CN118157199A - 一种纯离网式绿电制氢系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种纯离网式绿电制氢系统，包括风力设备、光伏设备、储能设备、变压整流组件、制氢设备和控制系统，储能设备包括双向变流器及储能模块，储能模块与双向变流器电连接，储能模块能够向双向变流器传递电能进而传递至交流变流器及/或光伏逆变器，同时光伏汇流箱及/或风电汇流箱传递来的电能也可经双向变流器转换后储存到储能模块，变压整流组件与交流变流器和光伏逆变器电连接，制氢设备与变压整流组件电连接，以通过来自所述变压整流组件的电能制取氢气，控制系统用于调控系统的能量供应方式。本申请能够实现利用可再生绿电在离网模式下高效、稳定、安全地制氢。

Description

一种纯离网式绿电制氢系统及方法

技术领域

本发明涉及制氢领域，特别是涉及一种纯离网式绿电制氢系统及方法。

背景技术

风力发电、光伏发电等可再生绿电的装机量与日俱增，极大地促进了我国能源体系的改革和能源结构的优化调整。风力发电、光伏发电等可再生绿电受自然环境影响具有随机性、间歇性和波动性，接入电网存在影响电网稳定的可能性，且受限于当地的电网条件，在一些不具备并网条件的地区，可再生绿电可能不具备并网条件，由此降低了绿电的利用率。氢能源是一种来源丰富、绿色清洁的二次能源，将可再生的风光绿电通过水电解制氢技术制取氢气，能够有效地利用风电、光电等绿电。由于光伏、风力等发电方式具有随机性、间歇性和波动性，现有的一些绿电制氢多采用并网集中制氢的方案，以稳定电网作为支撑的制氢方案能量转化效率较低的同时还需要额外的过网费用，且存在不适合在不具备并网条件的地区使用的弊端，或者无法保证在离网情况下制氢系统的稳定运行与安全。因此，如何在离网的状态下实现绿电稳定安全地转化为氢能源是目前亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种纯离网式绿电制氢系统及方法，提高在离网的条件下绿电的利用率。

一种纯离网式绿电制氢系统，包括：

光伏设备，包括依次电连接且能够依次传递电能的光伏发电组件、光伏汇流箱及光伏逆变器；

风力设备，包括依次电连接且能够依次传递电能的风力发电组件、风电汇流箱及交流变流器；

储能设备，包括双向变流器及储能模块，所述双向变流器分别与所述光伏汇流箱、所述光伏逆变器、所述风电汇流箱及所述交流变流器电连接，所述光伏汇流箱和所述风电汇流箱能够向所述双向变流器传递电能；所述储能模块与所述双向变流器电连接，所述储能模块能够向所述双向变流器传递电能进而传递至所述交流变流器及/或所述光伏逆变器；

变压整流组件，与所述交流变流器和所述光伏逆变器电连接；

制氢设备，与所述变压整流组件电连接，以通过来自所述变压整流组件的电能制取氢气；

控制系统，与所述风力设备、所述光伏设备、所述储能设备、所述变压整流组件及所述制氢设备电连接，以监测所述风力设备和所述光伏设备的发电情况及所述制氢系统的运行情况，并用于调控所述纯离网式绿电制氢系统的能量供应方式；

当所述光伏发电组件的发电量和所述风力发电组件的发电量之和大于所述控制系统和所述制氢设备所需的额定用电量时，所述光伏发电组件和/或所述风力发电组件产生的多余电能通过所述双向变流器转储存至所述储能模块。

以上纯离网式绿电制氢系统，光伏设备包括依次电连接且能够依次传递电能的光伏发电组件、光伏汇流箱及光伏逆变器，风力设备依次电连接且能够依次传递电能的风力发电组件、风电汇流箱及交流变流器，储能设备包括双向变流器及储能模块，双向变流器分别与光伏汇流箱、光伏逆变器、风电汇流箱及交流变流器电连接，光伏汇流箱和风电汇流箱能够向双向变流器传递电能，储能模块与双向变流器电连接，储能模块能够向双向变流器传递电能进而传递至交流变流器及/或光伏逆变器，同时光伏汇流箱及/或风电汇流箱传递来的电能也可经双向变流器转换后储存到储能模块，变压整流组件与交流变流器和光伏逆变器电连接，制氢设备与变压整流组件电连接，以通过来自变压整流组件的电能制取氢气，控制系统与风力设备、光伏设备、储能设备、变压整流组件及制氢设备电连接，以监测风力设备和光伏设备的发电情况及制氢系统的运行情况，并用于调控纯离网式绿电制氢系统的能量供应方式，当光伏发电组件的发电量和风力发电组件的发电量之和大于控制系统和制氢设备所需的额定用电量时，控制光伏发电组件和/或风力发电组件的一部分通过双向变流器转储存至储能模块，输送至制氢设备的电能不会过多，以实现为制氢系统提供较稳定的电能。本申请能够实现利用可再生绿电在离网模式下高效、稳定、安全地制氢。

在其中一个实施例中，所述变压整流组件包括变压器和整流器，所述光伏逆变器和交流变流器分别与所述变压器电连接，所述变压器用于将来自所述光伏逆变器和交流变流器的交流电转换成预设电压的电流；所述变压器还分别与所述控制系统、整流器和所述制氢设备电连接，以提供所述控制系统和所述制氢设备运行所需的电能，所述整流器还与所述制氢设备电连接。

在其中一个实施例中，所述制氢设备包括电解槽和制氢辅助系统，所述整流器与所述电解槽电连接，以将来自所述变压器的交流电转换成匹配所述电解槽运行的直流电；所述变压器与所述制氢辅助系统电连接，以提供制氢辅助系统运行所需的电能。

在其中一个实施例中，所述电解槽为碱性电解槽，所述制氢辅助系统包括气液分离模块、纯化模块、碱液模块、纯水模块、辅助配电模块，所述变压器与所述辅助配电模块电连接以对所述辅助配电模块提供电能，所述辅助配电模块分别与所述气液分离模块、所述纯化模块、所述碱液模块、所述纯水模块电连接以提供电能；

所述碱液模块分别与所述电解槽和所述气液分离模块通过管道连接，用于将碱液注入所述电解槽和所述气液分离模块；

所述纯水模块与所述气液分离模块通过管道连接，用于向所述气液分离模块注入纯水；

所述气液分离模块与所述电解槽通过双向管道连接，用于将混合纯水后的碱液注入所述电解槽，并接收和分离来自所述电解槽中排出的气体和碱液；

所述纯化模块与所述气液分离模块通过管路连接，用于接收所述气液分离模块中排出的氢气，并用于提纯出高纯度氢气。

在其中一个实施例中，所述电解槽为质子交换膜电解槽，所述制氢辅助系统包括气液分离模块、纯化模块、纯水模块、辅助配电模块，所述变压器与所述辅助配电模块电连接以对所述辅助配电模块提供电能，所述辅助配电模块分别与所述气液分离模块、所述纯化模块、所述纯水模块电连接以提供电能；

所述纯水模块分别与所述电解槽和所述气液分离模块通过管道连接，用于向所述电解槽和所述气液分离模块注入纯水；

所述气液分离模块与所述电解槽通过双向管道连接，接收和分离来自所述电解槽中氢气和水，并将纯水注入所述电解槽；

所述纯化模块与所述气液分离模块通过管路连接，用于接收所述气液分离模块中排出的氢气，并用于提纯出高纯度氢气。

一种纯离网式绿电制氢方法，包括：

当所述光伏发电组件的发电量和所述风力发电组件的发电量之和大于所述控制系统和所述制氢设备所需的额定用电量时，控制所述光伏发电组件和/或所述风力发电组件产生的多余电能通过所述双向变流器转储存至所述储能模块。

在其中一个实施例中，纯离网式绿电制氢方法包括：

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件和所述风力发电组件的发电量小于所述控制系统和所述制氢设备的用电量时，控制所述储能模块对所述控制系统和所述制氢设备供电。

在其中一个实施例中，当所述控制系统监测到所述制氢设备的运行功率低于第一预设值，且所述风力发电组件的发电量大于第二预设值，所述光伏发电组件的发电量小于第三预设值，则控制所述储能模块和所述风力发电组件一同对所述控制系统和所述制氢设备供电；

或者，当所述控制系统监测到所述制氢设备的运行功率低于第一预设值，且所述风力发电组件的发电量小于第二预设值，所述光伏发电组件的发电量大于第三预设值，则指示所述储能模块释放电能至所述光伏逆变器，以与所述光伏发电组件一同对所述控制系统和所述制氢设备供电。

在其中一个实施例中，纯离网式绿电制氢方法，包括：

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件或所述风力发电组件输出的电流波动超过预警值时，控制对应的所述光伏汇流箱或所述风电汇流箱中的电流流向所述双向变流器，并经所述双向变流器转换后存储于所述储能模块，以及控制所述储能模块释放电能至所述双向变流器，以对所述控制系统和所述制氢设备供电；

或者；

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件或所述风力发电组件输出的电流波动超过预警值时，控制对应的所述光伏汇流箱或所述风电汇流箱，将超过所述控制系统和所述制氢设备所能承受的波动电能存储于所述储能模块；或者，控制所述储能模块释放电能，以对所述控制系统和所述制氢设备实时运行所缺少的电能进行补充。

在其中一个实施例中，纯离网式绿电制氢方法包括：

当所述储能模块的储能量达到预设值时，控制所述储能模块向所述控制系统供电以启动所述控制系统；

所述控制系统控制所述电解槽由初始工作功率逐渐提升至额定工作功率，并使所述光伏发电组件和所述风力发电组件向所述电解槽实时提供运行所需的电能；控制所述光伏汇流箱和所述风电汇流箱将多余电流传输至所述双向变流器，并经所述双向变流器转换后存储于所述储能模块。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为一实施例的纯离网式绿电制氢系统的示意图；

图2为一实施例的制氢设备的示意图；

图3为另一实施例的制氢设备的示意图。

纯离网式绿电制氢系统11；风力设备22；光伏发电组件3；光伏汇流箱4；光伏逆变器5；光伏设备6；风力发电组件7；风电汇流箱8；交流变流器9；储能设备10；双向变流器11；储能模块12；变压整流组件13；变压器131；整流器132；制氢设备14；电解槽141；制氢辅助系统142；辅助配电模块1421；碱液模块1422；气液分离模块1423；纯水模块1424；纯化模块1425；控制系统16

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

随着国内风力发电、光伏发电等可再生绿电的装机量与日俱增，促进了我国能源体系的改革和能源结构的优化调整。但风力发电、光伏发电等可再生绿电受自然环境影响具有随机性、间歇性和波动性，将风力发电、光伏发电等可再生绿电大规模接入电网可能会对电网产生巨大冲击，进而影响电网的稳定。对此一些地区为解决快速增长的风力发电、光伏发电等可再生绿电会超过当地电网的可容纳量的情况，会选择部分并网的方式，此外，受限于当地的电网条件，在一些偏远地区开发的风力发电、光伏发电等可再生绿电根本不具备并网条件。对于上述情况，本发明提供的纯离网式绿电制氢系统1，能够实现离网模式下的制氢，有效提高制氢效率。

参阅图1，本申请实施例中的纯离网式绿电制氢系统1包括风力设备2、光伏设备6、储能设备10、变压整流组件13、制氢设备14和控制系统16。

光伏设备6包括依次电连接且能够依次传递电能的光伏发电组件3、光伏汇流箱4及光伏逆变器5，即光伏发电组件3通过输电线连接光伏汇流箱4，光伏汇流箱4通过输电线连接光伏逆变器5，光伏发电组件3经光线照射后产生的电流先到达光伏汇流箱4，随后从光伏汇流箱4再传输至光伏逆变器5。光伏发电组件3产生的电流经光伏汇流箱4汇集后，在光伏逆变器5作用下转换成电压稳定的交流电。

风力设备2包括依次电连接且能够依次传递电能的风力发电组件7、风电汇流箱8及交流变流器9，即风力发电组件7通过输电线连接风电汇流箱8，风电汇流箱8再通过输电线连接交流变流器9。风力发电组件7产生的电流经风电汇流箱8汇集后，在交流变流器9作用下转换成电压稳定的交流电，交流变流器9为AC/AC变流器，以下用AC/AC变流器作为交流变流器9。

储能设备10包括双向变流器11及储能模块12，双向变流器11为双向DC/DC|AC/DC变流器，双向变流器11分别通过输电线与光伏汇流箱4、光伏逆变器5、风电汇流箱8及AC/AC变流器电连接，光伏汇流箱4和风电汇流箱8能够向双向变流器传递电能；双向变流器能够向AC/AC变流器传输与其匹配的交流电以及向光伏逆变器5传输与其匹配的直流电。储能模块12与双向变流器11通过输电线电连接，储能模块12能够向双向变流器11传递电能进而传递至交流变流器9及/或光伏逆变器5，由风电汇流箱8和光伏汇流箱4到达双向变流器11的电流也能够传输至储能模块12。即，双向DC/DC|AC/DC变流器既可以将光伏汇流箱4或风电汇流箱8输送来的直流电或交流电转换成匹配储能模块12的直流电，并储存到储能模块12；同时双向DC/DC|AC/DC变流器也可以将储能模块12释放并输送来的直流电转换成匹配光伏逆变器5的直流电或匹配AC/AC变流器的交流电，然后再由输电线传送到光伏逆变器5或AC/AC变流器)。储能模块12用于储存风力发电组件7和光伏发电组件3产生的多余电量，并在必要时向制氢系统进行供电。储能模块12可以是储能电池、储能飞轮等。

变压整流组件13，与交流变流器9和光伏逆变器5电连接，变压整流组件13用于将来自AC/AC变流器和光伏逆变器5的电流转换成预期电压的电流，并提供给控制系统16及制氢设备14工作。变压整流组件13包括变压器131和整流器132，经储能模块12释放并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换后的交流电和风电汇流箱8汇集的交流电一起进入AC/AC变流器转换成匹配变压器131的交流电，上述交流电再经过变压器131转换成380V工业用电后传输至控制系统16、制氢系统及整流器132。

制氢设备14与变压整流组件13电连接，以通过来自变压整流组件13的电能制取氢气。制氢设备14包括电解槽141和制氢辅助系统142，整流器132与电解槽141通过输电线连接以实现供电，来自变压器131的大部分电流流到整流器132并被转换成匹配电解槽141的直流电，最终用于电解槽141电解水制取氢气。来自变压器131的小部分电流传输至制氢辅助系统142及控制系统16。电解槽141利用从整流器132通过输电线传输到电解槽141的电能电解水制取氢气，电解槽141的产氢量可以为50Nm3/h-2000Nm3/h，电解槽141类型可以是碱性电解槽或质子交换膜电解槽。当电解槽141数量多于一台时，可以是多台相同产氢量或不同产氢量的同类型电解槽141组成的电解槽141组，也可以是多台相同产氢量或不同产氢量的不同类型电解槽141组成的电解槽141组。制氢辅助系统142使用从变压器131通过输电线传输到制氢辅助系统142的电能向电解槽141提供制取氢气所需的电解液并进行氢气和电解液的分离以及氢气的提纯，制氢辅助系统142向电解槽141提供制取氢气所需电解液并进行氢气和电解液分离以及氢气提纯的能力与电解槽141的产氢量相匹配。

控制系统16分别与风电汇流箱8、AC/AC变流器、光伏汇流箱4、光伏逆变器5、DC/DC|AC/DC变流器、储能设备10、变压器131、整流器132、电解槽141、制氢辅助系统142电连接，以监测风力设备2和光伏设备6的发电情况及制氢系统的运行情况，并用于调控纯离网式绿电制氢系统1的能量供应方式。具体地，控制系统16用于整个系统各模块的实时监测、跟踪、分析、计算、预测和各个模块的控制与调配，以保障该纯离网式绿电制氢系统1的高效、稳定、安全运行。控制系统16根据光伏发电组件3和风力发电组件7的实时发电情况、制氢系统的实时运行情况和实时自然环境情况来实时调控各模块的能量流动和供应。

储能模块12根据光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量以及控制系统16和制氢系统的用电量来实时充放电能，当光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量大于控制系统16和制氢系统的额定用电量时，控制系统16调整光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)流向光伏逆变器5(或AC/AC变流器)的电流，使多余的电流向双向DC/DC|AC/DC变流器，经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后流向储能模块12实现存储。当光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量小于控制系统16和制氢系统的用电量时，控制系统16向储能模块12发出指令使储能模块12快速释电能到双向DC/DC|AC/DC变流器，储能模块12释放到双向DC/DC|AC/DC变流器的电能经转化后流向光伏逆变器5或AC/AC变流器，以弥补后续控制系统16和制氢系统的用电。当光伏发电组件3或风力发电组件7发出的电力因自然环境出现急剧波动，其波动幅度超过预警值，超出制氢系统的承受能力时，控制系统16即可发出控制指令将这部分急剧波动的电能输送到双向DC/DC|AC/DC变流器，即控制对应的光伏汇流箱4或风电汇流箱8中的这部分波动电流流向双向DC/DC|AC/DC变流器，经转换后存储到储能模块12，同时控制系统16发出控制指令使储能模块12快速释放电能经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后供给后续供电模块，以保障制氢系统安全稳定运行。

储能模块12可以将电能快速存储和快速释放，其快速释放出来的电能满足极端环境或紧急情况(例如光伏发电组件3和风力发电组件7突然失去发电能力)下控制系统16调控制氢系统从额定功率平稳降功率运行，并且储能模块12的容量覆盖极端环境或紧急情况下控制系统16调控制氢系统半个小时到一个小时的降功率平稳停机运行即可，这样储能模块12在满足能量快速充放储能供能的同时，又避免大容量储能配置，保障系统安全的同时又降低成本。

当电解槽141为碱性电解槽时，制氢辅助系统142向电解槽141提供制取氢气所需的纯水和碱液并进行氢气和电解液的分离以及氢气的提纯；当电解槽141为质子交换膜电解槽时，制氢辅助系统142向电解槽141提供制取氢气所需的纯水并进行氢气和水的分离以及氢气的提纯。

该段以电解槽141为碱性电解槽为例进行说明：参考图2，制氢辅助系统142包括气液分离模块1423、纯化模块1425、碱液模块1422、纯水模块1424、辅助配电模块1421及其附属管路和线路，辅助配电模块1421与变压器131通过输电线相连，辅助配电模块1421另外还通过输电线分别与气液分离模块1423、纯化模块1425、碱液模块1422、纯水模块1424相连，用于提供气液分离模块1423、纯化模块1425、碱液模块1422、纯水模块1424所需的电能。电解槽141电解水产生的氢气通过管路输送到气液分离模块1423，气液分离模块1423将电解槽141中排出的氢气和碱液的混合物分离得到氢气。气液分离模块1423与纯化模块1425通过管路连接，纯化模块1425将气液分离模块1423中排出的氢气提纯得到高纯氢气，高纯氢气根据当地实际情况供后续用氢场景使用。纯水模块1424通过管路与气液分离模块1423相连，气液分离模块1423通过管路与电解槽141相连，纯水通过管路先进入气液分离模块1423用于气液分离模块1423中氢气和碱液的分离，纯水在气液分离模块1423中混合碱液后再通过管路进入电解槽141用于电解水制取氢气。碱液模块1422通过管路与气液分离模块1423相连，当电解槽141中的碱液浓度降低到临界浓度时碱液模块1422将碱液通过管路输送至气液分离模块1423，气液分离模块1423中的高浓度碱液再通过管路进入电解槽141用于提升电解槽141中碱液的浓度，当电解槽141中的碱液浓度达到预定浓度后碱液模块1422停止向气液分离模块1423中输送碱液。碱液模块1422通过管路与电解槽141连接，当制氢系统首次运行或维护检修后重启运行前，碱液模块1422先将碱液通过管路注入电解槽141中，然后再启动电解槽141制取氢气；当制氢系统需要检修维护时，碱液模块1422先将制氢系统中的碱液抽出储存在碱液模块1422中，然后再对制氢系统进行拆解维护检修。

该段以电解槽141为质子交换膜电解槽为例进行说明：参考图3，当电解槽141为质子交换膜电解槽141时，制氢辅助系统142包括气液分离模块1423、纯化模块1425、纯水模块1424、辅助配电模块1421及其附属管路和线路，辅助配电模块1421与变压器131通过输电线相连，辅助配电模块1421另外还通过输电线分别与气液分离模块1423、纯化模块1425、纯水模块1424相连，用于提供气液分离模块1423、纯化模块1425、纯水模块1424所需的电能。电解槽141电解水产生的氢气通过管路输送到气液分离模块1423，气液分离模块1423将电解槽141中排出的氢气和水的混合物分离得到氢气。气液分离模块1423与纯化模块1425通过管路连接，纯化模块1425将气液分离模块1423中排出的氢气提纯得到高纯氢气，高纯氢气根据当地实际情况供后续用氢场景使用。纯水模块1424通过管路与气液分离模块1423相连，气液分离模块1423通过管路与电解槽141相连，纯水通过管路先进入气液分离模块1423用于气液分离模块1423中氢气和水的分离，气液分离模块1423中的纯水再通过管路进入电解槽141用于电解水制取氢气。纯水模块1424通过管路与电解槽141连接，当制氢系统首次运行或维护检修后重启运行前，纯水模块1424先将纯水通过管路注入电解槽141中，然后再启动电解槽141制取氢气；当制氢系统需要检修维护时，纯水模块1424先将制氢系统中的纯水抽出储存在纯水模块1424中，然后再对制氢系统进行拆解维护检修。

以下以几种不同的环境状态为例来说明本申请的纯离网式绿电制氢系统1的工作过程：

实施例1：

在白天太阳光和风力都充足的条件下，光伏发电组件3或风力发电组件7都可以发电。光伏发电组件3或风力发电组件7发出的电能先经过光伏汇流箱4或风电汇流箱8汇集在一起，在控制系统16和制氢系统启动之前，经汇流箱汇集的电能先经过双向DC/DC|AC/DC变流器转换后储存在储能模块12中，当储能模块12中初始储存的电量达到额定储能的70％容量以上时可以准备启动后续制氢系统。

在准备启动制氢系统前，储能模块12将储存的电能经双向DC/DC|AC/DC变流器转换成稳定的直流电或交流电，转换后的电力再经过对应的光伏逆变器5或AC/AC变流器转换成稳定的交流电，然后再经过变压器131转化成380V的工业用电。转换好的工业用电首先供给控制系统16使控制系统16先启动，控制系统16启动后先自动检测各模块传输信号和各模块控制是否正常，如果一切正常，则可以进行后续工序。如果控制系统16检测存在异常，则控制系统16记录异常信息和位置并发出报警信号，待排除一切异常情况系统自动检测各项均正常后再进行后续工序。

控制系统16控制各模块自动启动，此时电解槽141刚启动不能直接在额定功率下工作制取氢气，需要从低负载功率下缓慢提升至额定功率。在电解槽141工作功率逐渐提升的过程中，光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量可能大于控制系统16和制氢系统的用电量，此时控制系统16按照电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率来调整经光伏汇流箱4或风电汇流箱8进入光伏逆变器5或AC/AC变流器的电流大小，使经光伏逆变器5或AC/AC变流器转换后的供电功率刚好覆盖后续电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率，并根据电解槽141的工作状况适时调整电解槽141的电解水功率，直至电解槽141达到额定工作功率。在电解槽141不断提升工作功率的过程中，控制系统16同时控制光伏汇流箱4、风电汇流箱8、双向DC/DC|AC/DC变流器、储能模块12，将光伏发电组件3和风力发电组件7发出的多余电量经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后存储到储能模块12中，直至电解槽141达到额定工作功率。

当电解槽141达到额定工作功率时，此时光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量刚好可以覆盖控制系统16和制氢系统的用电量，整个系统达到满负荷运行状态，此时光伏发电组件3和风力发电组件7发出的电全部经光伏汇流箱4和风电汇流箱8汇集后流到光伏逆变器5和AC/AC变流器转换成匹配变压器131的交流电，流到变压器131的交流电经变压器131转换成380V的工业用电，转化后的工业用电一小部分供给控制系统16和制氢辅助系统142，剩余全部流到整流器132转换成匹配电解槽141的直流电用于电解槽141电解水制取氢气。此时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12基本不工作，当光伏发电组件3和风力发电组件7发电出现波动时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑光伏发电组件3和风力发电组件7的发电波动。此时该纯离网式绿电制氢系统1是满负荷工作状态，能量利用效率最高。

当没有太阳光或进入黑夜时，光伏发电组件3无法发电，此时只有风力发电组件7可以发电，电解槽141无法继续在额定功率下运行，例如此时控制系统16监测到制氢设备14的运行功率低于第一预设值，风力发电组件7的发电量大于第二预设值，光伏发电组件3的发电量小于第三预设值，第一预设值、第二预设值、第三预设值的设定可根据实际需求设定。此时控制系统16需要立刻向双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12发出指令，使储能模块12快速释放电能并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换成匹配AC/AC变流器的交流电。经储能模块12释放并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换后的交流电和风电汇流箱8汇集的交流电一起进入AC/AC变流器转换成匹配变压器131的交流电，上述交流电再经过变压器131转换成380V工业用电供后续模块使用。控制系统16监测和跟踪风力发电组件7的实时发电量，并分析和计算风力发电组件7能够提供给后续控制系统16和制氢系统的用电负荷，然后控制系统16实时控制储能模块12释放的电量，使电解槽141从额定工作功率缓慢降低至只有风力发电组件7提供用电负荷的制氢功率。当电解槽141的工作功率降低至上述只有风力发电组件7提供用电负荷的制氢功率后，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12基本不工作，当风力发电组件7发电出现波动时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑风力发电组件7的发电波动。

当白天无风，风力发电组件7无法发电，此时只有光伏发电组件3可以发电，电解槽141无法继续在额定功率下运行，例如此时控制系统16监测到制氢设备14的运行功率低于第一预设值，且风力发电组件7的发电量小于第二预设值，光伏发电组件3的发电量大于第三预设值，第一预设值、第二预设值、第三预设值的设定可根据实际需求设定。此时控制系统16需要立刻向双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12发出指令，使储能模块12快速释放电能并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换成匹配光伏逆变器5的直流电。经储能模块12释放并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换后的直流电和光伏汇流箱4汇集的直流电一起进入光伏逆变器5转换成匹配变压器131的交流电，上述交流电再经过变压器131转换成380V工业用电供后续模块使用。控制系统16监测和跟踪光伏发电组件3的实时发电量，并分析和计算光伏发电组件3能够提供给后续控制系统16和制氢系统的用电负荷，然后控制系统16实时控制储能模块12释放的电量，使电解槽141从额定工作功率缓慢降低至只有光伏发电组件3提供用电负荷的制氢功率。当电解槽141的工作功率降低至上述只有光伏发电组件3提供用电负荷的制氢功率后，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12基本不工作，当光伏发电组件3发电出现波动时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑光伏发电组件3的发电波动。

实施例2：

在只有太阳光(或风力)的条件下,只有光伏发电组件3(或风力发电组件7)可以发电。光伏发电组件3(或风力发电组件7)发出的电能先经过光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)汇集在一起，在控制系统16和制氢系统启动之前，经汇流箱汇集的电能先经过双向DC/DC|AC/DC变流器转换后储存在储能模块12中，当储能模块12中初始储存的电量达到额定储能的70％容量以上时可以准备启动后续制氢系统。

在准备启动制氢系统前，储能模块12将储存的电能经双向DC/DC|AC/DC变流器转换成稳定的直流电(或交流电)，转换后的电力再经过光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换成稳定的交流电，然后再经过变压器131转化成380V的工业用电。转换好的工业用电首先供给控制系统16使控制系统16先启动，控制系统16启动后先自动检测各模块传输信号和各模块控制是否正常，如果一切正常，则可以进行后续工序。如果控制系统16检测存在异常，则控制系统16记录异常信息和位置并发出报警信号，待排除一切异常情况系统自动检测各项均正常后再进行后续工序。

控制系统16控制各模块自动启动，由于只有光伏发电组件3(或风力发电组件7)可以发电，所以电解槽141不能达到所设计的额定功率运行状态，只能在光伏发电组件3(或风力发电组件7)所能提供的最大制氢功率下运行，并把此时的制氢功率称为电解槽141的最大制氢功率。电解槽141刚启动不能直接在最大制氢功率下工作制取氢气，需要从低负载功率下缓慢提升至最大制氢功率。在电解槽141工作功率逐渐提升的过程中，光伏发电组件3(或风力发电组件7)的发电量大于控制系统16和制氢系统的用电量，控制系统16按照电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率来调整经光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)进入光伏逆变器5(或AC/AC变流器)的电流大小，使经光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换后的电流功率刚好覆盖后续电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率，并根据电解槽141的工作状况适时调整电解槽141的电解水功率，直至电解槽141达到最大制氢功率。在电解槽141不断提升工作功率的过程中，控制系统16同时控制光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)、双向DC/DC|AC/DC变流器、储能模块12，将光伏发电组件3(或风力发电组件7)发出的多余电量经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后存储到储能模块12中，直至电解槽141达到最大制氢功率。

当电解槽141达到最大制氢功率时，此时光伏发电组件3(或风力发电组件7)的发电量刚好可以覆盖控制系统16和制氢系统的用电量，整个系统达到满负荷运行状态，此时光伏发电组件3(或风力发电组件7)发出的电全部经光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)汇集后流到光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换成匹配变压器131的交流电，流到变压器131的交流电经变压器131转换成380V的工业用电，转换后的工业用电一小部分供给控制系统16和制氢辅助系统142，剩余全部流到整流器132转换成匹配电解槽141的直流电用于电解槽141电解水制取氢气。此时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12基本不工作，当光伏发电组件3(或风力发电组件7)发电出现波动时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑光伏发电组件3(或风力发电组件7)的发电波动。此时只有光伏发电组件3(或风力发电组件7)提供电力的纯离网式绿电制氢系统1也是满负荷工作状态，能量利用效率最高。

当没有太阳光或进入黑夜(或无风)时，光伏发电组件3(或风力发电组件7)也无法发电，此时电解槽141无法继续运行。控制系统16需要立刻向双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12发出指令，使储能模块12快速释放电能并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换成匹配光伏逆变器5(或AC/AC变流器)的直流电(或交流电)。经储能模块12释放并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换成的直流电(或交流电)起进入光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换成匹配变压器131的交流电，上述交流电再经过变压器131转换成380V工业用电供后续模块使用。控制系统16调整电解槽141从当前工作功率缓慢平稳降功率运行，直至制氢系统安全停机，待制氢系统安全停机后关闭控制系统16，整个系统停机。待太阳光(或风力)恢复时再启动系统工作。

当风力(或太阳能)恢复时，风力发电组件7(或光伏发电组件3)也恢复发电，此时电解槽141可以继续提升制氢功率直至达到所设计的额定功率。此时控制系统16控制电解槽141从当前制氢功率逐渐平稳提升，同时控制系统16按照电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率来调整经光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)进入光伏逆变器5(或AC/AC变流器)的电流大小，使经光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换后的电流功率刚好覆盖后续电解槽141的实时电解水功率、控制系统16功率和制氢辅助系统142的功率，并根据电解槽141的工作状况适时调整电解槽141的电解水功率，直至电解槽141达到额定工作功率。在电解槽141不断提升工作功率的过程中，控制系统16同时控制光伏汇流箱4(或风电汇流箱8)、双向DC/DC|AC/DC变流器、储能模块12，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑光伏发电组件3(或风力发电组件7)的发电波动。

当电解槽141达到额定工作功率时，光伏发电组件3和风力发电组件7的发电量刚好可以覆盖控制系统16和制氢系统的用电量，在整个系统达到满负荷运行状态，此时光伏发电组件3或风力发电组件7发出的电全部经光伏汇流箱4和风电汇流箱8汇集后流到光伏逆变器5或AC/AC变流器转换成匹配变压器131的交流电，流到变压器131的交流电经变压器131转换成380V的工业用电，转换后的工业用电一小部分供给控制系统16和制氢辅助系统142，剩余全部流到整流器132转换成匹配电解槽141的直流电用于电解槽141电解水制取氢气。此时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12基本不工作，当光伏发电组件3和风力发电组件7发电出现波动时，双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12根据控制系统16的调控适时将少量电能进行转换和充放，以平抑光伏发电组件3和风力发电组件7的发电波动。

在一些实施例中，当制氢系统需要停机维护时，控制系统16调整电解槽141从额定工作功率缓慢平稳降功率运行，直至制氢系统安全停机。在电解槽141从额定工作功率缓慢平稳降功率运行过程中，光伏发电组件3和风力发电组件7发出的电能一部分用于维持控制系统16和制氢系统平稳运行至制氢系统停机；另一部分电能在储能模块12有储存容量时经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后存储到储能模块12中，当储能模块12储能已满时临时废弃掉。当制氢系统安全停机后控制系统16也停止运行，整个系统停机后断开电路进行系统维护。

当突然遇到极端环境或紧急情况时，例如光伏发电组件3和风力发电组件7均停止工作不能发电，此时电解槽141无法继续运行。在一些实施例中，控制系统16需要立刻向双向DC/DC|AC/DC变流器和储能模块12发出指令，使储能模块12快速释放电能并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换成匹配光伏逆变器5(或AC/AC变流器)的直流电(或交流电)。经储能模块12释放并流向双向DC/DC|AC/DC变流器转换后的直流电(或交流电)起进入光伏逆变器5(或AC/AC变流器)转换成匹配变压器131的交流电，上述交流电再经过变压器131转换成380V工业用电供后续模块使用。控制系统16调整电解槽141从当前工作功率缓慢平稳降功率运行，直至制氢系统安全停机，待制氢系统安全停机后控制系统16也停止运行，整个系统停机。待极端环境或紧急情况度过、太阳光(或风力)恢复，检查确认整个系统无故障后再启动系统工作。

在一些实施例中，当太阳光或风力出现长时间急剧波动时，光伏发电组件3或风力发电组件7发出的电也会有较大的波动，可能会电解槽141产生较大的冲击，影响电解槽141的安全稳定运行。当光伏发电组件3或风力发电组件7发出的电力出现急剧波动，其波动幅度超出制氢系统的承受能力时，控制系统16即可发出控制指令将这部分急剧波动的电能从光伏汇流箱4或风电汇流箱8输送到双向DC/DC|AC/DC变流器转换后存储到储能模块12，同时控制系统16发出控制指令使储能模块12快速释放电能经双向DC/DC|AC/DC变流器转换后供给光伏逆变器5或AC/AC变流器，与汇流箱中相对稳定的电流一起流向光伏逆变器5或AC/AC变流器转换成匹配变压器131的交流电，再经变压器131转化成380V工业用电。上述工业用电一小部分用于控制系统16和制氢辅助系统142运行所需的电能，剩余主要部分通过输电线路向整流器132单向传递，输送到整流器132的电能经整流器132转换成匹配电解槽141运行的直流电，经整流器132转换后的直流电通过输电线路向电解槽141单向传递提供电解槽141水电解制取氢气的电能，以保障制氢系统安全稳定运行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，包括：

光伏设备，包括依次电连接且能够依次传递电能的光伏发电组件、光伏汇流箱及光伏逆变器；

风力设备，包括依次电连接且能够依次传递电能的风力发电组件、风电汇流箱及交流变流器；

储能设备，包括双向变流器及储能模块，所述双向变流器分别与所述光伏汇流箱、所述光伏逆变器、所述风电汇流箱及所述交流变流器电连接，所述光伏汇流箱和所述风电汇流箱能够向所述双向变流器传递电能；所述储能模块与所述双向变流器电连接，所述储能模块能够向所述双向变流器传递电能进而传递至所述交流变流器及/或所述光伏逆变器；

变压整流组件，与所述交流变流器和所述光伏逆变器电连接；

制氢设备，与所述变压整流组件电连接，以通过来自所述变压整流组件的电能制取氢气；

控制系统，与所述风力设备、所述光伏设备、所述储能设备、所述变压整流组件及所述制氢设备电连接，以监测所述风力设备和所述光伏设备的发电情况及所述制氢系统的运行情况，并用于调控所述纯离网式绿电制氢系统的能量供应方式；

当所述光伏发电组件的发电量和所述风力发电组件的发电量之和大于所述控制系统和所述制氢设备所需的额定用电量时，所述光伏发电组件和/或所述风力发电组件产生的多余电能通过所述双向变流器转储存至所述储能模块。

2.根据权利要求1所述的纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，所述变压整流组件包括变压器和整流器，所述光伏逆变器和交流变流器分别与所述变压器电连接，所述变压器用于将来自所述光伏逆变器和交流变流器的交流电转换成预设电压的电流；所述变压器还分别与所述控制系统、整流器和所述制氢设备电连接，以提供所述控制系统和所述制氢设备运行所需的电能，所述整流器与所述制氢设备电连接。

3.根据权利要求2所述的纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，所述制氢设备包括电解槽和制氢辅助系统，所述整流器与所述电解槽电连接，以将来自所述变压器的交流电转换成匹配所述电解槽运行的直流电；所述变压器与所述制氢辅助系统电连接，以提供制氢辅助系统运行所需的电能。

4.根据权利要求3所述的纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，所述电解槽为碱性电解槽，所述制氢辅助系统包括气液分离模块、纯化模块、碱液模块、纯水模块、辅助配电模块，所述变压器与所述辅助配电模块电连接以对所述辅助配电模块提供电能，所述辅助配电模块分别与所述气液分离模块、所述纯化模块、所述碱液模块、所述纯水模块电连接以提供电能；

所述碱液模块分别与所述电解槽和所述气液分离模块通过管道连接，用于将碱液注入所述电解槽和所述气液分离模块；

所述纯水模块与所述气液分离模块通过管道连接，用于向所述气液分离模块注入纯水；

所述气液分离模块与所述电解槽通过双向管道连接，用于将混合纯水后的碱液注入所述电解槽，并接收和分离来自所述电解槽中排出的气体和碱液；

所述纯化模块与所述气液分离模块通过管路连接，用于接收所述气液分离模块中排出的氢气，并用于提纯出高纯度氢气。

5.根据权利要求3所述的纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，所述电解槽为质子交换膜电解槽，所述制氢辅助系统包括气液分离模块、纯化模块、纯水模块、辅助配电模块，所述变压器与所述辅助配电模块电连接以对所述辅助配电模块提供电能，所述辅助配电模块分别与所述气液分离模块、所述纯化模块、所述纯水模块电连接以提供电能；

所述纯水模块分别与所述电解槽和所述气液分离模块通过管道连接，用于向所述电解槽和所述气液分离模块注入纯水；

所述气液分离模块与所述电解槽通过双向管道连接，接收和分离来自所述电解槽中氢气和水，并将纯水注入所述电解槽；

所述纯化模块与所述气液分离模块通过管路连接，用于接收所述气液分离模块中排出的氢气，并用于提纯出高纯度氢气。

6.一种纯离网式绿电制氢方法，应用于权利要求1-5所述的纯离网式绿电制氢系统，其特征在于，包括：

当所述光伏发电组件的发电量和所述风力发电组件的发电量之和大于所述控制系统和所述制氢设备所需的额定用电量时，控制所述光伏发电组件和/或所述风力发电组件产生的多余电能通过所述双向变流器转储存至所述储能模块。

7.根据权利要求6所述的纯离网式绿电制氢方法，其特征在于，包括：

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件和所述风力发电组件的发电量小于所述控制系统和所述制氢设备的用电量时，控制所述储能模块对所述控制系统和所述制氢设备供电。

8.根据权利要求6所述的纯离网式绿电制氢方法，其特征在于，包括：

当所述控制系统监测到所述制氢设备的运行功率低于第一预设值，且所述风力发电组件的发电量大于第二预设值，所述光伏发电组件的发电量小于第三预设值，则控制所述储能模块和所述风力发电组件一同对所述控制系统和所述制氢设备供电；

或者，当所述控制系统监测到所述制氢设备的运行功率低于第一预设值，且所述风力发电组件的发电量小于第二预设值，所述光伏发电组件的发电量大于第三预设值，则指示所述储能模块释放电能至所述光伏逆变器，以与所述光伏发电组件一同对所述控制系统和所述制氢设备供电。

9.根据权利要求6所述的纯离网式绿电制氢方法，其特征在于，包括：

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件或所述风力发电组件输出的电流波动超过预警值时，控制对应的所述光伏汇流箱或所述风电汇流箱中的电流流向所述双向变流器，并经所述双向变流器转换后存储于所述储能模块，以及控制所述储能模块释放电能至所述双向变流器，以对所述控制系统和所述制氢设备供电；

或者；

当所述控制系统监测到所述光伏发电组件或所述风力发电组件输出的电流波动超过预警值时，控制对应的所述光伏汇流箱或所述风电汇流箱，将超过所述控制系统和所述制氢设备所能承受的波动电能存储于所述储能模块；或者，控制所述储能模块释放电能，以对所述控制系统和所述制氢设备实时运行所缺少的电能进行补充。

10.根据权利要求6所述的纯离网式绿电制氢方法，其特征在于，包括：

当所述储能模块的储能量达到预设值时，控制所述储能模块向所述控制系统供电以启动所述控制系统；

所述控制系统控制所述电解槽由初始工作功率逐渐提升至额定工作功率，并使所述光伏发电组件和所述风力发电组件向所述电解槽实时提供运行所需的电能；控制所述光伏汇流箱和所述风电汇流箱将多余电流传输至所述双向变流器，并经所述双向变流器转换后存储于所述储能模块。