CN111756059A - 一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种实时平抑风电波动的电‑氢‑电转换系统和方法，包括变电系统、电解制氢系统、储氢系统、燃料电池系统和控制模块，其中，变电系统的输入端连接风电厂风机馈线输出端；变电系统的输出端连接电解制氢系统的电源输入口，用于向电解制氢系统供电；电解制氢系统的氢气出口连接储氢系统的氢气入口；储氢系统的氢气出口连接燃料电池系统的氢气入口；所述燃料电池系统的电源输入口连接外接设备；所述燃料电池系统的电源输出端连接电网系统；所述控制模块连接风电场的中控设备，用于实时采集风电场可发电量和应发电量，并根据接收到的风电场可发电量和应发电量，分别控制电解制氢系统和燃料电池系统的运行状态；本发明能够实现风电场出力与电网的实时匹配，提高风力利用效率，保障发电安全，并且多余的氢气能够作为清洁能源和原材料进入下游应用。

Description

一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统和方法
技术领域
本发明属于能源领域，具体涉及一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统和方法。
背景技术
随着我国可再生能源发电占比的逐渐提高，风电等可再生能源的波动性对电网造成的压力日益严重。由于风资源的不确定性，风电场的出力与电网的调度电量很难完全匹配，当风电场发电能力大于调度电量时，造成风电限电；当发电能力小于调度电量时，会造成上网电量不足，影响区域用电安全。为减少风电场的限电和保障用电安全，在风电场匹配储能设施以平抑风电波动是十分必要的。
在目前的电化学储能方式中，氢储能是唯一能够实现大规模长周期储存的一种，因此是一种良好的调峰储能选择，并且氢气能够进一步供给燃料电池发电，实现电-氢-电的完整闭环，完成对风电的削峰填谷。
为实现灵活的风电场储能调峰，最大限度提高风能利用率，需对电解制氢系统相对于风电场的容量匹配规模和操作模式进行详细设计，并对电解制氢设备的规模和耐功率波动灵活性有较高的要求。目前能够实现商业化的电解制氢设备有碱性电解槽和质子交换膜电解槽两种，质子交换膜电解槽具有较高的变功率响应灵活性，但设备规模普遍较小(产氢量一般不高于100Nm3/h)，不适合用于大型风电场的储能场景。碱性电解槽的设备规模较大，国内目前可以做到1000Nm3/h产氢量，但设备的变功率响应灵活性较低，目前的应用大多局限于在额定功率下稳定工作，在功率灵活调变的储能场景中的应用尚未见有关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统和方法，解决了现有的电解制氢设备存在规模较小或耐功率波动灵活性差的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，包括变电系统、电解制氢系统、储氢系统、燃料电池系统和控制模块，其中，变电系统的输入端连接风电厂风机馈线输出端；变电系统的输出端连接电解制氢系统的电源输入口，用于向电解制氢系统供电；电解制氢系统的氢气出口连接储氢系统的氢气入口；储氢系统的氢气出口连接燃料电池系统的氢气入口；
所述燃料电池系统的电源输入口连接外接设备；所述燃料电池系统的电源输出端连接电网系统；
所述控制模块连接风电场的中控设备，用于实时采集风电场可发电量和应发电量，并根据接收到的风电场可发电量和应发电量，分别控制电解制氢系统和燃料电池系统的运行状态。
优选地，所述变电系统包括变压器，其中，变电系统的输入端连接变压器的高压输入端，变压器的低压输出端连接变电系统的输出端；所述变电系统的输出端通过电缆连接电解制氢系统的电源输入端。
优选地，所述电解制氢系统包括整流变压器和碱性电解制氢设备，其中，所述整流变压器的输入端连接变电系统的输出端；整流变压器的输出端连接碱性电解制氢设备的电源输入端；所述碱性电解制氢设备的氢气出口连接储氢系统。
优选地，所述碱性电解制氢设备设置有多个，对个碱性电解制氢设备并列布置。
优选地，储氢系统包括氢气纯化模块、氢气压缩模块和氢气存储模块，其中，储氢系统的氢气入口连接氢气纯化模块的氢气入口，氢气纯化模块的氢气出口连接氢气压缩模块的氢气入口，氢气压缩模块的氢气出口连接氢气存储模块的氢气入口，氢气存储模块的氢气出口连接储氢系统的氢气出口。
优选地，燃料电池系统包括燃料电池组和逆变器，其中，燃料电池组的氢气入口连接储氢系统的氢气出口；所述燃料电池组的电源输出端连接逆变器的输入端；所述逆变器的输出端连接电网。
一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，基于所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，包括以下步骤：
采集风电场可发电量和应发电量的数据信息、电解制氢系统和燃料电池系统的实时负荷；
根据可发电量和应发电量的数据信息判断风电场的电源限电状态和发电缺口情况；
根据限电状态控制电解制氢系统的运行状态；根据发电缺口情况控制燃料电池系统的运行状态。
优选地，判断电源限电状态的具体方法是：
若实时可发电量小于等于应发电量，电源不处于限电状态；
若实时可发电量大于应发电量，电源处于限电状态；
根据限电状态控制电解制氢系统的运行状态，具体方法是：
当风电场的电源处于限电状态时，计算风电场的限电容量；
将得到的风电场的限电容量与电解制氢系统的用电负荷进行对比，其中：
若限电容量小于实时负荷时，电解制氢系统停止或减慢制氢；
若限电容量大于实时负荷时，电解制氢系统启动或加速制氢；
若限电容量等于实时负荷时，电解制氢系统的做功功率不变。
优选地，判断风电场的发电缺口情况的具体方法是：
若实时可发电量大于或等于应发电量，风电场的电源无发电缺口；
若实时可发电量小于应发电量，风电场的电源处于发电缺口状态；
根据发电缺口情况控制燃料电池系统的运行状态，具体方法是：
若发电缺口电量小于实时负荷，燃料电池系统停止或减慢；
若发电缺口电量大于实时负荷，燃料电池系统启动或加速。
若发电缺口电量等于实时负荷，燃料电池系统停止或减慢做功功率不变。
优选地，电解制氢系统的实时负荷总容量大于等于风电场上年度的最大限电容量；
燃料电池系统的实时负荷总容量大于等于风电场上年度的最大缺口功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统及方法，根据电网调度要求和风电场实际发电能力的对比情况，在风电场发电能力过剩时，通过电解制氢的方式将多余电量转化为氢气；在风电场发电能力不足时，以氢气驱动燃料电池发电，补充所需上网电量；本发明能够实现风电场出力与电网的实时匹配，提高风力利用效率，保障发电安全，并且多余的氢气能够作为清洁能源和原材料进入下游应用；
同时，本发明能够实现风电波动的实时平抑，提高电网或局部分布式用电的稳定性，增加清洁的波动性风电电源上网空间；提高可再生能源的利用率，保障局部电网的用电安全，通过区域内风电场的信号互通可进一步提升系统效率。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明根据电网调度要求和风电场实际发电能力的对比情况，在风电场发电能力过剩时，通过电解制氢的方式将多余电量转化为氢气；在风电场发电能力不足时，以氢气驱动燃料电池发电，补充所需上网电量。本发明能够实现风电场出力与电网的实时匹配，提高风力利用效率，保障发电安全，并且多余的氢气能够作为清洁能源和原材料进入下游应用。
具体地：本发明提供的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，包括变电系统1、电解制氢系统2、储氢系统3和燃料电池系统4，其中，变电系统1的输入端连接风电厂的35kV风机馈线输出端；变电系统1的输出端连接电解制氢系统2的电源输入口，用于给电解制氢系统供电；电解制氢系统2的氢气出口连接储氢系统3的氢气入口；储氢系统3的氢气出口连接燃料电池系统4的氢气入口；
所述风电厂的35kV风机馈线输出端还连接燃料电池系统4的电源输入口；所述燃料电池系统4的电源输出端连接电网系统。
所述变电系统1包括变压器和电缆，其中，变电系统1的输入端连接变压器的高压输入端，变压器的低压输出端连接变电系统1的输出端；所述变电系统1的输出端通过电缆连接电解制氢系统2的电源输入端。
所述电解制氢系统2包括整流变压器、碱性电解制氢设备和第一控制单元，其中，整流变压器用于将电源输入口输入的交流电变为适合电解制氢设备的直流电；碱性电解制氢设备的单台额定功率为1-5MW，因此，所述碱性电解制氢设备设置有多台，且多台碱性电解制氢设备之间并联连接。
所述整流变压器的直流电输出端连接碱性电解制氢设备。
第一控制单元包括第一数据获取模块、第一判断模块和第一控制模块，其中，第一数据获取模块用于从风电场的中控设备的信号输出端接收风电场的实时可发电量和应发电量，并将获取的实时可发电量和应发电量传输到第一判断模块；
第一判断模块用于将风电场的实时可发电量和应发电量进行对比，判断风电场是否处于限电状态，并计算限电容量；
第一数据获取模块还用于从电解制氢设备的信号输出端实时获取电解制氢的实时负荷(用电负荷/制氢负荷)情况，并将获取的实时负荷情况传输到第一判断模块；
第一判断模块用于将风电场的限电容量和电解制氢设备的实时用电负荷进行对比，并将对比结果传输到第一控制模块；
第一控制模块用于根据对比结果向电解制氢设备发出启动、停止、加速或减慢的指令。
碱性电解制氢设备的阴极和阳极组成材料包括金属合金，所述金属合金中包括镍，优选Ni-Co、Ni-Co-Fe、Ni-Fe合金材料。
碱性电解制氢设备的隔膜是非石棉离子交换膜材料。
碱性电解制氢设备的电解液包括氢氧化钾溶液，(20-30)wt％的KOH或NaOH溶液，优选KOH。电解液中还可加入添加剂以降低理论电压和能耗，优选水煤浆、尿素、氨水中的一种。
碱性电解制氢设备中发生电解水反应，产生氢气：
阴极：4H2O+4e-—>2H2+4OH-
阳极：4OH-—>2H2O+O2+4e-
总反应：2H2O—>2H2+O2
碱性电解制氢设备的单台最大产量可达到1000Nm3(H2)/h，制氢交流能耗不超过4.4kWh/Nm3(H2)。
单台碱性电解制氢设备在控制模块控制下发生功率变化的范围为(20-110)％，功率变化响应速度为1-10s。
碱性电解制氢设备在功率变化时，通过电解阳极和阴极气体出口管道的压力调节阀实时调整电解槽两侧的压力差，两侧液位差不超过3cm。
储氢系统3包括氢气纯化模块、氢气压缩模块和氢气存储模块，其中，储氢系统3的氢气入口连接氢气纯化模块的氢气入口，氢气纯化模块的氢气出口连接氢气压缩模块的氢气入口，氢气压缩模块的氢气出口连接氢气存储模块的氢气入口，氢气存储模块的氢气出口连接储氢系统的氢气出口。
氢气纯化模块采用催化脱氧-变温吸附方法；
氢气压缩模块采用氢气隔膜压缩机；
氢气存储模块可采用高压储氢罐、液氢储氢罐、固体储氢罐、有机液态储氢罐。
储氢系统3的出口氢气纯度高达99.999％以上。
燃料电池系统4包括燃料电池组、逆变器和第二控制单元，其中，燃料电池组的氢气入口连接储氢系统3的氢气出口；逆变器用于将燃料电池组发电转化为可并网的交流电。
第二控制单元包括第二数据获取模块、第二判断模块和第二控制模块，其中，第二数据获取模块用于从风电场的中控设备的信号输出端接收风电场的实时可发电量和应发电量，并将获取的实时可发电量和应发电量传输到第二判断模块；
第二判断模块用于将风电场的实时可发电量和应发电量进行对比，判断风电场是否满足上网电量要求，并计算电量缺口；
第二数据获取模块还用于从燃料电池组的信号输出端实时获取燃料电池的发电功率，并将获取的发电功率传输到第二判断模块；
第二判断模块用于将风电场的电量缺口和燃料电池的实时负荷进行对比，并将对比结果传输到第二控制模块；
第二控制模块用于根据对比结果向燃料电池组发出启动、停止、加速或减慢的指令。
电解制氢系统2和燃料电池系统4的控制单元可共用。
本发明的工作原理是：
通过风电厂的35kV风机馈线输出端将高压交流电输送至变电系统1；通过变电系统1输出低压交流电；之后输送至电解制氢系统2，电解制氢系统2首先将低压交流电转化为低压直流电；之后进行电解制氢；得到的氢气储存在储氢系统3；
所述储氢系统3中的氢气进行燃料电池系统4的氢气入口，在燃料电池系统4中的进行反应生成水，同时产生电流。
一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，包括如下步骤：
采集风电场可发电量和应发电量的数据信息、电解制氢系统2和燃料电池系统4的实时负荷；
根据可发电量和应发电量的数据信息判断风电场的电源限电状态和发电缺口情况；
根据限电状态控制电解制氢系统2的运行状态；根据发电缺口情况控制燃料电池系统4的运行状态。
其中，控制单元根据接收到的可发电量和应发电量判断电源限电状态的具体方法是：
若实时可发电量小于或等于应发电量，电源不处于限电状态；
若实时可发电量大于应发电量，电源处于限电状态，限电容量的计算方法是：限电容量＝实时可发电量-应发电量。
优选地，控制单元将风电电源的限电容量和碱性电解制氢设备的实时负荷进行对比的具体方法是：
若限电容量小于实时负荷(制氢负荷)，控制单元向碱性电解制氢设备发出停止或减慢的指令；
若限电容量大于实时负荷(制氢负荷)，控制单元向碱性电解制氢设备发出启动或加速的指令。
若限电容量等于实时负荷(制氢负荷)，控制单元向碱性电解制氢设备发出功率不变的指令。
优选地，控制单元根据接收到的可发电量和应发电量判断电源的发电缺口情况的具体方法是：
若实时可发电量大于或等于应发电量，没有发电缺口；
若实时可发电量小于应发电量，电源处于发电缺口状态，发电缺口电量的计算方法是：发电缺口电量＝应发电量-实时可发电量。
优选地，控制单元将风电电源的发电缺口电量和燃料电池组的实时发电负荷进行对比的具体方法是：
若发电缺口电量小于实时负荷，控制单元向燃料电池组发出停止或减慢的指令；
若发电缺口电量大于实时负荷，控制单元向燃料电池组发出启动或加速的指令。
若发电缺口电量等于实时负荷，控制单元向燃料电池组发出功率不变的指令。
优选地，碱性电解制氢设备的实时负荷总容量不小于风电场过去一年的最大限电容量，以满足消纳需求；
优选地，燃料电池组的实时负荷总容量不小于风电场过去一年的最大缺口功率，以满足用电安全保障需求；
优选地，储氢系统3的存储量不小于燃料电池组以额定功率运行12h的需氢量，以满足燃料电池组运行需求；
优选地，本系统的控制单元可与周边风电场或火电厂联动，实现限电和发电缺口的信息共享，当周边电厂有发电缺口时，可利用燃料电池组的富余容量向周边电厂售电。

Claims (10)

1.一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，包括变电系统(1)、电解制氢系统(2)、储氢系统(3)、燃料电池系统(4)和控制模块，其中，变电系统(1)的输入端连接风电厂风机馈线输出端；变电系统(1)的输出端连接电解制氢系统(2)的电源输入口，用于向电解制氢系统供电；电解制氢系统(2)的氢气出口连接储氢系统(3)的氢气入口；储氢系统(3)的氢气出口连接燃料电池系统(4)的氢气入口；
所述燃料电池系统(4)的电源输入口连接外接设备；所述燃料电池系统(4)的电源输出端连接电网系统；
所述控制模块连接风电场的中控设备，用于实时采集风电场可发电量和应发电量，并根据接收到的风电场可发电量和应发电量，分别控制电解制氢系统(2)和燃料电池系统(4)的运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，所述变电系统1包括变压器，其中，变电系统(1)的输入端连接变压器的高压输入端，变压器的低压输出端连接变电系统(1)的输出端；所述变电系统(1)的输出端通过电缆连接电解制氢系统(2)的电源输入端。
3.根据权利要求1或2所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，所述电解制氢系统(2)包括整流变压器和碱性电解制氢设备，其中，所述整流变压器的输入端连接变电系统(1)的输出端；整流变压器的输出端连接碱性电解制氢设备的电源输入端；所述碱性电解制氢设备的氢气出口连接储氢系统(3)。
4.根据权利要求3所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，所述碱性电解制氢设备设置有多个，对个碱性电解制氢设备并列布置。
5.根据权利要求1所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，储氢系统(3)包括氢气纯化模块、氢气压缩模块和氢气存储模块，其中，储氢系统(3)的氢气入口连接氢气纯化模块的氢气入口，氢气纯化模块的氢气出口连接氢气压缩模块的氢气入口，氢气压缩模块的氢气出口连接氢气存储模块的氢气入口，氢气存储模块的氢气出口连接储氢系统的氢气出口。
6.根据权利要求1所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，其特征在于，燃料电池系统(4)包括燃料电池组和逆变器，其中，燃料电池组的氢气入口连接储氢系统(3)的氢气出口；所述燃料电池组的电源输出端连接逆变器的输入端；所述逆变器的输出端连接电网。
7.一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，其特征在于，基于权利要求1-6中任一项所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换系统，包括以下步骤：
采集风电场可发电量和应发电量的数据信息、电解制氢系统(2)和燃料电池系统(4)的实时负荷；
根据可发电量和应发电量的数据信息判断风电场的电源限电状态和发电缺口情况；
根据限电状态控制电解制氢系统(2)的运行状态；根据发电缺口情况控制燃料电池系统(4)的运行状态。
8.根据权利要求7所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，其特征在于，判断电源限电状态的具体方法是：
若实时可发电量小于等于应发电量，电源不处于限电状态；
若实时可发电量大于应发电量，电源处于限电状态；
根据限电状态控制电解制氢系统(2)的运行状态，具体方法是：
当风电场的电源处于限电状态时，计算风电场的限电容量；
将得到的风电场的限电容量与电解制氢系统(2)的用电负荷进行对比，其中：
若限电容量小于实时负荷时，电解制氢系统(2)停止或减慢制氢；
若限电容量大于实时负荷时，电解制氢系统(2)启动或加速制氢；
若限电容量等于实时负荷时，电解制氢系统(2)的做功功率不变。
9.根据权利要求7所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，其特征在于，判断风电场的发电缺口情况的具体方法是：
若实时可发电量大于或等于应发电量，风电场的电源无发电缺口；
若实时可发电量小于应发电量，风电场的电源处于发电缺口状态；
根据发电缺口情况控制燃料电池系统(4)的运行状态，具体方法是：
若发电缺口电量小于实时负荷，燃料电池系统(4)停止或减慢；
若发电缺口电量大于实时负荷，燃料电池系统(4)启动或加速；
若发电缺口电量等于实时负荷，燃料电池系统(4)停止或减慢做功功率不变。
10.根据权利要求7所述的一种实时平抑风电波动的电-氢-电转换方法，其特征在于，电解制氢系统(2)的实时负荷总容量大于等于风电场上年度的最大限电容量；
燃料电池系统(4)的实时负荷总容量大于等于风电场上年度的最大缺口功率。
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CN112613742A (zh) * 2020-12-24 2021-04-06 中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 风电制氢系统容量匹配方法
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CN113309986A (zh) * 2021-05-26 2021-08-27 阳光电源股份有限公司 一种供氢方法、供氢装置及供氢系统
CN114268113A (zh) * 2021-11-12 2022-04-01 安徽伯华氢能源科技有限公司 面向非恒定功率源的电解制氢与储能发电系统及控制方法

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