CN114790558B - 一种新能源制氢系统及其投切控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种新能源制氢系统的投切控制方法，其投切控制方法在系统启动阶段，并不需要等到前一电解槽工作于满功率之后再控制下一电解槽启动运行，而是当前一电解槽工作于一个低于满功率的预设功率时，即可用部分功率来启动下一电解槽，使其提前进行自身的升温、升压；随着新能源输入模块的功率上升，该电解槽可以快速进入效率较高的运行状态，进而减少系统低效率运行时间，提升了系统启动速度；且前一电解槽也无需进入效率较低的高负载比运行状态，进而降低了新能源的无效做功、降低了能耗，提升了新能源的利用率。

Description

一种新能源制氢系统及其投切控制方法

技术领域

本申请涉及新能源制氢技术领域，特别涉及一种新能源制氢系统及其投切控制方法。

背景技术

在多单元或多槽新能源电解水制氢场站中，由于新能源的波动性、电解槽的特性导致新能源的利用率不高。如何提高新能源的利用率，降低能源无效做功降低能耗是当下重要方向。

现有技术中的新能源制氢方案，其通常是在前一电解槽工作在满功率之后，再控制下一台电解槽启动运行，但是这样会由于电解槽效率低，而导致新能源利用率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种新能源制氢系统及其投切控制方法，以提高新能源的利用率，降低新能源无效做功、降低能耗的目的。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种新能源制氢系统的投切控制方法，新能源制氢系统中，新能源输入模块通过至少两个制氢电源为相应电解槽供电；所述投切控制方法包括：

对于当前承担所述新能源输入模块的功率变动的电解槽，判断其功率是否达到预设功率；所述预设功率小于其额定功率；

若是，则控制其运行于所述预设功率，并控制下一电解槽承担所述功率变动；

重复上述步骤，直至全部电解槽均承担过所述功率变动。

可选的，在所述功率变动的变动方向为上升时，所述预设功率，属于电解槽能效最优的工作区间；

在所述功率变动的变动方向为下降时，所述预设功率为零。

可选的，在所述功率变动的变动方向为上升时，所述预设功率，为电解槽额定功率的80％。

可选的，承担所述功率变动，包括：

在相应电解槽接收到的功率小于其功率下限值时，工作于待机预热模式；

在相应电解槽接收到的功率大于等于其所述功率下限值时，工作于运行模式。

可选的，所述功率下限值，为电解槽额定功率的20％。

可选的，在控制任意电解槽改变工作模式之前，还包括：

判断所述新能源输入模块的功率预测值是否与所述功率变动保持相同的变动方向；

若是，则执行控制相应电解槽改变工作模式的步骤；否则，控制相应电解槽保持当前模式。

可选的，在所述功率变动的变动方向为上升时，自身效率越高的电解槽，其承担所述功率变动的优先级越高；

在所述功率变动的变动方向为下降时，自身效率越低的电解槽，其承担所述功率变动的优先级越高。

本申请第二方面还提供了一种新能源制氢系统，包括：控制系统、新能源输入模块及至少两个制氢单元；其中，

所述制氢单元包括：制氢电源及电解槽；

所述新能源输入模块通过各所述制氢电源，为相应电解槽供电；

所述控制系统用于采集所述新能源输入模块的功率，并执行如上述第一方面任一种所述的新能源制氢系统的投切控制方法，以控制各所述制氢电源工作。

可选的，所述控制系统包括：系统控制器，各所述制氢电源的第一控制器，以及，各所述电解槽的第二控制器；

所述系统控制器分别与各所述第一控制器及各所述第二控制器通信连接；

所述系统控制器用于生成并下发各所述制氢电源的功率指令至相应的所述第一控制器。

可选的，所述控制系统还用于分析并确定所述新能源输入模块的功率预测值；和/或，

所述控制系统还用于分析并确定各电解槽的效率或能耗。

可选的，各电解槽均为：压力型碱性水电解槽，或者，压力型质子交换膜水电解槽。

本申请提供的新能源制氢系统的投切控制方法，其在新能源输入模块通过至少两个制氢电源为相应电解槽供电时，对于当前承担新能源输入模块的功率变动的电解槽，判断其功率是否达到预设功率；若达到该预设功率，则控制其运行于该预设功率，并控制下一电解槽继续承担功率变动；然后重复上述步骤，直至全部电解槽均承担过新能源输入模块的功率变动。由于该预设功率小于电解槽的额定功率，也即在系统启动阶段，并不需要等到前一电解槽工作于满功率之后再控制下一电解槽启动运行，而是当前一电解槽工作于一个低于满功率的预设功率时，即可用部分功率来启动下一电解槽，使其提前进行自身的升温、升压；随着新能源输入模块的功率上升，该电解槽可以快速进入效率较高的运行状态，进而减少系统低效率运行时间，提升了系统启动速度；且前一电解槽也无需进入效率较低的高负载比运行状态，进而降低了新能源的无效做功、降低了能耗，提升了新能源的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的新能源制氢系统的结构示意图；

图2为现有技术提供的电解槽能耗曲线示意图；

图3为本申请实施例提供的新能源制氢系统的投切控制方法的流程图；

图4和图5分别为本申请实施例提供的新能源制氢系统在启动时的投切控制方法具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请提供一种新能源制氢系统的投切控制方法，以提高新能源的利用率，降低新能源无效做功、降低能耗的目的。

该新能源制氢系统如图1所示，其中，新能源输入模块10通过至少两个制氢电源20为相应电解槽30供电。

图2所示为电解槽的负载比与能耗之间的关系曲线，由该图可见，电解槽根据能耗的高低可以大致分为四个运行区间，其由低到高排序分别是：带60％负载到90％负载之间的第I区间，带90％负载到100％负载之间的第II区间，带30％负载到60％负载之间的第III区间，带0％负载到30％负载之间的第IV区间。现有技术在系统的启动过程中，通常是在前一电解槽工作于满功率也即100％负载之后再控制下一电解槽启动运行，也即每个电解槽都要经历一个完整的图2所示的能耗变化过程，系统启动的总时长很长。

而本实施例提供的该新能源制氢系统的投切控制方法，如图3所示，具体包括：

S101、对于当前承担新能源输入模块的功率变动的电解槽，判断其功率是否达到预设功率。

该预设功率小于其额定功率。具体的，在该功率变动的变动方向为上升时，比如系统启动时，该预设功率属于电解槽能效最优的工作区间，即图2中所示的第I区间，其具体可以取值为能耗最低时所对应的功率，比如带80％负载时的功率，也即电解槽额定功率的80％；但并不仅限于此，此处仅为一种示例。而在功率变动的变动方向为下降时，比如系统停机时，该预设功率可以取值为零。

若当前承担该功率变动的电解槽的功率未达到该预设功率，则继续以该电解槽承担该功率变动；而若当前承担该功率变动的电解槽的功率达到该预设功率，则执行步骤S102。

S102、控制当前承担该功率变动的电解槽运行于预设功率，并控制下一电解槽承担功率变动。

在该功率变动的变动方向为上升时，比如系统启动时，若当前承担该功率变动的电解槽的功率达到该预设功率，比如额定功率的80％，则控制其运行于该预设功率，不再继续跟随该新能源输入模块的功率变动，而是由下一电解槽跟随该功率变动来逐渐提升自身功率。

在功率变动的变动方向为下降时，比如系统停机时，若当前承担该功率变动的电解槽的功率达到该预设功率，比如零功率，则控制其停机，由下一电解槽跟随该功率变动来逐渐降低自身功率。

对于下一电解槽而言，当前承担该功率变动的电解槽，即为其前一电解槽。重复执行步骤S101和S102，直至全部电解槽均承担过功率变动。在系统启动时，多次重复上述步骤之后，一般会使得全部电解槽均进入正常运行状态，优选为都在该第I区间跟随输入功率波动。在系统停机时，多次重复上述步骤之后，最终各电解槽均进入停机状态。

本实施例提供的该投切控制方法，其在系统启动阶段，并不需要等到前一电解槽工作于满功率之后再控制下一电解槽启动运行，而是当前一电解槽工作于一个低于满功率的预设功率时，即可用部分功率来启动下一电解槽，使其提前进行自身的升温、升压；随着新能源输入模块的功率上升，该电解槽可以快速进入效率较高的运行状态，进而减少系统低效率运行时间，提升了系统启动速度；且前一电解槽也无需进入效率较低的高负载比运行状态，进而降低了新能源的无效做功、降低了能耗，提升了新能源的利用率。

在上一实施例的基础之上，该新能源制氢系统的投切控制方法中，其承担功率变动的过程，具体包括：

(1)在相应电解槽接收到的功率小于其功率下限值时，工作于待机预热模式。

待机预热模式下，电解槽及其后续的气液分离设备会开启，但是由于功率达不到该功率下限值，也即达不到其最小功率需求值，产出的氢气纯度是不合格的，所以会直接放空而不进入后续的纯化系统，因此该模式下只会导致电解槽体内的温度和压力上升。

该功率下限值，具体可以为电解槽额定功率的20％，但并不仅限于此，也可以采用其他值，优选小于等于电解槽额定功率的30％；视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

(2)在相应电解槽接收到的功率大于等于其功率下限值时，工作于运行模式。

此时，达到了电解槽所需功率值下限需求，能产出合格的氢气，则可以开启纯化部分，产出氢气，即工作于运行模式。

如图4所示，系统启动时，随着新能源输入模块的功率上升，各电解槽将逐一经历上述两个模式，即均先工作于待机预热模式，再工作于运行模式；而且，当前一电解槽运行于预设功率时，下一电解槽即可进入待机预设模式，进而减少系统低效率运行时间，提升新能源的利用率。

更为优选的，在控制任意电解槽改变工作模式之前，该投切控制方法还包括图5中所示的：判断新能源输入模块的功率预测值是否与功率变动保持相同的变动方向；若是，则执行控制相应电解槽改变工作模式的步骤；否则，控制相应电解槽保持当前模式。

也即，对于各电解槽而言，当其接收到的功率小于其功率下限值，但新能源输入模块的功率预测值有上升趋势，则可以进入待机预热模式；当其接收到的功率大于等于该功率下限值，且新能源输入模块的功率预测值仍然有上升趋势，则可以进入运行模式。但是上述过程中，若任一工作模式切换的节点，仅其接收到功率或者接收到足够功率，而新能源输入模块的功率预测值有下降趋势，则保持在当前工作模式下，等待下一次再进行相关的判断。

该功率预测值，具体可以是场站0.5小时内的新能源预测发电功率，但并不仅限于此。实际应用中，可以在监测新能源输出发电功率数据的同时，获取该场站0.5小时内的新能源预测发电功率，结合预测0.5小时内的功率，确定哪些制氢电源开/关机，以及具体开多大功率，进而实现对于各电解槽的功率控制。

上述实施例能够减少系统低效率时间，提升能源的利用率，在此基础之上，本实施例进一步为各电解槽增加一个确定投切顺序的因素，即健康度；效率越高、能耗越低的电解槽，其健康度越高；而效率越低、能耗越高的电解槽，其健康度越低。

在执行该投切控制方法之前，可以先检测各电解槽的健康度，并给场站内各电解槽进行排名，排名最高的代表该电解槽的效率最高、能耗最低，排名最低的代表该电解槽的效率最低、能耗最高。

在执行该投切控制方法时，可以使排名越高的电解槽参与制氢的优先级越高，获取的能量越多。具体的，在功率变动的变动方向为上升时，自身效率越高的电解槽，其承担功率变动的优先级越高；而在功率变动的变动方向为下降时，自身效率越低的电解槽，其承担功率变动的优先级越高。

也即，本实施例将健康度好的电解槽先投入后投出，提升健康度好的电解槽的利用率，进一步的提升新能源的利用率，提高系统效率。

下面以图1所示场景为例，假设该场站具备新能源发电功能，且场站内有4个制氢单元，每个制氢单元内均包括有电解槽及为其供电的制氢电源，4台电解槽的健康度排序为A＞B＞C＞D，每个制氢单元的额定功率为P2＝5MW；系统启动时，首先获取新能源发电功率P1(也即新能源输入模块10的功率)，同时获取该时间点往后0.5小时的预测发电功率P3(也即新能源输入模块10的功率预测值)，对P1、P2及P3的取值进行下述比较：

当P1≤20％P2时，系统4个制氢单元全部不开机。

当P1＞20％P2时，P3≤P1时，系统4个制氢单元全部不开机。

当P1＞20％P2时，P3≥P1时，仅制氢单元A开机低功率运行，抬高槽温及系统压力，为后面高功率准备。

当20％P2≤P1≤80％P2时，且P3＜P1时，仅制氢单元A开机运行。

当P1≥P2时，且P3＜P1时，仅制氢单元A开机运行。

当P1≥P2时，且P3＞P1时，仅制氢单元A以80％P2开机运行，同时制氢单元B以不低于20％P2开机运行。

当P1≥1.8P2时，且P3＜P1时，仅运行制氢单元A和制氢单元B。

当P1≥1.8P2时，且P3＞P1时，以80％P2运行制氢单元A和制氢单元B，同时制氢单元C以不低于20％P2开机运行。

当P1≥2.6P2时，且P3＜P1时，仅运行制氢单元A、制氢单元B、制氢单元C。

当P1≥2.6P2时，且P3＞P1时，以80％P2运行制氢单元A、制氢单元B、制氢单元C，同时制氢单元D以不低于20％P2开机运行。

当P1≥3.2P2时，且P3＜P1时，以80％P2运行制氢单元A、制氢单元B、制氢单元C、制氢单元D；当P1下降时，优先降低效率的制氢单元D的功率，保证高效率的制氢单元A、制氢单元B、制氢单元C运行在80％P2功率下。

当P1≥3.2P2时，且P3＞P1时，以不低于80％P2运行制氢单元A、制氢单元B、制氢单元C、制氢单元D，功率分配依然是优先满足高效率的制氢单元，再逐步过渡至低效率的制氢单元。

以上为是升功率的过程，降功率与之相反，即优先降低效率低的制氢单元的功率，直至最低效率的制氢单元完全关机。

需要说明的是，上述过程仅对电解槽进入运行模式的功率节点进行了举例说明，当80％p2＜P1＜100％p2时，这个功率段范围内时只开制氢单元B内的电解槽及其气液分离这两个设备段，由于功率达不到最小需求值，产出得氢气纯度是不合格的，直接放空不进纯化系统，但是槽体内的温度和压力是真实上升的，即此时制氢单元B工作于待机预热模式。当P1＞100％p2时，达到了所需功率值下限需求，能产出合格的氢气，则可以开启纯化部分，产出氢气。其他类似阶段与此相同，不再一一赘述。

值得说明的是，上述举例中所提及的20％、80％、1.8等功率节点阈值，均是根据实际测试的经验值设定的，但并不仅限于此，实际应用中可以根据实际情况对这些功率节点阈值进行调整，均在本申请的保护范围内。

本实施例提供的投切控制方法，通过加入功率预测和系统健康度作为两输变量，相当于做了寻优，保证了整个系统的单耗最低，效率最大化，避免了只依靠新能源输出功率控制制氢单元投切带来的系统投切次数多、投切功率浪费的情况。

本申请另一实施例还提供了一种新能源制氢系统，其如图1所示，包括：控制系统、新能源输入模块10及至少两个制氢单元；其中：

新能源输入模块10可以由风电、光伏、储能、电网四种能源自由组合形成，各种能源可以通过相应的变换设备实现并联输出，也可以分别独立输出。

制氢单元包括：制氢电源20及电解槽30；新能源输入模块10通过各制氢电源20，为相应电解槽30供电；制氢电源20将自身接收到的电能转化为适配电解槽30的电能，其具体可以是AC/DC变换器和/或DC/DC变换器，而且可以是单级变换，也可以是多级变换，由具体应用场景而定，均在本申请的保护范围内；该电解槽30可以是压力型碱性水电解槽，也可以是压力型质子交换膜水电解槽，视其具体应用环境而定即可。

该控制系统用于采集新能源输入模块10的功率，并执行如上述任一实施例所述的新能源制氢系统的投切控制方法，以控制各制氢电源20工作。该投切控制方法的具体过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

实际应用中，该控制系统可以包括：系统控制器(如图1中所示的智慧氢能系统40)，各制氢电源20的第一控制器，以及，各电解槽30的第二控制器。其中：

该系统控制器分别与各第一控制器及各第二控制器通信连接；该系统控制器用于生成并下发各制氢电源的功率指令至相应的第一控制器，以实现对于各制氢电源20的功率控制。

优选的，该控制系统还用于分析并确定新能源输入模块的功率预测值；和/或，该控制系统还用于分析并确定各电解槽的效率或能耗。

实际应用中，可以由智慧氢能系统40通过检测新能源当前输出总功率，对比输出功率与各单元所需功率，叠加新能源功率预测算法及电解槽健康度算法得到总的控制变量，再将总的控制变量去控制各制氢单元内制氢电源20的投切，以此来实现各制氢单元的投切控制。

智慧氢能系统40通过获取新能源发电功率、新能源发电功率预测数据、各制氢单元电解槽健康度数据，形成投切控制策略，控制各制氢单元内制氢电源20的通断、输出相应功率，以跟据电解槽30的能效特性，将功率控制在能效最优的工作区间内，将多余功率用于其他单元待机预热或低功率运行，积累温度和压力，保证功率充足时能快速的使制氢单元进入到最佳的制氢效率段中，达到提高新能源的利用率，降低能源无效做功、降低能耗的目的。同时，通过对场站内各单元的健康度进行分析，可以使新能源功率优先供给健康度高的单元制氢。而且，引入新能源功率预测算法及电解槽健康度算法控制制氢单元的投切，可以避免只依靠新能源输出功率控制制氢单元投切带来的系统投切次数多、投切功率浪费的情况。

需要说明的是，实际发电功率信号也即该新能源输入模块10的功率P1，可以是智慧氢能系统40通过硬件电路采样得到，而预测发电功率P3与电解槽健康度可以由智慧氢能系统40通过基础数据分析得到。

另外，图1仅以4个制氢单元的实施方案为例进行展示，实际应用中任意制氢单元的数量同样可实施该投切控制方法。也即，该投切控制方法，适用于新能源供能且多制氢单元制氢场站。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，新能源制氢系统中包括：控制系统、新能源输入模块及至少两个制氢单元，所述制氢单元包括制氢电源及电解槽，所述新能源输入模块通过至少两个所述制氢电源为相应电解槽供电；所述投切控制方法包括：

对于当前承担所述新能源输入模块的功率变动的电解槽，判断其功率是否达到预设功率；所述预设功率小于其额定功率；

若是，则控制其运行于所述预设功率，并控制下一电解槽承担所述功率变动；

重复上述步骤，直至全部电解槽均承担过所述功率变动。

2.根据权利要求1所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，在所述功率变动的变动方向为上升时，所述预设功率，属于电解槽能效最优的工作区间；

在所述功率变动的变动方向为下降时，所述预设功率为零。

3.根据权利要求2所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，在所述功率变动的变动方向为上升时，所述预设功率，为电解槽额定功率的80％。

4.根据权利要求1所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，承担所述功率变动，包括：

在相应电解槽接收到的功率小于其功率下限值时，工作于待机预热模式；

在相应电解槽接收到的功率大于等于其所述功率下限值时，工作于运行模式。

5.根据权利要求4所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，所述功率下限值，为电解槽额定功率的20％。

6.根据权利要求1至5任一项所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，在控制任意电解槽改变工作模式之前，还包括：

判断所述新能源输入模块的功率预测值是否与所述功率变动保持相同的变动方向；

若是，则执行控制相应电解槽改变工作模式的步骤；否则，控制相应电解槽保持当前模式。

7.根据权利要求1至5任一项所述的新能源制氢系统的投切控制方法，其特征在于，在所述功率变动的变动方向为上升时，自身效率越高的电解槽，其承担所述功率变动的优先级越高；

在所述功率变动的变动方向为下降时，自身效率越低的电解槽，其承担所述功率变动的优先级越高。

8.一种新能源制氢系统，其特征在于，包括：控制系统、新能源输入模块及至少两个制氢单元；其中，

所述制氢单元包括：制氢电源及电解槽；

所述新能源输入模块通过各所述制氢电源，为相应电解槽供电；

所述控制系统用于采集所述新能源输入模块的功率，并执行如权利要求1至7任一项所述的新能源制氢系统的投切控制方法，以控制各所述制氢电源工作。

9.根据权利要求8所述的新能源制氢系统，其特征在于，所述控制系统包括：系统控制器，各所述制氢电源的第一控制器，以及，各所述电解槽的第二控制器；

所述系统控制器分别与各所述第一控制器及各所述第二控制器通信连接；

所述系统控制器用于生成并下发各所述制氢电源的功率指令至相应的所述第一控制器。

10.根据权利要求8或9所述的新能源制氢系统，其特征在于，所述控制系统还用于分析并确定所述新能源输入模块的功率预测值；和/或，

所述控制系统还用于分析并确定各电解槽的效率或能耗。

11.根据权利要求8或9所述的新能源制氢系统，其特征在于，各电解槽均为：压力型碱性水电解槽，或者，压力型质子交换膜水电解槽。