CN113325712A - 一种电解制氢系统中的自适应响应控制方法、系统及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解制氢系统中的自适应响应控制方法、系统及装置，其中，所述方法包括：对所述电解制氢系统进行分层控制，其中，上层控制生成所述电解制氢系统的能耗运行曲面图；上层控制在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出功率，或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点；下层控制读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。本发明提供的技术方案，能够在变工况运行的情境下，实现效率优化的调控方法。

Description

一种电解制氢系统中的自适应响应控制方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，具体涉及一种电解制氢系统中的自 适应响应控制方法、系统及装置。
背景技术
在当前的能源结构中，化石能源依然是主要能源。为了应对日益恶劣 的天气变化，绿色低碳的理念被提出。氢能是清洁高效、安全可持续的二 次能源，在交通、工业、建筑等领域具有广泛的应用前景，可以作为能源 互联转化的重要媒介，推动能源清洁高效利用，实现大规模深度脱碳。
目前可以利用电解制氢系统来制备氢气，现有技术中提出了一种具有 宽功率波动适应性的大型电解水制氢系统控制方法，该方法可以依据电解 水制氢模组的平均寿命需求，以及配电网功率波动的预测状况，来进行电 解制氢模组的功率分配，该方法可提升制氢系统宽功率波动适应性，增强 瞬时响应速度。此外，现有技术还提出一种光伏电解水制氢系统及控制方 法，该方法基于爬坡法实现最大功率跟随控制，并根据电解槽特性和启动 电流变化率等参数对电解槽电流进行控制，从而实现大规模光伏离网制氢， 具有转换效率高、功率大的特点。
然而，现有技术中的制氢方式，都存在一定的缺陷：当电解制氢系统 处于输入功率变化、用氢需求变化等变工况运行的情境下，现有技术中的 制氢方法无法实现效率优化的调控方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施方式提供了一种电解制氢系统中的自适应响应 控制方法、系统及装置，能够在变工况运行的情境下，实现效率优化的调 控方法。
本发明一方面提供了一种电解制氢系统中的自适应响应控制方法，所 述方法包括：对所述电解制氢系统进行分层控制，其中，上层控制生成所 述电解制氢系统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制 氢效率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系；上层控制在 当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出功率，或者所述电解 制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面图中确定与所述输出 功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点；下层控制读取所述最佳工作 点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中 的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
本发明另一方面还提供一种自适应响应控制系统，所述自适应响应控 制系统包括：最佳运行点求解单元，以当前时刻获取电解制氢系统中功率 变换器的输出功率或者电解制氢系统下游端的用氢需求为约束，用于求解 效率优化目标函数；最佳工作点确定单元，根据效率优化目标函数的求解 结果，确定电解制氢系统的最佳工作点；自适应调节单元，用于读取所述 最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制 氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳 工作点。
本发明另一方面还提供一种自适应响应控制系统，所述自适应响应控 制系统包括：曲面图存储单元，用于存储由效率优化目标函数所生成的电 解制氢系统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制氢效 率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系；最佳工作点确定 单元，用于在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出功率， 或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面图中确 定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点；自适应调节单 元，用于读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行 参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系 统过渡至所述最佳工作点。
本发明另一方面还提供一种自适应响应控制装置，所述自适应响应控 制装置包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算 机程序被所述处理器执行时，实现上述的自适应响应控制方法。
本申请提供的技术方案，首先可以生成电解制氢系统的能耗运行曲面 图，在面对变工况运行的情境时，可以实时获取当前时刻的输出功率或者 用氢需求，然后基于输出功率或者用氢需求，可以在能耗运行曲面图中确 定出相匹配的最佳工作点。该最佳工作点可以对应最佳运行参数，通过对 电解制氢系统中的各项组件进行调节，从而可以将电解制氢系统逐渐过渡 至该最佳工作点。这样，当输出功率或者用氢需求发生变化时，电解制氢 系统能够迅速找到变化后的最佳工作点，并逐步调节至最佳工作点进行制 氢，从而能够在变工况运行的情境下，实现效率优化的调控方法。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性 的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一个实施方式中电解制氢系统的结构示意图；
图2示出了本发明一个实施方式中自适应相应控制方法的步骤示意图；
图3示出了本发明一个实施方式中根据输出功率动态调节的示意图；
图4示出了本发明一个实施方式中根据用氢需求动态调节的示意图；
图5示出了本发明一个实施方式中调节电解制氢系统的流程图；
图6示出了本发明一个实施方式中自适应响应控制系统的功能模块示 意图；
图7示出了本发明另一个实施方式中自适应响应控制系统的功能模块 示意图；
图8示出了本发明一个实施方式中自适应响应控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合 本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全 部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请一个实施方式提供一种电解制氢系统中的自适应响应控制方 法，该电解制氢系统的结构可以如图1所示。在图1中，该电解制氢系统 包括可再生能源发电设备、功率变换装置、产氢子系统及系统运行控制器。 其中，所述功率变换装置包括与可再生能源发电设备连接的功率变换器， 以及与每个电解槽连接的DC/DC变换器。
所述产氢子系统包括至少两个单电解槽(图1中示出了4个电解槽)， 以及其他辅机模块。所述其他辅机模块包括氢气模块、氧气模块、水循环 模块、冷却模块以及温度压力等监测传感器与控制元件。
其中，所述氢气模块包含氢气侧多级气液分离器、脱氧脱水纯化装置 与至少一个氢气储罐(图中未示出)。所述氧气模块包含氧气侧多级气液分 离器与至少一个氧气储罐(图中未示出)。所述水循环模块包含换热器、循 环水泵、储水箱。所述冷却模块包含冷却水泵和冷却水箱。
所述系统运行控制器主要对所述可再生能源发电设备、功率变换装置 及所述产氢子系统进行调控。
本申请提供的自适应响应控制方法，可以应用于上述的系统运行控制 器中，请参阅图2，该方法可以包括以下多个步骤。
S1：对所述电解制氢系统进行分层控制，其中，上层控制生成所述电 解制氢系统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制氢效 率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系。
在本实施方式中，可以对上述电解制氢系统中的参数做出以下定义： 可再生能源发电设备经过功率变换器后的输出功率为Pgrid，电解制氢系统总 功率Psys，电解槽模块所需总功率为Pel，其他辅机模块总功率为PBop，Pgrid＝Psys＝Pel+PBop，下游端用氢需求qdem。
在本实施方式中，为了应对变工况运行的情境，可以先生成电解制氢 系统的能耗运行曲面图，将运行曲线图应用于实际控制器中，便于快速实 时优化。该能耗运行曲面图可以通过求解多槽联合运行的电解制氢系统模 型的效率优化目标函数来获得。
在一个实施方式中，在生成能耗运行曲面图时，可以构建所述电解制 氢系统的效率优化目标函数以及所述效率优化目标函数所满足的约束条 件。其中，所述效率优化目标函数可以用于表征所述电解制氢系统的制氢 效率与所述电解制氢系统的各项运行参数之间的映射关系，所述各项运行 参数包括电解槽运行温度、电解槽运行压力、各个电解槽的电流以及循环 水流量中的至少一种。其中，电解槽运行温度可以由图1中标记为T的传 感器测得，电解槽运行压力可以由图1中标记为P1和P2的传感器测得。
在一个具体应用场景中，所述效率优化目标函数可以按照以下公式表 示：
Figure RE-GDA0003137928240000051
其中，ηsys为所述电解制氢系统的制氢效率，Itot为所述电解制氢系统中 各个电解槽的电流之和，
Figure BDA0003090803260000052
为氢气高热值，F为法拉第常数，Pel为各个所 述电解槽所需的总功率，PBop为所述电解制氢系统中辅机模块的总功率，T 表示电解槽运行温度，V表示电解槽运行压力，Ii表示第i个电解槽的电流， Q表示循环水流量。
在实际应用中，氢气高热值可以取285.84kJ/mol，法拉第常数可取 96485C/mol。
所述电解槽模块所需总功率为各电解槽(以4个电解槽为例)功率之 和，利用公式表示为：
Pel＝Pel1+Pel2+Pel3+Pel4
所述各电解槽功率可以表示为：
Pelx＝Ecell*Ix＝E(T，V，i)*Ix＝E(T，V，Ix/A)*Ix
其中，i为电流密度，A为膜电极活性面积。
上述的Ecell为电解槽电压模型，可由经验模型表达，即
Figure BDA0003090803260000061
上式中，T为电解槽运行温度，V为电解槽运行压力，r1、r2、d1、d2、 t1、t2、t3为电压模型参数，可由多组电解槽实测电流-电压测试曲线获得， 各电解槽的电压模型参数依据实测可不同。
所述其他辅机模块的总功率可以表示为：
PBop＝PBop(Q，q，T，P)＝Ppump+Pcon+Psep+Ppur
其中Ppump为水泵功耗，Pcon为控制器、监测仪表与控制元件的总功耗， Psep为氢/氧分离器功耗，Ppur为纯化装置功耗，Q为循环水流量，q为氢气 流量(单位标准升)。其中，氢气流量可以按照以下公式表示：
Figure BDA0003090803260000062
则所述多槽联合运行的电解制氢系统模型的效率优化目标函数可表达 为以下函数：
maxsys＝f(T，V，Ii，Q)
所述多槽联合运行的电解制氢系统模型的效率优化目标函数需满足以 下约束条件：
Imin≤I1≤Imax
imin≤I2≤Imax
imin≤I3≤Imax
imin≤I4≤Imax
Tmin≤T≤Tmax
Vmin≤V≤Vmax
Qmin≤Q≤Qmax
Pgrid＝Pel+PBop或者q＝qdem
在本实施方式中，构建出效率优化目标函数及所满足的约束条件后， 可以利用遗传算法对效率优化目标函数进行求解，从而可以获得不同的输 出功率或者用氢需求下的效率最优运行点。
具体地，在一个实施方式中，可以在所述约束条件表征的约束范围内， 将所述电解制氢系统中的电解槽运行压力离散为多个离散压力点。这样， 每个离散压力点下的效率优化目标函数就可以简化为：
maxηsys＝f(T，Ii，Q)
针对每个所述离散压力点，求解简化后的效率优化目标函数，生成各 自对应的局部最优点(T，η)。需要说明的是，每个局部最优点都会对应电 解槽温度、电解槽压力(离散压力点)、电解槽的电流、循环水流量、制氢 效率、输出功率、用氢需求等各项参数，只不过在后续绘制能耗运行曲面 图时，可以只体现电解槽温度、电解槽压力和制氢效率这三个参数，因此 在离散压力点下得到的局部最优点中，可以只列出电解槽温度和制氢效率 这两个参数。
在本实施方式中，在得到各个离散压力点下的局部最优点后，可以将 各个所述局部最优点构成的曲面图作为生成的能耗运行曲面图。其中，能 耗运行曲面图所在的三维坐标系中，X轴和Y轴可以分别对应电解槽温度 T和电解槽压力V，Z轴可以对应制氢效率。这样，能耗运行曲面图便可以 用于表征最佳制氢效率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关 系。
在一个实施方式中，在生成能耗运行曲面图后，还可以在所述能耗运 行曲面图中标记出恒功率曲线和恒产氢量曲线。其中，同一个恒功率曲线 中各个局部最优点对应的输出功率是相同的，同一个恒产氢量曲线中各个 局部最优点对应的用氢需求是相同的。
S3：上层控制在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出 功率，或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面 图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点。
S5：下层控制读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述 最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电 解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
在本实施方式中，在生成能耗运行曲面图后，可以基于能耗曲面图， 动态地对电解制氢系统进行调节。在变工况运行的情境下，图1中功率变 换器的输出功率或者下游端的用氢需求都可能发生变化。在这种情况下， 系统运行控制器可以根据当前时刻的输出功率或者用氢需求，对电解制氢 系统中的各个组件进行调节。
请参阅图3，当电解制氢系统用于满足可再生能源发电设备的消纳需求 时，系统运行控制器可以按照以下步骤执行自适应响应控制方法：
(1)获得当前时刻可再生能源发电设备经过功率变换器后的输出功率 Pgrid；
(2)在能耗运行曲面图中，找到与当前时刻的输出功率Pgrid相对应的 目标恒功率曲线，在该目标恒功率曲线上找到制氢效率最大的点，将该点 投射于XY平面上，就可以与所述输出功率相匹配的最佳目标工作点(T0， V0，Q0)；
(3)由最佳工作点获得各电解槽运行的目标电流Ii0，若电解槽运行的 目标电流为0时，表示不开启该电解槽；
(4)由最佳工作点获得循环水泵的目标流量，进而计算出冷却水泵的 目标流量Q1；
(5)控制各电解槽连接的DC/DC变流器的电流Idc，进而控制各电解 槽运行的目标电流；
(6)通过控制水泵转速和管路上的旁路调节阀(例如图1中的V107) 对循环水流量与冷却水流量进行调节，同时依据换热器出口温度对循环水 流量进行反馈调节，使得换热器出口温度为最佳工作点限定的目标温度T0；
(7)由最佳工作点获得最佳电解槽运行压力，通过同时调节氢气侧与 氧气侧尾端调节阀(如图1中的V307与V207)，使得P1测点与P2测点达 到最佳工作点限定的目标压力V0。
请参阅图4，当电解制氢系统用于满足下游端的用氢需求时，系统运行 控制器可以按照以下步骤执行自适应响应控制方法：
(1)获得当前时刻下游端的用氢需求qdem；
(2)在能耗运行曲面图中，找到与当前时刻的用氢需求qdem相对应的 目标恒产氢量曲线，在该目标恒产氢量曲线上找到制氢效率最大的点，将 该点投射于XY平面上，就可以与所述用氢需求相匹配的最佳目标工作点 (T0，V0，Q0)；
(3)由最佳工作点获得各电解槽运行的目标电流Ii0，若电解槽运行的 目标电流为0时，表示不开启该电解槽；
(4)由最佳工作点获得循环水泵的目标流量，进而计算出冷却水泵的 目标流量Q1；
(5)控制各电解槽连接的DC/DC变流器的电流Idc，进而控制各电解 槽运行的目标电流；
(6)通过控制水泵转速和管路上的旁路调节阀(例如图1中的V107) 对循环水流量与冷却水流量进行调节，同时依据换热器出口温度对循环水 流量进行反馈调节，使得换热器出口温度为最佳工作点限定的目标温度T0；
(7)由最佳工作点获得最佳电解槽运行压力，通过同时调节氢气侧与 氧气侧尾端调节阀(如图1中的V307与V207)，使得P1测点与P2测点达 到最佳工作点限定的目标压力V0。
由上可见，在本实施方式中，系统运行控制器可以按照图5所示的流 程执行自适应响应控制方法。具体地，在所述能耗运行曲面图中确定所述 输出功率对应的目标恒功率曲线，并将所述目标恒功率曲线中制氢效率最 大的点作为与所述输出功率相匹配的最佳工作点；或者在所述能耗运行曲 面图中确定所述用氢需求对应的目标恒产氢量曲线，并将所述目标恒产氢 量曲线中制氢效率最大的点作为与所述用氢需求相匹配的最佳工作点。
在具体调节时，可以从所述最佳运行参数中识别各个电解槽的最佳电 流，并通过调节与各个所述电解槽相连的DC/DC变流器的电流Idc，当每个 DC/DC变流器的电流Idc与对应电解槽的最佳电流之间的差值小于△Idc时， 就表明将各个所述电解槽的工作电流调节为对应的目标电流。
后续，可以从所述最佳运行参数中识别最佳循环水流量，并基于所述 最佳循环水流量计算出冷却水泵的目标流量。根据所述最佳循环水流量和 所述目标流量，可以分别对所述电解制氢系统中的循环水泵和冷却水泵进 行调节，还可以根据换热器的出口温度对循环水流量进行反馈调节。
在实际应用中，可以控制所述循环水泵和所述冷却水泵的水泵转速和 管路上的旁路调节阀(V107)，对循环水流量和冷却水流量进行调节。同时， 可以从所述最佳运行参数中识别最佳电解槽运行压力，并调节所述电解制 氢系统中氢气侧与氧气侧的尾端调节阀(V307与V207)，以使得氢气侧和 氧气侧的运行压力都达到所述最佳电解槽运行压力。
具体地，可以判断个电解槽的最佳循环水流量与实测值之间的差值是 否小于△Q，并且换热器的出口温度的实际值与最佳电解槽运行温度之间的 差值是否小于△T，若均是，则可以继续判断压力测点P1和P2的压力值是 否达到最佳运行参数限定的目标值。如果是，则表明电解制氢系统目前过 渡至最佳工作节点，可以保持系统的稳定运行。
通过以上的描述可见，本申请的技术方案可以对电解制氢系统进行分 层协调控制：上层依据可再生能源发电设备经过功率变换器后的输出功率 的变化或下游端用氢需求的变化，结合能耗运行曲面图，得到最佳工作点。 下层由最佳工作点获得运行温度、运行压力与循环水流量等目标参数，再 下达指令，首先实现电解槽模块的功率秒级跟随，后通过变频水泵等系统 辅助设备自洽调节，将系统温度、压力快速平稳过度到新的最佳工作点， 实现制氢20-120％宽功率范围快速调节。
请参阅图6，本申请一个实施方式还提供自适应响应控制系统，所述自 适应响应控制系统包括：
最佳运行点求解单元，以当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换 器的输出功率或者电解制氢系统下游端的用氢需求为约束，用于求解效率 优化目标函数；
最佳工作点确定单元，根据效率优化目标函数的求解结果，确定电解 制氢系统的最佳工作点；
自适应调节单元，用于读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并 基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使 得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
请参阅图7，本申请一个实施方式还提供自适应响应控制系统，所述自 适应响应控制系统包括：
曲面图存储单元，用于存储由效率优化目标函数所生成的电解制氢系 统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制氢效率与电解 槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系；
最佳工作点确定单元，用于在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率 变换器的输出功率，或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述 能耗运行曲面图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工 作点；
自适应调节单元，用于读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并 基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使 得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
在实际应用中，最佳运行点求解单元和曲面图存储单元可以采用其中 的一个即可。当采用最佳运行点求解单元时，可以具备较高的准确度，但 由于是实时计算，因此效率可能较低；当采用曲面图存储单元时，可以直 接使用预先计算好的能耗运行曲面图，这样响应速度比较快，但由于不是 实时计算的结果，因此准确度可能不如最佳运行点求解单元。具体的可以 根据应用场景的需求灵活选用。
请参阅图8，本申请一个实施方式还提供一种自适应响应控制装置，所 述自适应响应控制装置包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机 程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的自适应响应控制 方法。
其中，处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处 理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor， DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场 可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻 辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各 类芯片的组合。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件 程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施方式中的方法对 应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、 指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上 述方法实施方式中的方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储 操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所 创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括 非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固 态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置 的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
本申请提供的技术方案，首先可以生成电解制氢系统的能耗运行曲面 图，在面对变工况运行的情境时，可以实时获取当前时刻的输出功率或者 用氢需求，然后基于输出功率或者用氢需求，可以在能耗运行曲面图中确 定出相匹配的最佳工作点。该最佳工作点可以对应最佳运行参数，通过对 电解制氢系统中的各项组件进行调节，从而可以将电解制氢系统逐渐过渡 至该最佳工作点。这样，当输出功率或者用氢需求发生变化时，电解制氢 系统能够迅速找到变化后的最佳工作点，并逐步调节至最佳工作点进行制 氢，从而能够在变工况运行的情境下，实现效率优化的调控方法。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施方式方法中的全部或部分流 程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储 于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的 实施方式的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory， RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD) 或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种 类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在 不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和 变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (11)

1.一种电解制氢系统中的自适应响应控制方法，其特征在于，所述方法包括：
对所述电解制氢系统进行分层控制，其中，上层控制生成所述电解制氢系统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制氢效率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系；
上层控制在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出功率，或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点；
下层控制读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述电解制氢系统的能耗运行曲面图包括：
构建所述电解制氢系统的效率优化目标函数以及所述效率优化目标函数所满足的约束条件；
在所述约束条件表征的约束范围内，将所述电解制氢系统中的电解槽运行压力离散为多个离散压力点，并针对每个所述离散压力点，根据所述效率优化目标函数生成各自对应的局部最优点；
将每个压力点下的局部最优点构成的曲面图作为生成的所述能耗运行曲面图。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述效率优化目标函数用于表征所述电解制氢系统的制氢效率与所述电解制氢系统的各项运行参数之间的映射关系，所述各项运行参数包括电解槽运行温度、电解槽运行压力、各个电解槽的电流以及循环水流量中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在生成所述电解制氢系统的能耗运行曲面图之后，所述方法还包括：
在所述能耗运行曲面图中标记出恒功率曲线和恒产氢量曲线。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述效率优化目标函数按照以下公式表示：
Figure FDA0003090803250000021
其中，
Figure FDA0003090803250000023
为所述电解制氢系统的制氢效率，Itot为所述电解制氢系统中各个电解槽的电流之和，
Figure FDA0003090803250000022
为氢气高热值，F为法拉第常数，Pe1为各个所述电解槽所需的总功率，PBop为所述电解制氢系统中辅机模块的总功率，T表示电解槽运行温度，V表示电解槽运行压力，Ii表示第i个电解槽的电流，Q表示循环水流量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述能耗运行曲面图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点包括：
在所述能耗运行曲面图中确定所述输出功率对应的目标恒功率曲线，并将所述目标恒功率曲线中制氢效率最大的点作为与所述输出功率相匹配的最佳工作点；
或者
在所述能耗运行曲面图中确定所述用氢需求对应的目标恒产氢量曲线，并将所述目标恒产氢量曲线中制氢效率最大的点作为与所述用氢需求相匹配的最佳工作点。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节包括：
从所述最佳运行参数中识别最佳循环水流量，并基于所述最佳循环水流量计算出冷却水泵的目标流量；
根据所述最佳循环水流量和所述目标流量，分别对所述电解制氢系统中的循环水泵和冷却水泵进行调节；
从所述最佳运行参数中识别各个电解槽的最佳电流，并通过调节与各个所述电解槽相连的变流器，以将各个所述电解槽的工作电流调节为对应的目标电流；
从所述最佳运行参数中识别最佳电解槽运行压力，并同时调节所述电解制氢系统中氢气侧与氧气侧的尾端调节阀，以使得氢气侧和氧气侧的运行压力都达到所述最佳电解槽运行压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，分别对所述电解制氢系统中的循环水泵和冷却水泵进行调节包括：
控制所述循环水泵和所述冷却水泵的水泵转速和管路上的旁路调节阀，对循环水流量和冷却水流量进行调节，并根据换热器的出口温度对循环水流量进行反馈调节，以将所述换热器的出口温度设定为所述最佳运行参数中的最佳电解槽运行温度。
9.一种自适应响应控制系统，其特征在于，所述自适应响应控制系统包括：
最佳运行点求解单元，以当前时刻获取电解制氢系统中功率变换器的输出功率或者电解制氢系统下游端的用氢需求为约束，用于求解效率优化目标函数；
最佳工作点确定单元，根据效率优化目标函数的求解结果，确定电解制氢系统的最佳工作点；
自适应调节单元，用于读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
10.一种自适应响应控制系统，其特征在于，所述自适应响应控制系统包括：
曲面图存储单元，用于存储由效率优化目标函数所生成的电解制氢系统的能耗运行曲面图，所述能耗运行曲面图用于表征最佳制氢效率与电解槽运行压力和电解槽运行温度之间的映射关系；
最佳工作点确定单元，用于在当前时刻获取所述电解制氢系统中功率变换器的输出功率，或者所述电解制氢系统下游端的用氢需求，并在所述能耗运行曲面图中确定与所述输出功率或者所述用氢需求相匹配的最佳工作点；
自适应调节单元，用于读取所述最佳工作点对应的最佳运行参数，并基于所述最佳运行参数对所述电解制氢系统中的各项组件进行调节，以使得所述电解制氢系统过渡至所述最佳工作点。
11.一种自适应响应控制装置，其特征在于，所述自适应响应控制装置包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一所述的自适应响应控制方法。
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