CN113659632A - 一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可再生能源及氢能领域，公开了一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备，稳定制氢设备吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备吸收需消纳的波动负荷，储能设备吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。还公开了运行方法，以低成本的稳定制氢设备为主，高成本的波动制氢设备容量较低，在保证一定波动能源消纳能力的前提下使总投资成本最低；使稳定制氢设备长期在额定负荷附近工作，波动制氢设备充分发挥灵活功率调变性能，从而达到较高的波动能量消纳，较快的时间响应，延长制氢设备的寿命。

Description

一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法

技术领域

本发明涉及可再生能源及氢能领域，特别涉及一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源在我国能源供应比例中的日益提升，可再生能源的波动性对电网的冲击成为一个亟待解决的问题。利用可再生能源电解水制取绿色氢气，并将氢气储存起来的路线是实现大规模可再生能源储存、缓解电网压力的有效手段。

截至目前，在国内能够实现大规模可再生能源消纳的电解水制氢技术只有碱性电解水技术。碱性电解槽在传统应用场景中往往工作在稳定的功率下，而对于波动性可再生能源的不稳定功率输入，其适应性较差：首先，碱性电解水制氢对输入功率升高或降低的响应速度较慢，这会造成对可再生能源实时调变的反应滞后，从而无法对电网实时调度和可再生能源实时出力做出及时响应，造成可再生能源限电或对电网的冲击。其次，碱性电解设备在低于额定功率下工作时，产气纯度较低，在经常性的波动工作状态下，氢侧和氧侧的气体掺混容易产生爆炸性气体混合物，造成安全隐患。一般来说，碱性电解制氢设备的功率负荷可调范围在50-100％之间。长期处于非额定状态下工作会对碱性电解制氢设备的材料有较大损耗，造成设备寿命降低，从而增加可再生能源制氢项目的折旧成本。

相比之下，质子交换膜电解制氢设备(PEM制氢设备)具有较高的灵活性，能够在较宽的功率范围(0-160％)内实现对输入功率的快速秒级响应；具有较好的气密性，波动电源功率输入下产气纯度高，安全性好。但是，PEM制氢设备使用了昂贵的催化剂及集流体材料，导致其成本较高(是碱性设备的3-10倍)，规模较小(国内目前仅有50Nm³/h型机)，难以满足可再生能源大规模消纳的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法，解决了现有电解制氢设备难以满足可再生能源大规模消纳的需求的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、波动性电源、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备；波动性电源分别与稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备连接；

控制系统与波动性电源、定制氢设备、波动制氢设备、储能设备及电网调度系统分别连接；

控制系统用于根据波动性电源的实时出力和电网调度情况，计算出需要消纳的波动性电源负荷；稳定制氢设备用于吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备用于吸收需消纳的波动负荷，储能设备用于吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。

进一步，波动性电源采用风电、光伏、生物质发电或、火电、核电或水电；

稳定制氢设备和波动制氢设备采用碱性电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备或固体氧化物电解制氢设备；

储能设备采用电池或超级电容器。

本发明还公开了所述的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统运行方法，包括以下过程：

在初始时刻，控制系统接收波动性电源的出力信号和电网调度信号，计算出需消纳的波动性电源负荷、基本负荷和波动负荷；

控制系统根据需消纳的基本负荷和单台稳定制氢设备的额定功率计算出需启动的稳定制氢设备台数：同时，控制系统根据波动负荷和单台波动制氢设备的额定功率计算出需启动的波动制氢设备台数；

在运行过程中，控制系统按照停机时间控制逻辑对稳定制氢设备和波动制氢设备的编号进行更新；

在运行过程中，控制系统还用于监控一定时间内的制氢启停机次数。

进一步，当处于离网状态时，需要消纳的波动性电源负荷为波动性电源的直接出力，计算公式为P_XN＝P_F；

当处于并网状态时，需要消纳的波动性电源负荷为波动性电源出力减去电网实时调度需求的差值，具体为：P_XN＝P_F-P_W；

其中，P_XN为需消纳的波动性电源负荷；P_F为波动性电源的实时出力；P_W为电网对波动性电源的出力负荷需求；

需消纳的基本负荷P_j计算方法为：

P_j＝Max{[P_XN/hp_wd]*hp_wd，hP₁}

其中，p_wd为单台稳定制氢设备的额定功率；[]表示取较小的整数值；P₁为稳定制氢设备的总额定功率，h为稳定制氢设备工作的负载系数；

需消纳的波动负荷P_b计算方法为：

P_b＝Max{P_XN-P_j，kP₂}

其中，P₂为波动制氢设备的总额定功率，k为波动制氢设备工作的负载系数。

进一步，需启动的稳定制氢设备台数N₁₁的计算公式为：

N₁₁＝P_j/up_wd；

P_j为需消纳的基本负荷，u为稳定制氢设备工作的负载系数，p_wd为单台稳定制氢设备的额定功率；

按照编号为1，2，…，N₁₁的顺序启用稳定制氢设备，每台稳定制氢设备工作功率负荷为up_wd。

进一步，需启动的波动制氢设备台数N₂₁包括以下情况：

当P_b≥kP₂时，N₂₁＝N₂，波动制氢设备全开启，工作功率负荷为kP₂；启动储能设备吸纳剩余波动性电源负荷P_b-kP₂；其中，P_b为需消纳的波动负荷，N₂为波动制氢设备的总台数，P₂为波动制氢设备的总额定功率，k为波动制氢设备工作的负载系数；

当P_b<kP₂时，N₂₁＝[P_b/kp_bd]+1，[]表示取较小的整数值；

k为波动制氢设备工作的负载系数，p_bd为单台波动制氢设备的额定功率；

按照编号为1，2，…，N₂₁的顺序启用波动制氢设备，每台波动制氢设备开启的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/N₂₁。

进一步，在运行过程中的任意时刻t，控制系统接收波动性电源的出力信号P_F、电网调度信号P_W和储能设备功率信号P_CN，计算出t时刻相对于上一个时间控制节点(t-δt)所需消纳的波动性电源负荷δP_XN、基本负荷δP_j、波动负荷δP_b；δt是控制系统接收电源信号的最小时间间隔；

然后判断装置的启停和功率调节需求，具体包括以下情况：

(a)当0≤δP_XN<P_CN时，将储能设备的功率减小到P_CN-δP_XN，无需调节稳定制氢设备和波动制氢设备；

(b)当-k*N₂₁*p_bd≤δP_XN<0时，此时调节波动制氢设备的功率；

(c)当P_CN<δP_XN≤P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd时，此时调节储能设备和现有波动制氢设备的功率；

(d)当δP_XN<-k*N₂₁*p_bd时，此时仅调节波动制氢设备无法满足需求，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/up_wd|]+1

对编号从N₁₁+δN₁₁到N₁₁的稳定制氢设备执行停机操作；其余稳定制氢设备的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)；δN₁₁代表要启动或停机的稳定制氢设备台数；

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求，具体为：

将编号为1，2，…，N₂₁的波动制氢设备功率进行调整，调整幅度为：δp_bd，t＝δP_b/N₂₁，正值表示功率增大，负值表示功率减小；

(e)当δP_XN>P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd时，此时仅调节储能设备和正在运行波动制氢设备的功率无法满足消纳需求，进行以下操作：

首先，将储能设备功率调整为0；

然后，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求，控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求。

进一步，(e)中，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求，具体为：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/u_maxp_wd|]+1

对编号从N₁₁到N₁₁+δN₁₁的稳定制氢设备执行启动操作，启动的稳定制氢装置的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)；

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求，具体为：

当δP_b<0时，计算δN₂₁＝-([|δP_b/kp_bd|]+1)，[]表示取较小的整数值，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行停机操作，工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

当δP_b≥0时，计算δN₂₁＝[δP_b/k_maxp_bd]+1，[]表示取较小的整数值，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行启动操作，工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

进一步，控制系统按照停机时间控制逻辑将稳定制氢设备和波动制氢设备编号，具体方法为：

假设在t-δt时刻，稳定制氢设备和波动制氢设备编号为：

稳定制氢设备编号1，2，…，N₁；波动制氢设备编号为1，2，…，N₂；

在任一时刻t，控制系统监控各制氢设备的运行状态，计算出累计运行和停机时间：

当第N₁台稳定制氢设备的停机时间T₁≥T_max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1，T_max是稳定制氢设备最大停机时间的设定值；

当第N₂台波动制氢设备的停机时间T₂≥T’_max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1；T’_max是波动制氢设备最大停机时间的设定值。

进一步，在运行过程中，控制系统还用于监控一定时间T_L内的制氢启停机次数具体为：

在任意时刻t，对于编号最大的稳定制氢设备N₁和波动制氢设备N₂，其在t-T_L到t时间内的启停机次数分别记为S₁、S₂；

当S≥S_1，max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1，S₁，_max是稳定制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值；

当S₂≥S_2，max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1，S_2，max是波动制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备，稳定制氢设备吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备吸收需消纳的波动负荷，储能设备吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷，稳定制氢设备适宜在额定状态附近工作，波动制氢设备能够承受较大规模和频繁波动，以低成本的稳定制氢设备为主，而高成本的波动制氢设备容量较低，在保证一定波动能源消纳能力的前提下使总投资成本最低；实现风、光等波动性可再生能源的大规模消纳，确保精确的出力跟随，以减少电网冲击；降低整体制氢设备成本，延长设备寿命，提高整体能效。

本发明该公开了所述可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统的运行方法，根据波动性能源发电功率特点配置制氢设备容量的方法，以低成本的稳定制氢设备为主，而高成本的波动制氢设备容量较低，在保证一定波动能源消纳能力的前提下使总投资成本最低；使稳定制氢设备长期在额定负荷附近工作，波动制氢设备充分发挥灵活功率调变性能，从而达到较高的波动能量消纳，较快的时间响应，同时尽量减少稳定制氢设备的启停机，同时也减少波动制氢设备的启停机、超负荷运行和频繁调变，从而延长制氢设备的寿命。

附图说明

图1为本发明的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、波动性电源、及与波动性电源分别连接的稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备。控制系统与波动性电源、定制氢设备、波动制氢设备、储能设备及电网调度系统分别连接。

波动性电源可以是风电、光伏、生物质发电或有调峰需求的火电、核电、水电或其他波动性电源。

稳定制氢设备和波动制氢设备可以是碱性电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备、固体氧化物电解制氢设备。

储能设备可以是电池、超级电容器或其他储能设备。

稳定制氢设备的总功率P₁的决定方法为：根据需消纳波动负荷的历史功率特性曲线，算出波动负荷消纳率为a时所需的功率，即为稳定制氢设备的总功率P₁。

具体计算方法为：根据需消纳波动负荷的历史数据，以负荷功率为x轴值，某一负荷功率出现的时间频率为y轴值，绘出功率负荷-时间特性曲线图，计算出功率负荷-时间特性曲线与y轴、x轴、最大功率负荷向x轴所做垂线所围成的面积S₁；在功率负荷-时间特性曲线任取一点，所对应功率负荷记为P₁ ^’，向x轴所做垂线，计算出功率负荷-时间特性曲线与y轴、x轴和该垂线所围成的面积S₁’，计算a’＝S₁’/S₁。当a’等于设定值a时，取P₁＝P₁’/u，即为波动性电源消纳率为a时稳定制氢设备的总功率P₁。其中，u为稳定制氢设备工作的功率系数。

波动制氢设备的总功率P₂的决定方法为：在稳定制氢设备功率总功率为P₁的前提下，定义波动负荷的波动部分P_XN-P₁，绘出P_XN-P₁的功率负荷-时间特性曲线图，计算出功率负荷-时间特性曲线与y轴、x轴、最大功率负荷向x轴所做垂线所围成的总面积S₂(区分正负，在x轴下方的面积为负，在x轴上方的面积为正)取绝对值；在功率负荷-时间特性曲线任取一点，所对应功率负荷记为P₂’，向x轴所做垂线，计算出功率负荷-时间特性曲线与y轴、x轴和该垂线所围成的面积S₂’(区分正负，在x轴下方的面积为负，在x轴上方的面积为正)取绝对值，计算b’＝S₂’/S₂。当b’等于设定值b时，取P₂＝P₂’/k，即为波动性电源的波动部分消纳率为b时波动制氢设备的总功率P₂。k为波动制氢设备工作的功率系数。

控制系统根据波动性电源的实时出力和电网调度情况，计算出需要消纳的波动性电源负荷；其中，稳定制氢设备吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备吸收需消纳的波动负荷，储能设备吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。

在某一时刻t，需要消纳的波动性电源负荷可以是波动性电源的直接出力(当处于离网状态时)，也可以是波动性电源出力减去电网实时调度需求的差值，具体如下：

P_XN＝P_F(离网电源消纳)

P_XN＝P_F-P_W(并网电源消纳)

其中，P_XN为需消纳的波动性电源负荷；P_F为波动性电源的实时出力；P_W为电网对波动性电源的出力负荷需求。

稳定制氢设备2需消纳的基本负荷P_j计算方法为：

P_j＝Max{[P_XN/hp_wd]*hp_wd，hP₁}

其中，p_wd为单台稳定制氢设备的额定功率；[]表示取较小的整数值；P₁为稳定制氢设备的总额定功率，h为稳定制氢设备工作的负载系数，可由用户设置。

P₁计算方法为：

P₁＝p_wd*N₁

其中，N₁为稳定制氢设备的总台数。

需消纳的波动负荷P_b计算方法为：

P_b＝Max{P_XN-P_j，kP₂}

其中，P₂为波动制氢设备的总额定功率，计算方法为：

P₂＝p_bd*N₂

p_bd为单台波动制氢设备的额定功率；N₂为波动制氢设备的总台数；k为波动制氢设备工作的负载系数，可由用户设置。

在瞬时波动性电源负荷过大，超过波动制氢设备的吸纳极限时，P_b≥k_maxP₂，k_max为波动制氢设备工作的最大负载系数，储能设备吸收的剩余负荷P_s为：

P_s＝P_b-k_maxP₂

储能设备的功率P_CN计算方法为：

P_CN＝P_b，max-k_maxP₂。P_b，max为波动负荷在一定历史时期内或根据预测曲线推测的一定时间内的最大值。

根据以上论述，系统的设备配置方法为：

(1)按照波动性电源负荷P_F和P_XN的特点确定P₁,P₂,满足如下要求：

h_maxP₁≤P_XN，max；

k_maxP₂≤P_XN，max

h_max为稳定制氢设备工作的最大负载系数；P_XN，max为需消纳的波动性电源负荷在一定历史时期内或根据预测曲线推测的一定时间内的最大值。时段长短可根据用户需求选取，如一个月或一年。预测曲线可根据不同波动性电源特点选取经验公式。历史数据可根据波动性电源的历史运行功率时间曲线得出。

(2)按照制氢设备标准序列产品选取p_wd、p_bd，计算出N₁,N₂,取值下限为1台；

(3)按照储能设备的功率P_CN选取相应规格的标准化储能设备产品。当P_CN≤0时，说明波动制氢设备能够吸收需消纳的最大瞬时功率，无需设置储能设备。

按照以上设置的电解制氢系统，其运行方法为：

(1)初始时刻，t＝0

将初始时刻定义为系统由冷停车状态开启的时刻。

1)在初始时刻t＝0，控制系统接收波动性电源的出力信号P_F和电网调度信号P_W，计算出需消纳的波动性电源负荷P_XN、基本负荷P_j、波动负荷P_b；

2)将稳定制氢设备和波动制氢设备进行初始编号：

稳定制氢设备编号1，2，…，N₁；波动制氢设备编号为1，2，…，N₂。

3)计算出需启动的稳定制氢设备台数N₁₁：N₁₁＝P_j/up_wd；

u为稳定制氢设备工作的负载系数，u_min≤u≤u_max。

按照1，2，…，N₁₁的顺序启用编号靠前的稳定制氢设备，每台稳定制氢设备工作功率负荷为up_wd；

4)计算出需启动的波动制氢设备台数N₂₁：

i)P_b≥kP₂：N₂₁＝N₂

波动制氢设备全开，每台波动制氢设备的工作功率负荷为kp_bd；启动储能设备吸纳剩余波动性电源负荷P_b-kP₂。

ii)P_b<kP₂:：N₂₁＝[P_b/kp_bd]+1([]表示取较小的整数值)

k为波动制氢设备工作的负载系数，k_min≤k≤k_max。

按照1，2，…，N₂₁的顺序启用编号靠前的波动制氢设备，每台波动制氢设备开启的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/N₂₁。

(2)运行过程中的任意时刻t

1)在任意时刻t，控制系统接收波动性电源的出力信号P_F、电网调度信号P_W和储能设备功率信号P_CN，计算出t时刻相对于上一个时间控制节点(t-δt)所需消纳的波动性电源负荷δP_XN、基本负荷δP_j、波动负荷δP_b；δP＝P_t-P_t-δt(P代表波动性电源负荷P_XN、基本负荷P_j或波动负荷P_b)；δt是控制系统接收电源信号的最小时间间隔。

2)按照停机时间控制逻辑将稳定制氢设备和波动制氢设备编号，具体方法为：

i)在t-δt时刻，稳定制氢设备和波动制氢设备编号为：

稳定制氢设备编号1，2，…，N₁；波动制氢设备编号为1，2，…，N₂。

ii)在任一时刻t，控制系统监控各制氢设备的运行状态，计算出并显示累计运行和停机时间。

当第N₁台稳定制氢设备的停机时间T₁≥T_max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1，T_max是稳定制氢设备最大停机时间的设定值，可由用户设置；

当第N₂台波动制氢设备的停机时间T₂≥T’_max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1；T’_max是波动制氢设备最大停机时间的设定值，可由用户设置。

3)控制系统判断t时刻装置的初始运行状态：

稳定制氢设备：1，2，…，N₁₁运行，运行功率为up_wd；N₁₁+1，…，N₁停机

波动制氢设备：1，2，…，N₂₁运行，运行功率为kp_bd；N₂₁+1，…，N₂停机。

4)根据δP判断装置的启停和功率调节需求：

4.1)0≤δP_XN<P_CN

此时将储能设备的功率减小到P_CN-δP_XN即可，无需调节制氢设备。

4.2)-k*N₂₁*p_bd≤δP_XN<0

此时仅需调节波动制氢设备的功率即可满足消纳需求。

具体地：

将编号为1，2，…，N₂₁的波动制氢设备功率进行调减，调减幅度为：δp_bd，t＝δP_XN/N₂₁，负值表示功率减小。

4.3)P_CN<δP_XN≤P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd

此时仅需调节储能设备和现有波动制氢设备的功率即可满足消纳需求。

具体地：将储能设备功率调整为0；将编号为1，2，…，N₂₁的波动制氢设备功率进行调增，调增幅度为：δp_bd，t＝δP_XN/N₂₁，正值表示功率增大。4.4)δP_XN<-k*N₂₁*p_bd

此时仅调节波动制氢设备无法满足需求。

控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/up_wd|]+1

此时δN₁₁<0，对编号从N₁₁+δN₁₁到N₁₁的稳定制氢设备执行停机操作；

其余稳定制氢设备的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)。

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求：

将编号为1，2，…，N₂₁的波动制氢设备功率进行调整，调整幅度为：δp_bd，t＝δP_b/N₂₁，正值表示功率增大，负值表示功率减小。

4.5)δP_XN>P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd

此时仅调节储能设备和正在运行波动制氢设备的功率无法满足消纳需求。

首先，将储能设备功率调整为0。

然后，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/u_maxp_wd|]+1

此时δN₁₁≥0，对编号从N₁₁到N₁₁+δN₁₁的稳定制氢设备执行启动操作。

启动的稳定制氢装置的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)。

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求：

当δP_b<0时，计算δN₂₁＝-([|δP_b/kp_bd|]+1)([]表示取较小的整数值)，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行停机操作。工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

当δP_b≥0时，计算δN₂₁＝[δP_b/k_maxp_bd]+1([]表示取较小的整数值)，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行启动操作。工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

最后，为了避免制氢设备的频繁启停机，设定如下控制程序：

PLC系统监控一定时间T_L内的制氢启停机次数。在任意时刻t，对于编号最大的稳定制氢设备N₁和波动制氢设备N₂，其在t-T_L到t时间内的启停机次数分别记为S₁，S₂，当S≥S_1，max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1。当S₂≥S_2，max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1。S_1，max是稳定制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值，可由用户设置。S_2，max是波动制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值，可由用户设置。

下面以消纳某一离网风电电源实时出力为例，说明以上计算过程。基本条件为：风机机组额定功率15MW，对风机机组出力消纳率要达到a＝0.9；对波动部分的消纳率要达到b＝0.8。

根据风机机组出力的功率负荷曲线，计算出当对风机机组出力消纳率达到a＝0.9时，P₁＝10MW(取u＝1)；选取额定功率p_wd＝2.5MW的碱性电解槽作为稳定制氢设备，稳定制氢设备的台数N₁＝4，本系统有4台稳定制氢设备，分别编号为1，2，3，4。

根据波动部分的功率负荷曲线，计算出当对波动部分消纳率达到b＝0.8时，P₂＝2.5MW(取k＝1)；P_bd,max＝5MW。选取额定功率p_bd＝1.25MW的PEM电解槽作为波动制氢设备，稳定制氢设备的台数N₂＝2，本系统有2台波动制氢设备，分别编号为1，2。波动制氢设备的最大出力系数k_max＝1.6；计算得出储能设备的功率为P_CN＝P_b，max-k_maxP₂＝1MW。

本系统中，昂贵的波动制氢设备的总功率仅为稳定制氢设备的1/4，降低了系统的总投资；同时采用稳定运行的制氢设备和灵活波动的制氢设备，提高了系统对波动性电源响应的灵活性。

本发明的系统组成包括稳定制氢设备和波动制氢设备；稳定制氢设备适宜在额定状态附近工作，波动制氢设备能够承受较大规模和频繁波动。

本发明提出了根据波动性能源发电功率特点配置制氢设备容量的方法，以低成本的稳定制氢设备为主，而高成本的波动制氢设备容量较低，在保证一定波动能源消纳能力的前提下使总投资成本最低。

本发明提出了根据波动性能源发电功率特点进行电解槽运行管理的方法，使稳定制氢设备长期在额定负荷附近工作，波动制氢设备充分发挥灵活功率调变性能，从而达到较高的波动能量消纳，较快的时间响应，同时尽量减少稳定制氢设备的启停机，同时也减少波动制氢设备的启停机、超负荷运行和频繁调变，从而延长制氢设备的寿命。

本发明提出了一种包括稳定制氢设备和波动制氢设备的系统，其能够同时实现低成本、大规模的波动性能源消纳以及对波动性能源的快速响应，从而在实际运行中根据电源出力和电厂调度情况灵活消纳多余的波动能源用于制氢，避免反应滞后造成的能源浪费和电网冲击；同时使设备均工作在较适宜的状态下，表现出较好的能效，并延长设备的使用寿命。本发明为未来可再生能源为主的电源结构提供了一种良好的波动性平抑的储能方案，有利于未来能源结构的优化和能源安全的保障。

Claims (10)

1.一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，其特征在于，包括控制系统、波动性电源、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备；波动性电源分别与稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备连接；

控制系统与波动性电源、定制氢设备、波动制氢设备、储能设备及电网调度系统分别连接；

控制系统用于根据波动性电源的实时出力和电网调度情况，计算出需要消纳的波动性电源负荷；稳定制氢设备用于吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备用于吸收需消纳的波动负荷，储能设备用于吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。

2.根据权利要求1所述的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，其特征在于，波动性电源采用风电、光伏、生物质发电或、火电、核电或水电；

稳定制氢设备和波动制氢设备采用碱性电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备或固体氧化物电解制氢设备；

储能设备采用电池或超级电容器。

3.权利要求1或2所述的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统运行方法，其特征在于，包括以下过程：

在初始时刻，控制系统接收波动性电源的出力信号和电网调度信号，计算出需消纳的波动性电源负荷、基本负荷和波动负荷；

控制系统根据需消纳的基本负荷和单台稳定制氢设备的额定功率计算出需启动的稳定制氢设备台数：同时，控制系统根据波动负荷和单台波动制氢设备的额定功率计算出需启动的波动制氢设备台数；

在运行过程中，控制系统按照停机时间控制逻辑对稳定制氢设备和波动制氢设备的编号进行更新；

在运行过程中，控制系统还用于监控一定时间内的制氢启停机次数。

4.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，当处于离网状态时，需要消纳的波动性电源负荷为波动性电源的直接出力，计算公式为P_XN＝P_F；

当处于并网状态时，需要消纳的波动性电源负荷为波动性电源出力减去电网实时调度需求的差值，具体为：P_XN＝P_F-P_W；

其中，P_XN为需消纳的波动性电源负荷；P_F为波动性电源的实时出力；P_W为电网对波动性电源的出力负荷需求；

需消纳的基本负荷P_j计算方法为：

P_j＝Max{[P_XN/hp_wd]*hp_wd，hP₁}

其中，p_wd为单台稳定制氢设备的额定功率；[]表示取较小的整数值；P₁为稳定制氢设备的总额定功率，h为稳定制氢设备工作的负载系数；

需消纳的波动负荷P_b计算方法为：

P_b＝Max{P_XN-P_j，kP₂}

其中，P₂为波动制氢设备的总额定功率，k为波动制氢设备工作的负载系数。

5.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，需启动的稳定制氢设备台数N₁₁的计算公式为：

N₁₁＝P_j/up_wd；

P_j为需消纳的基本负荷，u为稳定制氢设备工作的负载系数，p_wd为单台稳定制氢设备的额定功率；

按照编号为1，2，…，N₁₁的顺序启用稳定制氢设备，每台稳定制氢设备工作功率负荷为up_wd。

6.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，需启动的波动制氢设备台数N₂₁包括以下情况：

当P_b≥kP₂时，N₂₁＝N₂，波动制氢设备全开启，工作功率负荷为kP₂；启动储能设备吸纳剩余波动性电源负荷P_b-kP₂；其中，P_b为需消纳的波动负荷，N₂为波动制氢设备的总台数，P₂为波动制氢设备的总额定功率，k为波动制氢设备工作的负载系数；

当P_b<kP₂时，N₂₁＝[P_b/kp_bd]+1，[]表示取较小的整数值；

k为波动制氢设备工作的负载系数，p_bd为单台波动制氢设备的额定功率；

按照编号为1，2，…，N₂₁的顺序启用波动制氢设备，每台波动制氢设备开启的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/N₂₁。

7.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，在运行过程中的任意时刻t，控制系统接收波动性电源的出力信号P_F、电网调度信号P_W和储能设备功率信号P_CN，计算出t时刻相对于上一个时间控制节点(t-δt)所需消纳的波动性电源负荷δP_XN、基本负荷δP_j、波动负荷δP_b；δt是控制系统接收电源信号的最小时间间隔；

然后判断装置的启停和功率调节需求，具体包括以下情况：

(a)当0≤δP_XN<P_CN时，将储能设备的功率减小到P_CN-δP_XN，无需调节稳定制氢设备和波动制氢设备；

(b)当-k*N₂₁*p_bd≤δP_XN<0时，此时调节波动制氢设备的功率；

(c)当P_CN<δP_XN≤P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd时，此时调节储能设备和现有波动制氢设备的功率；

(d)当δP_XN<-k*N₂₁*p_bd时，此时仅调节波动制氢设备无法满足需求，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/up_wd|]+1

对编号从N₁₁+δN₁₁到N₁₁的稳定制氢设备执行停机操作；其余稳定制氢设备的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)；δN₁₁代表要启动或停机的稳定制氢设备台数；

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求，具体为：

将编号为1，2，…，N₂₁的波动制氢设备功率进行调整，调整幅度为：δp_bd，t＝δP_b/N₂₁，正值表示功率增大，负值表示功率减小；

(e)当δP_XN>P_CN+(k_max-k)*N₂₁*p_bd时，此时仅调节储能设备和正在运行波动制氢设备的功率无法满足消纳需求，进行以下操作：

首先，将储能设备功率调整为0；

然后，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求，控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求。

8.权利要求7所述的运行方法，其特征在于，(e)中，控制系统根据δP_j判断稳定制氢设备的启停需求，具体为：

|δN₁₁|_＝[|δP_j/u_maxp_wd|]+1

对编号从N₁₁到N₁₁+δN₁₁的稳定制氢设备执行启动操作，启动的稳定制氢装置的功率为：p_wd,t＝P_j/(N₁₁+δN₁₁)；

控制系统根据δP_b判断波动制氢设备的调节需求，具体为：

当δP_b<0时，计算δN₂₁＝-([|δP_b/kp_bd|]+1)，[]表示取较小的整数值，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行停机操作，工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

当δP_b≥0时，计算δN₂₁＝[δP_b/k_maxp_bd]+1，[]表示取较小的整数值，对编号从N₂₁到N₂₁+δN₂₁的波动制氢设备执行启动操作，工作的每台波动制氢设备的功率负荷为：p_bd，t＝P_b/(N₂₁+δN₂₁)。

9.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，在运行过程中，控制系统按照停机时间控制逻辑将稳定制氢设备和波动制氢设备编号，具体方法为：

假设在t-δt时刻，稳定制氢设备和波动制氢设备编号为：

稳定制氢设备编号1，2，…，N₁；波动制氢设备编号为1，2，…，N₂；

在任一时刻t，控制系统监控各制氢设备的运行状态，计算出累计运行和停机时间：

当第N₁台稳定制氢设备的停机时间T₁≥T_max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1，T_max是稳定制氢设备最大停机时间的设定值；

当第N₂台波动制氢设备的停机时间T₂≥T’_max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1；T’_max是波动制氢设备最大停机时间的设定值。

10.权利要求3所述的运行方法，其特征在于，在运行过程中，控制系统还用于监控一定时间T_L内的制氢启停机次数具体为：

在任意时刻t，对于编号最大的稳定制氢设备N₁和波动制氢设备N₂，其在t-T_L到t时间内的启停机次数分别记为S₁、S₂；

当S≥S_1，max时，将稳定制氢设备的编号更改为N₁，1，2，…，N₁-1，S₁，_max是稳定制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值；

当S₂≥S_2，max时，将波动制氢设备的编号更改为N₂，1，2，…，N₂-1，S₂，_max是波动制氢设备在一定时间T_L内的最大启停机次数的设定值。

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