CN116695153A - 电解器电力转换 - Google Patents

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R·罗伊
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Abstract

一种用于电解器的电力控制装置，其经配置以：从多个电源接收电流；对来自所述多个电源的第一子集的交流电进行整流；对来自所述多个电源的第二子集的直流电进行转换；将电力从电源的所述第一子集和所述第二子集提供到能量总线；以及在所述电解器处从所述能量总线接收电力。

Description

电解器电力转换
优先权信息
本申请要求2022年3月4日提交的第63/316,964号美国临时专利申请的权益，所述申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例大体上涉及电解器系统，且更具体地说，涉及电解器系统的电力转换。
背景技术
电解器为消耗电力以便通过分解水分子或其它烃燃料分子产生氢气的装置。电解器的输入电源可以是主电网(即，公用电网)、微电网或其组合。一般来说，微电网可经配置以包含一或多个分布式电力资源(DER)，例如太阳能、风能、地热能、水能、储能、常规电力资源等。主电网还可包含若干分布式电力资源。
电力系统(EPS)，无论它是主电网还是微电网，都会经历由EPS网络上的总发电功率与总负载功率之间的平衡的中断引起的各种波动。因为DER中连接的可再生能源产生的电力具有间歇性质，所以此类波动越来越明显。当网络上的发电功率量大于总负载功率时，那么电力系统的电压和/或频率增加。类似地，当总负载功率量大于发电功率时，那么电力系统的电压和/或频率减小。
发明内容
因此，本发明的实施例涉及电解器电力转换，其大体上消除由相关技术的局限性和缺点导致的一或多个问题。
以下描述将阐述本发明的额外特征和优点，并且这些特征和优点的一部分将在描述中显而易见，或者可通过实践本发明而习得。本发明的目标和其它优点将通过在书面描述和其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些和其它优点，并且根据本发明的目的，如具体实施和广泛描述的，所述电解器电力转换包含一种用于电解器的电力控制装置，其经配置以：从多个电源接收电流；对来自所述多个电源的第一子集的交流电进行整流；对来自所述多个电源的第二子集的直流电进行转换；将电力从电源的所述第一子集和所述第二子集提供到能量总线；以及在所述电解器处从所述能量总线接收电力。
应理解，前述一般描述和以下详细描述均为示例性的和解释性的，并旨在提供对所要求的本发明的进一步解释。
附图说明
附图被包含在内以提供本发明的进一步理解，并且并入在本说明书中并构成本说明书的一部分，其图示本发明的实施例且与描述内容一起用来解释本发明的原理。
图1说明根据本发明的实例实施例的具有电负载的电解器系统。
图2说明根据本发明的实例实施例的具有多个DC电源和多个负载的系统。
图3说明根据本发明的实例实施例的具有用于具有不同电源的电解器的第一级架构的系统。
图4说明根据本发明的实例实施例的具有用于具有不同电源的电解器的第二级架构的系统。
图5说明根据本发明的实例实施例的具有两级电力转换的系统。
图6说明基于DC总线电压的堆DCDC和加热器DCDC的电力缩减。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种实施例。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定实例和实施方案作出的参考是出于说明性目的，且并不意图限制本发明实施例或权利要求书的范围。
电解器为消耗电能和热能以通过分解水分子产生氢气的装置。电解器所需的热能可由电解器内部的电能产生。替代地或另外，可从外部源供应热能，通常通过例如其它工艺的副产物供应热能。在电解器中，在热能来源于电能的情况下，电解所需的总电能是堆所需的电能以及用于产生所需热能的电能的总和。
一或多个电源可用于电能。电解器的输入电源可以是主电网(即，公用电网)、微电网或其组合。一般来说，微电网包含一或多个分布式电力资源(DER)，例如太阳能、风能、地热能、水能、储能(例如，电池)、常规电力资源等。
电力系统(EPS)，无论它是主电网还是微电网，都会经历由EPS网络上的总发电功率与总负载功率之间的平衡的中断引起的各种波动。因为DER中连接的可再生能源产生的电力具有间歇性质，所以此类波动越来越明显。当网络上的发电功率量大于总负载功率时，那么电力系统的电压和/或频率增加。类似地，当总负载功率量大于发电功率时，那么电力系统的电压和/或频率减小。另外，举例来说，微电网中的分布式电源可为AC耦合的微电网或DC耦合的微电网，或其组合。
因此，本发明人已经开发了一种架构，其足够灵活以接受电源和负载的变化而不需要在每一部位处进行定制。各种实施例对电解器电源实施两级电力转换。此处，电解器设备中的氢气生产速率基于输入电源的条件，并且可以根据输入电源的条件进行调整。
另外，各种实施例提供了灵活的电架构，以组合电资源的不同组合，并通过遵循预设的优先级将所述电力分配到不同负载。此架构允许添加和移除不同的发电机资源和负载，而不需要定制解决方案。
电解的电力要求
无论是在低温还是高温下，电解器都利用电能和热能两者来分解水分子。
低温电解器通过电解槽自身(即通过电解槽中的I2R损耗)产生用于化学反应的热能，其中I是电流且R是电阻。因此，在一些实施例中，不将单独的热能供应到电解器堆。然而，高温电解器(例如固体氧化物电解器(SOEC))利用额外热能以将所述堆保持在所需的高温下(例如，大于750℃)。此外，SOEC通常在比热中性电压低得多的电池电压下开始操作，使得需要额外热能来补偿SOEC中的吸热反应。此热能在补偿吸热反应的同时使电解器堆保持为热，且可由外部源引起和/或可由电能和加热器(例如堆加热器和空气加热器)产生。
与以液态水为输入的低温电解器不同，高温电解器SOEC需要蒸汽作为输入。这可以通过直接从外部源获得蒸汽和/或可以通过使用水加热器(例如蒸发器)在电解器内部产生蒸汽来实现。
根据供应到电解器堆的电能(电力)的量确定氢气生产的量或速率。供应到所述堆的电力等于电解器堆电压乘以供应到电解器堆的电流。堆电压又是堆电流和其它物理和化学参数的函数。由于其它物理和化学参数在正常操作期间保持恒定，因此实施例导出可由单个变量(即，堆电流)控制的堆电力。在实施例中，各种电化学系统可能需要额外电力来覆盖电厂辅助设施组件，例如鼓风机、风扇、阀门、监测设备等。
图1说明根据本发明的实例实施例的具有电负载的电解器系统100。系统100描绘实例固体氧化物电解器系统。实例电负载包含用于将电解器堆保持在热箱内所需高温下的加热器、用于将液态水转换为蒸汽的加热器、电解器堆和电厂辅助设施。
如图1中所说明，系统100包含固体氧化物电解器堆201、堆加热器202、空气加热器203和蒸发器204。将堆500的电能供应到SOEC堆201。将堆加热器501的电能供应到堆加热器202。将空气加热器502的电能供应到空气加热器203，且将蒸发器503的电能供应到蒸发器204。空气输入600在环境温度下供应到空气加热器203。受热空气601被供应到SOEC堆201。液态水602被供应到蒸发器204。蒸汽(或超热或过热蒸汽)被供应到SOEC堆201。
在各种实施例中，架构经配置以在具有或不具有空气加热器和/或水加热器的情况下支撑电解器以保持SOEC堆201被加热。电解器可任选地使用电解器内部的堆、空气和水加热器中的一或多者。替代地，当从外部源提供热能时，可以省略堆、空气和水加热器中的一或多者。
加热器控制
存在多种设计方法来实现在容纳电解器堆的热箱内部的温度控制。一种此类方法为使用一组加热器直接通过辐射来加热电解器堆，且使用第二组加热器来加热空气且将所述热空气传送到电解器堆。使用多个加热器的这种类型的控制实现跨越热箱的精确温度控制和热均匀性。
由加热器产生的热能与I2R或V2/R成比例，其中I和V为加热器电流和电压，且R为加热器元件的电阻。加热器电源设计者可以选择哪个参数(即V或I)来控制加热器电力。此处，这两个参数为等效的。在本公开中，在一些示例中描述电压控制，但实施例不限于此。实施例包含V和I控制两者。
从固定电压获得可变电压的一种技术是通过使用具有AC电压的一或多个可控硅整流器(SCR)。这可用于低电力应用，然而，在例如闪烁的电应用中使用基于SCR的可变AC电压源和尤其在轻负载下的不良电力因子方面存在若干缺点。另一缺点是大量可用的短路电流，因为AC电源通常是公用电网，因此这种高可用的短路可能会在短路期间在热箱内产生危险的高电弧闪光能量。
图2说明根据本发明的实例实施例的具有多个DC电源和多个负载的系统200。系统200描绘实例固体氧化物电解器系统。此处，加热器电力控制具备可调整的DC电压。如图2中所说明，系统200包含多个DC电源，包含具有用于为SOEC堆201供电的可调整电流(0-Irated)110的DC源、具有用于为堆加热器202供电的可调整电压(0-Vrated)121的DC源、具有用于为空气加热器203供电的可调整电压(0-Vrated)122的DC源，以及具有用于为蒸发器204供电的可调整电压(0-Vrated)123的DC源。
将堆500的电能供应到SOEC堆201。将堆加热器501的电能供应到堆加热器202。将空气加热器502的电能供应到空气加热器203，且将蒸发器503的电能供应到蒸发器204。空气输入600在环境温度下被供应到空气加热器203。受热空气601被供应到SOEC堆201。液态水602被供应到蒸发器204。蒸汽(或超热或过热蒸汽)被供应到SOEC堆201。
堆电力控制
供应到SOEC堆的电力以及因此氢气生产通常通过控制流动通过所述堆的DC电流来控制。因此，在一些实施例中，堆需要DC电源。
第一级转换：电解器设备的电源
电解器设备的电源可来自一或多个源。公用电网为公共电源，然而，存在可以电耦合到主电网的若干其它源，例如备用发动机发电机、太阳能、风能、储能(例如，电池)、地热能、水能等。电力资源可为耦合到电网的AC以将一个AC输入提供到电解器设备，或电力资源可为多个不同AC源或DC源。在各种实施例中，使用DC总线，所有电源可经由相应电力转换器电连接到所述DC总线。
图3说明根据本发明的实例实施例的具有用于具有不同电源的电解器的第一级架构的系统300。
如图3中所说明，系统300包含：连接到公用设备700的ACDC转换器(整流器)、连接到发动机发电机701的ACDC转换器(整流器)、具有连接到太阳能702的最大电力点跟踪(MPPT)的DCDC转换器，以及连接到存储系统703的DCDC转换器。
来自公用设备710的AC输入被供应到连接到公用设备700的ACDC转换器(整流器)。来自发动机发电机711的AC输入被供应到连接到发动机发电机701的ACDC转换器(整流器)。来自太阳能板712的DC输入被供应到具有连接到太阳能702的MPPT的DCDC转换器。来自电池713的DC输入被供应到连接到存储系统703的DCDC转换器。
连接到公用设备700的ACDC转换器(整流器)将来自公用整流器540的DC输出供应到DC总线550。连接到发动机发电机701的ACDC转换器(整流器)将来自发电机整流器541的DC输出供应到DC总线550。具有连接到太阳能702的MPPT的DCDC转换器将来自太阳能DCDC542的DC输出供应到DC总线550。连接到存储系统703的DCDC转换器将来自储能DCDC 543的DC输出供应到DC总线550。
取决于电源类型，不同电源可以通过ACDC转换器(整流器)或通过DCDC转换器连接到公共总线。公用发电机和发动机发电机为分别通过其对应整流器700、701将电力供应到DC总线550的AC源。太阳能电源和电池电源为分别通过DCDC转换器702、703将电力供应到DC总线550的DC源。连接到系统DC总线550的整流器和DCDC使用各种DC下降控制方法并行操作。举例来说，各种下降控制方法描述于2023年1月31日提交的标题为“电网支持的电解器(GRID SUPPORTING ELECTROLYZER)”的第18/162,060号美国专利申请中，所述美国专利申请以引用的方式并入本文中。
一或多个额外电源可在操作期间的任何时间点通过接口转换器(例如，基于电源类型的整流器或DCDC)电耦合到系统DC总线550，只要所添加转换器的输出跟踪总线上的剩余转换器的DC下降控制即可。类似地，如果电力资源中的一些被暂时中断或在一段延长的时间内中断，那么可在不调整剩余系统的设计的情况下进行。
第二级转换：将电解器负载连接到公共DC总线
图4说明根据本发明的实例实施例的具有用于具有不同电源的电解器的第二级架构的系统400。
如图4中所说明，具有来自不同电解器的不同负载的电架构连接到一个DC总线550。举例来说，电解器400.1-400.n的组件通过段DCDC 551的DC输入和加热器DCDC552的DC输入电耦合到DC总线550。
由于每一负载所需的电压和电流彼此不同且不同于DC总线电压，因此每一负载通过接口DCDC转换器连接到DC总线550。DCDC转换器经配置以提供0到全额定电压之间的可变电压，或提供0到全额定电流之间的可变电流，这取决于负载要求。DCDC还提供输入与输出之间的电隔离。由于每一相应电解器400.1-400.n中的电解器堆201接地，因此气体隔离有助于避免接地回路，且还有助于避免来自不同电路的高故障电流通过电解器堆。
如图4中所说明，可存在连接到一个DC总线550的N数目个电解器400.1-400.n，且每一相应电解器400.1-400.n可具有一或多个堆和一或多个堆DCDC转换器、多个加热器(例如，202、203、204、20x)和其自身的DCDC 12x。多个DCDC可连接到一个加热器或一个DCDC可连接到多个加热器，这取决于电力要求。
另外，此架构允许移除或添加电解器单元，只要总线上存在足够电力以支持移除或添加电解器400.1-400.n即可。另外，取决于产生热能的方式，此架构支持移除或添加加热器12x和加热器电源20x。
两级的电力转换
图5说明根据本发明的实例实施例的具有两级电力转换的系统500。图5的元件与结合图1到4所描绘和描述的那些元件相同。
负载的优先级排序
SOEC热箱内频繁的深度热循环可潜在地加速SOEC堆的降级。为了避免深度热循环，即使当电解器不产生氢气时，SOEC也尽可能地保持在预定的高温下。
图6说明基于DC总线电压的堆DCDC 100和加热器DCDC 12x的电力缩减。
当DC总线550上不存在足够可用的电力时，加热器优先于堆电力和水加热器。实施例通过对连接的负载中的下降特性进行编程来促成优先级。当DC总线550上的电压由于负载产生不平衡而下降时，连接的电解器中的DCDC 110可确定点551处的电压并减小其到电解器堆的电力，以帮助恢复DC总线550。如果可用电压仍下降，那么在加热器DCDC 12x恢复操作之前，堆电力500可完全减小到零。
其它电解器制造商使用具有一些固有缺点(例如，隔离要求、电力因子问题等)的单级转换。本文中所描述的架构解决上文所提到的缺点，以及在不需要系统重新设计的情况下提供添加/移除不同电源和负载的更大灵活性。
所属领域的技术人员将显而易见，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下在本发明的电解器电力转换中进行各种修改和变化。因此，希望本发明涵盖本发明的修改及变化，前提是这些修改及变化在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (18)

1.一种用于电解器的电力控制装置，其经配置以：
从多个电源接收电流；
对来自所述多个电源的第一子集的交流电进行整流；
对来自所述多个电源的第二子集的直流电进行转换；
将电力从电源的所述第一子集和所述第二子集提供到能量总线；以及
在所述电解器处从所述能量总线接收电力。
2.根据权利要求1所述的电力控制装置，其中所述多个电源的所述第一子集包含电网。
3.根据权利要求2所述的电力控制装置，其中所述电网是公用电网、微电网或其组合。
4.根据权利要求1所述的电力控制装置，其中所述多个电源的所述第二子集包含太阳能系统或电池能量存储系统。
5.根据权利要求1所述的电力控制装置，其中第一级在所述能量总线之前，且第二级由所述能量总线供电。
6.根据权利要求1所述的电力控制装置，其中所述电解器的不同负载元件响应于可用电力的减小而具有不同优先级。
7.根据权利要求6所述的电力控制装置，其中加热器的优先级高于电解器堆。
8.根据权利要求6所述的电力控制装置，其中所述电解器的负载元件根据在相应负载元件处编程的下降特性而进行优先级排序。
9.根据权利要求6所述的电力控制装置，其中响应于可用电力的减小，将堆电力减小到零。
10.一种用于电解器的电力控制方法，所述方法包括：
从多个电源接收电流；
对来自所述多个电源的第一子集的交流电进行整流；
对来自所述多个电源的第二子集的直流电进行转换；
将电力从电源的所述第一子集和所述第二子集提供到能量总线；以及
在所述电解器处从所述能量总线接收电力。
11.根据权利要求10所述的电力控制方法，其中所述多个电源的所述第一子集包含电网。
12.根据权利要求11所述的电力控制方法，其中所述电网是公用电网、微电网或其组合。
13.根据权利要求10所述的电力控制方法，其中所述多个电源的所述第二子集包含太阳能系统或电池能量存储系统。
14.根据权利要求10所述的电力控制方法，其中第一级在所述能量总线之前，且第二级由所述能量总线供电。
15.根据权利要求10所述的电力控制方法，其中所述电解器的不同负载元件响应于可用电力的减小而具有不同优先级。
16.根据权利要求15所述的电力控制方法，其中加热器的优先级高于电解器堆。
17.根据权利要求15所述的电力控制方法，其中所述电解器的负载元件根据在相应负载元件处编程的下降特性而进行优先级排序。
18.根据权利要求15所述的电力控制方法，其中响应于可用电力的减小，将堆电力减小到零。
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