元。

16.根据权利要求15所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至所述需至少进入制氢模式的变换单元，以及，所述通信主机下发所述制氢模式及电流指令值至各个所述变换单元，均包括：

所述通信主机将所述制氢电能指令值按预设分配原则为相应各个变换单元分配电流指令值，并下发所述制氢模式及相应电流指令值至相应各个变换单元。

17.根据权利要求16所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述预设分配原则包括：变换单元的电流值等比例原则或者均分原则。

18.根据权利要求11所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述分布式直流耦合制氢系统的通信主机依据所述分布式直流耦合制氢系统中各个所述变换单元的电能总值及所述分布式直流耦合制氢系统中制氢槽系统的制氢电能指令值，确定所述分布式直流耦合制氢系统中各个变换单元的工作模式并下发模式分配指令至相应变换单元之前，还包括：

所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值。

19.根据权利要求11-18任一所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，在所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值之前，还包括：

所述制氢槽系统判断所述新能源发电系统的发电功率是否低于预设值；

若所述新能源发电系统的发电功率不低于预设值时，则执行所述制氢槽系统根据自身状态或接收到的上位机指令，向所述通信主机下发所述制氢电能指令值的步骤。

20.根据权利要求19所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，若各个变换单元内的第二变换器为双向变换器、各个变换单元还包括可控开关，则所述制氢槽系统判断所述新能源发电系统的发电功率是否低于预设值之后，还包括：

若所述新能源发电系统的发电功率低于预设值时，则所述制氢槽系统在满足两级式制氢条件的情况下，向所述通信主机下发启机制氢指令。

21.根据权利要求20所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述两级式制氢条件包括：电网电价低于预设阈值、储能荷电状态SOC大于预设SOC、上位机指令为制氢指令中的至少一种。

22.根据权利要求20所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，在向所述通信主机下发启机制氢指令之后，还包括：

所述通信主机依据所述启机制氢指令中的总参考电流值，确定进入工作状态的变换单元及其制氢电流值，并下发启动指令至相应变换单元；

相应变换单元依据所述启动指令，关断自身的可控开关，并控制自身以所述启动指令中的制氢电流指令值为第一输出端的输出参数进行两级式制氢。

23.根据权利要求22所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，相应变换单元依据所述启动指令，关断自身的可控开关，并控制自身以所述启动指令中的制氢电流指令值为第一输出端的输出参数进行两级式制氢，包括：

相应变换单元在接收到所述启动指令之后，先控制自身的可控开关关断，再控制自身的所述双向变换器以整流模式运行、自身的第一变换器以所述制氢电流值为输出参数运行。

24.根据权利要求22所述的分布式直流耦合制氢系统的控制方法，其特征在于，所述通信主机依据所述启机制氢指令中的总参考电流值，确定进入工作状态的变换单元及其制氢电流值，并下发启动指令至相应变换单元之后，还包括：

未接收到所述启动指令的变换单元中的所述双向变换器和第一变换器均待机。

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