CN114737203B - 一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，包括变换器单元、电解水电路单元、交互检测单元、处理单元和变换器控制单元；所述变换器单元用于将电网提供电能变换后发送给电解水电路单元；电解水电路单元用于根据接收到的电能参与氢气生产；交互检测单元用于检测电解水路单元的工作电流是否满足预设的电流约束条件，若不满足，则交互检测单元给处理单元发送调节信号；处理单元内预存有变换器控制策略，处理单元用于接收到调节信号。使用本系统，能够保证当电网出现有功功率波动时，电解氢装置仍能够稳定的运行，保证缓存区内储氢量的稳定性，从而保证下游应用的稳定运行。

Description

一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统。
背景技术
积极发展清洁能源有助于促进我国碳达峰、碳中和工作的加速进行，加快产业结构的优化。在清洁能源中，氢能作为一种低碳、高效、环境友好、应用场景丰富的绿色能源，有着21世纪的“终极能源”之称，受到了广泛关注。现阶段，主要是将可再生能源的弃电(如光伏发电产生的不稳定电能)用来电解水制备氢能，这样，能够为可再生能源季节性大规模消纳提供一种有效的解决方式，同时也能够助力实现碳中和。另一方面，由于生产下游大多数氢气应用(如氢气汽车加油站)的动力学相对较慢，且运行需要相对稳定的氢气流，因此，通常会设置一个氢气缓冲存储区(下文统一简称为缓存区)，以保证下游应用的稳定运行。
可再生能源为电解制氢提供了契机，有效推动了低碳氢能的规模化发展。然而，由于可再生能源的弃电具有不稳定的特性，以可再生能源为主导的电力系统同样存在电能不稳定的情况，具体的，此类电力系统可能存在低惯性状态和低频率稳定性的情况。目前，在以可再生能源为主导供能的电力系统中，已经提出了几种替代方案来辅助频率控制，在常规情况下能够使电解水制氢装置相对稳定的运行。
但是，当电网的有功功率(有功功率指消耗在电阻类元器件上的，转化为其它能量形式的部分，如照明、电动机等)波动时，电解制氢装置仍不能在1-2s内快速响应有功功率的迅速变化。而相对快速且不受控制的有功功率输入变化，会导致电解槽电流快速的改变，从而会影响氢气的产生速率。而氢气的产生速率受到影响时，缓存区内存储的储氢量同样会受到影响，从而可能会导致下游应用无法稳定运行。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，能够保证当电网出现有功功率波动时，电解氢装置仍能够稳定的运行，保证缓存区内储氢量的稳定性，从而保证下游应用的稳定运行。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，包括变换器单元、电解水电路单元、交互检测单元、处理单元和变换器控制单元；
所述变换器单元用于将电网提供电能变换后发送给电解水电路单元；电解水电路单元用于根据接收到的电能参与氢气生产；交互检测单元用于检测电解水路单元的工作电流是否满足预设的电流约束条件，若不满足，则交互检测单元给处理单元发送调节信号；
处理单元内预存有变换器控制策略；处理单元用于接收到调节信号后，根据变换器当前的有功功率和△f，结合变换器控制策略生成变换器调整信息，并发送给变换器控制器；其中，所述△f为频率变化值；变换器控制器用于接收到变换器调整信息后对变换器进行对应的调节控制。
优选地，所述变换器单元包括沿电流方向依次设置的DC-AC变换器、直流链路和DC-DC变换器；其中，DC-AC变换器为电网侧变换器，DC-DC变换器为电解槽侧变换器；
处理单元根据DC-AC变换器的有功功率PEZ生成变换器调整信息；变换器控制器接收到变换器调整信息后，对DC-DC变换器进行对应的调节控制。
优选地，所述电解水电路单元包括电解堆反向电压的电压源Vrev、内阻Ri和双电层支路。
优选地，所述双电层支路由支路电容COP和支路电阻Rm并联组成。
优选地，所述电解堆反向电压的电压源Vrev和内阻Ri满足下列条件：
ut(t)＝Vrev(p)+Ri(p)×i(t)+VCOP
式中，ut(t)为电解堆端子电压；Vrev(p)表示电解堆反向电压；Ri(p)表示电解堆内阻；i(t)为电解堆电流；Vcop为双电层支路电压；
erev0为Vrev在温度为T0和压力为p0下的参考值；F是法拉第常数；R为摩尔气体常数；P为电解槽压力；T为电解槽温度；T0为电解堆初始温度；P0为电解堆初始压力；
Ri0为Ri在温度为T0和压力为p0下的参考值；k为拟合曲线参数，dRt为电阻温度系数。
优选地，所述电网侧变换器通过滤波器与电网连接。
优选地，所述处理单元中预存的变换器控制策略为：
PDC＝PEZ-Pcs
式中，Id为电网侧变换器输入电流的d轴分量；Iq为电网侧变换器输入电流的q轴分量；ud为电网电压的d分量；uq为电网电压的q分量；ucd为电网侧变换器交流侧电压的d分量；ucq为电网侧变换器交流侧电压的q分量；ωs为系统角频率；Rl为滤波器的电阻；Ll为滤波器的电感；PEZ为电网侧变换器的有功功率；PDC为直流链路电容功率；Pcs为输入电解槽侧变换器的有功功率；E为直流链路电压；E0为直流链路初始电压；iDCcl为直流链路电容电流；iDCs为电解槽侧变换器电流；C为直流链路电容；L为DC-DC变换器电感；i为电解堆电流；t为时间；d表示微分；ut为电解堆端子电压；dE为每一个工作周期的直流链路电压。
优选地，交互检测单元中，预设的电流约束条件包括：
式中，z为单个氢分子的电子数；F为法拉第常数；为缓存区保证下游氢气稳定供应的最低氢气含量；/>为事件发生前缓存区中氢气的含量；/>为缓存区氢气的最大容量；/>为缓存区的氢气消耗速率；t0为事件发生时刻；ts为频率分析时的仿真时间范围；
N为电解槽的个数；ηF为法拉第效率；i(t)为电解堆电流；kC表示将mol/s转换为Nm3/s的转换系数；Nm3指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积。
优选地，还包括锁相环同步单元，用于使电解水电路单元与电网的相位同步。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本申请设计了专门的电解水电路单元，并且，在使用本系统的过程中，交互检测单元会持续对电解水电路单元的工作电流进行检测，并在不满足预设的电流约束条件时给处理单元发送调节信号；由调节单元根据变换器的当前有功功率和△f，生成变换器调整信息，并由变换器控制器对变换器进行对应的调节控制，使得电解水路单元的工作电流恢复为满足电流约束条件。通过这样的方式，当电解水电路单元的工作电流出现异常时，能够快速识别出并进行相应的处理，保证电解水路单元拥有稳定的工作电流，从而保证电解氢装置仍能以稳定的速度产生氢气，保证缓存区内储氢量的稳定性，从而保证下游应用的稳定运行。
2.本专利提出的电解水电路单元有两个主要的新特点，且不同于其他可再生能源和储能技术的模型：首先，单元中的参数均与电解槽的压力和温度有关，第二，双电层支路由电解槽的物理特性决定。除此，本申请综合考虑了电解堆、能量转换和控制系统、氢缓冲存储和下游过程、以及外部多区域电力系统及其所有频率相关的部件和控制，设置了专门的电流约束条件和功功率参考模型。通过上述设置，能够保证当电解水电路单元工作时，缓存区内储氢量能够支撑下游应用的稳定运行。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例中的逻辑框图；
图2为实施例中的电解水电路单元的电路示意图；
图3为系统的电路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
如图1所示，本实施例中公开了一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，包括变换器单元、电解水电路单元、交互检测单元、处理单元、变换器控制单元和锁相环同步单元。
所述变换器单元用于将电网提供电能变换后发送给电解水电路单元；电解水电路单元用于根据接收到的电能参与氢气生产；交互检测单元用于检测电解水路单元的工作电流是否满足预设的电流约束条件，若不满足，则交互检测单元给处理单元发送调节信号。锁相环同步单元用于使电解水电路单元(即电解槽)与电网的相位同步，本实施例中，锁相同步单元为图3中派克变换、派克逆变化及锁相环的相关结构。
处理单元内预存有变换器控制策略，处理单元用于接收到调节信号后，根据变换器当前的有功功率和△f，生成变换器调整信息并发送给变换器控制器；其中，所述△f为频率变化值。变换器控制器用于接收到变换器调整信息后对变换器进行对应的调节控制。
如图2所示，电解水电路单元包括电解堆反向电压的电压源Vrev、内阻Ri和双电层支路。其中双电层支路可通过实测极化曲线/响应曲线拟合得到。具体实施时，双电层支路由支路电容COP和支路电阻Rm并联组成。
Vrev和Ri是关于电解槽压力(p)和温度(T)的函数，如下式(1)～(3)所示。
ut(t)＝Vrev(p)+Ri(p)×i(t)+VCOP (1)
式中，ut(t)为电解堆端子电压；Vrev(p)表示电解堆反向电压；Ri(p)表示电解堆内阻；i(t)为电解堆电流；Vcop为双电层支路电压；
erev0为Vrev在温度为T0和压力为p0下的参考值；F是法拉第常数；R为摩尔气体常数；P为电解槽压力；T为电解槽温度；T0为电解堆初始温度；P0为电解堆初始压力；
Ri0为Ri在温度为T0和压力为p0下的参考值；k为拟合曲线参数，dRt为电阻温度系数。
双电层支路由COP和Rm并联组成，它与电解槽的物理特性有关，负电荷和正电荷的不均匀分布在电极和电解质的界面产生了双电层。当电流i(t)突然改变时，双电层现象作为能量屏障阻止流动的电子，从而导致响应延迟，然而在电解槽中，由双电层引起的响应延迟可以忽略不计。
本专利提出的电解水电路单元有两个主要的新特点，且不同于其他可再生能源和储能技术的模型。首先，单元中的参数均与电解槽的压力和温度有关，第二，双电层支路由电解槽的物理特性决定。
具体实施时，电流约束条件的设置过程如下：
由于电网的波动，输入电解槽装置的有功功率快速变化，将导致电解堆电流i(t)也快速改变，此时电解槽单元会迅速降低其电流以响应低频事件，或增大电流以响应高频事件。而电解堆电流i(t)的动态变化对氢气生产模块也有瞬时影响，有公式如下：
式中，mH2(t)为氢气产生速率，ηF为法拉第效率，N为电解槽的个数；i(t)为电解堆电流；z代表每个氢分子的电子数，具体实施时，z＝2；F是法拉第常数；kC表示将mol/s转换为Nm3/s的转换系数；Nm3指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积。
由于相对快速且不受控制的有功功率输入变化，可能导致电解槽电流(即电解堆电流i(t))快速的改变，由式(4)可知i(t)的变化将影响氢气的产生速率。
另一方面，由于生产下游大多数氢气应用(如氢气汽车加油站)的动力学相对较慢，且运行需要相对稳定的氢气流，因此需要一个缓存区，缓存区中氢气的容量约束为：
式中，是保证下游氢气稳定供应的最低水平，/>表示缓存区氢气的最大容量，VH2(t)表示缓存区t时刻的氢含量，VH2(t)取决于氢气产生速率/>和氢气消耗速率/>考虑进行频率分析时的仿真时间范围(ts)，假设事件发生于t0，则t∈[t0,ts]时间段内VH2(t)的计算公式如下：
其中为事件发生前缓存区中氢气的含量。将式(5)带入式(6)，可以得到：
考虑到生产下游大多数氢气应用的动力学相对较慢，则在t∈[t0,ts]范围内为常数，根据式(4)，式(7)可以写为：
将式(8)作为交互检测单元中预设的电流约束条件。
由式(8)可知，电解堆电流的上限约束条件由氢气缓存区的剩余容量和下游氢气消耗/>决定，这可能会限制电解槽在高频状态下的快速调频响应能力，并迫使电解槽在一段时间内减少其电流输入或者直接关闭；同理，电解堆电流的下限约束对于低频事件下的快速调频响应也有影响，缓存区中的氢气不足时，电流无法持续减少。
如图3所示，具体实施时，变换器单元包括沿电流方向依次设置的DC-AC变换器、直流链路和DC-DC变换器；其中，DC-AC变换器为电网侧变换器为电网侧变换器，用于进行直流电路电压控制和输出无功功率管理；DC-DC变换器为电解槽侧变换器，用于将运行的有功功率输出PEZ维持在所需的稳定水平。处理单元根据电网侧变换器的有功功率PEZ生成变换器调整信息；变换器控制器接收到变换器调整信息后对电解槽侧变换器进行对应的调节控制。
具体实施时，处理单元中预存的变换器控制策略具体设置过程如下：
将DC-AC变换器(电网侧变换器)通过感应滤波器连接到电网，其电压-电流方程可以用d-q坐标系表示为：
式中，uq为电网电压的q分量；ud为电网电压的d分量；ucq为电网侧变换器交流侧电压的q分量；ucd为电网侧变换器交流侧电压的d分量；Id为电网侧变换器输入电流的d轴分量；Iq为电网侧变换器输入电流的q轴分量；ωs为系统角频率，Rl为滤波器的电阻；Ll为滤波器的电感；PEZ为电网侧变换器的有功功率，且
如果电网侧变换器内部有功功率损耗忽略不计，则直流链路电容功率PDC可表示为：
PDC＝PEZ-Pcs (12)
其中，
式中，E为直流链路电压；E0为直流链路初始电压；iDCcl为直流链路电容电流；iDCs为DC-DC变换器电流；C为直流链路电容。
由于要E>Vrev，以保证电流流过电解槽。假设直流链路电压E保持稳定，DC-DC变换器的动态方程可以表示为：
式中，L为DC-DC变换器电感；i为电解堆电流；t为时间；d表示微分；ut为电解堆端子电压；dE为每一个工作周期的直流链路电压。
将式(9)-式(15)作为变换器控制策略。
本申请设计了专门的电解水电路单元，并且，在使用本系统的过程中，交互检测单元会持续对电解水电路单元的工作电流进行检测，并在不满足预设的电流约束条件时给处理单元发送调节信号；由调节单元根据变换器的当前有功功率和△f，生成变换器调整信息，并由变换器控制器对变换器进行对应的调节控制，使得电解水路单元的工作电流恢复为满足电流约束条件。通过这样的方式，当电解水电路单元的工作电流出现异常时，能够快速识别出并进行相应的处理，保证电解水路单元拥有稳定的工作电流，从而保证电解氢装置仍能以稳定的速度产生氢气，保证缓存区内储氢量的稳定性，从而保证下游应用的稳定运行。
除此，本专利提出的电解水电路单元有两个主要的新特点，且不同于其他可再生能源和储能技术的模型：首先，单元中的参数均与电解槽的压力和温度有关，第二，双电层支路由电解槽的物理特性决定。并且，本申请综合考虑了电解堆、能量转换和控制系统、氢缓冲存储和下游过程、以及外部多区域电力系统及其所有频率相关的部件和控制，设置了专门的电流约束条件和功功率参考模型。通过上述设置，能够保证当电解水电路单元工作时，缓存区内储氢量能够支撑下游应用的稳定运行。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，其特征在于：包括变换器单元、电解水电路单元、交互检测单元、处理单元和变换器控制单元；
所述变换器单元用于将电网提供电能变换后发送给电解水电路单元；电解水电路单元用于根据接收到的电能参与氢气生产；交互检测单元用于检测电解水路单元的工作电流是否满足预设的电流约束条件，若不满足，则交互检测单元给处理单元发送调节信号；交互检测单元中，预设的电流约束条件包括：
式中，z为单个氢分子的电子数；F为法拉第常数；为缓存区保证下游氢气稳定供应的最低氢气含量；/>为事件发生前缓存区中氢气的含量；/>为缓存区氢气的最大容量；为缓存区的氢气消耗速率；t0为事件发生时刻；ts为频率分析时的仿真时间范围；
N为电解槽的个数；ηF为法拉第效率；i(t)为电解堆电流；kC表示将mol/s转换为Nm3/s的转换系数；Nm3指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积；
处理单元内预存有变换器控制策略；处理单元用于接收到调节信号后，根据变换器当前的有功功率和△f，结合变换器控制策略生成变换器调整信息，并发送给变换器控制器；其中，所述△f为频率变化值；变换器控制器用于接收到变换器调整信息后对变换器进行对应的调节控制；
其中，所述变换器单元包括沿电流方向依次设置的DC-AC变换器、直流链路和DC-DC变换器；其中，DC-AC变换器为电网侧变换器，DC-DC变换器为电解槽侧变换器；
处理单元根据DC-AC变换器的有功功率PEZ生成变换器调整信息；变换器控制器接收到变换器调整信息后，对DC-DC变换器进行对应的调节控制；
所述电解水电路单元包括电解堆反向电压的电压源Vrev、内阻Ri和双电层支路；所述双电层支路由支路电容COP和支路电阻Rm并联组成；
所述电解堆反向电压的电压源Vrev和内阻Ri满足下列条件：
ut(t)＝Vrev(p)+Ri(p)×i(t)+VCOP
式中，ut(t)为电解堆端子电压；Vrev(p)表示电解堆反向电压；Ri(p)表示电解堆内阻；i(t)为电解堆电流；Vcop为双电层支路电压；
erev0为Vrev在温度为T0和压力为p0下的参考值；F是法拉第常数；R为摩尔气体常数；P为电解槽压力；T为电解槽温度；T0为电解堆初始温度；P0为电解堆初始压力；
Ri0为Ri在温度为T0和压力为p0下的参考值；k为拟合曲线参数，dRt为电阻温度系数。
2.如权利要求1所述的基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，其特征在于：所述电网侧变换器通过滤波器与电网连接。
3.如权利要求2所述的基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，其特征在于：所述处理单元中预存的变换器控制策略为：
PDC＝PEZ-Pcs
式中，Id为电网侧变换器输入电流的d轴分量；Iq为电网侧变换器输入电流的q轴分量；ud为电网电压的d分量；uq为电网电压的q分量；ucd为电网侧变换器交流侧电压的d分量；ucq为电网侧变换器交流侧电压的q分量；ωs为系统角频率；Rl为滤波器的电阻；Ll为滤波器的电感；PEZ为电网侧变换器的有功功率；PDC为直流链路电容功率；Pcs为输入电解槽侧变换器的有功功率；E为直流链路电压；E0为直流链路初始电压；iDCcl为直流链路电容电流；iDCs为电解槽侧变换器电流；C为直流链路电容；L为DC-DC变换器电感；i为电解堆电流；t为时间；d表示微分；ut为电解堆端子电压；dE为每一个工作周期的直流链路电压。
4.如权利要求3所述的基于电解水制氢装置的快速调频响应控制系统，其特征在于：还包括锁相环同步单元，用于使电解水电路单元与电网的相位同步。
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