CN114182276A

CN114182276A - 直流耦合光伏离网制氢系统及其控制方法

Info

Publication number: CN114182276A
Application number: CN202111301171.4A
Authority: CN
Inventors: 王国强; 刘勇; 王鹏
Original assignee: Shandong Haihe Energy Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Haihe Energy Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2022-03-15

Abstract

本发明涉及直流耦合光伏离网制氢系统及其控制方法，直流耦合光伏离网制氢系统包括：光伏方阵、电解槽、辅助用电设备、DC/DC变换单元和DC/AC变换单元；所述光伏方阵通过所述DC/DC变换单元，为所述电解槽供电；所述光伏方阵通过所述DC/AC变换单元，为所述辅助用电设备供电；其中，所述辅助用电设备所需功率为所述电解槽所需功率的10％±1％。保证电解设备的功率能够跟随光伏发电的功率，避免光伏发电不稳定。

Description

直流耦合光伏离网制氢系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电及储能控制技术领域，尤其涉及一种直流耦合光伏离网制氢系统及其控制方法。

背景技术

近些年，光伏发电获得了迅猛发展，但是由于其发电不稳定、能量密度低的缺点，常需要储能系统进行配合；氢气作为一种从制取到终端使用完全无污染的储能介质，适于配合光伏发电来弥补上述缺点。目前商业化的光伏发电制氢系统大都采用并网方案，其光伏发电的电能需要经过DC/AC/DC的三级转换，光伏能量利用率低，系统设备多、成本高；其制氢系统需要通过整流器接入电网，从网侧获取能量，因此需要建设高压配电系统和相应的谐波治理装置，增加成本和复杂度，并且在偏远地区可能无法使用。

为解决交流制氢系统的种种缺点，现有技术中提出了直流耦合的光伏离网制氢系统，无需连接电网，并且功率变换级数少；但是，因光伏发电的不稳定性给整个制氢系统的控制带来了很大的麻烦。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种直流耦合光伏离网制氢系统及其控制方法，以解决现光伏发电的不稳定与碱性制氢设备响应速率慢之间的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种直流耦合光伏离网制氢系统，包括：光伏方阵、电解槽、辅助用电设备、DC/DC变换单元和DC/AC变换单元；所述光伏方阵通过所述DC/DC变换单元，为所述电解槽供电；所述光伏方阵通过所述DC/AC变换单元，为所述辅助用电设备供电；其中，所述辅助用电设备所需功率为所述电解槽所需功率的10％±1％。

可选的，在一实施例中，所述直流耦合光伏离网制氢系统还包括：

储能电池，用于贮存并负载所述光伏方阵的电能；

充放电装置，所述光伏方阵通过所述充放电装置对所述储能电池进行充电或放电。

可选的，在一实施例中，所述充放电装置的功率大于所述电解槽的功率；所述储能电池的容量至少大于所述电解槽功率的20％。

可选的，在一实施例中，所述直流耦合光伏离网制氢系统还包括检测单元，用于检测所述储能电池的电量并将所述电量传送至所述充放电装置。

可选的，在一实施例中，辅助用电设备包括：纯水系统、冷冻水机、冷却塔、碱液循环泵、补水泵、控制柜、变送器和分析仪表中的任意一种或多种。

可选的，在一实施例中，所述的直流耦合光伏离网制氢系统还包括直流母线，所述充放电装置通过直流母线对所述储能电池进行充电或放电。

本发明还公开上述任意一项直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法，包括：

检测所述储能电池的电量；

获取所述充放电装置的工作状态；

若所述充放电装置的工作状态为充电模式，则增加所述电解槽功率，直至所述储能电池的电量达到满负荷；

若所述充放电装置的工作状态为放电模式，则降低所述电解槽的功率。

可选的，在一实施例中，所述充放电装置的工作状态为放电模式，则降低所述电解槽的功率之后，包括步骤：

当所述电解槽的输出功率降至所述电解槽额定功率的30％时，所述充放电装置停止放电。

可选的，在一实施例中，所述当电解槽输出功率降至电解槽额定功率的30％时，所述充放电装置停止放电之后，包括：

检测所述储能电池的电量；

获取所述充放电装置的工作状态；

若所述储能电池电量小于50％，且所述充放电装置的工作状态为放电状态，控制所述电解槽停机。

本发明提供的技术方案中，光伏方阵与电解槽通过DC/DC变化单元连接，输出的直流电为电解槽供电，而辅助用电设备通过储能电池供电，从而减少储能电池的使用频率和强度，并能够保证电解槽的功率能够跟随光伏方阵发电的功率，并且通过储能电池的能很好的解决碱性制氢设备响应速率慢的问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请的一个实施例的直流耦合光伏离网制氢系统的的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例的直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法的流程示意图；

图3为本申请的一个实施例的直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法的另一流程示意图；

其中，100、直流耦合光伏离网制氢系统；110、光伏方阵；120、DC/DC变换单元；130、DC/AC变换单元；140、电解槽；150、辅助用电设备；160、充放电装置；170、储能电池。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参照图1，本申请提供了一种直流耦合光伏离网制氢系统100，包括：光伏方阵110、电解槽140、辅助用电设备150、DC/DC变换单元120和DC/AC变换单元130；所述光伏方阵110通过所述DC/DC变换单元120，为所述电解槽140供电；所述光伏方阵110通过所述DC/AC变换单元130，为所述辅助用电设备150供电；其中，所述辅助用电设备150所需功率为所述电解槽140所需功率的10％±1％。

光伏方阵110包括多个依次串联连接的光伏组件，DC/DC变换单元120将光伏方阵110输出的的高压直流电转变后输出固定的低压直流电的为电解槽140供电；DC/AC变化单元130是将逆变环节的作用是将前级输出的330V直流电逆变成用户终端所需要的220V正弦交流电，供负载使用，为辅助用电设备150供电。直流耦合光伏离网制氢系统100可以是碱性水电解系统或PEM水电解系统。辅助用电设150备包括：纯水系统、冷冻水机、冷却塔、碱液循环泵、补水泵、控制柜、设备上的各种变送器、分析仪表和照明设备等的任意一种或多种。

进一步的，直流耦合光伏离网制氢系统100包括储能电池170，用于贮存并负载所述光伏方阵110的电能；充放电装置160，所述光伏方阵110通过所述充放电装置160对所述储能电池170进行充电或放电。

在一些实施方式中，充放电设备160用于控制光伏方阵110对储能电池170的充电或放电；对储能电池170过充过放保护控制，简化电路结构，降低损耗，提高效率，延长电池使用寿命。当光伏方阵110停止供电或发电功率低时，辅助用电设备150可通过储能电池170供电继续工作。

具体的，所述充放电装置160的功率大于所述电解槽140的功率；所述储能电池170的容量至少大于所述电解槽140功率的20％。以能保证光伏方阵110突然失电的最极端情况制氢设备即电解槽能正常停机。

所述直流耦合光伏离网制氢系统100还包括检测单元，用于检测所述储能电池170的电量并将所述电量传送至所述充放电装置160。

检测单元检测储能电池170的剩余电量并传送至充放电装置160，充放电装置160通过储能电池170的剩余电量判断是否继续通过光伏方阵110对储能电池170进行充电；若储能电池170剩余电量为满电，充放电装置160停止对储能进行充电。

更进一步的，所述的直流耦合光伏离网制氢系统100还包括直流母线，直流母线与所述DC/AC变化单元120、光伏方阵110以及充放电装置160相连接，所述充放电装置160通过直流母线并联的对所述储能电池170进行充电或放电。当检测到直流母线输出功率大于负载功率，将多余的能量通过充放电装置160储存在储能电池170中，光伏方阵110和储能电池170可以合理协调的为负载供电，确保直流母线电压稳定从而保证光伏方阵110的稳定性。

本发明实施例还公开了直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法，包括步骤：

S10、检测所述储能电池的电量；

S20、获取所述充放电装置的工作状态；

S30、若充放电装置为充电模式，增加所述电解槽功率，直至满负荷；

S40、若充放电装置为放电模式，降低所述电解槽功率。

所述若充放电装置为放电模式，降低所述电解槽功率之后，包括步骤：

S50、当电解槽输出功率降至电解槽额定功率的30％，充放电停止放电。

所述当电解槽输出功率降至电解槽额定功率的30％，充放电停止放电之后，包括步骤：

S60、检测所述储能电池电量；

S70、获取充放电装置的工作状态；

S80、若所述储能电池电量小于50％，所述充放电装置为放电状态，控制所述电解槽停机。

根据储能电池的荷电状态选择合适的实时调度方案，并计算光伏方阵的实际输出功率以及储能电池和电解槽的输入功率，输出至光伏发电系统的中央控制单元，由中央控制单元对系统中的各个发电用电模块进行实时调度，保证电解设备的功率能够跟随光伏发电的功率，并且通过储能电池的能很好的解决碱性电解设备响应速率慢的问题。控制柜内的核心采用西门子1200或1500系列PLC控制。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，包括：光伏方阵、电解槽、辅助用电设备、DC/DC变换单元和DC/AC变换单元；

所述光伏方阵通过所述DC/DC变换单元，为所述电解槽供电；所述光伏方阵通过所述DC/AC变换单元，为所述辅助用电设备供电；

其中，所述辅助用电设备所需功率为所述电解槽所需功率的10％±1％。

2.根据权利要求1所述的直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，所述直流耦合光伏离网制氢系统还包括：

储能电池，用于贮存并负载所述光伏方阵的电能；

3.根据权利要求2所述的直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，所述充放电装置的功率大于所述电解槽的功率；所述储能电池的容量至少大于所述电解槽功率的20％。

4.根据权利要求2所述的直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，所述直流耦合光伏离网制氢系统还包括检测单元，用于检测所述储能电池的电量并将所述电量传送至所述充放电装置。

5.根据权利要求1所述的直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，辅助用电设备包括：纯水系统、冷冻水机、冷却塔、碱液循环泵、补水泵、控制柜、变送器和分析仪表中的任意一种或多种。

6.根据权利要求1所述的直流耦合光伏离网制氢系统，其特征在于，所述直流耦合光伏离网制氢系统还包括直流母线，所述充放电装置通过直流母线对所述储能电池进行充电或放电。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法，其特征在于，包括：

检测所述储能电池的电量；

获取所述充放电装置的工作状态；

若所述充放电装置的工作状态为充电模式，则增加所述电解槽的功率，直至所述储能电池的电量达到满负荷；

8.根据权利要求7所述的直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法，其特征在于，所述若所述充放电装置的工作状态为放电模式，则降低所述电解槽的功率之后，包括：

当所述电解槽的输出功率降至所述电解槽的额定功率的30％时，所述充放电装置停止放电。

9.根据权利要求8所述的直流耦合光伏离网制氢系统的控制方法，其特征在于，所述当电解槽输出功率降至电解槽额定功率的30％，所述充放电装置停止放电之后，包括：

检测所述储能电池的电量；

获取所述充放电装置的工作状态；

若所述储能电池电量小于50％且所述充放电装置的工作状态为放电状态，则控制所述电解槽停机。