CN116897485A - 支持电网的电解槽 - Google Patents

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Abstract

用于操作电解槽的系统、装置、方法及说明，包含设置所连接的电力系统的标称频率或标称电压，所述电解槽经配置以在所述标称频率或所述标称电压下实现额定生产水平；设置所述标称频率或所述标称电压下或附近的可调整死区；以及如果频率降至所述标称频率以下或如果电压降至所述标称电压以下，那么减少氢气生成且减小功耗。

Description

支持电网的电解槽
技术领域
本发明的实施例大体上涉及支持电网的电解槽及其操作方法。
背景技术
电解槽是消耗电力以便通过分裂水分子或其它碳氢燃料分子来生产氢气的装置。电解槽的输入电源可为主电网(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资源(DER)，例如太阳能、风能、地热、水力、蓄电、常规及类似者。主电网还可包含若干分布式电资源。
电力系统(EPS)，无论是主电网还是微电网，都经历因EPS网络上总发电功率与总负载功率之间的平衡的中断而引起的各种波动。由于由DER中连接的可再生能源生成的电力的间歇性质，此类波动越来越多地存在。当网络上的发电量大于总负载功率时，那么电力系统的电压及/或频率增加。类似地，当负载功率的总量大于发电时，那么电力系统的电压及/或频率减小。
如果不响应于这些电压及频率波动采取行动，那么电网中断可发生。例如，波动可导致电网完全崩溃，且对于微电网及公用电网操作而言都是如此。理想地，人们期望发电资源立即响应以满足网络上的总负载需求，但在现实世界中，瞬时响应是不可能的，因为与负载的变化相比较，许多常规发电系统具有慢得多的响应。因此，发电不足持续对EPS网络构成真正的威胁。
到目前为止，网络运营商可用的不同选项是减载或使用蓄电模块。然而，增设蓄电模块带来额外的成本、占用空间及更高的控制复杂性。在公用电网网络的情况下，尽管并不理想，但减载是控制网络上的总发电与网络上的总负载之间的平衡的一个选项。也可考虑将蓄电解决方案扩展到主电网，但这也带来更高的成本。
发明内容
因此，本发明的实施例涉及支持电网的电解槽，所述电解槽大体上消除由于相关技术的限制及缺点而产生的一或多个问题。
本发明的额外特征及优点将在下面的描述中阐述，且部分将从描述显而易见，或可通过本发明的实践来学习。本发明的目标及其它优点将通过本文的书面描述及权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现及达到。
为实现这些及其它优点，且根据本发明的目的，如所体现及宽泛地描述，支持电网的电解槽包含用于操作电解槽的系统、装置、方法及说明，包括将f0设置为所连接的电力系统的标称频率，电解槽经配置以在f0下实现额定生产水平P0；设置在标称频率f0下或附近的可调整死区(f1-f0)；以及一旦频率降至频率f1水平以下，就减少氢气生成且减小功耗，直到其在频率f2下达到零氢气生产。
应理解，先前概述及以下详细描述两者都是实例及解释性的，且希望提供对如所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
被包含来提供对本发明的进一步理解且被并入及构成此说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。
图1图示说明根据本发明的实例实施例的电解槽系统的频率下垂(droop)控制。
图2A到2D图示说明根据本发明的其它实例实施例的电解槽系统的频率下垂控制。
图3图示说明根据本发明的实例实施例的具有临时过载的电解槽系统的频率下垂特性。
图4图示说明根据本发明的实例实施例的电解槽系统的电压下垂控制。
图5A到5D图示说明根据本发明的其它实例实施例的电解槽系统的电压下垂控制。
图6图示说明根据本发明的实例实施例的具有临时过载的电解槽系统的电压下垂特性。
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，将贯穿图式使用相同参考数字来指代相同或相似部分。对特定实例及实施方案的参考是用于说明性目的，且不希望限制本发明的实施例或权利要求书的范围。
值及范围可在本文表达为从“约”一个特定值及/或到“约”另一特定值。当表达此范围时，实例包含从一个特定值及/或到另一个特定的值。类似地，当值被表达为近似值时，通过使用先行词“约”或“大体上”，将理解特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可包含+/-1％ X或+/-5％ X的值。将进一步理解，范围中的每一者的端点无论相对于另一端点，还是独立于另一端点都是重要的。值及范围提供实例，但本发明的实施例不受如此限制。
对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，在不偏离本公开的精神及范围的情况下，可对本发明进行各种修改及变动。由于所属领域的技术人员可想到并入本公开的精神及实质的所公开实施例的修改组合、子组合及变动，因此本公开应被解释为包含所附权利要求书及其等效物的范围内的一切事物。
本发明的实施例通常涉及基于输入电源的状况来调整及控制电解槽设施中的氢气生产的速率，以便支持输入网络的稳定性。输入网络可为主电网(即公用电网)、微电网或其组合。
实施例提议通过使用基于电压及频率下垂的控制来基于EPS网络状况调整氢气生产的速率。这些控制技术用于分布式发电及通常强制功能中以并入来支持所连接的电网。然而，这些功能通常在能量生成产品及电池充电器中可得。实施例将这些功能引入电解槽以支持所连接的EPS网络。基于电压及频率下垂的控制及其系统、装置、方法及说明利用电解槽系统的一或多个控制器。控制算法通常在数字控制器，例如微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)及/或工业计算机中实施。
当在电力系统网络上，发电量变得高于负载量时，电力系统的频率及/或电压变得高于标称频率及/或标称电压电平。类似地，当网络上的功耗大于发电时，电力系统的频率及/或电压变得低于标称值。通常，取决于地理位置，电力系统的标称频率为60Hz或50Hz。标称电压可为数百伏到数千伏之间的任何值，因此通常以电压占其标称电压的百分比来提及电压。
图1图示说明根据本发明的实例实施例的电解槽系统的频率下垂控制。图1的曲线图100展示电解槽系统的下垂曲线，具有标称频率f0下或附近的死区(f1-f0)。
如在图1中所说明，f0是所连接的电力系统的标称频率(即，通常在60Hz、50Hz下或附近)。在标称频率f0下，电解槽系统经配置以实现额定生产水平P0。使用标称频率f0下或附近的可调整死区(f1-f0)来防止电解槽对频率的小波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。
电解槽开始减少其氢气生成，且因此一旦频率降至f1电平以下，便减小来自网络的功耗，直到在频率f2下达到零氢气生产。当频率增加时，电解槽根据下垂曲线(例如，线性或非线性)斜升生产。
如将容易理解，当氢气生产降至零水平时，电解槽设施的电力汲取可最小化(但不完全为0kW)，因为现场存在必须维持的电厂辅助设施(BOP)负载。作为任选特征，电解槽系统可经配置以在低于f2的某一频率下完全关闭。
死区可经设置为低至零，这使得f1＝f0。替代地，死区(f1-f0)可经配置为i)预设置固定值；ii)手动调整；iii)基于进度、环境条件自动调整；及/或iv)使用一或多个算法、人工智能(AI)及/或机器学习(ML)基于电网状况来周期性地或迭代调整。
图2A到2D图示说明根据本发明的其它实例实施例的电解槽系统的频率下垂控制。曲线图200A、200B、200C、200D说明根据各种实施例的不同斜率曲线。
如在图2A中所展示，死区可经设置为低至0Hz。f1与f2之间的下垂曲线的斜率可为图1中所展示的线性(或图2A的f0与f2之间)，或为如图2B中所展示的非线性。替代地，或另外，f1与f2之间的下垂曲线的斜率可具有多个斜率(例如，线性及/或非线性)，如在图2C中所展示。在又一替代方案中，f1与f2之间的下垂曲线的斜率可具有迟滞，如在图2D中所展示。迟滞的宽度(f1-f1’及f2-f2’)及f1与f2之间以及f1’与f2’之间的斜率是可调整的。
在一些配置中，出于例如优化寿命预期、提高可靠性等的各种原因，电解槽在其最大可能生产水平以下操作。另外，或替代地，电解槽可经配置以支持短时间段内的过度生产(过载)。在此类情况下，可在过频率电网场景中实现额外生产。电力系统网络上的过频率指示存在可用的过剩发电，其可在发电机作出反应并降低发电水平之前被消耗。当发电机开始减小功率的过程时，电解槽可经配置以通过在短时间段内将其氢气生产水平增加超过标称额定值来消耗过剩电力。过剩电力的消耗减小网络上可用的过剩发电，且因此缓解过频率电平。
图3图示说明根据本发明的实例实施例的具有临时过载的电解槽系统的频率下垂特性。曲线图300说明临时过载期间的过度生产水平P4。
在标称频率f0下，电解槽系统经配置以实现额定生产水平P0。使用标称频率f0下或附近的可调整死区下降(f1-f0)来防止电解槽对频率的小向下波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。使用标称频率f0下或附近的可调整死区上升(f0-f3)来防止电解槽对频率的小向上波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。
电解槽开始减少其氢气生成，且因此一旦频率降至f1电平以下，便减小来自网络的功耗，直到在频率f2下达到零氢气生产。当频率增加时，电解槽根据下垂曲线斜升生产。电解槽开始增加其氢气生成，且因此一旦频率超过f3电平，便增加来自网络的功耗，直到在频率f4下达到过载氢气生产。
图4图示说明根据本发明的实例实施例的具有有功功率的电解槽系统的电压下垂控制。图4的曲线图400展示电解槽系统的下垂曲线，具有标称电压V0下或附近的死区(V1-V0)。
如在图4中所说明，V0是所连接的电力系统的标称电压。在标称电压V0下，电解槽系统经配置以实现额定生产水平P0。使用标称电压V0下或附近的可调整死区(V1-V0)来防止电解槽对电压的小波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。
电解槽开始减少其氢气生成，且因此一旦电压降至V1电平以下，便减小来自网络的功耗，直到在电压V2下达到零氢气生产。当电压增加时，电解槽根据下垂曲线斜升生产。
如将容易理解，当氢气生产降至零水平时，电解槽设施的电力汲取可最小化(但不完全为0kW)，因为现场存在必须维持的电厂辅助设施(BOP)负载。作为任选特征，电解槽系统可经配置以在低于V2的某一电压下完全关闭。
死区可经设置为低至零，这使得V1＝V0。替代地，死区(V1-V0)可经配置为i)预设置固定值；ii)手动调整；iii)基于进度、环境条件自动调整；及/或iv)使用一或多个算法、人工智能(AI)及/或机器学习(ML)基于电网状况来周期性地或迭代调整。
操作原理类似于频率下垂，除影响参数是电压以外。与其中电力系统的频率与有功功率不平衡直接相关的过/欠频率不同，电力系统上的过/欠电压条件可为无功功率不平衡、有功功率不平衡或其组合的结果，其中无功功率不平衡是主要原因。然而，电解槽可调整有功功率，因为氢气生产的速率可仅影响有功功率。
一般来说，难以确定过电压是由无功功率不平衡还是由有功功率不平衡引起。因此，一般做法是调整负载，以便在可能的情况下调整其无功功率，且接着启用有功功率控制。因此，与无功功率控制中的死区相比较，有功功率下垂曲线具有宽得多的死区(即V1-V0或V2-V0)。如果无功功率控制是不可能的，那么当电压电平超过死区时，仅调整有功功率。
图5A到5D图示说明根据本发明的其它实例实施例的电解槽系统的电压下垂控制。曲线图500A、500B、500C、500D说明根据各种实施例的不同斜率曲线。
如在图5A中所展示，死区可经设置为低至0伏。V1与V2之间的下垂曲线的斜率可为图4中所展示的线性(或图5A的V0与V2之间)，或为如图5B中所展示的非线性。替代地，或另外，V1与V2之间的下垂曲线的斜率可具有多个斜率(例如，线性及/或非线性)，如在图5C中所展示。在又一替代方案中，V1与V2之间的下垂曲线的斜率可具有迟滞，如在图5D中所展示。迟滞的宽度(V1-V1’及V2-V2’)及V1与V2之间以及V1’与V2’之间的斜率是可调整的。
在一些配置中，出于例如优化寿命预期、提高可靠性等的各种原因，电解槽在其最大可能生产水平以下操作。另外，或替代地，电解槽可经配置以支持短时间段内的过度生产(过载)。在此类情况下，可在过电压电网场景中实现所述额外生产。电力系统网络上的过电压指示存在可用的过剩发电，其可在发电机作出反应并降低发电水平之前被消耗。当发电机开始减小功率的过程时，电解槽可经配置以通过在短时间段内将其氢气生产水平增加超过标称额定值来消耗此过剩电力。过剩电力的消耗减小网络上可用的过剩发电，且因此缓解过电压电平。
图6图示说明根据本发明的实例实施例的具有临时过载的电解槽系统的电压下垂特性。曲线图600说明临时过载期间的过度生产水平P4。
在标称电压V0下，电解槽系统经配置以实现额定生产水平P0。使用标称电压V0下或附近的可调整死区下降(V1-V0)来防止电解槽对电压的小向下波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。使用标称电压V0下或附近的可调整死区上升(V0-V3)来防止电解槽对电压的小向上波动做出响应，且因此改进网络的稳定性。
电解槽开始减少其氢气生成，且因此一旦电压降至V1电平以下，便减小来自网络的功耗，直到在电压V2下达到零氢气生产。当电压增加时，电解槽根据下垂曲线斜升生产。电解槽开始增加其氢气生成，且因此一旦电压超过V3电平，便增加来自网络的功耗，直到在电压V4下达到过载氢气生产。
在一些实施例中，EPS网络的电压及频率是解耦变量，其独立地且在不同方向及不同量值上变化。例如，可能同时具有过频率及欠电压，且反之亦然。在这些情况下，与电压下垂曲线相比较，有功功率控制可优先考虑频率下垂。换句话说，电解槽可经配置以仅当频率在频率下垂死区内时启用电压下垂。替代地，电解槽可经配置以仅当电压在电压下垂死区内时启用频率下垂。
本文描述的实施例可容易地应用于各种电解槽，例如单个电解槽、一组电解槽或整个电解槽设施；水电解或分裂烃分子；低温电解槽(例如，聚合物电解质膜“PEM”基或碱基)或高温电解槽(如，固体氧化物电解槽电池“SOEC”)。实施例可与任何电解槽技术或任何非临界线性可调整负载组合使用。
对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对本发明的支持电网的电解槽进行各种修改及变化。因此，希望本发明涵盖本发明的修改及变化，前提是其在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (16)

1.一种用于操作电解槽的方法，所述方法包括：
设置所连接的电力系统的标称频率或标称电压，所述电解槽经配置以在所述标称频率或所述标称电压下实现额定生产水平；
设置包含所述标称频率或所述标称电压的可调整死区；以及
如果所述电力系统的频率降至所述标称频率以下或如果所述电力系统的电压降至所述标称电压以下，那么减少氢气生成且减小功耗。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述死区为0赫兹或0伏，或所述死区具有固定频率范围或固定电压范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于进度、环境条件或电网状况中的一或多者来调整所述死区。
4.根据权利要求1所述的方法，其中根据下垂曲线的斜率来调整氢气生成或功耗。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述下垂曲线是线性的或非线性的。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述下垂曲线具有多个斜率，所述多个斜率中的每一者是线性的或非线性的。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述频率增加的情况下增加氢气生成且增加功耗。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述电压增加的情况下增加氢气生成且增加功耗。
9.一种用于操作电解槽的控制器，所述控制器经配置以执行指令用于：
设置所连接的电力系统的标称频率或标称电压，所述电解槽经配置以在所述标称频率或所述标称电压下实现额定生产水平；
设置包含所述标称频率或所述标称电压的可调整死区；以及
如果所述电力系统的频率降至所述标称频率以下或如果所述电力系统的电压降至所述标称电压以下，那么减少氢气生成且减小功耗。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中所述死区为0赫兹或0伏，或所述死区具有固定频率范围或固定电压范围。
11.根据权利要求9所述的控制器，其中基于进度、环境条件或电网状况中的一或多者来调整所述死区。
12.根据权利要求9所述的控制器，其中根据下垂曲线的斜率来调整氢气生成或功耗。
13.根据权利要求12所述的控制器，其中所述下垂曲线是线性的或非线性的。
14.根据权利要求12所述的控制器，其中所述下垂曲线具有多个斜率，所述多个斜率中的每一者是线性的或非线性的。
15.根据权利要求9所述的控制器，其进一步包括在所述频率增加的情况下增加氢气生成且增加功耗。
16.根据权利要求9所述的控制器，其进一步包括在所述电压增加的情况下增加氢气生成且增加功耗。
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