CN112003382A - 一种基于储能装置的风电储能制氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于储能装置的风电储能制氢系统及方法，属于氢电能源转换技术领域。包括风力发电机组、与所述风力发电机组连接的第一AC/DC变换器、分别与所述第一AC/DC变换器通过DC母线连接的碳基电池组和DC/DC变换器、分别与DC/DC变换器连接的第二AC/DC变换器和电解槽、与所述电解槽连接的氢气压缩机、与所述氢气压缩机连接的储氢罐以及与所述第二AC/DC变换器连接的电网。本发明通过以上设计有效地解决了风力发电机输出波动导致的电解水制氢装置制氢电流不稳定，从而导致制氢效率降低的问题；以及现有的风力发电厂储能装置所使用的蓄电池装置反应时间滞后，动态快速性差的问题。

Description

一种基于储能装置的风电储能制氢系统及方法
技术领域
本发明属于氢电能源转换技术领域，尤其涉及一种基于储能装置的风电储能制氢系统及方法。
背景技术
近年来在风电场就近使用风电进行电解水制氢的方法逐渐成为研究热点，同时，因为风电出力的波动性，导致电解槽的电压和电流的不稳定，从而影响了制氢效率，严重时甚至会引起电解槽烧毁的事故。使用风电储能混合系统的联合运行给这一问题提供了有效的途径，储能系统能将负荷低谷时段的电力存储起来并在负荷高峰时段释放，与风电联合应用可以平滑风电出力的波动性，但常用的蓄电池系统反应速度比较慢，为分钟级，较为缓慢的反应速度限制了储能系统在需要对输出功率进行快速跟踪控制的电解水制氢系统中的应用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于储能装置的风电储能制氢系统及方法，解决了风力发电机输出波动导致的电解水制氢装置制氢电流不稳定，从而导致制氢效率降低的问题，以及现有的风力发电厂储能装置所使用的蓄电池装置反应时间滞后，动态快速性差的问题的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于储能装置的风电储能制氢系统，包括风力发电机组、与所述风力发电机组连接的第一AC/DC变换器、分别与所述第一AC/DC变换器通过DC母线连接的碳基电池组和DC/DC变换器、分别与DC/DC变换器连接的第二AC/DC变换器和电解槽、与所述电解槽连接的氢气压缩机、与所述氢气压缩机连接的储氢罐以及与所述第二AC/DC变换器连接的电网；
所述风力发电机组，用于当风力发电机组的输出功率大于电解槽的额定功能时，为电解槽提供所需电能；或
当碳基电池组储存的电能容量不满足电解槽所需电能时，结合电网为电解槽提供所需电能；
所述第一AC/DC变换器，用于将风力发电机组输出的交流电转换成直流电；
所述DC母线，用于为电解槽所需电能提供选择策略；
所述碳基电池组，用于储存多余的电能；
所述DC/DC变换器，用于将电解槽的电流保持在额定值；
所述第二AC/DC变换器，用于针对碳基电池组的电能不满足电解槽所需电能时，从电网处向电解槽提供所需电能；
所述电解槽，用于接收风力发电机组、碳基电池组以及电网提供的所需电能，并利用接收的电能生产氢气；
所述氢气压缩机，用于将电解槽生产的氢气压缩储存至储氢罐中；
所述储氢罐，用于存储氢气。
基于上述系统，本发明还提供了一种基于储能装置的风电储能制氢方法，包括以下步骤：
S1、利用风力发电机组输出电流，并利用第一AC/DC变换器将所述电流转换成直流电；
S2、将风力发电机组的电流给定值与所述直流电进行比较，判断是否能够制氢，若是，则进入步骤S3，否则，利用仰俯角控制参数对所述风力发电机组输出的电流进行调整，并返回步骤S1；
S3、根据转换后的直流电，判断风力发电机组的输出功率是否大于电解槽的额定功率，若是，则利用风力发电机组为电解槽提供所需电能，以及利用碳基电池组储存多余的电能，并进入步骤S5，否则，进入步骤S4；
S4、判断碳基电池组的电能容量是否满足电解槽所需电能，若是，则利用碳基电池组为电解槽提供电能，并进入步骤S5，否则，利用第二AC/DC变换器从电网处向电解槽提供所需电能，同时结合风力发电机组为电解槽提供所需电能，并进入步骤S5；
S5、利用DC/DC变换器将电解槽的电流保持在额定值，并通过电解槽生产氢气；
S6、利用氢气压缩机将产生的氢气进行压缩，并将压缩后的氢气存储至储存罐，实现风电制氢。
进一步地，所述步骤S4中碳基电池组的电能容量的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000031
其中，EC表示碳基电池组的电能容量，PWP表示风力发电机组的装机容量，TWP表示风电场年利用小时数，KW表示风力发电机的峰谷上网电量比，DOD表示碳基电池组的放电深度。
再进一步地，所述步骤S4中电网和电解槽在交换能量时的有功功率的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000032
其中，P表示电网和电解槽在交换能量时的有功功率，E表示d轴瞬时电流，id表示为d轴的瞬时电流；
所述电网和电解槽在交换能量时的无功功率的表达式如下
Figure BDA0002653540580000033
其中，Q表示电网和电解槽在交换能量时的无功功率，iq表示为q轴的瞬时电流。
再进一步地，若电网的电流额定值等于零时，则电解槽与电网不进行无功功率的交换；若
Figure BDA0002653540580000041
时，则电网和电解槽在交换能量时的有功功率为DC/DC变换器的功率，其中，
Figure BDA0002653540580000042
表示d轴电流给定值。
再进一步地，所述步骤S5中电解槽的电压和电流变换关系的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000043
其中，U表示电解槽的端电压，n表示电解室串联数量，α表示电压对温度的依赖系数，i表示电解槽电流，s表示催化剂活化性对温度的依赖系数，t表示欧布不可逆性对温度的依赖系数，α表示过电压对温度的依赖系数。η表示欧姆不可逆性系数，R表示串联电阻，A表示碳基电池表面活性剂系数，Un表示碳基电池可逆电位。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在现有的风电制氢系统基础上增加了储能装置，可以在无弃风情况下持续对电解槽供电，保障制氢的连续性，延长电解槽的寿命，提高制氢系统的效率。比较现有的采用蓄电池的风电制氢系统，本申请采用的碳基电池组的性能在蓄电池和超级电容之间取了较为均衡的性能，具有更好的均压性能和更快的充放电反应速度，可以更好的满足风电系统出力随机性变动的特性。
(2)本发明通过计算碳基电池组的容量能有效地得到其储存电能的容量。
(3)本发明利用电网和电解槽系统交换能量的瞬时有功和无功功率，可以有效地通过控制给定输入电流来控制电解槽的电解电流。
(4)本发明中DC/DC转换器的控制目标是将电流保持在额定值，从而降低生产成本并最大限度地提高氢气生产效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本实施例中系统总体控制方案示意图。
图3为本实施例中碳基电池组137A放电棒状图。
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，一种基于储能装置的风电储能制氢系统，包括风力发电机组、与风力发电机组连接的第一AC/DC变换器、分别与第一AC/DC变换器通过DC母线连接的碳基电池组和DC/DC变换器、分别与DC/DC变换器连接的第二AC/DC变换器和电解槽、与电解槽连接的氢气压缩机、与氢气压缩机连接的储氢罐以及与第二AC/DC变换器连接的电网；风力发电机组，用于当风力发电机组的输出功率大于电解槽的额定功能时，为电解槽提供所需电能；或当碳基电池组储存的电能容量不满足电解槽所需电能时，结合电网为电解槽提供所需电能；第一AC/DC变换器，用于将风力发电机组输出的交流电转换成直流电；DC母线，用于为电解槽所需电能提供选择策略；碳基电池组，用于储存多余的电能；DC/DC变换器，用于将电解槽的电流保持在额定值；第二AC/DC变换器，用于针对碳基电池组的电能不满足电解槽所需电能时，从电网处向电解槽提供所需电能；电解槽，用于接收风力发电机组、碳基电池组以及电网提供的所需电能，并利用接收的电能生产氢气；氢气压缩机，用于将电解槽生产的氢气压缩储存至储氢罐中；储氢罐，用于存储氢气。
本实施例中，风力发电机组发出的电能仅用于电解水制氢，而不考虑给其他负载供电情况。
本实施例中，如图2所示，图2中，iR为风电机组输出电流，I*为风电机组输出电流给定值，IE为电解槽电流，
Figure BDA0002653540580000061
为电解槽电流额定值，β为仰俯角控制参数，i{dq}为电网电流，
Figure BDA0002653540580000062
为电网电流给定值，α为第二AC/DC变换器整流角。风力发电机组的输出交流电通过第一AC/DC变换器变换为直流电，通过DC母线与碳基电池组及DC/DC变换器连接，碳基电池组主要作为短期的储能装置，当风力电机组的输出功率大于电解槽的额定功率时，将电池组作为可控负载储存多余的电能，当风资源不足导致风力电机组输出功率较小时，电池组放电以提供电解槽所需电能,若电池组供电能力不足，则由网电与风电联合给电解槽供电。
本实施例中，本系统碳基电池组单体电压均匀，在电流137A情况下放电图如图3所示，不需要电池管理系统就可以较好的均压特性，满足电池管理要求。
本实施例中，碳基电池组的电能容量的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000063
其中，EC表示碳基电池组的容量，PWP表示风力发电机组的装机容量，TWP表示风电场年利用小时数，KW表示风力发电机的峰谷上网电量比，DOD表示碳基电池组的放电深度。本实施例中，DC/DC转换器的控制目标是将电流i保持在额定值，从而降低生产成本并最大限度地提高氢气生产效率。电解槽的电压U及电流i变换关系为：
Figure BDA0002653540580000071
其中，U表示电解槽的端电压，n表示电解室串联数量，α表示电压对温度的依赖系数，i表示电解槽电流，s表示催化剂活化性对温度的依赖系数，t表示欧布不可逆性对温度的依赖系数，η表示欧姆不可逆性系数，R表示串联电阻，A表示碳基电池表面活性剂系数，Un表示碳基电池可逆电位。本实施例中，AC/DC变换器的作用是在风电机组供电不足时从电网向电解槽提供电能，电网和电解槽系统交换能量的瞬时有功和无功功率分别为
Figure BDA0002653540580000072
及
Figure BDA0002653540580000073
id和iq分别为d、q轴的瞬时电流，若设置
Figure BDA0002653540580000074
则系统不会与电网交换无功功率，另一方面，当
Figure BDA0002653540580000075
有功功率完全等于DC/DC变换器功率，从而可以通过控制给定输入电流
Figure BDA0002653540580000076
来控制电解槽的电解电流。
本实施例中，若用超级电容代替碳基电池组，也可以在风电波动时通过充放电控制平抑输出波动，保持制氢系统的效率，但超级电容的输出均压特性较差。
本实施例中，若用传统的碱性电解槽代替SPE电解槽，需要根据碱性电解槽的性能对算法进行调整，并且碱性电解槽的反应速度较慢，不适应风电波动性的特点。
本发明通过以上设计，有效地解决了风力发电机输出波动导致的电解水制氢装置制氢电流不稳定，从而导致制氢效率降低的问题；以及现有的风力发电厂储能装置所使用的蓄电池装置反应时间滞后，动态快速性差的问题。
实施例2
如图4所示，一种基于储能装置的风电储能制氢方法，其实现方法如下：
S1、利用风力发电机组输出电流，并利用第一AC/DC变换器将所述电流转换成直流电；
S2、将风力发电机组的电流给定值与所述直流电进行比较，判断是否能够制氢，若是，则进入步骤S3，否则，利用仰俯角控制参数对所述风力发电机组输出的电流进行调整，并返回步骤S1；
S3、根据转换后的直流电，判断风力发电机组的输出功率是否大于电解槽的额定功率，若是，则利用风力发电机组为电解槽提供所需电能，以及利用碳基电池组储存多余的电能，并进入步骤S5，否则，进入步骤S4；
所述碳基电池组的容量的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000081
其中，EC表示碳基电池组的电能容量，PWP表示风力发电机组的装机容量，TWP表示风电场年利用小时数，KW表示风力发电机的峰谷上网电量比，DOD表示碳基电池组的放电深度；
S4、判断碳基电池组的电能是否满足电解槽所需电能，若是，则利用碳基电池组为电解槽提供电能，并进入步骤S5，否则，利用第二AC/DC变换器从电网向电解槽提供所需电能，同时结合风力发电机组为电解槽提供所需电能，并进入步骤S5；其中，
若电网的电流额定值等于零时，则电解槽与电网不进行无功功率的交换；若
Figure BDA0002653540580000082
时，则电网和电解槽在交换能量时的有功功率为DC/DC变换器的功率，其中，
Figure BDA0002653540580000083
表示d轴电流给定值。
所述电网和电解槽在交换能量时的有功功率的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000084
其中，P表示电网和电解槽在交换能量时的有功功率，E表示d轴瞬时电流，id表示为d轴时的瞬时电流；
所述电网和电解槽在交换能量时的无功功率的表达式如下
Figure BDA0002653540580000091
其中，Q表示电网和电解槽在交换能量时的无功功率，iq表示为q轴时的瞬时电流；
所述电解槽的电压和电流变换关系的表达式如下：
Figure BDA0002653540580000092
其中，U表示电解槽的端电压，n表示电解室串联数量，α表示电压对温度的依赖系数，i表示电解电流，s表示催化剂活化性对温度的依赖系数，t表示欧布不可逆性对温度的依赖系数，η表示欧姆不可逆性系数，R表示串联电阻，A表示碳基电池表面活性剂系数，Un表示碳基电池可逆电位。
本实施例中，第二AC/DC变换器的作用是在风电机组供电不足时从电网向电解槽提供电能，电网和电解槽系统交换能量的瞬时有功和无功功率分别为
Figure BDA0002653540580000093
及
Figure BDA0002653540580000094
id和iq分别为d、q轴的瞬时电流，若设置
Figure BDA0002653540580000095
则系统不会与电网交换无功功率，另一方面，当
Figure BDA0002653540580000096
有功功率完全等于DC/DC变换器功率，从而可以通过控制给定输入电流
Figure BDA0002653540580000097
来控制电解槽的电解电流。
S5、利用DC/DC变换器将电解槽的电流保持在额定值，并通过电解槽生产氢气；
S6、利用氢气压缩机将产生的氢气进行压缩，并将压缩后的氢气存储至储存罐，实现风电制氢。
本实施例中，若用超级电容代替碳基电池组，也可以在风电波动时通过充放电控制平抑输出波动，保持制氢系统的效率，但超级电容的输出均压特性较差。
本实施例中，若用传统的碱性电解槽代替SPE电解槽，需要根据碱性电解槽的性能对算法进行调整，并且碱性电解槽的反应速度较慢，不适应风电波动性的特点。
本实施例中，本发明利用风力发电机组的输出交流电通过第一AC/DC变换器变换为直流电，通过DC母线与碳基电池组及DC/DC变换器连接，碳基电池组主要作为短期的储能装置，当风电机组的输出功率大于电解槽的额定功率时，将电池组作为可控负载储存多余的电能，当风资源不足导致风电机组输出功率较小时，电池组放电以提供电解槽所需电能,若电池组供电能力不足，则由网电与风电联合给电解槽供电，其有效地解决了风力发电机输出波动导致的电解水制氢装置制氢电流不稳定，从而导致制氢效率降低的问题；以及现有的风力发电厂储能装置所使用的蓄电池装置反应时间滞后，动态快速性差的问题。

Claims (6)

1.一种基于储能装置的风电储能制氢系统，其特征在于，包括风力发电机组、与所述风力发电机组连接的第一AC/DC变换器、分别与所述第一AC/DC变换器通过DC母线连接的碳基电池组和DC/DC变换器、分别与DC/DC变换器连接的第二AC/DC变换器和电解槽、与所述电解槽连接的氢气压缩机、与所述氢气压缩机连接的储氢罐以及与所述第二AC/DC变换器连接的电网；
所述风力发电机组，用于当风力发电机组的输出功率大于电解槽的额定功能时，为电解槽提供所需电能；或
当碳基电池组储存的电能容量不满足电解槽所需电能时，结合电网为电解槽提供所需电能；
所述第一AC/DC变换器，用于将风力发电机组输出的交流电转换成直流电；
所述DC母线，用于为电解槽所需电能提供选择策略；
所述碳基电池组，用于储存多余的电能；
所述DC/DC变换器，用于将电解槽的电流保持在额定值；
所述第二AC/DC变换器，用于针对碳基电池组的电能不满足电解槽所需电能时，从电网处向电解槽提供所需电能；
所述电解槽，用于接收风力发电机组、碳基电池组以及电网提供的所需电能，并利用接收的电能生产氢气；
所述氢气压缩机，用于将电解槽生产的氢气压缩储存至储氢罐中；
所述储氢罐，用于存储氢气。
2.一种基于储能装置的风电储能制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用风力发电机组输出电流，并利用第一AC/DC变换器将所述电流转换成直流电；
S2、将风力发电机组的电流给定值与所述直流电进行比较，判断是否能够制氢，若是，则进入步骤S3，否则，利用仰俯角控制参数对所述风力发电机组输出的电流进行调整，并返回步骤S1；
S3、根据转换后的直流电，判断风力发电机组的输出功率是否大于电解槽的额定功率，若是，则利用风力发电机组为电解槽提供所需电能，以及利用碳基电池组储存多余的电能，并进入步骤S5，否则，进入步骤S4；
S4、判断碳基电池组的电能容量是否满足电解槽所需电能，若是，则利用碳基电池组为电解槽提供电能，并进入步骤S5，否则，利用第二AC/DC变换器从电网处向电解槽提供所需电能，同时结合风力发电机组为电解槽提供所需电能，并进入步骤S5；
S5、利用DC/DC变换器将电解槽的电流保持在额定值，并通过电解槽生产氢气；
S6、利用氢气压缩机将产生的氢气进行压缩，并将压缩后的氢气存储至储存罐，实现风电制氢。
3.根据权利要求2所述的基于储能装置的风电储能制氢方法，其特征在于，所述步骤S4中碳基电池组的电能容量的表达式如下：
Figure FDA0002653540570000021
其中，EC表示碳基电池组的电能容量，PWP表示风力发电机组的装机容量，TWP表示风电场年利用小时数，KW表示风力发电机的峰谷上网电量比，DOD表示碳基电池组的放电深度。
4.根据权利要求2所述的基于储能装置的风电储能制氢方法，其特征在于，所述步骤S4中电网和电解槽在交换能量时的有功功率的表达式如下：
Figure FDA0002653540570000022
其中，P表示电网和电解槽在交换能量时的有功功率，E表示d轴瞬时电流，id表示为d轴的瞬时电流；
所述电网和电解槽在交换能量时的无功功率的表达式如下：
Figure FDA0002653540570000031
其中，Q表示电网和电解槽在交换能量时的无功功率，iq表示为q轴的瞬时电流。
5.根据权利要求4所述的基于储能装置的风电储能制氢方法，其特征在于，若电网的电流额定值等于零时，则电解槽不与电网进行无功功率的交换；若
Figure FDA0002653540570000032
时，则电网和电解槽在交换能量时的有功功率为DC/DC变换器的功率，其中，
Figure FDA0002653540570000033
表示d轴电流给定值。
6.根据权利要求2所述的基于储能装置的风电储能制氢方法，其特征在于，所述步骤S5中电解槽的电压和电流变换关系的表达式如下：
Figure FDA0002653540570000034
其中，U表示电解槽的端电压，n表示电解室串联数量，α表示电压对温度的依赖系数，i表示电解槽电流，s表示催化剂活化性对温度的依赖系数，t表示欧布不可逆性对温度的依赖系数，η表示欧姆不可逆性系数，R表示串联电阻，A表示碳基电池表面活性剂系数，Un表示碳基电池可逆电位。
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