CN116896272A - 一种新能源电解水制氢电源的控制方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种新能源电解水制氢电源的控制方法、装置。其中，该方法包括：基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；基于质子交换膜电解槽的参数的关系及制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。本公开通过分别对制氢侧、新能源侧建模并分析生成新能源侧电源控制策略，使新能源侧电源实现了高效率、低纹波、大功率特性，提升了对制氢侧的适用性。
Description
技术领域
本公开涉及新能源、氢能应用领域，具体而言，涉及一种新能源电解水制氢电源的控制方法、装置。
背景技术
利用新能源电解水制氢是实现新能源就地消纳和绿氢制备的重要途径。制氢电源作为新能源与质子交换膜PEM电解槽连接的中间环节，需满足新能源侧波动功率消纳，适配PEM电解槽工作特性。
现有技术中，硬件电路采用隔离型电解水制氢变换器作为新能源侧主电路，对所述电路进行拓扑与控制优化，但存在功率等级低、成本较高、开关管所承受的电流应力较大、控制较为复杂等问题，并且未将降低输出电流纹波作为电解水制氢电源的重要设计指标。针对单台变换器无法满足新能源制氢的大功率高效传输要求的问题，多模块制氢电源并联是扩大功率传输容量的重要方式。软件控制目前主要有两大类：主动均流和被动均流。主动均流需要各个模块间相互通讯，传递各个模块的电气量，被动均流不需要引入其他模块的电气量，对模块内的控制参数调整实现均流。常用的方法有:下垂法、主从法、平均电流法及最大电流法。针对全桥LLC谐振变换器并联，现有技术采用移相补偿的方式实现均流控制，其控制方法为各模块使用同一工作频率，控制每个模块内对角开关管间移相角，但需测量高频脉动电流信息，实际工程应用难以保证其测量精度。同时，在制氢侧的质子交换膜电解槽的不用工作状态及与所述新能源侧电源的不同消纳需求，需要更精确的控制策略来实现对制氢侧的控制。
因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种新能源电解水制氢电源的控制方法、装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种新能源电解水制氢电源的控制方法，包括：
基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
基于质子交换膜电解槽预设物理特性，分别分析电解电流密度、端口电压、质子交换膜电解槽内反应温度与所述质子交换膜电解槽工作效率的关系，分别建立质子交换膜电解槽单体数学模型；
基于所述质子交换膜电解槽单体数学模型分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
对所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的进行子阶段工作模态分析、交错并联低纹波特性分析及稳态特性分析，根据所述电解水制氢电源的预设性能指标，分别计算所示三相交错并联LLC电路的变压器匝数比及谐振网络参数，完成所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的电气参数设计。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
基于描述函数法的扩展函数描述法建立电解水制氢电源的单相等效数学模型，并确定所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的控制方式为脉冲频率调制控制。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略；
基于启动控制策略启动所述电解水制氢电源，采集并检测所述质子交换膜电解槽的工作温度，若所述工作温度大于预设温度，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为恒压控制策略。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，且接收到新能源侧有功率消纳指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在质子交换膜电解槽的工作范围内，则对质子交换膜电解槽进行功率消纳判定；
若质子交换膜电解槽功率消纳判定为允许，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，接收到质子交换膜电解槽需求指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在所述电解水制氢电源的工作范围内，且新能源功率大于预设值时，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
基于所述电解水制氢电源的闭环控制策略计算并完成补偿器设计，实现对电流控制策略时的电流环参数整定。
在本公开的一个方面，提供一种新能源电解水制氢电源的控制装置，包括：
制氢侧建模模块，用于基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
新能源侧建模模块，用于基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
新能源侧控制模块，用于基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
本公开的示例性实施例中的一种新能源电解水制氢电源的控制方法，其中，该方法包括：基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；基于质子交换膜电解槽的参数的关系及制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。本公开通过分别对制氢侧、新能源侧建模并分析生成新能源侧电源控制策略，使新能源侧电源实现了高效率、低纹波、大功率特性，提升了对制氢侧的适用性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本公开一示例性实施例的一种新能源电解水制氢电源的控制方法的流程图；
图2示出了根据本公开一示例性实施例的一种新能源电解水制氢电源的控制方法的三相交错并联LLC电路拓扑图；
图3示出了根据本公开一示例性实施例的一种新能源电解水制氢电源的控制方法的控制策略逻辑图；
图4示出了根据本公开一示例性实施例的一种新能源电解水制氢电源的控制装置的示意框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本示例实施例中，首先提供了一种新能源电解水制氢电源的控制方法；参考图1中所示，该一种新能源电解水制氢电源的控制方法可以包括以下步骤：
步骤S110，基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
步骤S120，基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
步骤S130，基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
本公开的示例性实施例中的一种新能源电解水制氢电源的控制方法，其中，该方法包括：基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；基于质子交换膜电解槽的参数的关系及制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。本公开通过分别对制氢侧、新能源侧建模并分析生成新能源侧电源控制策略，使新能源侧电源实现了高效率、低纹波、大功率特性，提升了对制氢侧的适用性。
下面，将对本示例实施例中的一种新能源电解水制氢电源的控制方法进行进一步的说明。
在步骤S110中，可以基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
基于质子交换膜电解槽预设物理特性，分别分析电解电流密度、端口电压、质子交换膜电解槽内反应温度与所述质子交换膜电解槽工作效率的关系，分别建立质子交换膜电解槽单体数学模型；
基于所述质子交换膜电解槽单体数学模型分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系。
在本示例的实施例中，首先计算产生氢气量，PEM电解槽的出口H2流量NH2(mol/s)，由法拉第定律可表示为
由生成氢气流量可知，NH2的大小取决于电解电流密度大小，呈正相关。电流越大，制氢速率更快。当电解电流发生波动，单位时间内制取的氢气量高频抖动，PEM电解槽的欧姆极化电阻受此影响，逐渐变大，将降低PEM电解效率及PEM的使用寿命缩短，因此制氢电源的输出电流纹波需尽可能小。
PEM电解水制氢是氢气燃烧反应的逆反应，根据单位时间内产氢消耗的化学能得出单位流量氢气理论所需能量Qh，可表示为
式中，LHVH2为氢气低热值，数值取241830J/mol。
在单位时间内电解所消耗的电能Qele为
Qele＝UoI
PEM电解槽发生化学反应过程中，由于过电势的存在，化学反应发出热量。其中，过电势在单位时间产生热量Qinter可表示为
Qinter＝n(ηact+ηohm)I
在电化学反应过程中，电解槽温度高于环境温度，会有热量损失，单位时间损失的热量Qloss可表示为
式中，Ta为环境温度；Relec为等效热阻，取0.167K/W。
通常过电势所产生热量不足以维持反应进行所需温度时，在无外加条件下，化学反应会变慢，甚至停止反应，因此不足部分需由外加热源进行补充。在单位时间内，为维持反应温度所需外加热源Qheat.PEM为
式中，ΔS为反应熵变。
在电化学反应过程，遵循物料守恒定律，则反应过程消耗的水NH2O.reacted表示为
新补充水与消耗水的流量一致，可以表示为
将新补充的水温度提升到反应温度所需要的热量为
式中
式中，cp.H2O为水的比热容，数值取75.44J/(mol·K)。
电解槽内反应温度可以通过实际运行过程的测量，也可以利于集总热平衡近似估计，可以表示为
式中，Celec为电解槽内的总热容量。
电解水制氢的能量转换效率与单位流量理论产生氢气所需化学热能、输入的电能、补充热能相关，则PEM电解槽的能量效率η表示为
在本示例的实施例中，由上述分析可知电解槽的特性曲线为：1)端口电压与电解电流正相关，电解电流越大，电压越高；2)制氢效率与电解电流相关，随着电解电流增大，制氢效率先迅速增大，后逐步减小；3)制氢速率与电解电流正相关，电解电流越大，速率越快；4)低电解电流纹波利于提升电解效率及电解槽工作寿命。PEM电解槽为多输入、多输出系统。输入量主要包括电解电流密度i、环境温度Ta、补充水流速NH2O，输出量是电解槽端口电压ucell、电解槽温度T、氢气产生速率NH2及电解效率η。电流密度与电解槽槽内温度对PEM电解槽的工作状态起主要作用。在PEM电解槽在冷启动过程中，槽内温度与环境温度基本相同，槽内温度与反应最佳温度差距较大，槽内温度对电解槽工作特性影响大，冷启动过程要考虑电解槽内温度变化缓慢对制氢工作点的影响，需控制制氢电源输出特性；在PEM电解槽热启动过程中，槽内温度与反应最佳温度相近，达到额定制氢状态较快。当PEM电解槽在持续运行过程中，槽内温度通常在一定的工作温度范围内，PEM电解槽的工作点主要由电解电流密度大小决定。
在步骤S120中，可以基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
对所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的进行子阶段工作模态分析、交错并联低纹波特性分析及稳态特性分析，根据所述电解水制氢电源的预设性能指标，分别计算所示三相交错并联LLC电路的变压器匝数比及谐振网络参数，完成所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的电气参数设计。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
基于描述函数法的扩展函数描述法建立电解水制氢电源的单相等效数学模型，并确定所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的控制方式为脉冲频率调制控制。
在本示例的实施例中，如图2所示，为三相交错并联LLC电路的拓扑图，图中，Uin输入电压；Uo输出电压；Q1～Q6原边MOSFET开关器件，DQ1～DQ6为开关器件的寄生体二极管；Tj(j＝1、2、3)为高频变压器；Lrj为谐振电感；Crj为谐振电容；Lmj为励磁电感；Co为输出滤波电容；D1～D12为两个整流桥的整流二极管。三相LLC变换器的原边由三个半桥组成，三相相间相位互差120°。由谐振电容、谐振电感和励磁电感共同组成谐振腔，再经过高频变压器实现降压，经过三相全桥不控整流。三相交错120°可以成倍的减小输出电流纹波，输出的电流纹的波频率为工作频率的六倍。
采用三相LLC拓扑结构的制氢电源利用谐振技术实现软开关，实现高效电能变换。三相LLC谐振频率与单相全桥LLC计算方式一致，根据阻抗特性，谐振变换器有两个固有的谐振频率。只有Lr、Cr参与谐振产生的频率为fr，Lr、Cr、Lm均参与谐振的频率为fm。可表示为
根据工作频率fs与固有谐振频率fm、fr的关系，三相LLC的工作模态可分为fs≤fm、fm<fs<fr、fs＝fr、fs>fr四种。当fs≤fm时，三相LLC工作在容性区，原边开关管不能零电压导通(Zero Voltage Switching，ZVS)，由于开关管体二极管反向恢复续流通路存在，同一半桥臂有可能直通，因此三相LLC的工作频率不可设定在该区。当fm<fs<fr时，可以实现一次侧开关管的ZVS导通，励磁电感在一个工作周期内，在参与谐振状态和不参与谐振两个状态切换，变压原边电压被副边电压钳位，副边二极管实现零电流关断(Zero CurrentSwitching，ZCS)。当fs≥fr时，Lm不参与谐振，原边开关管能实现ZVS，副边二极管处于ZCS关断临界到硬关断状态。三相LLC变换器工作于fs＝fr恰好是临界状态。
在本示例的实施例中，为了研究制氢电源的控制，需要对三相LLC拓扑结构进行小信号建模，通过小信号模型对补偿器的设计进行准确的指导。DC/DC变换器常用状态空间平均法进行建模，状态空间平均法的建模基础是其开关频率远远高于系统固有频率，但LLC变换器的开关频率在谐振腔的谐振频率附近工作，在开关周期内进行线性化近似将无法正确表示系统变量信息，得到的结果不能够指导电源的控制研究。基于描述函数法提出的扩展函数描述法可以将谐振腔电流等重要状态量进行等效，更适合LLC变换器建模。根据三相LLC的单相等效电路，可以得到的单相等效模型如图3所示。其中，rs为谐振电感绕组等效线路电阻，rc为输出滤波电容的等效电阻，|is|为整流的电流。
在步骤S130中，可以基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
在本示例的实施例中，所述启动控制策略包括：在电解槽启动过程中，电解槽工作电压从较低值开始建立，同时PEM电解槽反应温度未到达最佳的工作温度，所需制氢功率较小，因此制氢电源输出电压需要在在一段时间内缓慢启动到制氢电解槽额定工作电压。针对于PEM电解槽启动过程的工作特点，制氢电源输出电压从小到大，实现宽范围输出。建立电压闭环，电压闭环的参考值由小到大最终到额定值，电压外环以输出电压为反馈量。电压外环的输出作为电流内环输入，电流内环的反馈量可以选择输出电流或者谐振电流。采用输出电流为反馈量动态调节过程，容易引起谐振电流过大，对主电路造成一定的冲击。当采用谐振电流作为电流内环时，对谐振电流现在，可以电源的动态响应以及稳定性方面在一定程度上提升，因此内环采用谐振电流环。
当三相LLC制氢电源输出电压低于正常设计的输出电压范围时，如果采用常规的调频控制策略，为达到一个符合低输出电压与输入电压的直流增益，制氢电源的工作频率会超出正常工作频率范围，制氢电源开关器件工作频率高频化。实际的硬件电路寄生参数的影响不能忽略，导致制氢电源无法按设定状态工作。即使不考虑寄生参数，根据直流电压增益曲线可知，频率增大，电压增益曲线变得平缓，无法达到低于额定输出电压。因此，电解槽启动过程，制氢电源采用间歇控制方法。
当工作在间歇模式下，输出电压给定值逐渐变大，输出电压也随之逐渐变大。当输出电压给定值为Uref1时，达到设置给定Uref1_max时，停止驱动，制氢电源的输出电压会开始降低，当输出电压达到Uref1_min时，继续发出驱动波。当输出给定值变大到Uref2时，驱动信号连续发出，当达到最大值Uref2_max时，在进入空闲模式，当输出电压低于Uref2_min时，再次发出驱动信号，采用间歇控制的制氢电源输出电压近似图中的蓝色线，输出电压缓慢上升，实现输出电压爬坡。
在本示例的实施例中，所述恒压控制策略包括：当PEM电解槽达到最佳反应温度，新能源侧功率稳定时，制氢电源可以切换到恒压控制模式。对制氢电源的输出电源加以控制，根据制氢电源直流电压增益可知，在额定范围内输出，输出电压与工作频率相关，因此在恒压工作状态下，制氢电源调频控制。
在额定谐振频率附近，直流电压增益具有单调性，恒压控制模式采用电压外环、电流内环的双闭环控制方法，电压外环反馈量为输出电压，电流内环反馈量为三相谐振腔叠加，以谐振腔电流相比于输出电流，调节速度更快，可以防止谐振电流超调，提升系统动态响应。
在本示例的实施例中，所述电流控制策略包括：针对新能源波动性电解水制氢场景，制氢单元需要适应新能源侧的波动性，因此需要建立相应功率消纳策略。根据电解槽第二章的电解槽伏安特性，电解槽具有非线性，因此不能以恒压输出消纳波动性功率，因此需要建立新能源波动功率外环，电解电流内环的控电流模式。同时，针对多种制氢场景，对制氢单元的制氢速率、制氢电解效率都有着不同的需求，通过第二章对电解槽工作特性的数学模型可知，制氢速率与制氢电解效率均与电解电流相关，因此建立电流控制模式可同时满足制氢侧需求。
当以电流控制模式工作时，可以对输出电流和谐振电流进行双环控制，需要两个PI调制器，但控制两个电流信号和控制单个的响应速度相差不大，同时在制氢场景为满足多维需求设计，电流控制模式是工作在额定附近，不会出现大幅度的突变，因此本文采用以输出电流为控制对象的单电流环可以满足制氢需求。
电流控制模式可进行模式切换，当切换到新能源消纳功率pref侧，可以满足不同功率消纳需求。当切换到给定电流指令侧，可以根据电解槽电解效率最优曲线，选择电解槽电解效率最大点ηmax对应当最优电解电流Iref，实现多维需求控制。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略；
基于启动控制策略启动所述电解水制氢电源，采集并检测所述质子交换膜电解槽的工作温度，若所述工作温度大于预设温度，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为恒压控制策略。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，且接收到新能源侧有功率消纳指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在质子交换膜电解槽的工作范围内，则对质子交换膜电解槽进行功率消纳判定；
若质子交换膜电解槽功率消纳判定为允许，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，接收到质子交换膜电解槽需求指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在所述电解水制氢电源的工作范围内，且新能源功率大于预设值时，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
在本示例的实施例中，当电解槽的反应温度达到适合范围，制氢电源由启动控制策略切换到恒压控制模式，使电解槽在固定工作点，制氢速率及制氢速率均固定。当新能源侧有功率消纳指令，通过功率外环，计算出电解电流大小，判断是否在制氢侧的工作范围内，同时可考虑储氢的实际状态，当制氢侧均可满足功率消纳时，制氢电源切换到电流控制模式，电流指令为功率外环计算的电流大小。当制氢侧有需求响应时，如制氢速率的调整或者制氢效率的寻优，通过与电解电流对应关系，得出电流指令。根据电流指令大小，计算所需要消耗的电功率，判断新能源侧是否能满足该功率需求，当可以满足时，以给定的电流指令作为制氢电源的电流控制指令。在恒压控制与电流控制相互切换时，需要设定相应的切换条件。当恒压控制切换至电流控制模式时，以恒压状态的输出电流为切换起始值，逐渐变换到电流模式的电流指令大小。当电流模式切换到恒压模式时，同样以电流模式的电压大小作为切换起始值，逐渐变到恒压模式的电压指令大小。
在本示例的实施例中，所述方法还包括：
基于所述电解水制氢电源的闭环控制策略计算并完成补偿器设计，实现对电流控制策略时的电流环参数整定。
在本示例的实施例中，根据制氢系统的需求，针对不同的控制需要设计相应的闭环控制策略，闭环控制包含电压环、电流环。双闭环的设计需要先设计电流内环再设计电压外环，而电流单环则需直接设计电流环，基于此设计流程，对电流控制模式的电流环参数整定。
制氢电源闭环控制策略基于DSP数字电路实现，需要对输出电流Io经过A/D转换后，进行环路计算，环路计算结果要经过D/A变换实现三相LLC的调频控制。A/D变换过程可等效为采样开关，D/A变换等效为零阶保持器。同时考虑数字电源控制回路的控制频率，包含采样转换及控制算法计算，需在控制回路中引入纯延迟环节e-τs进行表述。
制氢电源的采样与开关频率相同，即系统的采样时间为Ts，采样开关增益为1/Ts，采样开关及零阶保持器的传递函数可以表示为
对e-Ts进行双线性变换，表示为
同样，对纯延迟花环节进行双线性变换，表示为
采样频率与工作频率相同，采样时间取额定状态Ts取10-6s，延迟环节由控制频率决定，本文所设计的控制频率为20kHz，τ取5×10-5s。加入零阶保持器等环节后电流环的开环传函表示为
Gi_o(s)＝Gh(s)·Gd(s)·Gi(s)
在1Hz到1kHz频率段，幅频特性曲线基本不发生变化，在1kHz到2.8kHz频率段，幅频特性曲线随着频率的增加上升。结合三相LLC制氢电源直流增益曲线。在低频段，工作频率小于第一谐振频率时，系统处于容性区，直流电压增益随开关频率的增加而上升。在10kHz附近，即工作频率大于系统第一谐振频率，对数幅频特性曲线以-20dB/dec的斜率变化，在30kHz附近与零分贝线相交。三相LLC的开环传函的频响特性在变换器工作的感性区，工作频率与输出电压呈负相关。
三相LLC工作工程中，工作频率变换较大，很容易导致整个系统工作不稳定，需要通过闭环控制提升系统的稳定性及动态响应。因此期望制氢电源所设计的闭环系统最小带宽为工作频率的1/5-1/10，并能保持良好的相位裕度，而在开环的伯德图中，穿越频率超出预期。
根据预设控制策略，采样串联校正。加入PI调节器来改善低频增益，PI的控制器在系统中增加一个s域左半平面零点，增加一个位于原点开环极点。采样串联校正提高了系统型别，提升系统的稳定性。PI的传递函数Gic(s)为
其中，Ki是补偿器比例系数，τi是补偿器的时间常数，根据公式，选取Ki＝0.128，τv＝1300。经过PI补偿后的网络，低频增益增大，中频以-20dB/dec的斜率穿越，穿越频率为3.2kHz，相位裕度为68°。
需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
此外，在本示例实施例中，还提供了一种新能源电解水制氢电源的控制装置。参照图4所示，该一种新能源电解水制氢电源的控制装置400可以包括：410、420以及430。其中：
制氢侧建模模块，用于基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
新能源侧建模模块，用于基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
新能源侧控制模块，用于基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
上述中各一种新能源电解水制氢电源的控制装置模块的具体细节已经在对应的一种新能源电解水制氢电源的控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了一种新能源电解水制氢电源的控制装置400的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (9)
1.一种新能源电解水制氢电源的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于质子交换膜电解槽预设物理特性，分别分析电解电流密度、端口电压、质子交换膜电解槽内反应温度与所述质子交换膜电解槽工作效率的关系，分别建立质子交换膜电解槽单体数学模型；
基于所述质子交换膜电解槽单体数学模型分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的进行子阶段工作模态分析、交错并联低纹波特性分析及稳态特性分析，根据所述电解水制氢电源的预设性能指标，分别计算所示三相交错并联LLC电路的变压器匝数比及谐振网络参数，完成所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的电气参数设计。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于描述函数法的扩展函数描述法建立电解水制氢电源的单相等效数学模型，并确定所述电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的控制方式为脉冲频率调制控制。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略；
基于启动控制策略启动所述电解水制氢电源，采集并检测所述质子交换膜电解槽的工作温度，若所述工作温度大于预设温度，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为恒压控制策略。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，且接收到新能源侧有功率消纳指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在质子交换膜电解槽的工作范围内，则对质子交换膜电解槽进行功率消纳判定；
若质子交换膜电解槽功率消纳判定为允许，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述电解水制氢电源在恒压控制策略运行，接收到质子交换膜电解槽需求指令时，基于功率外环计算电解电流；
若所述电解电流在所述电解水制氢电源的工作范围内，且新能源功率大于预设值时，则将所述电解水制氢电源的控制策略切换为电流控制策略。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述电解水制氢电源的闭环控制策略计算并完成补偿器设计，实现对电流控制策略时的电流环参数整定。
9.一种新能源电解水制氢电源的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
制氢侧建模模块，用于基于质子交换膜电解槽预设物理特性，建立质子交换膜电解槽数学模型并分析生成所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系；
新能源侧建模模块，用于基于电解水制氢电源的三相交错并联LLC电路的工作模态及稳态特性，建立电解水制氢电源的数学模型；
新能源侧控制模块，用于基于所述质子交换膜电解槽电解电流、电压、电解效率、制氢速度的关系及所述电解水制氢电源的数学模型分别生成启动控制策略、恒压控制策略、电流控制策略，根据预设控制策略切换规则，对所述电解水制氢电源进行控制。
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|---|---|---|---|---|
| CN117648804A (zh) * | 2023-11-15 | 2024-03-05 | 燕山大学 | 一种新能源制氢装备阻抗设计方法 |
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2023
- 2023-06-07 CN CN202310667800.8A patent/CN116896272A/zh active Pending
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| CN117648804A (zh) * | 2023-11-15 | 2024-03-05 | 燕山大学 | 一种新能源制氢装备阻抗设计方法 |
| CN117648804B (zh) * | 2023-11-15 | 2024-05-28 | 燕山大学 | 一种新能源制氢装备阻抗设计方法 |
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