CN111826673A

CN111826673A - 一种基于可再生能源的电解水制氢系统及其控制方法

Info

Publication number: CN111826673A
Application number: CN202010788030.9A
Authority: CN
Inventors: 于德野; 郭健; 王建
Original assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Current assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2020-10-27

Abstract

本申请提供了一种基于可再生能源的电解水制氢系统及其控制方法，该系统包括可再生能源发电设备、功率变换器和电解槽，其中，电解槽包括多个依次串联的电解小室，且电解小室的正极和负极之间并联有功率开关。比较功率变换器的输出电参量和电解槽的电参量需求值之间的大小关系，并根据比较结果控制至少一个功率开关的通断状态，使功率变换器的输出电参量等于电解槽的电参量需求值，从而实现根据可再生能源发电设备的发电能力动态调整电解槽的工作状态，同时能够充分利用可再生能源发电设备在弱发电区域的电能，提高氢气产量，以及提高制氢纯度。

Description

一种基于可再生能源的电解水制氢系统及其控制方法

技术领域

本发明属于可再生能源技术领域，尤其涉及一种基于可再生能源的电解水制氢系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着太阳能、风能等可再生能源发电技术迅猛发展及度电成本迅速下降，利用可再生能源电力进行水电解制氢得到广泛应用。

但是，可再生能源发电系统都存在发电功率波动问题，例如，光伏早晚时间或阴雨天时，发电功率很低，又如，弱风天气条件下风力发电的发电功率也很低。而电解水制氢设备的动态匹配性能差，当发电功率较低时，电解水制氢设备制备的氢气气体纯度下降，严重时会直接导致电解水制氢设备停机导致制氢能力下降。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种基于可再生能源的电解水制氢系统及其控制方法，以解决在可再生能源发电设备的发电功率波动导致电解水制氢设备制备的氢气气体纯度下降，以及制氢能力下降的问题，其公开的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，所述系统包括可再生能源发电设备、功率变换器和电解槽，所述电解槽包括多个依次串联的电解小室，以及，并联于电解小室的正极和负极之间的功率开关，且一个功率开关与至少一个电解小室并联；所述方法包括：

采集所述功率变换器的输出电参量，并将所述输出电参量与所述电解槽的电参量需求值进行比较；

根据比较结果逐个控制至少一个功率开关的通断状态，以使所述功率变换器的输出电参量等于所述电解槽的电参量需求值。

可选地，所述根据比较结果逐个控制至少一个功率开关的通断状态，包括：

当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关闭合；

当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关断开。

可选地，所述当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关闭合，包括：

当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，控制一个功率开关闭合；

检测所述输出电参量是否小于所述电解槽在所述功率开关闭合后对应的电参量需求值，如果是则继续控制下一个功率开关闭合，直到所述输出电参量等于所述电解槽对应的最新电参量需求值。

可选地，所述当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关断开，包括：

当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，控制一个功率开关断开；

检测所述输出电参量是否大于所述电解槽在所述功率开关断开后对应的电参量需求值，如果是则继续控制下一个功率开关断开，直到所述输出电参量等于所述电解槽对应的最新电参量需求值。

当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，计算所述输出电参量与所述电参量需求值之间的电参量差值；

根据所述电参量差值及一个电解小室的电参量需求值，确定需要切换至停止状态的电解小室的目标数量，并逐个控制所述目标数量个电解小室所并联的功率开关依次闭合。

可选地，所述当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个电解小室并联的功率开关断开，包括：

当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，计算所述输出电参量与所述电参量需求值之间的电参量差值；

根据所述电参量差值及一个电解小室的电参量需求值，确定需要切换至工作状态的电解小室的目标数量，并依次控制所述目标数量个电解小室所并联的功率开关逐个断开。

可选地，所述功率变换器的输出电参量为输出电流或输出功率。

第二方面，本申请还提供了一种基于可再生能源的电解水制氢系统，包括：可再生能源发电设备、功率变换器、电解槽和控制器；

其中，所述电解槽包括多个依次串联的电解小室，以及，与电解小室的正极和负极并联的功率开关，且一个功率开关与至少一个电解小室并联；

可再生能源发电设备的输出端连接所述功率变换器的输入端，所述功率变换器的输出端连接所述电解槽；

所述控制器用于执行第一方面任一种可能的实现方式所述的控制方法。

可选地，所述系统还包括：

功率分配子系统，用于接收所述控制器发送的控制功率开关通断的控制指令，并根据所述控制指令控制相应功率开关的通断状态。

可选地，所述功率开关采用断路器、负荷开关、接触器和功率半导体器件中的任意一种。

可选地，一个所述电解小室的正极和负极之间并联一个功率开关；

或者，至少两个串联的电解小室构成的电解小室串的正极和负极之间并联一个功率开关。

可选地，所述可再生能源发电设备为光伏阵列，所述功率变换器为直流变换器。

可选地，所述可再生能源发电设备为风力发电机组，所述功率变换器为逆变器。

本申请提供的基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，该系统包括可再生能源发电设备、功率变换器和电解槽，其中，电解槽包括多个依次串联的电解小室，且每个电解小室的正极和负极之间并联有功率开关。比较功率变换器的输出电参量和电解槽的电参量需求值之间的大小关系，并根据比较结果控制至少一个电解小室并联的功率开关的通断状态，使功率变换器的输出电参量等于电解槽的电参量需求值，从而实现根据可再生能源发电设备的发电能力动态调整电解槽的工作状态，同时能够充分利用可再生能源发电设备在弱发电区域的电能，提高氢气产量，以及提高制氢纯度。

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和图2是本申请实施例提供的一种基于可再生能源的电解水制氢系统的结构示意图；

图3是本申请实施例提供一种基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法的流程图；

图4是本申请实施例提供另一种基于可再生能源的电解水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。

请参见图1和图2，示出了本申请实施例提供的一种基于可再生能源的电解水制氢系统的结构示意图，该系统可以包括：可再生能源发电设备110、功率变换器120、电解槽130和控制器140。

可再生能源发电设备110用于将可再生能源转换为电能。

其中，可再生能源发电设备110可以是光伏阵列和风力发电机组。

功率变换器120用于将可再生能源发电设备110输出的电能转换为电解槽130能够使用的电能。

在光伏发电的应用场景中，功率变换器120为DC/DC变换器。在风力发电的应用场景中，功率变换器120为AC/DC变换器。

电解槽130的正极、负极分别连接功率变换器120的正输出端、负输出端，同时，电解槽130的负极接地。

电解槽130包括多个依次串联的电解小室，每个电解小室包括正极和负极，其中第一个电解小室的负极为整个电解槽130的负极，最后一个电解小室的正极为整个电解槽130的正极。

而且，至少一个电解小室的正极和负极之间并联一功率开关。

在一种可能的实现方式中，一个电解小室i并联一个功率开关Si，其中，i为正整数且小于n，n为电解槽包含的电解小室的数量，且n≥2。

如果功率开关Si断开时，与Si并联的第i个电解小室能够正常工作；Si闭合后，第i个电解小室被Si短路，因此，该电解小室停止工作。

在另一种可能的实现方式中，每两个电解小室并联一个功率开关，通过控制该功率开关的通断状态能够同时控制与其并联的两个电解小室的工作状态。

在又一种可能的实现方式中，三个或更多个电解小室并联一个功率开关，通过控制一个功率开关的通断状态能够同时控制多个电解小室的工作状态。

在本申请的实施例中，功率开关可以采用断路器、负荷开关或接触器等开关器件，也可以采用IGCT、IGBT、MOS等功率半导体器件。

控制器140主要用于根据功率变换器120的输出电参量和电解槽130的电参量需求量的比较结果控制电解槽130内各功率开关的通断状态，最终使参与工作的各个电解小室的需求之和与功率变换器的输出相匹配，从而使该制氢系统达到稳定状态。

在本申请的一个实施例中，如图1所示，该系统还可以包括功率分配子系统150，该功率分配子系统150接收控制器140发送的控制指令，并根据接收到的控制指令产生控制相应的功率开关的通断状态的控制信号。

其中，电参量可以是电流或功率，此处不做限定，下面以电参量为电流为例说明。

在一种可能的实现方式中，若功率变换器120的输出电流小于电解槽130的当前额定电流，表明功率变换器的输出电流不满足电解槽当前负荷状态所需的电流，因此逐个控制功率开关闭合，即，关闭部分电解小室从而降低电解槽所需的电流，最终与功率变换器的输出电流相匹配。

若功率变换器120的输出电流大于电解槽130的当前额定电流，表明功率变换器的输出电流超过电解槽当前负荷状态所需的电流，此种情况下，可以逐个控制功率开关断开，即重新开启部分电解小室从而增加电解槽所需的电流，最终与功率变换器的输出电流相匹配。

其中，功率变换器120的输出电流可以是当前最大功率点时刻对应的输出电流。

电解槽130的当前额定电流是电解槽内处于工作状态的所有电解小室的额定电流之和。

本实施例提供的基于可再生能源的电解水制氢系统，该系统包括可再生能源发电设备、功率变换器和电解槽，其中，电解槽包括多个依次串联的电解小室，且每个电解小室的正极和负极之间并联有功率开关。比较功率变换器的输出电参量和电解槽的电参量需求值之间的大小关系，并根据比较结果控制至少一个电解小室并联的功率开关的通断状态，使功率变换器的输出电参量等于电解槽的电参量需求值，从而实现根据可再生能源发电设备的发电能力动态调整电解槽中投入工作的负载，同时能够充分利用可再生能源发电设备在弱发电区域的电能，提高氢气产量，以及提高制氢纯度。

此外，本方案中，功率开关并联在电解小室两极之间，当功率开关闭合时与其并联的电解小室断开不参与电解工作。功率开关断开时与其并联的电解小室闭合参与电解工作。可见，功率开关的通断状态只控制与该功率开关并联的电解小室的工作状态不会影响其他电解小室的工作状态，如果功率开关误动作，产生的电流波动较小。

下面将结合附图详细介绍控制器控制电解槽内的各个电解小室的工作状态的过程：

请参见图3所示，示出了本申请实施例提供一种基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法的流程图，如图3所示，该方法可以包括以下步骤：

S110，确定功率变换器的输出电流及电解槽当前的需求电流，并比较输出电流与电解槽当前的需求电流之间的大小关系。

在本申请的一个实施例中，功率变换器的输出电流为当前的最大功率点时刻对应的输出电流，记为Io_max。电解槽当前的需求电流，即电解槽内所有处于工作状态的电解小室的额定电流之和I_limit。

比较Io_max和I_limit之间的大小关系。如果功率变换器的输出电流Io_max大于电解槽的当前需求电流I_limit，则执行S120；如果功率变换器的输出电流Io_max小于电解槽的当前需求电流I_limit，则执行S130；如果Io_max与I_limit相匹配，则结束当前流程。

其中，Io_max与I_limit相等则确定Io_max与I_limit相匹配；或者，Io_max与I_limit的差值在预设范围内，也可以认为Io_max与I_limit相匹配，其中，预设范围可以根据实际需求确定。

假设初始平衡状态下，电解小室1～电解小室k对应的功率开关为断开状态，电解小室k+1～电解小室n并联的功率开关为闭合状态，即，电解小室1～电解小室k处于工作状态，而电解小室k+1～电解小室n处于停机状态。此时，电解槽当前的需求电流为k个电解小室的额定电流之和。

S120，控制一个功率开关闭合，更新I_limit并返回执行S110，直到Io_max和I_limit相匹配后结束当前流程。

如果可再生能源发电设备的输出功率下降，此时功率变换器的最大功率点Pmmp随之下降，相应的最大功率点时刻的输出电流Io_max也跟随下降，出现Io_max＜I_limit打破功率变换器之前的平衡状态，即输出电流小于负载电流(电解槽为功率变换器的负载，因此，I_limit也可称为负载电流)，此种情况下，需要关闭部分处于工作状态的电解小室以减小功率变换器的负载电流。

在本申请的一个应用场景中，可以正在每个电解小室两端并联一个功率开关，这样，控制一个功率开关的通断状态就能控制一个电解小室的工作状态。此种场景下，当Io_max＜I_limit时，逐个控制电解小室停机，即每次控制一个电解小室停机，电解槽当前的需求电流I_limit减小。

例如，初始平衡状态是电解小室1～k处于工作状态，电解小室k+1～n处于停机状态，当检测到Io_max＜I_limit后，控制电解小室k停机，即控制Sk闭合，使原本处于工作状态的电解小室k切换至停机状态，减少了处于工作状态的电解小室，因此I_limit减小，即减小功率变换器的负载。

之后，继续判断功率变换器的输出电流Io_max与减小后的I_limit(即，新的需求电流)之间的大小关系。如此循环执行S110和S120，直到功率变换器的输出电流Io_max与电解槽的最新的需求电流I_limit相匹配，即功率变换器的输出和负载达到新的平衡状态。

在其他应用场景中，一个功率开关与两个或更多个电解小室并联，控制一个功率开关的闭合即可同时控制多个电解小室的断开，逐个控制功率开关闭合直到Io_max与I_limit达到平衡状态。

S130，控制一个率开关断开，并返回执行S110，直到Io_max和I_limit相匹配后结束当前流程。

如果可再生能源发电设备的输出功率上升，功率变换器的最大功率点Pmmp随之上升，最大功率点时刻的输出电流Io_max也跟随上升，从而出现Io_max＞I_limit，即功率变换器的输出电流大于负载电流。此种情况下可以重新启动部分处于停机状态的电解小室以增大负载电流。

在本申请的一个应用场景中，每个电解小室两端并联一个功率开关，这样，控制一个功率开关的断开只能控制一个电解小室投入工作。即，每次控制一个电解小室开机，此时I_limit增大。

例如，初始平衡状态是电解小室1～k处于工作状态，电解小室k+1～n处于停机状态，当检测到Io_max＞I_limit后，控制电解小室k+1开机，即控制Sk+1断开，使原本处于停机状态的电解小室k+1切换至开机状态，增加了处于工作状态的电解小室，因此I_limit增大，即增大了功率变换器的负载。

之后，继续判断功率变换器的输出电流Io_max与增大后的I_limit之间的大小关系。如此循环执行S110和S130，直到Io_max和I_limit相匹配后结束当前流程。

此外，Io_max数值的获取时机可以由功率变换器根据最大功率点追踪算法确定。

在其他应用场景中，一个功率开关与两个或更多个电解小室并联，控制一个功率开关的断开即可同时控制多个电解小室开机，逐个控制功率开关闭合直到Io_max与I_limit达到平衡状态。

本实施例提供的基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，根据功率变换器的输出电流和电解槽的需求电流之间的大小关系，逐个控制电解槽中各电解小室的工作状态，从而使功率变换器的输出电流与电解槽的需求电流相匹配，即实现功率变换器的输出电流与负载电流相匹配。充分利用可再生能源发电设备在弱发电区域的电能，提高氢气产量，以及提高制氢纯度。

请参见图4，示出了本申请实施例提供的另一种基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，本实施例可以直接根据功率变换器的输出电流和电解槽的需求电流之间的差值确定需要闭合或断开的功率开关的目标数量，进而逐个闭合或断开目标数量个功率开关。

如图4所示，该方法可以包括以下步骤：

S210，确定功率变换器的输出电流Io_max和电解槽当前的需求电流I_limit，比较Io_max与I_limit的大小关系。

若Io_max＜I_limit，则执行S220，若Io_max＞I_limit，则执行S240，若Io_max与I_limit相匹配，则结束当前流程。

S220，根据Io_max与I_limit之间的差值以及一个电解小室的额定电流，计算得到需要切换至停止状态的电解小室的第一目标数量。

计算功率变换器的输出电流与负载电流的差值，而且已知一个电解小室的额定电流，因此能够计算出当负载电流与输出电流相匹配时需要关闭的电解小室的数量。

S230，逐个控制第一目标数量个电解小室所并联的功率开关闭合，更新电解槽当前的需求电流，并返回执行S210。

在一个电解小室并联一个功率开关的应用场景中，每次控制一个功率开关从断开状态切换至闭合状态，直到由断开状态切换至闭合状态的功率开关的数量达到第一目标数量时，重新确定电解槽当前的需求电流，即计算电解槽当前处于工作状态的电解小室的额定电流之和。

因为可再生能源发电设备输出的功率随时可能发生变化，因此，在控制第一目标数量个功率开关闭合后，判断电解槽的最新需求电流与此时功率变换器的输出电流是否匹配。若两者相匹配则表明功率变换器的输出电流与负载电流达到新的平衡状态，结束当前流程。如果两者不匹配则重新按照比较结果执行相应的流程。

S240，根据Io_max与I_limit之间的差值以及一个电解小室的额定电流，计算得到需要切换至工作状态的电解小室的第二目标数量。

S250，逐个控制第二目标数量个电解小室所并联的功率开关断开，更新电解槽当前的需求电流，并返回执行S210。

该步骤的实施过程与S230的实施过程相似，此处不再赘述。

在控制第二目标数量个电解小室并联的功率开关断开后，重新计算电解槽最新的需求电流，并与功率变换器此时的输出电流比较，如果两者相匹配，则认为达到新的平衡状态，结束当前流程。如果两者不匹配则按照比较结果重新执行相应的流程。

本实施例提供的基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，根据功率变换器的输出电流与负载电流之间的差值，确定需要切换工作状态的电解小室的目标数量，并逐个控制目标数量个电解小室所并联的功率开关切换通断状态。之后更新电解槽的最新需求电流，直到功率变换器此时的输出电流与更新后的需求电流相匹配后结束当前流程。该方案能够根据功率变换器的输出电流的变化，快速调整电解槽的状态与功率变换器的输出相匹配。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例记载的技术特征可以相互替代或组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本申请各实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本申请各实施例中的装置及终端中的模块和子模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或子模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个子模块或模块可以结合或者可以集成到另一个模块，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块或子模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或子模块的部件可以是或者也可以不是物理模块或子模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块或子模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块或子模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或子模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块或子模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块或子模块集成在一个模块中。上述集成的模块或子模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块或子模块的形式实现。

最后，还需要说明的是，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。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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于可再生能源的电解水制氢系统的控制方法，所述系统包括可再生能源发电设备、功率变换器和电解槽，其特征在于，所述电解槽包括多个依次串联的电解小室，以及，并联于电解小室的正极和负极之间的功率开关，且一个功率开关与至少一个电解小室并联；所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果逐个控制至少一个功率开关的通断状态，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关闭合，包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关断开，包括：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述输出电参量小于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个功率开关闭合，包括：

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述输出电参量大于所述电参量需求值时，逐个控制至少一个电解小室并联的功率开关断开，包括：

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述功率变换器的输出电参量为输出电流或输出功率。

8.一种基于可再生能源的电解水制氢系统，其特征在于，包括：可再生能源发电设备、功率变换器、电解槽和控制器；

所述控制器用于执行权利要求1-7任一项所述的控制方法。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述功率开关采用断路器、负荷开关、接触器和功率半导体器件中的任意一种。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，一个所述电解小室的正极和负极之间并联一个功率开关；

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述可再生能源发电设备为光伏阵列，所述功率变换器为直流变换器。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述可再生能源发电设备为风力发电机组，所述功率变换器为逆变器。