CN215071813U - 海上风电制氢、储能系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种海上风电制氢、储能系统，包括：可再生能源发电模块、储能模块、制氢模块、储氢模块、能量管理模块以及监控模块；本申请提供的上述方案，在海风输入功率超出制氢模块最大功率时，可再生能源发电模块将过多的电能输送到储能模块中，避免制氢模块输入的功率过大，在海风输入功率低于制氢模块20％功率时，储能模块放电以使的制氢模块正常运行，避免了在海风输入功率超出制氢模块最大功率或低于制氢模块20％功率时，制氢模块中产生过多的氧气而引起的安全问题，从而确保了制氢模块能够在20％至100％功率区间内稳定运行，也即能够适应海上风电宽功率波动运行。

Description

海上风电制氢、储能系统
技术领域
本实用新型涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种海上风电制氢、储能系统。
背景技术
海上风能具有较大的间歇性与波动性，海上风电场大规模并网会对电力系统的调度控制、运行品质以及系统安全稳定性产生诸多不利影响，这也成为了制约这类可再生能源发展的主要因素。一些新型技术和策略，例如，可再生能源出力预测、分布式发电、相邻区域电网互联互补以及新型电力电子设备等能够在一定程度上削弱这些不利影响，不过要克服这类可再生能源固有的间歇性与波动性，根本途径唯有发展大容量的能量存储系统。
近年来随着燃料电池技术的迅猛发展，氢气被视作一种重要的未来能源，一方面由于氢气具有很高的热值，高达120MJ/kg，近似于汽油的三倍；另一方面，将氢气作为燃料使用时仅仅产生水，对环境非常友好。因此可以预见到，未来社会对氢气的需求还会不断增长。然而传统的化工制氢方法不仅会消耗宝贵的化石燃料，还会排放有害物质以及温室气体，研究新的大规模制氢方法非常具有现实意义。
目前，基于“电解水--储氢--氢燃料电池发电”这一过程所构建的氢储能系统逐渐进入了人们的视野，当发电机组的出力处于峰值时，过剩的电能将水电解为氢气，电能转化为化学能被储存起来；而在发电机组出力的低谷期，氢燃料电池使用储存的氢气发电补偿供电缺口。
然而现有的制氢系统无法满足于海上风电的远距离制氢的需求，同时不能适应海上风电宽功率波动运行，一般只能在50％～100％负荷区间内运行，且不能跟随海风功率趋势及用户需求趋势运行。
实用新型内容
基于此，有必要针对现有的制氢系统不能够适应海上风电宽功率波动运行的问题，提供一种海上风电制氢、储能系统。
本实用新型提供了一种海上风电制氢、储能系统，包括：可再生能源发电模块、储能模块、制氢模块、储氢模块、能量管理模块以及监控模块；
所述储能模块和所述制氢模块分别与所述可再生能源发电模块电连接，所述制氢模块与所述储氢模块连接；
所述能量管理模块与所述监控模块电连接，所述储能模块、所述制氢模块以及所述储氢模块分别与所述监控模块连接。
上述海上风电制氢、储能系统，当海风输入功率超出制氢模块最大功率时或低于制氢模块20％功率时，制氢模块和储能模块能够互补运行，即在海风输入功率超出制氢模块最大功率时，可再生能源发电模块将过多的电能输送到储能模块中，避免制氢模块输入的功率过大，在海风输入功率低于制氢模块20％功率时，储能模块放电以使的制氢模块正常运行，避免了在海风输入功率超出制氢模块最大功率或低于制氢模块20％功率时，制氢模块中产生过多的氧气而引起的安全问题，从而确保了制氢模块能够在20％至100％功率区间内稳定运行，也即能够适应海上风电宽功率波动运行。
在其中一个实施例中，所述制氢模块包括电解槽、PLC控制器以及导线；所述导线的一端与所述电解槽上的电极连接，另一端与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器与所述可再生能源发电模块电连接，所述电解槽中产生的氢气通过管道输送到所述储氢模块中。
在其中一个实施例中，所述制氢模块还包括电解液存放箱和补充泵，所述补充泵的进水口与所述电解液存放箱连通，所述补充泵的出水口与所述电解槽连通。
在其中一个实施例中，所述电解槽上的电极为三维互穿多孔结构。
在其中一个实施例中，所述储氢模块包括氢气压缩机和储氢瓶组，所述电解槽中产生的氢气通过管道输送到所述氢气压缩机中，所述氢气压缩机将输送来的氢气压缩后输送到所述储氢瓶组中。
在其中一个实施例中，所述能量管理模块包括虚拟风机模块、风功率预测模块和能量管理功率计算模块，所述虚拟风机模块与所述风功率预测模块连接，所述风功率预测模块与所述能量管理功率计算模块连接。
在其中一个实施例中，还包括储能变流器，所述储能变流器的输出端与所述储能模块连接，所述储能变流器的输入端与所述监控模块连接。
在其中一个实施例中，还包括并网柜，所述可再生能源发电模块通过所述并网柜与电网连接。
在其中一个实施例中，所述储能模块包括蓄电池。
在其中一个实施例中，所述可再生能源发电模块包括风力发电机。
附图说明
图1为本实用新型一实施例提供的海上风电制氢、储能系统示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的监控系统示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的能量管理模块与监控模块的交互示意图；
图4为本实用新型一实施例提供的制氢、储能互补运行示意图；
图5为本实用新型一实施例提供的制氢跟踪海风功率波动趋势运行示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型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实用新型。但是本实用新型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实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
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。在本实用新型的描述中，“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。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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。
如图1所示，本实用新型一实施例中，提供了一种海上风电制氢、储能系统，包括：可再生能源发电模块、储能模块、制氢模块、储氢模块、能量管理模块以及监控模块；其中，储能模块和制氢模块分别与可再生能源发电模块电连接，制氢模块与储氢模块连接；能量管理模块与监控模块电连接，储能模块、制氢模块以及储氢模块分别与监控模块连接。
本实用新型中的可再生能源发电模块选用风力发电机，该风力发电机利用海上风力资源发电的新型发电厂，与陆上风电场相比，海上风电场的优点主要是不占用土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风电机组单机容量更大(3～6兆瓦)，年利用小时数更高。可以理解，在其他实施例中，也可以使用其他具有发电功能的可再生能源发电模块。
储能模块是指：在对储能过程进行分析时，为了确定研究对象而划出的部分物体或空间范围，称为储能模块。它包括能量和物质的输入和输出、能量的转换和储存设备。储能模块往往涉及多种能量、多种设备、多种物质、多个过程，是随时间变化的复杂能量模块，需要多项指标来描述它的性能。本申请中的储能模块主要包括1MWh储能成套设备，数据采集及监控、安全保护成套设备，电缆及辅助材料等，电池单体采用磷酸铁锂电池，用集装箱型式布置，防护等级不低于IP54，且在寿命期限内(25年内)具备无限次满载吊装功能和强度。
在使用时，可再生能源发电模块即海上风力发电厂将产生的点一部分输送到储能模块中储存起来，一部分输送到制氢模块中进行制氢，生产出来的氢气存储在储氢模块中。
采用上述技术方案，如图4所示，当海上风力发电厂输入功率超出制氢模块最大功率时或低于制氢模块20％功率时，制氢模块和储能模块能够互补运行，即在海风输入功率超出制氢模块最大功率时，可再生能源发电模块将过多的电能输送到储能模块中，避免给制氢模块输入的功率过大而导致制氢模块中产生过多的氧气，在海风输入功率低于制氢模块20％功率时，储能模块放电以使的制氢模块正常运行，避免了在海风输入功率超出制氢模块最大功率或低于制氢模块20％功率时，制氢模块中产生过多的氧气而引起的安全问题，从而确保了制氢模块能够在20％至100％功率区间内稳定运行，也即能够适应海上风电宽功率波动运行；
同时，如图5所示，当海风输入功率波动时，制氢模块通过宽功率调节，同时控制储能模块充电或放电，实现制氢模块跟踪海风功率波动趋势安全稳定运行。
在一些实施例中，本申请中的制氢模块包括电解槽、PLC控制器以及导线；其中，导线的一端与电解槽上的电极连接，另一端与PLC控制器连接，PLC控制器与可再生能源发电模块电连接，电解槽中产生的氢气通过管道输送到储氢模块中。海上风力发电厂产生的电能通过PLC控制器、导线输入到电解槽上的电极上，从而就可以产生氢气。
在一些实施例中，为了方便给电解槽中添加电解液，本申请中的制氢模块还包括电解液存放箱和补充泵，补充泵的进水口与电解液存放箱连通，补充泵的出水口与电解槽连通。
在一些实施例中，本申请中的电解槽上的电极为三维互穿多孔结构，该结构具有高孔隙率，大大提高了电解电极的体积效率，提高产氢效率；电极结构均匀，轻便耐腐蚀，高机械性能，可承受电流密度高，相较于传统电极高出50％-100％。
在一些实施例中，本申请中的储氢模块包括氢气压缩机和储氢瓶组，电解槽中产生的氢气通过管道输送到氢气压缩机中，氢气压缩机将输送来的氢气压缩后输送到储氢瓶组中。
具体地，上述储氢模块包括一套吸排气压力1.6MPa-45MPa、排量为30Nm3/h的氢气压缩机和一组储存压力为45MPa、水容积为1.98m3的储氢瓶组(220L＊9支)。较单个储氢罐，采用多瓶组储存的方式，提升了储氢模块的运行灵活性，便于氢气的分级使用，更接近实际工程应用场景。
在一些实施例中，如图3所示，本申请中的能量管理模块包括虚拟风机模块、风功率预测模块和能量管理功率计算模块，虚拟风机模块与风功率预测模块连接，风功率预测模块与能量管理功率计算模块连接。
上述在虚拟风机模块中，采用的是风机的稳态数学模型，将风机风速储存在数据表格中，按采样时间输出风速，提供给风功率预测模块，能量管理模块进行风功率预测时，拟采用的是神经网络方法，通过对风机历史样本数据进行训练，得到神经网络算法中各层的权重系数，继而可以根据当前风速预测下一时刻风速，在现有历史数据中，风机风速采样时间为15min，因此风速预测的是未来距当前15min的时刻，在没有更精细的历史数据的情况下，可以考虑通过插值法来得到分钟级采样时间的预测风速，风功率预测模块根据虚拟风机模块的风速预测风功率后，能量管理功率模块需要根据所预测的风功率、储能模块的状态和制氢\储氢模块的状态来优化储能模块和制氢设备的功率。
本能量管理模块拟采用模型预测算法完成储能及制氢设备功率的优化。预测控制的基本原理是通过预测未来一段时间内的工况，对该段时间进行全局优化，然后取第一个时刻的控制量作为当前时刻的控制指令施加到被控制对象中。对于示范站，基于预测控制的能量管理模块首先获得储能、制氢及并网点的工作状态，结合约束条件与所预测的风速和风功率，进行未来15分钟的全局优化，得到最优控制后，将第一个时刻的功率指令发送给监控模块。
本申请中的能量管理模块软件在台式服务器运行时，通过点击按钮输入设置和运行指令，并以曲线和数显的方式在显示器上显示海风制氢示范站中各个子模块的实时运行状态。
监视模块通过采集可再生能源发电模块、储能装置、制氢装置以及辅助设备的电流、电压、功率、产氢量等数据，上送至能量管理模块，能量管理模块通过最优化的算法策略，进行能量调度，该能量管理模块采用HTTP接口与监控模块通讯，从监控模块处获取储能模块、制氢模块及并网点的状态信息，经过算法程序运算后，通过HTTP向监控模块发送各部件的功率指令，包括蓄电池电池指令与制氢模块电解槽电流指令等。
在一些实施例中，本申请中的海上风电制氢、储能系统还包括储能变流器，储能变流器的输出端与储能模块连接，储能变流器的输入端与监控模块连接。
如图2所示，本申请中的能量管理模块作为控制中枢，与监控模块进行通讯，进行数据交互，再由监控模块向储能变流器和制氢模块的PLC下发指令，采用PLC控制调节制氢模块输入电流大小，测量工作电流稳定值和响应时间，采用体积流量计测量制氢量，同时观察电压、温度、压力等运行参数的变化情况。对制氢模块的各样输出信号进行采样记录，数据传递到监控模块，再由监控模块传回能量管理模块记录，PLC的采样周期为0.1ms。
以上所述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。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种海上风电制氢、储能系统，其特征在于，包括：可再生能源发电模块、储能模块、制氢模块、储氢模块、能量管理模块以及监控模块；
所述储能模块和所述制氢模块分别与所述可再生能源发电模块电连接，所述制氢模块与所述储氢模块连接；
所述能量管理模块与所述监控模块电连接，所述储能模块、所述制氢模块以及所述储氢模块分别与所述监控模块连接。
2.根据权利要求1所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述制氢模块包括电解槽、PLC控制器以及导线；
所述导线的一端与所述电解槽上的电极连接，另一端与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器与所述可再生能源发电模块电连接，所述电解槽中产生的氢气通过管道输送到所述储氢模块中。
3.根据权利要求2所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述制氢模块还包括电解液存放箱和补充泵，所述补充泵的进水口与所述电解液存放箱连通，所述补充泵的出水口与所述电解槽连通。
4.根据权利要求2所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述电解槽上的电极为三维互穿多孔结构。
5.根据权利要求2所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述储氢模块包括氢气压缩机和储氢瓶组，所述电解槽中产生的氢气通过管道输送到所述氢气压缩机中，所述氢气压缩机将输送来的氢气压缩后输送到所述储氢瓶组中。
6.根据权利要求1所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述能量管理模块包括虚拟风机模块、风功率预测模块和能量管理功率计算模块，所述虚拟风机模块与所述风功率预测模块连接，所述风功率预测模块与所述能量管理功率计算模块连接。
7.根据权利要求1所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，还包括储能变流器，所述储能变流器的输出端与所述储能模块连接，所述储能变流器的输入端与所述监控模块连接。
8.根据权利要求1所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，还包括并网柜，所述可再生能源发电模块通过所述并网柜与电网连接。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述储能模块包括蓄电池。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的海上风电制氢、储能系统，其特征在于，所述可再生能源发电模块包括风力发电机。
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