CN111668869A

CN111668869A - 一种离网型风电制氢系统及其容量匹配方法

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Publication number: CN111668869A
Application number: CN202010525201.9A
Authority: CN
Inventors: 田江南; 周军; 涂宏; 刘军梅; 徐淑姣; 张恬
Original assignee: North China Power Engineering Co Ltd of China Power Engineering Consulting Group
Current assignee: North China Power Engineering Co Ltd of China Power Engineering Consulting Group; North China Power Engineering Beijing Co Ltd
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-09-15

Abstract

本发明一种离网型风电制氢系统及其容量匹配方法，该系统包含风力发电机和分别对应连接于每个风力发电机输出端的整流器，直流母线，电池储能装置，电解制氢装置以及储氢装置；直流母线与整流器的汇总输出端相连，电池储能装置通过直流支路连接于直流母线，电解制氢装置通过直流支路连接于直流母线，储氢装置通过氢气管道连接于电解制氢装置；本发明还提供一种基于该离网型风电制氢系统的容量匹配方法。本发明主要解决了以风力发电作为制氢系统电源的电能不稳定性问题，适用性广、控制简单、易于实现工业化，利于促进新能源制氢产业的发展。

Description

一种离网型风电制氢系统及其容量匹配方法

技术领域

本发明属于新能源发电制氢技术领域，涉及一种风电制氢系统及容量匹配方法，尤其涉及以制氢为主要目的的离网运行的风电制氢系统及基于该系统的容量匹配方法。

背景技术

氢能因具有可再生、来源多样、清洁高效和热值高等特点而备受关注，近年来成为能源领域的一大热点。目前，市场上绝大多数的氢能均来源于煤气化制氢，一小部分来源于电解水制氢。而制氢技术的发展已趋于成熟，其中电解水制氢的原料为水，生产过程仅产生少量的碱液废水，相对而言是一种绿色环保的制氢技术。

另一方面，近年来我国风电总装机容量迅速增长，但因风电限电上网而出现了大量的弃风现象。我国的风电装机容量主要集中在三北地区和东部沿海地区，风电设施一般都是规模化集中建设，而这些区域的风电可上网量远远大于电网的可接纳量。此外，风电具有间歇性、随机性和波动性的特点，而电网对于并网风电的品质有较高的要求。因此，这些风资源集中的区域往往会出现大量的弃风现象。

发展风电制氢技术有利于解决风电就地消纳问题，并可实现分散式风力发电技术的规模化、实现风电的多途径高效利用。风电与制氢技术耦合，既可将氢气作为清洁燃气对用户供气，实现电力到燃气的互补转换，还可将氢能直接利用在电力、化工和汽车等领域。

但由于风电系统具有间歇性和随机性两大特点，这两种特点会对电解制氢系统的安全性、可靠性和制氢效率造成不利影响。而且由于风电是波动的，风电输出的功率也是变化的，这就导致风机容量和电解制氢系统出力之间的匹配存在一定的难度。

CN 202444308U公开了一种非并网风电制氢系统，包括风机、控制装置、制氢装置、能量平衡装置和蓄电池等主要设备。运行方式为：当风机输出电压大于蓄电池电压时，风机为蓄电池充电同时为制氢装置供电；当风机输出电压低于蓄电池电压，蓄电池和风力发电同时为制氢装置供电；当风机输出电压大于制氢装置上限或小于制氢装置下限时，制氢装置停机。风机输出电压在一定范围时可保证制氢装置稳定运行，但是仍未解决由于风速变化导致的风电宽功率的问题，制氢装置面临频繁停机的威胁。

CN 110190629A公开了一种氢燃料电池的孤岛综合能源系统。其中发电单元包含光伏发电、波浪能发电、风力发电和潮汐发电；储能单元包括锂电池储能电池组、氢气储能单元和压缩空气储能。系统利用多能互补和多方式储能的方法解决了风电宽功率波动的问题，但是由于系统所需单元众多，导致设备造价高、各单元容量匹配难度大的缺陷，并不利于实现工程落地。

因此，提升离网风电制氢系统的稳定性和风电对电解制氢系统的适应性很有必要，提出基于离网风电制氢系统的主要设备及容量匹配方法迫在眉睫。

发明内容

本发明所解决的技术问题即在于提供一种离网型风电制氢系统及其容量匹配方法，实现风电能源与制氢技术的耦合，以制氢为目的的离网运行系统，主要设备出力可根据当地市场的氢能需求量进行适当调配。

本发明所采用的技术手段如下所述。

本发明提供一种离网型风电制氢系统，其包括：N个风力发电机和分别对应连接于每个风力发电机输出端的N个整流器，其中N大于等于1；直流母线，电池储能装置，电解制氢装置以及储氢装置。其中，直流母线与N个整流器的汇总输出端相连，电池储能装置通过直流支路连接于直流母线，电解制氢装置通过直流支路连接于直流母线；电解制氢装置包含M个电解制氢设备，其中M大于等于1，当M大于1时，M个电解制氢设备并联设置；储氢装置通过氢气管道连接于电解制氢装置的氢气输出端。

该离网型风电制氢系统还包括储氧装置，其连接于电解制氢装置的氧气输出端。

该离网型风电制氢系统还可包括燃料电池系统，该燃料电池系统通过氢气管道连接于储氢装置，又通过直流支路与直流母线相连。

其中，所述燃料电池系统通过氧气管道与所述电解制氢装置直接相连，或两者之间通过加设储氧装置而相连。

其中，所述储氢装置还可连接氢气用户端，所述电池储能装置还可连接电动汽车充电桩端。

本发明还提供一种基于上述离网型风电制氢系统的容量匹配方法，其包括以下步骤：

步骤A.通过市场调研确定当地的氢气需求量；

步骤B.根据氢气需求量的1.1~1.5倍和单台电解制氢设备的额定出力来确定电解制氢装置所包含的电解制氢设备的数量M；

步骤C.根据电解制氢设备的数量M和单台电解制氢设备的耗能来确定电解制氢装置所需的耗能；

步骤D.根据电解制氢装置所需的耗能和单个风力发电机的额定输出功率来确定风力发电机及整流器的数量N;

步骤E.将N个风力发电机输出总功率的5%~50%确定为电池储能装置的容量。

其中，所述单台电解制氢设备的额定出力为100m³/h~1000m³/h，所述风力发电机的额定输出功率为1~10MW。

本发明所产生的有益效果如下所述。

（1）本发明利用风电能源直接电解水制氢，可促进风电的及时就近消纳，提高当地风能源的利用率，同时离网运行可避免因风电的波动性给电网带来的冲击。

（2）主要设备出力可根据当地市场的氢能需求量进行匹配，利用储氢装置或电池储能装置进行调节，以制氢为主要目的的离网运行系统，可保证制氢系统的安全稳定运行。

（3）本发明主要解决了以风力发电作为制氢系统电源的电能不稳定性问题，适用性广、控制简单、易于实现工业化；同时通过可再生能源电解水制氢是一条可持续发展的低碳清洁道路，有利于促进新能源制氢产业的发展。

附图说明

图1为本发明离网型风电制氢系统一种实施例的结构示意图。

图2为本发明离网型风电制氢系统另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，其为本发明离网型风电制氢系统一种实施例的结构示意图，该系统主要包括有风力发电机1、整流器2、直流母线3、电池储能装置4、电解制氢装置5以及储氢装置6。其中，风力发电机1与整流器2均为N个，且每个风力发电机1的输出端分别对应连接1个整流器2，N大于等于1；直流母线3与N个整流器2的汇总输出端相连，电池储能装置4通过直流支路连接于直流母线3，电解制氢装置5也通过直流支路连接于直流母线3；电解制氢装置5又包含M个电解制氢设备，其中M大于等于1，当M大于1时，M个电解制氢设备并联设置；储氢装置6通过氢气管道连接于电解制氢装置5的氢气输出端。

如图所示，本实施例中该系统还包括通过氢气管道连接于储氢装置6的燃料电池系统7，该燃料电池系统7通过直流支路与直流母线3相连。

其中，燃料电池系统7还可通过氧气管道与电解制氢装置5的氧气输出端直接相连，将制氢过程中的副产物-氧气再次加以利用。亦或者如图2所示，本发明离网型风电制氢系统另一种实施例的结构示意图，在电解制氢装置5的氧气输出端直接设置储氧装置10，用于储存制氢过程中的氧气以备用，同时也可将该储氧装置10与燃料电池系统7相连以输送氧气。

本发明离网型风电制氢系统的运行原理：N个整流器2分别将对应的N个风电发电机1输出的交流电转换成直流电，直流母线3将N个整流器2输出的直流电汇成一路；直流母线3可将电能再传输给电池储能装置4、电解制氢装置5、燃料电池系统7，其中，电池储能装置4将一部分电能储存起来备用，电解制氢装置5中包含的M个电解制氢设备在直流电的作用下，通过电解作用将H₂O转化成H₂与O₂，储氢装置6和储氧装置10分别用于储存氢气和氧气，并可分别再输送给燃料电池系统7；燃料电池系统7通过催化材料催化氢气和氧气反应（燃烧）生成水而放电，再将电能传输给直流母线3，进而传输给电池储能装置4储存起来。当然，当该系统中未加设储氧装置10或是电解制氢装置5产生的氧气不足时，还可以利用空气替代氧气来供给燃料电池系统7。

其中，电池储能装置可采用锂离子电池储能或大规模钠离子电池储能，亦或为超级电容储能，优选为锂离子电池储能。如上所述，当风力发电机满发时，保证电解制氢装置稳定运行的情况下，电池储能装置用于储存部分能量；而当风速不稳定或风速过低而又要保证制氢产能时，电池储能装置可释放部分能量用于平抑电能的波动，或是传输给电解制氢装置用于制氢。

此外，电解制氢设备的电解制氢方式可为：碱水电解、质子交换膜水电解或固体氧化物水电解，优选为碱水电解。

又如图1-图2所示，储氢装置6对外可直接连接氢气用户端8而对外出售使用。同时，电池储能装置4也可对外连接电动汽车充电桩端9，当氢气用户对氢气的需求量降低，而储氢装置的储氢量和电池储能装置的储电量分别大于其额定值的90%时，电池储能装置可以给电动汽车充电桩供电。

综上，本发明离网型风电制氢系统的储能方式包括以下两种模式。

（1）当市场或用户对氢气需求量变少时，可利用储氢装置进行存储。

（2）利用燃料电池系统将存储的氢能再次转换为电能存储于储能装置中。

基于本发明离网型风电制氢系统的容量匹配方法，包括以下步骤：

步骤A.通过市场调研确定当地的氢气需求量；

步骤B.根据氢气需求量的1.1~1.5倍和单台电解制氢设备的额定出力来确定电解制氢装置5所包含的电解制氢设备的数量M；

步骤C.根据电解制氢设备的数量M和单台电解制氢设备的耗能来确定电解制氢装置5所需的耗能；

步骤D.根据电解制氢装置5所需的耗能和单个风力发电机1的额定输出功率确定风力发电机1及整流器2的数量N;

步骤E.将N个风力发电机1输出总功率的5%~50%确定为电池储能装置4的容量，例如可为5%、10%、20%、30%、40%和50%，优选为30%。

其中，所述单台电解制氢设备的额定出力可选范围为100m³/h~1000m³/h，例如可为100m³/h、500m³/h、1000m³/h，优选为500m³/h。

风力发电机的额定输出功率（单机容量）为1~10MW，例如可为1MW、1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、10MW等，优选为2.5MW；风力发电机的轮毂高度根据当地风资源情况确定，一般为30-120m，例如可为30m、40m、50m等，优选为100m；风力发电机的年满发小时数大于3000h，例如可为3100h、3500h、4000h等，优选为4000h。

Claims

1.一种离网型风电制氢系统，其特征在于，包括：

N个风力发电机（1）和分别对应连接于每个风力发电机（1）输出端的N个整流器（2），其中N大于等于1；

直流母线（3），所述直流母线（3）与所述N个整流器（2）的汇总输出端相连；

电池储能装置（4），所述电池储能装置（4）通过直流支路连接于所述直流母线（3）；

电解制氢装置（5），该电解制氢装置（5）通过直流支路连接于所述直流母线（3）；所述电解制氢装置（5）包含M个电解制氢设备，其中M大于等于1，当M大于1时，M个电解制氢设备并联设置；

储氢装置（6），所述储氢装置（6）通过氢气管道连接于所述电解制氢装置（5）的氢气输出端。

2.如权利要求1所述的离网型风电制氢系统，其特征在于，还包括储氧装置（10），其连接于所述电解制氢装置（5）的氧气输出端。

3.如权利要求1所述的离网型风电制氢系统，其特征在于，还包括燃料电池系统（7），所述燃料电池系统（7）通过氢气管道连接于所述储氢装置（6），该燃料电池系统（7）通过直流支路与所述直流母线（3）相连。

4.如权利要求3所述的离网型风电制氢系统，其特征在于，所述燃料电池系统（7）通过氧气管道与所述电解制氢装置（5）的氧气输出端直接相连，或两者之间通过加设储氧装置（10）而相连。

5.如权利要求1至4任一所述的离网型风电制氢系统，其特征在于，所述储氢装置（6）连接氢气用户端（8）。

6.如权利要求1至4任一所述的离网型风电制氢系统，其特征在于，所述电池储能装置（4）连接电动汽车充电桩端（9）。

7.一种用于如权利要求1至6任一所述的离网型风电制氢系统的容量匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A.通过市场调研确定当地的氢气需求量；

步骤B.根据氢气需求量的1.1~1.5倍和单台电解制氢设备的额定出力来确定电解制氢装置（5）所包含的电解制氢设备的数量M；

步骤C.根据电解制氢设备的数量M和单台电解制氢设备的耗能来确定电解制氢装置（5）所需的耗能；

步骤D.根据电解制氢装置（5）所需的耗能和单个风力发电机（1）的额定输出功率来确定风力发电机（1）及整流器（2）的数量N;

步骤E.将N个风力发电机（1）输出总功率的5%~50%确定为电池储能装置（4）的容量。

8.如权利要求7所述的离网型风电制氢系统的容量匹配方法，其特征在于，所述单台电解制氢设备的额定出力为100m³/h~1000m³/h。

9.如权利要求7所述的离网型风电制氢系统的容量匹配方法，其特征在于，所述风力发电机（1）的额定输出功率为1~10MW。