CN116207870A - 一种风电制氢系统及控制方法 - Google Patents

一种风电制氢系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种风电制氢系统及控制方法；风电制氢系统包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；双馈风力发电机的定子连接制氢设备；双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源；制氢设备，用于将定子输出的交流电转换为制氢所需的电能，进行氢气的制备。由于制氢设备连接在定子侧，风电制氢系统不会受到变流器的容量限制，能够接入大容量的制氢设备。另外，由于双馈风力发电机的定子与电源无连接，使定子与电源解耦，避免电源的波动性或故障引起双馈风力发电机的过电压和过电流，提高了双馈风力发电机运行的稳定性。

Description

一种风电制氢系统及控制方法
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电制氢系统及控制方法。
背景技术
风力发电是一种重要的新能源发电方式。双馈风力发电机组由于定子直接连接电网，转子通过变流器连接电网，采用的变流器容量仅为双馈风力发电机组容量的1/3左右，因此双馈风力发电机得到了广泛应用。
现有的风电制氢方案，在双馈风力发电机组中，多采用在变流器的直流侧连接制氢设备实现风电制氢。但是变流器直流侧的容量有限，不能充分满足制氢系统大容量发展的趋势，一定程度上限制了风电制氢的应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种风电制氢系统及控制方法，能够实现大容量的风电制氢。
为解决上述问题，本申请提供的技术方案如下：
本申请第一方面提供一种风电制氢系统，包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；
双馈风力发电机的定子连接制氢设备；
双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源；
制氢设备，用于将定子输出的交流电转换为制氢所需的电能，进行氢气的制备。
可选地，制氢设备包括：制氢电源、电解槽；
制氢电源，用于将定子输出的交流电转换为制氢所需的电能；
电解槽，用于实现氢气的制备。
可选地，还包括：控制器；
控制器，用于控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式；
恒功率制氢模式，包括：根据预设定子功率，控制定子的输出功率；预设定子功率对应的双馈风力发电机的预设总功率，小于等于双馈风力发电机的当前可用功率；
变功率制氢模式，包括：根据当前可用功率和转差率，控制定子的输出功率。
可选地，控制器，具体用于根据外部调度指令，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
可选地，控制器，具体用于根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
可选地，控制器，具体用于当当前可用功率大于等于制氢设备的需求功率时，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式。
可选地，控制器，具体用于当当前可用功率小于需求功率时，控制风电制氢系统运行于变功率制氢模式。
本申请第二方面提供一种风电制氢系统的控制方法，风电制氢系统包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；双馈风力发电机的定子连接制氢设备；双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源；
方法包括：
控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式；
恒功率制氢模式，包括：根据预设定子功率，控制定子的输出功率；预设定子功率对应的双馈风力发电机的预设总功率，小于等于双馈风力发电机的当前可用功率；
变功率制氢模式，包括：根据当前可用功率和转差率，控制定子的输出功率。
可选地，具体根据外部调度指令，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
可选地，具体根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
可选地，根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式，具体包括：
当当前可用功率大于等于需求功率时，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式。
可选地，根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式，具体包括：
当当前可用功率小于需求功率时，控制风电制氢系统运行于变功率制氢模式。
由此可见，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的风电制氢系统，包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备。双馈风力发电机的定子连接制氢设备。双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源。由于制氢设备连接在定子侧，风电制氢系统不会受到变流器的容量限制，能够接入大容量的制氢设备；转子通过变流器连接电源，参与电源的电能调节。另外，由于双馈风力发电机的定子与电源无连接，使定子与电源解耦，避免电源的波动性或故障引起双馈风力发电机的过电压和过电流，提高了双馈风力发电机运行的稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种风电制氢系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种风电制氢系统的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种风电制氢系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请提供的技术方案，下面先对双馈风力发电机进行简要介绍。
双馈风力发电机中，定子输出的是恒频恒压的交流电，可直接并入电网。
双馈风力发电机的转子输出功率受到转差率影响。转子的输出功率经过变流器变换满足并网要求后，也可以并入电网。变流器能够按运行要求，对转子输出电压的频率、幅值和相位等进行调节，在不同的转速下实现恒频发电，满足并网要求。
风电制氢系统，是将风力产生的电能用于电解水制备氢气。传统的风电制氢系统，制氢设备连接在变流器的直流侧。但是，变流器的容量通常仅为双馈风力发电机组容量的1/3左右，使得直流侧容量有限，难以实现大容量的风电制氢。
下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种风电制氢系统的示意图。
本申请实施例提供的风电制氢系统，包括：双馈风力发电机(Doubly fedInduction Generator,DFIG)、变流器100和制氢设备200。
双馈风力发电机DFIG的定子连接制氢设备200。
本申请不具体限定制氢设备200的具体拓扑，例如：制氢设备可以包括制氢电源和电解槽；还可以包括氢采集装置。
双馈风力发电机DFIG的转子连接变流器100的第一端；变流器100的第二端用于连接电源。
图1仅为一种可能的具体实现方式；变流器100的第二端用于连接电源，具体地，电源是电网；在其他可能的实现方式中，电源也可以是储能设备等；本申请对此不做限定。当变流器100的第二端连接的电源为电网时，本申请同样不具体限定电网的类型；例如：连接交流电网时，变流器具体为AC-DC-AC变换装置；连接直流电网时，变流器具体可以为AC-DC变换装置。
制氢设备200，用于将定子输出的交流电转换为制氢所需的电能，进行氢气的制备。
本申请实施例提供的风电制氢系统，包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备。双馈风力发电机的定子连接制氢设备。双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源。由于制氢设备连接在定子侧，风电制氢系统不会受到变流器的容量限制，能够接入大容量的制氢设备；转子通过变流器连接电源，参与电源的电能调节。另外，由于双馈风力发电机的定子与电源无连接，使定子与电源解耦，避免电源出现波动性或故障引起双馈风力发电机的过电压和过电流，提高了双馈风力发电机运行的稳定性。
在一些实施例中，风电制氢系统还可以包括控制器，以控制风电制氢系统运行于不同模式。下面结合附图介绍一种可能的具体实现方式。
参见图2，该图为本申请实施例提供的另一种风电制氢系统的示意图。
本申请实施例提供的风电制氢系统，包括：双馈风力发电机DFIG、变流器100、制氢设备和控制器(图中未示出)；具体地，制氢设备包括：制氢电源201和电解槽202。
制氢电源201的输入端连接双馈风力发电机DFIG的定子，制氢电源201的输出端连接电解槽202。
制氢电源201，用于将定子输出的交流电转换为符合电解槽202要求的电能。具体地，制氢电源201可以具体为AC-DC-DC变换装置。
电解槽202，用于通过电解水的方式，实现氢气的制备。
在一种可能的实现方式中，制氢设备还进一步包括氢采集装置，用于对电解槽202产生的氢气进行收集存储。
控制器，用于控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
恒功率制氢模式，具体是指：根据预设定子功率，控制定子的输出功率。例如控制定子的输出功率维持在预设定子功率，以保持恒功率。
其中，预设定子功率对应的双馈风力发电机的预设总功率，小于等于双馈风力发电机的当前可用功率。
当预设定子功率为P1时，变流器输出的功率为sP1，s为DFIG的转差率；则DFIG的预设总功率为P2＝P1(1+abs(s))；abs(s)为s的绝对值。
设DFIG的当前可用功率为P0，则P2≤P0；否则，定子难以达到预设定子功率。
其中，DFIG的当前可用功率，具体可以通过预测得到，也可以通过实时计算得到；本申请对此不做具体限定。
变功率制氢模式，具体是指：根据当前可用功率和转差率，控制定子的输出功率。
与以上公式同理，当DFIG的当前可用功率为P0时，对应地，控制定子的输出功率为P1max＝P0/(1+abs(s))；s为DFIG的转差率，abs(s)为s的绝对值。可以看出，定子的输出功率是随着当前可用功率和转差率的变化而变化的。
本申请不具体限定风电制氢系统运行在恒功率制氢模式或变功率制氢模式时对应的具体条件，例如：可以是控制器接收外部下发的调度指令，控制风电制氢系统的具体运行模式；也可以由控制器内部检测，自动控制风电制氢系统的具体运行模式。
当采用控制器自动控制运行模式时，具体地，控制器根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
当当前可用功率大于等于制氢设备的需求功率时，控制器控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式。
当当前可用功率大于等于制氢设备的需求功率时，调节定子的输出功率为预设定子功率；定子在恒功率输出的情况下，使制氢设备的功率满足其需求功率，制氢设备能够稳定安全地按照对应的需求工作。
当当前可用功率小于需求功率时，控制器控制风电制氢系统运行于变功率制氢模式。
当当前可用功率小于需求功率时，表示在各种情况下双馈风力发电机的输出功率均无法满足制氢设备的原有需求。此时，为了尽可能地提高制氢功率，控制器控制风电制氢系统运行于变功率制氢模式；根据当前可用功率，转换得到对应的定子的最大功率。
控制器，还用于在双馈风力发电机DFIG的当前可用功率大于等于制氢设备的功率下限时，控制DFIG启动。
应该理解，在双馈风力发电机DFIG的当前可用功率大于等于制氢设备的功率下限时，再控制DFIG启动，否则DFIG输出给制氢设备的功率过低，制氢设备无法正常运行。
当变流器100的第二端所连的电源为电网时，在DFIG的转速满足变流器可并网转速时，控制变流器100启动。
DFIG的转速过快或过慢时，转子的输出功率通过变流器调节仍难以满足并网要求，导致电网安全性变差。因此，仅在转速满足变流器可并网转速时，控制变流器100启动。
本申请实施例提供的风电制氢系统，还包括控制器，控制器控制风电制氢系统运行于不同的模式，模式包括：恒功率制氢模式和变功率制氢模式，使风电制氢系统更加灵活。进一步地，控制器可以根据双馈风力发电机的当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统的模式；实现自动化控制，并且使定子的输出功率尽可能符合制氢设备的需求功率，便于按预期要求控制。
基于以上实施例提供的风电制氢系统，本申请实施例还提供一种风电制氢系统的控制方法，下面进行详细介绍。
本申请实施例提供的风电制氢系统的控制方法，应用于以上实施例介绍的风电制氢系统。
风电制氢系统包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；双馈风力发电机的定子连接制氢设备；双馈风力发电机的转子连接变流器的第一端；变流器的第二端用于连接电源。
该方法包括：控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式。
恒功率制氢模式，包括：根据预设定子功率，控制定子的输出功率。
其中，预设定子功率对应的双馈风力发电机的预设总功率，小于等于双馈风力发电机的当前可用功率。
变功率制氢模式，包括：根据当前可用功率和转差率，控制定子的输出功率。
由于风电制氢系统中，定子与制氢设备连接，因此，调节定子的输出功率，相当于调节制氢设备的功率。
本申请不具体限定风电制氢系统运行在恒功率制氢模式或变功率制氢模式时对应的具体条件，例如：可以是根据外部下发的调度指令，控制风电制氢系统的具体运行模式；也可以根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，自动控制风电制氢系统的具体运行模式。
下面以控制器具体根据当前可用功率和制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式为例，介绍一种可能的具体实现方式。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种风电制氢系统的控制方法的流程图。
该方法包括：
S301：判断双馈风力发电机的当前可用功率是否大于等于制氢设备的功率下限，如果是，执行步骤S302。
S302：控制双馈风力发电机启动。
在双馈风力发电机的当前可用功率大于等于制氢设备的功率下限时，再控制双馈风力发电机启动，否则双馈风力发电机输出给制氢设备的功率过低，制氢设备无法正常运行。
S303：判断双馈风力发电机的转速是否满足变流器可并网转速，如果是，执行步骤S304。
S304：控制变流器启动。
双馈风力发电机的转速过快或过慢时，转子的输出功率通过变流器调节仍难以满足并网要求，导致电网安全性变差。因此，仅在转速满足变流器可并网转速时，控制变流器启动。
S305：判断双馈风力发电机的当前可用功率是否大于等于制氢设备的需求功率，如果是，执行步骤S306；如果否，执行步骤S307。
S306：控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式。
当当前可用功率大于等于需求功率时，调节定子的输出功率为预设定子功率；定子在恒功率输出的情况下，制氢设备的功率符合需求；避免定子功率超出需求功率导致多余电能难以消纳；制氢设备能够稳定安全、且按照预期需求工作。
其中，预设定子功率对应的双馈风力发电机的预设总功率，小于等于双馈风力发电机的当前可用功率；即设置的预设定子功率应在双馈风力发电机能提供的功率范围。
S307：控制风电制氢系统运行于变功率制氢模式。
当当前可用功率小于需求功率时，表示在不同情况下双馈风力发电机定子的输出功率均在制氢设备的正常工作范围内。此时，为了尽可能提高制氢功率，根据当前可用功率和转差率，追踪定子对应的最大输出功率。
当DFIG的当前可用功率为P0时，对应地，控制定子的输出功率为P1max＝P0/(1+abs(s))；s为DFIG的转差率，abs(s)为s的绝对值。
本申请实施例提供的风电制氢系统的控制方法，控制风电制氢系统运行于不同的模式，模式包括：恒功率制氢模式和变功率制氢模式，使风电制氢系统更加灵活。进一步地，本方法在双馈风力发电机的当前可用功率大于等于制氢设备的需求功率，控制风电制氢系统运行于恒功率制氢模式，使定子的输出功率符合制氢设备的需求功率，控制更加安全可靠；在当前可用功率小于需求功率时，根据当前可用功率和转差率追踪对应的定子最大输出功率，在无法满足需求功率时，也尽可能提高制氢功率；整体上进一步实现自动化控制，方便操作。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (12)

1.一种风电制氢系统，其特征在于，包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；
所述双馈风力发电机的定子连接所述制氢设备；
所述双馈风力发电机的转子连接所述变流器的第一端；所述变流器的第二端用于连接电源；
所述制氢设备，用于将所述定子输出的交流电转换为制氢所需的电能，进行氢气的制备。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制氢设备包括：制氢电源、电解槽；
所述制氢电源，用于将所述定子输出的交流电转换为所述制氢所需的电能；
所述电解槽，用于实现氢气的制备。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：控制器；
所述控制器，用于控制所述风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式；
所述恒功率制氢模式包括：根据预设定子功率，控制所述定子的输出功率；所述预设定子功率对应的所述双馈风力发电机的预设总功率，小于等于所述双馈风力发电机的当前可用功率；
所述变功率制氢模式包括：根据所述当前可用功率和转差率，控制所述定子的输出功率。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器，具体用于根据外部调度指令，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器，具体用于根据所述当前可用功率和所述制氢设备的需求功率，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器，具体用于当所述当前可用功率大于等于所述制氢设备的需求功率时，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器，具体用于当所述当前可用功率小于所述需求功率时，控制所述风电制氢系统运行于所述变功率制氢模式。
8.一种风电制氢系统的控制方法，其特征在于，所述风电制氢系统包括：双馈风力发电机、变流器和制氢设备；所述双馈风力发电机的定子连接所述制氢设备；所述双馈风力发电机的转子连接所述变流器的第一端；所述变流器的第二端用于连接电源；
所述方法包括：
控制所述风电制氢系统运行于恒功率制氢模式或变功率制氢模式；
所述恒功率制氢模式包括：根据预设定子功率，控制所述定子的输出功率；所述预设定子功率对应的所述双馈风力发电机的预设总功率，小于等于所述双馈风力发电机的当前可用功率；
所述变功率制氢模式包括：根据所述当前可用功率和转差率，控制所述定子的输出功率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，具体根据外部调度指令，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，具体根据所述当前可用功率和所述制氢设备的需求功率，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前可用功率和所述制氢设备的需求功率，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式，具体包括：
当所述当前可用功率大于等于所述需求功率时，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前可用功率和所述制氢设备的需求功率，控制所述风电制氢系统运行于所述恒功率制氢模式或所述变功率制氢模式，具体包括：
当所述当前可用功率小于所述需求功率时，控制所述风电制氢系统运行于所述变功率制氢模式。
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