CN115627486A - 一种离网制氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种离网制氢系统及方法，所述系统包括新能源电源、直流变换器以及电压调节器，其中，所述直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行升压；所述电压调节器，用于将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。本发明系统效率较并网制氢高，有利于制氢。

Description

一种离网制氢系统及方法
技术领域
本发明属于制氢技术领域，特别涉及一种离网制氢系统及方法。
背景技术
随着双碳目标的提出，大规模新能源开发将成为未来构建新型电力系统、实现双碳目标的必然路径。大规模新能源接入交流电网后，由于风能和光能的随机性和波动性，以及风电与光伏机组无惯量、弱阻尼的特征，会对电网造成较大的功率和频率扰动。
目前大规模光伏接入需要电网提供接入点，其波动性、随机性容易影响电网安全稳定运行。
因此，需要设计一种离网制氢系统及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种离网制氢系统，所述系统包括新能源电源、直流变换器以及电压调节器，其中，
所述直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行升压；
所述电压调节器，用于将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
进一步地，其中，所述直流变换器包括第一直流变换器以及第二直流变换器，其中，
所述第一直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行一级升压；
所述第二直流变换器，用于将经过一级升压后的直流电进行二级电压跟随或者升压。
进一步地，其中，所述直流变换器还包括第一集电器，其中，
所述第一集电器，用于实现经过一级升压后的直流电的投切。
进一步地，其中，所述直流变换器还包括第二集电器，其中，
所述第二集电器，用于将投切后的直流电进行调压并传输给第二直流变换器。
进一步地，其中，所述直流变换器还包括直流母线，所述直流母线用于将经过第一集电器投切后的直流电传输至第二集电器。
进一步地，其中，所述电压调节器包括三相交错buck电路，其中，
所述三相交错buck电路的输入端与第二直流变换器的输出端连接，所述三相交错buck电路的输出端能够与制氢设备连接。
进一步地，其中，所述第一直流变换器以及第二直流变换器均包括依次连接的第一电容、第一换流器、LLC谐振模块、隔离变压器和第二换流器以及第二电容。
进一步地，其中，所述第一直流变换器的第一电容与新能源电源的输出端连接，所述第一直流变换器的第二电容与第一集电器的输入端连接。
进一步地，其中，所述第二直流变换器的第一电容与第二集电器的输出端连接，所述第二直流变换器的第二电容与三相交错buck电路的输入端连接。
进一步地，其中，所述新能源电源均包括有MPPT控制器、boost电路以及光伏阵列，其中，
所述MPPT控制器，用于实现光伏阵列输出的最大功率跟踪；
所述boost电路，用于将光伏阵列输出的直流电进行升压。
另一方面，本发明还提供一种离网制氢方法，所述方法包括：
利用直流变换器，将新能源电源输出的直流电进行升压；
利用电压调节器，将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
进一步地，其中，所述直流变换器包括第一直流变换器以及第二直流变换器，其中，
所述第一直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行一级升压；
所述第二直流变换器，用于将经过一级升压后的直流电进行二级升压。
进一步地，其中，所述直流变换器还包括第一集电器，其中，
所述第一集电器，用于实现经过一级升压后的直流电的投切。
本发明提供了一种离网制氢系统及方法，无需经过光伏入网审批(即无需电网提供接入点)，可大幅缩短建设周期，规模和容量设置更灵活。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的离网制氢系统的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的离网制氢方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
大规模光伏并网制氢存在逆变、升压并网、传输、降压、整流制氢等多个环节，系统损耗高、建设成本高，而如图1所示的，本发明提供了一种离网制氢系统，所述系统包括新能源电源、直流变换器以及电压调节器，其中，
所述直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行升压；
所述电压调节器，用于将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
下面进行一个详细的说明。
对于新能源电源，本发明以100MW光伏汇集系统(即新能源电源的发电总功率为100MW)进行说明，所述新能源电源均包括有MPPT控制器、boost电路以及光伏阵列，MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点追踪)控制器、boost电路以及光伏阵列均为多个(N个，本实施例以N＝20进行说明)，其中：
所述光伏阵列，用于将太阳能转换为直流电进行发电，每个光伏阵列的发电功率均为2.5MW；
所述MPPT控制器，用于实现光伏阵列输出的最大功率跟踪，每个MPPT控制器均并联在一个光伏阵列的输出端，从而使得每个光伏阵列均带有MPPT功能；
所述boost电路，用于将光伏阵列输出的直流电进行升压，从而实现前级电压控制作用，其中，boost电路包括电感L1、二极管D1以及第一全控模块，电感L1与二极管D1串联，电感L1的一端连接在光伏阵列输出的正极，第一全控模块的阳极连接在电感L1与二极管D1之间的连接点，第一全控模块的阴极连接在光伏阵列输出的负极，其中，每个第一全控模块均包括全控型器件T1以及反并联的二极管，即二极管D2的阳极连接在全控型器件T1的阴极，二极管D2的阴极连接在全控型器件T1的阳极，其中，控型器件T1的连接在电感L1与二极管D1之间的连接点。
在本实施例中，对于直流变换器，具体的：
所述直流变换器包括第一直流变换器、第二直流变换器、第一集电器、第二集电器以及直流母线，其中：
所述第一直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行一级升压至±30kV，需要注意的是，本实施例中只是以±30kV为例，并不代表第一直流变换器只能将新能源电源输出的直流电进行一级升压至±30kV；
所述第二直流变换器，用于将经过一级升压后的直流电进行二级升压，从而输出适合电解设备(制氢设备)的电源。
所述第一集电器，用于实现经过一级升压后的直流电的投切。
所述第二集电器，用于将投切后的直流电进行调压并传输给第二直流变换器。
所述直流母线用于将经过第一集电器投切后的直流电传输(传输距离约20-40公里)至第二集电器，即第一集电器与第二集电器之间通过直流母线连接。其中，直流母线有两条，一条为+30KV的直流母线，另一条为-30KV的直流母线。
以下对直流变换器的各部件的电路拓扑进行详细地说明。
本发明实施例中，第一直流变换器以及第二直流变换器可以采用相同或相似的结构，本实施例以第一直流变换器以及第二直流变换器采用相同的结构进行示例性地说明，具体的：
所述第一直流变换器以及第二直流变换器均包括依次连接的第一电容C1、第一换流器、LLC谐振模块、隔离变压器和第二换流器以及第二电容C2。其中：
第一换流器包括两个并联的第一半桥，每个第一半桥均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有第二全控模块，每个第二全控模块均包括全控型器件T2以及反并联的二极管D3，即二极管D3的阳极连接在全控型器件T2的阴极，二极管D3的阴极连接在全控型器件T2的阳极。同一个第一半桥上，上桥臂上全控型器件T2的阴极与下桥臂上全控型器件T2的阳极连接。对不同的第一半桥，两个上桥臂上的全控型器件T2阳极相互连接，两个下桥臂上的全控型器件T2阴极相互连接。
LLC谐振模块包括谐振电感L2、谐振电容C3和激磁电感L3，其中，谐振电感L2、谐振电容C3和激磁电感L3依次串联，谐振电感L2的一端连接在其中一个第一半桥的中点，激磁电感L3的一端连接在另一个第一半桥的中点。另外，隔离变压器包括原边绕组和副边绕组，隔离变压器的原边绕组并联在激磁电感L3的两端，第一电容C1并联在其中一个第一半桥的两端。
第二换流器包括两个第二半桥，两个第二半桥并联，每个第二半桥也均分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂上均设有二极管D4。其中，对于同一个第二半桥，上桥臂上二极管D4的阳极连接在下桥臂二极管D4的阴极。对于不同的第二板桥，两个上桥臂二极管D4阴极相互连接，两个下桥臂二极管D4的阳极相互连接。隔离变压器的副边绕组的一端连接在其中一个第二半桥的中点，隔离变压器的副边绕组的另一端连接在另一个第二半桥的中点。第二电容C2与另一个第二半桥并联。
另外，在本实施例中，所述第一直流变换器的第一电容C1与新能源电源的输出端连接，即第一电容C1的两端分别连接在新能源电源输出端的正极和负极上。
所述第一集电器包括电容C4、开关S以及两个第三全控模块。其中，所述第三全控模块包括全控型器件T4以及反并联的二极管D5，即二极管D5的阳极连接在全控型器件T4的阴极，二极管D5的阴极连接在全控型器件T4的阳极。
两个全控型器件T4串联，其中一个全控型器件T4的阴极连接在另一个全控型器件T4的阳极，电容C4的一端连接在其中一个全控型器件T4的阳极，电容C4的另一端连接在另一个全控型器件T4的阴极。开关S的一端连接在另一个全控型器件T4的阳极，开关S的另一端连接在另一个全控型器件T4的阴极。
本实施例中，第一集电器有多个(N个)，多个第一集电器构成第一集电器模块，多个第一集电器串联，其串联的方式为：所有首第一集电器的开关S串联，且首第一集电器开关S通过电感L4连接在+30KV的直流母线的一端，末集电器的开关S连接在-30KV的直流母线的一端。
本实施例中，第一直流变换器也有多个(N个)，多个第一直流变换器与多个第一直流变换器一一对应连接，具体的：每个所述第一直流变换器的第二电容C2与对应第一集电器的输入端连接，即每个第一直流变换器的第二电容C2与对应的电容C4并联。
在本实施例中，第二集电器的电路拓扑与第一集电器相同，第二集电器也包括电容C4、开关S以及两个第三全控模块。
在本实施例中，第二集电器也有多个(N个)，多个第二集电器构成第二集电器模块，多个第二集电器串联，其串联的方式为：所有首第二集电器的开关S串联，且首第二集电器开关S通过电感L4连接在+30KV的直流母线的另一端，末集电器的开关S连接在-30KV的直流母线的另一端。每个所述第二直流变换器的第一电容C1与对应的第二集电器的输出端连接，即每个第二直流变换器的第一电容C1与对应的第二集电器的第二电容C2并联。
在本实施例中，所述电压调节器包括三相交错buck电路，三相交错buck电路有多个(N个)，每个所述三相交错buck电路的输入端与对应的第二直流变换器的输出端连接，所述三相交错buck电路的输出端能够与制氢设备连接。对于三相交错buck电路的拓扑，具体为：
三相交错buck电路包括电容C6、三个电感L5以及三个连接支路，其中，三个连接支路并联，每个连接支路均包括串联的第四全控模块和二极管D7。第四全控模块包括全控型器件T5以及反并联的二极管D6，即二极管D6的阳极连接在全控型器件T5的阴极，二极管D6的阴极连接在全控型器件T5的阳极。二极管D7的阴极连接在全控型器件T5的阴极，二极管D7的阳极连接在全控型器件T5的阴极。三个电感L5分别连接在三个连接支路的中点(即全控型器件T5与二极管D7之间的连接点)，三个电感L5的另一端均与电容C6的一端连接，电容C6的另一端与二极管D7的阳极连接。
在本实施例中，每相邻的两个电压调节器连接一个制氢设备，即每两个相邻的电压调节器组成一个电压调节器组。每个电压调节器组中的每个电压调节器中，三个电感L5的另一端均与制氢设备的一端连接，电容C6的另一端与制氢设备的另一端连接。
在本实施例中，每个所述第二直流变换器的第二电容C2与对应三相交错buck电路的输入端连接，即每个所述第二直流变换器的第二电容C2与对应三相交错buck电路的其中一个连接支路并联。
在本实施中，所有的全控型器件包括但不限于为IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强栅晶体管)。
本实施例中，所述系统具有如下效果：
1)第一LLC模块(多个第一直流变换器构成的第一LLC模块)：第一LLC模块中的第一直流变换器与对应升压器件(boost电路)并联，能进行电气隔离(由于第一直流变换器的输出端是高压，需要隔离，因此，能实现第一直流变换器的输入输出的电压隔离)，同时实现了电压跟随(第一直流变换器的输出电压跟随输入电压)，且减少了串联数；
2)集电器模块(多个第一集电器)：实现经过并联输入(第一集电器的输入端与电容C2并联)串联输出后的整体模块的投切；
3)直流线路(直流母线)：进行光伏电能的传输；
4)输出集电器(多个第二集电器)：实现输出模块(多个第一直流变换器)的电压调节作用；
5)第二LLC模块(多个第二直流变换器构成的第二LLC模块)：也能实现电气隔离，电压跟随作用；
6)三相交错buck电路：实现负载(制氢设备，图1中为电解槽)需要的0-800V电压灵活调节，，在制氢设备启动阶段尤为关键；
7)制氢设备：采用5MW的碱性电解水制氢设备(Alkaline Water Electrolysis，ALK)。
本实施例中，所述系统整体控制策略如下：
在大规模光伏汇集直流传输离网制氢系统中，当负载功率大于电源功率时，由电源控制功率；当电源功率大于负载功率时，由负载调节功率；
MPPT最大功率跟踪功能需要实现，后级增加LLC(第一LLC模块和第二LLC模块)后加三相交错并联buck电路，实现电解设备(制氢设备)的全电压范围条件和负载功率调节；整体输入输出功率平衡，Ur(实际参考电压)-30kV→PI调节总输入和总输出功率稳定，同时接收负载功率指令Pout，同时实现输入输出功率匹配。
整体运行控制量：
串联升压部分：MPPT控制光伏功率P0，Boost电路控制前级电压U0，LLC跟随电压U0(即第一直流变换器的输入电压跟随Boost电路的输出电压)，通过集电器模块控制串联模块投切，实现直流母线电压±30kV。
当负载功率大于电源功率时，由电源控制功率；当电源功率大于负载功率时，由负载调节功率；在控制或调节功率的过程中，还通过直流母线实现了20-30公里之间的通讯。
MPPT最大功率跟踪功能需要实现，后级增加两个LLC后加三相交错并联buck电路，实现电解设备的全电压范围条件和负载功率调节；通过控制整体输入输出功率平衡，Ur-30kV→PI调节总输入和总输出功率稳定，同时接收负载功率指令Pout，实现输入输出功率匹配。
初步策略
(1)如当光伏系统的发电功率(多个新能源电源总发电功率)在(2/3-1)P时，可采用控制功率，电解槽降功率运行；
(2)如当光伏系统的发电功率在(1/10-2/3)P时，可采用投切集电器(集电器模块和/或输出集电器)，实现负载和电源(新能源电源)的投切匹配(示例性的，例如输入的光伏阵列功率少，通过投切第二集电器，同时将对应的负载切除，实现输入输出匹配)；
(3)如当光伏系统的发电功率小于1/10P时，发送功率少，建议系统不允许运行。
本实施例的所述系统存在升压、传输、降压(通过三相交错并联buck电路进行的)制氢等环节，系统效率较并网制氢高，且离网运行对大电网没有影响，非常适合于大规模光伏离网制氢的应用场景，为未来新能源开发利用提供另外一种思路方案。
如图2所示的，另一方面，本实施还提供一种离网制氢方法，所述方法包括：
利用直流变换器，将新能源电源输出的直流电进行升压；
利用电压调节器，将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
在本实施例中，一种离网制氢方法各个步骤实现的功能以及实现方式与一种离网制氢系统中各部分的功能以及实现方式对应一致，因此，此处不再赘述。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1.一种离网制氢系统，所述系统包括新能源电源、直流变换器以及电压调节器，其中，
所述直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行升压；
所述电压调节器，用于将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
2.根据权利要求1所述的一种离网制氢系统，其中，所述直流变换器包括第一直流变换器以及第二直流变换器，其中，
所述第一直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行一级升压；
所述第二直流变换器，用于将经过一级升压后的直流电进行二级电压跟随或者升压。
3.根据权利要求2所述的一种离网制氢系统，其中，所述直流变换器还包括第一集电器，其中，
所述第一集电器，用于实现经过一级升压后的直流电的投切。
4.根据权利要求3所述的一种离网制氢系统，其中，所述直流变换器还包括第二集电器，其中，
所述第二集电器，用于将投切后的直流电进行调压并传输给第二直流变换器。
5.根据权利要求4所述的一种离网制氢系统，其中，所述直流变换器还包括直流母线，所述直流母线用于将经过第一集电器投切后的直流电传输至第二集电器。
6.根据权利要求5所述的一种离网制氢系统，其中，所述电压调节器包括三相交错buck电路，其中，
所述三相交错buck电路的输入端与第二直流变换器的输出端连接，所述三相交错buck电路的输出端能够与制氢设备连接。
7.根据权利要求6所述的一种离网制氢系统，其中，所述第一直流变换器以及第二直流变换器均包括依次连接的第一电容、第一换流器、LLC谐振模块、隔离变压器和第二换流器以及第二电容。
8.根据权利要求7所述的一种离网制氢系统，其中，所述第一直流变换器的第一电容与新能源电源的输出端连接，所述第一直流变换器的第二电容与第一集电器的输入端连接。
9.根据权利要求7所述的一种离网制氢系统，其中，所述第二直流变换器的第一电容与第二集电器的输出端连接，所述第二直流变换器的第二电容与三相交错buck电路的输入端连接。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种离网制氢系统，其中，所述新能源电源均包括有MPPT控制器、boost电路以及光伏阵列，其中，
所述MPPT控制器，用于实现光伏阵列输出的最大功率跟踪；
所述boost电路，用于将光伏阵列输出的直流电进行升压。
11.一种离网制氢方法，所述方法包括：
利用直流变换器，将新能源电源输出的直流电进行升压；
利用电压调节器，将通过直流变换器升压后的直流电进行电压调节，以实现制氢设备的电压调节。
12.根据权利要求11所述的一种离网制氢方法，其中，所述直流变换器包括第一直流变换器以及第二直流变换器，其中，
所述第一直流变换器，用于将新能源电源输出的直流电进行一级升压；
所述第二直流变换器，用于将经过一级升压后的直流电进行二级升压。
13.根据权利要求11所述的一种离网制氢方法，其中，所述直流变换器还包括第一集电器，其中，
所述第一集电器，用于实现经过一级升压后的直流电的投切。
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