JP2023129395A - 電解槽の電力管理及び電力システムの制御 - Google Patents

電解槽の電力管理及び電力システムの制御 Download PDF

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Abstract

【課題】電解槽の電力管理及び電力システムの制御を行う。電力制御装置を提供する。【解決手段】電解槽の単一ステージ電力変換を有するシステム１００は、第１のステージにおいて、ＤＣドループ特性を使用して、電力抑制情報をＤＣバス電圧レベルとしてエンコードし、第２のステージにおいて、ＤＣバス電圧を電力情報にデコードする。【選択図】図１

Description

［優先権情報］
本願は、２０２２年３月４日に出願された米国仮特許出願第６３／３１６，９５０号の利益を主張し、この米国仮特許出願は、その全体を参照により本明細書に援用する。
本発明の実施形態は、包括的には、電解槽システムに関し、より詳細には、電解槽の電力管理及び電力システムの制御に関する。
電解槽は、水分子又は他の炭化水素燃料分子を分割することによって水素を生成するために、電気を消費する装置である。電解槽への入力電源は、メイングリッド（すなわち、ユーティリティグリッド）、マイクログリッド、又はその組合せのいずれかとすることができる。概して、マイクログリッドは、太陽光、風力、地熱、水力、貯蔵、従来型等の１つ以上の分散型電気リソース（ＤＥＲ）を備えるように構成することができる。メイングリッドは、複数の分散型電力リソースを備えることもできる。
電力システム（ＥＰＳ）は、メイングリッドであるかマイクログリッドであるかを問わず、ＥＰＳネットワークにおける総発生電力と総負荷電力との均衡が乱されることによって生じる様々な変動を受ける。そのような変動は、ＤＥＲ内に接続される再生可能エネルギー源によって発生する電力の間欠的性質に起因して増大していく。ネットワークにおける発電量が総負荷電力よりも大きくなると、電力システムの電圧及び／又は周波数が増大する。同様に、負荷電力の総量が発電よりも大きくなると、電力システムの電圧及び／又は周波数が低減する。
したがって、本発明は、関連技術の制限及び不都合点に起因する１つ以上の問題を実質的に排除する電解槽の電力管理及び電力システムの制御に関する。
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明において記載され、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び他の利点は、特に、添付図面と合わせて記載の説明及び本件の特許請求の範囲に示される構造によって実現及び達成される。
これらの利点及び他の利点を達成するために、本発明の目的に従って、具現化及び広範に記載されるように、電解槽の電力管理及び電力システムの制御は、第１のステージにおいて、ＤＣドループ特性を使用して、電力抑制情報をＤＣバス電圧レベルとしてエンコードし、第２のステージにおいて、ＤＣバス電圧を電力情報にデコードするように構成される、電力制御装置を含む。
以上の一般的な記載及び以下の詳細な記載はいずれも、例及び説明的なものであり、特許請求の範囲に係る本発明の更なる説明を与えることを意図するものであることが理解される。
本発明の更なる理解をもたらすために含まれ、本明細書に援用されるとともに本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施形態を例示するとともに、明細書と合わせて本発明の原理を説明する役目を果たす。
図１は、本発明の一例示の実施形態に係る、電解槽の単一ステージ電力変換を有するシステムを示す図である。 図２の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、整流器及びコントローラーの構成を示す図である。 図３は、本発明の一例示の実施形態に係る、単一ステージ変換を有する電解槽におけるドループ制御を実施するシステムを示す図である。 図４の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一例示の実施形態に係る、単一ステージ変換電解槽におけるスタック電流の選択基準を示す図である。 図５の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の例示の実施形態に係る、２ステージの電力変換を有する電解槽システム５００を示す図である。 図６は、本発明の一例示の実施形態に係る、２ステージの電力変換を有する電解槽システム６００を示す図である。 図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、ＤＣドループを使用する２ステージ電力変換を有する電解槽における周波数ドループ制御の実施を示す図である。 図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る一時過負荷容量を有する電解槽の周波数ドループ制御を示す図である。 図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、電解槽の２ステージ電力変換における電圧ドループ制御の実施を示す図である。 図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、一時過負荷容量を有する電解槽における電圧ドループ制御を示す図である。 図１１の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一例示の実施形態に係る、２ステージ変換電解槽におけるスタック電流の選択基準を示す図である。
添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明の実施形態又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。
電解槽は、電気エネルギー及び熱エネルギーを消費して、水分子を分割することによって水素を生成する装置である。電解槽によって必要とされる熱エネルギーは、電解槽の内部の電気エネルギーから生成することができる。代替的又は付加的に、熱エネルギーは、外部源から、典型的には、例えば他のプロセスの副生成物を通して供給することができる。熱エネルギーが電気エネルギーに由来する電解槽において、電解に必要とされる総電気エネルギーは、スタックに必要とされる電気エネルギーと、必要な熱エネルギーを生成するための電気エネルギーとの合計となる。
１つ以上の電源を電気エネルギーのために使用することができる。電解槽への入力電源は、メイングリッド（すなわち、ユーティリティグリッド）、マイクログリッド、又はそれらの組合せのいずれかであり得る。概して、マイクログリッドは、太陽光、風力、地熱、水力、貯蔵（例えば、バッテリ）、従来型等の１つ以上の分散型電気リソース（ＤＥＲ）を備える。メイングリッド（すなわち、ユーティリティグリッド）は、グリッドに接続される分散型電力リソース（ＤＥＲ）を備えることもできる。ＤＥＲの使用が増大するにつれ、ＤＥＲにも大きく依存するユーティリティグリッドの信頼性及び電力品質も向上する。
電力システム（ＥＰＳ）は、メイングリッドであるかマイクログリッドであるかを問わず、ＥＰＳネットワークにおける総発生電力と総負荷電力との均衡が乱されることによって生じる様々な変動を受ける。そのような変動は、ＤＥＲ内に接続される再生可能エネルギー源によって発生する電力の間欠的性質に起因して増大していく。ネットワークにおける発電量が総負荷電力よりも大きくなると、電力システムの電圧及び／又は周波数が増大する。同様に、負荷電力の総量が発電よりも大きくなると、電力システムの電圧及び／又は周波数が低減する。加えて、マイクログリッドにおける分散型電源は、例えば、ＡＣ結合マイクログリッド若しくはＤＣ結合マイクログリッド又はそれらの組合せのいずれかであり得る。
電力システムは、メイングリッドであるかマイクログリッドであるかを問わず、特に、太陽光及び風力等の接続されたＤＥＲによる発電の間欠的性質に起因して、発生電力と負荷電力との均衡が乱されることによって生じる様々な異常を受ける。グリッドの安定性を規定する主要な２つのパラメーターである電力システムネットワークの電圧及び周波数は、ネットワークへの発電の総量と、ネットワークからの電力消費の総量との均衡に直接依存する。ネットワークにおける発電量が電力消費量よりも多い場合、電力システムの周波数及び／又は電圧は増大する。同様に、電力消費量が発電量よりも多い場合、電力システムの周波数及び／又は電圧は低減する。これらの電圧及び周波数の逸脱を軽減するために適切な措置が講じられない場合、この電力の不均衡は、グリッドの完全な崩壊につながるおそれがあり、これは、マイクログリッド及び他の電気グリッドの双方に当てはまり得る。理想的には、発電がネットワークの電力需要を満たすように即座に応答することが期待されるが、実際には、多くの従来の発電システムは、負荷と比較してはるかに応答が遅いため、それは不可能であり、そのため、発電不足は、電力システムネットワークの安定性に対して常に現実的な脅威である。
電解槽は、電力システムネットワークから有効電力を消費して水素を生成するため、電力システムネットワークにおける負荷として分類される。基本的な電解槽スタック（すなわち、電解セルの群）は、そのスタックを通して制御されたＤＣ電流を必要とし、この電力は、概して、接続されたグリッド／マイクログリッドのＡＣ電力システムから得られる。したがって、全ての電解槽は、整流器としても知られるＡＣ対ＤＣ変換装置を利用する。整流器は、ＡＣ電源から電力を得て、その出力においてＤＣ電力に変換する。整流器は、電力レベルに応じて三相又は単相とすることができ、多様な電圧及び周波数レベルで動作することができる。
いくつかの電解槽は、整流器がＡＣからＤＣに変換するとともに、電解槽スタックを通って流れる電流を制御する、単一ステージ電力変換を有する。他の電解槽は、第１のステージがＡＣを固定ＤＣ電圧に変換し、第２のステージが、固定ＤＣを、電解槽スタックに必要とされる可変ＤＣ電流に変換する、２ステージ変換を有する。さらに、２ステージ変換は、複数のＳＯＥＣスタックの複数のＤＣＤＣに供給を行う１つの整流器を有することができる。
本明細書に記載される実施形態は、単一ステージ及び２ステージ電力変換の双方に容易に適用することができる。加えて、実施形態は、全てのタイプ及び分類の電解槽、例えば、ａ）低温及び高温電解槽、ｂ）水の分割又は炭化水素の分割、及び、ｃ）高分子電解質膜（ＰＥＭ）又はアルカリ又は固体酸化物（ＳＯＥＣ）型に容易に適用可能である。
現在の解決策は、整流器から接続された全てのＤＣＤＣへの通信を提供する。この通信は、アナログ通信、デジタル通信、又は電力線通信とすることができる。しかしながら、別個の専用通信を有することにより、追加のコストが必要となり、この特徴の成功は、専ら通信チャネルの速度及び信頼性に左右される。
電解槽における水素生成速度は、単一のパラメーター（すなわち、電解槽スタックへの電流供給）によって制御することができる。いくつかの他のパラメーター、例えば、スタック温度、電解槽スタックの物理的特性等も水素生成速度に影響し得るが、これらは通常、一定に保たれる。スタック電流を制御する電力供給によって消費される電力は、スタック電流に正比例し、したがって、水素生成速度に正比例する。
ここで記載されるように、実施形態は、包括的には、電解槽システム及びプラントにおける周波数ドループ制御及び電圧ドループ制御の実施に関する。様々なドループ制御方法が、２０２３年１月３１日に出願された「ＧＲＩＤ ＳＵＰＰＯＲＴＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＺＥＲ」と題する米国特許出願第１８／１６２，０６０号に記載されており、この米国特許出願は、参照により本明細書に援用する。
単一ステージ変換
図１は、本発明の一例示の実施形態に係る、電解槽の単一ステージ電力変換を有するシステム１００を示している。
図１に示されているように、システム１００は、入力電力システム（すなわち、ユーティリティグリッド又はマイクログリッド）のＡＣ電圧７１０を、電解槽スタック２００によって使用されるＤＣ電流５００に変換するのに使用される整流器６９０を備える。ＡＣ電圧は、これらの電力レベルでは、典型的には三相であるが、他の相数、例えば単相を使用してもよい。
図２の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、整流器及びコントローラーの構成を示している。整流器は、負荷及び水素生成を制御するために水素設定点を利用するように構成される。
電解槽動作において、オペレーターは、固定値をプログラミングするか又は目標水素生成速度（水素設定点と称する）を送信して、整流器を構成することができる。整流器コントローラー６９１は、水素設定点コマンドを受信し、その水素を送達するとともにその電流設定点を整流器電力セクション６９２に通信するのに必要なスタック電流の量を計算する。整流器電力セクション６９２は、コントローラーコマンドを実行し、必要量の電流を電解槽スタック２００に送達する。
様々な構成において、コントローラー６９１は、図２の（Ａ）に示されているように整流器モジュール６９０と一体とするか、又は図２の（Ｂ）に示されているように整流器６９０の外部にあることができる。また、図２の（Ｃ）に示されているように、１つのコントローラーが、オペレーターから複数の整流器／スタックに対するコマンドを受信し、そのコマンドを実行し、それぞれの電流コマンドをこれらの整流器に分配することができる。
コントローラー６９１は、ドループ制御を実施するのに使用される。コントローラー６９１は、整流器６９０の近くに物理的に位置し（又は図２の（Ａ）に示されているように整流器モジュール自体と一体である）、整流器の入力７１０において、グリッド電圧及び周波数を直接監視する。コントローラーは、入力７１０における測定電圧及び周波数を使用して、電圧（Ｖ）ドループ特性及び周波数（Ｆ）ドループ特性に基づいて整流器の電力入力を確定する。次いで、コントローラー６９１は、その電力情報をスタック電流情報に変換する。
周波数ドループ制御
図３は、本発明の一例示の実施形態に係る、単一ステージ変換を有する電解槽におけるドループ制御を実施するシステム３００を示している。
周波数制御の実施ロジックが記載される。コントローラー６９１は、入力７１０におけるＡＣの周波数を測定し、周波数ドループ特性に基づいて各整流器の新しい電力消費設定点を導出する。次いで、整流器は、その入力電力情報を、それぞれのスタックに供給される電流に変換する。同様に、コントローラー６９１はまた、別の現場レベルコントローラー、クラウドベースコントローラー、又はコントローラー６９１自体の内部に記憶された固定数を通して、オペレーターから水素生成速度設定点を受信する。次いで、コントローラーは、その水素生成速度設定点を等価のスタック電流に変換する。コントローラー６９１は、ドループ特性から導出されたスタック電流とオペレーターコマンドとを比較し、これらの２つの電流値のうちの低い方をその対応する整流器に送信し、実行する。コントローラー６９１は、これらの電力及び電流の計算を周期的に実行し、スタック電流を更新する。換言すれば、整流器出力電流は、通常動作条件におけるオペレーター水素コマンドを実行するが、グリッドの異常条件中、ドループ制御から導出された電流がオペレーター水素コマンドよりも低い場合、整流器出力は、ドループ特性から導出された電流に制限される。
いくつかの実施形態において、電解槽は、短時間、水素を過生成する（すなわち、その公称定格を超える）ように構成される。このタイプの電解槽は、過周波数（すなわち、発電が消費よりも多い）中に、電力システムネットワークにおける負荷を増大させるように使用することもできる。一時過負荷容量を有する電解槽における例示の選択ロジックも図３に示されている。過周波数シナリオがある場合、コントローラー６９１は、「最大短時間過負荷設定点」及び「ドループ特性から導出された電流値」の最小値を選択し、その結果を整流器に送信する。グリッド周波数が過周波数シナリオにないと判断された場合、整流器は、「オペレーター水素設定点から導出された電流値」及び「ドループ特性から確定された電流値」の最小値を選択し、その値を整流器に送る。
電圧ドループ制御
様々な実施形態において、当業者には容易に理解されるように、電圧ドループ制御及び電流選択基準の実施は、周波数ドループの実施について上記で説明したものと同じ方法で実行され、ここで、電圧は、周波数ではなく強制関数である。実施形態は、周波数ドループ制御又は電圧ドループ制御のいずれかの使用に限定されないものの、双方に適用することができる。
周波数ドループ特性及び電圧ドループ特性の組合せ
いくつかの例において、周波数及び電圧の過剰／公称／不足シナリオの異なる組合せを有するグリッドイベントが起こり得る。したがって、電圧ドループ制御ループ及び周波数ドループ制御ループは、異なる電力設定点を出力する場合がある。
図４の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一例示の実施形態に係る、単一ステージ変換電解槽におけるスタック電流の選択基準を示している。電力設定点の選択基準は、図４の（Ａ）、（Ｂ）におけるロジックに従う。
図４の（Ａ）に示されているように、整流器コントローラー（例えば、６９１）は、電圧ドループ特性及び周波数ドループ特性から２つの電流レベルを導出し、ブロック９００において２つのレベルを比較し、２つの値のうちの低い方をブロック９０１に送信して、オペレーター水素設定点から導出された電流設定点の値と比較する。次いで、ブロック９０１は、２つの値のうちの低い方を整流器に通信し、スタック電流を制御する。
一時過負荷容量を有する電解槽の選択基準ロジックが図４の（Ｂ）に示されている。主電流選択ロジックは、上記シナリオと同じであり、過周波数シナリオをカバーするためにブロック９０２が追加されている。コントローラー（例えば、６９１）は、ブロック９０２において、「最大短時間過負荷設定点」を「周波数ドループから導出された電流」と比較し、その出力において、２つのうちの低い方を出力する。ソフトウェアロジックスイッチは、周波数ステータスに基づいて整流器に対する電流設定点を選択する。周波数が過周波数条件として判断された場合、ブロック９０２の出力が整流器に送信される。周波数が過周波数でない（すなわち、通常周波数又は不足周波数）と判断された場合、ブロック９０１の出力が整流器に送信される。有効電力制御に関しては、電圧ドループと比較して周波数ドループの方が優先順位が高い。
２ステージ変換
図５の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の例示の実施形態に係る、２ステージの電力変換を有する電解槽システム５００を示している。
図５の（Ａ）に示されているように、第１のステージは、ユーティリティ又はマイクログリッドからのＡＣ入力電力７１０を一定ＤＣ電圧５５０に変換する整流器６９０を含み、第２のステージにおいて、この一定ＤＣ電圧５５０は、ＤＣＤＣコンバーター１１０を使用して、電解槽スタック２００の可変ＤＣ電流５００に変換される。整流器６９０は、概して、必要に応じてＤＣＤＣコンバーター１１０に電力を供給する、一定ＤＣ電圧５５０を出力するように設計される。
いくつかの構成において、複数のスタック及びそれらのそれぞれのＤＣＤＣを、１つの電解槽において使用することができる。加えて、図５の（Ｂ）に示されているように、複数の電解槽を共通の整流器に接続することができる。そのような構成において、第２のステージのＤＣＤＣは、整流器又はグリッドから物理的に遠くに位置することができる。
周波数ドループ制御
図６は、本発明の一例示の実施形態に係る、２ステージの電力変換を有する電解槽システム６００を示している。これは、２ステージ変換におけるドループ制御を実施するアーキテクチャである。
ここで、整流器コントローラー６９１は、（図２の（Ｂ）に示されているように）別個とすることができるか、又は（図２の（Ａ）に示されているように）整流器モジュールの一体部分とすることができる。また、図２の（Ｃ）に示されているように、単一の整流器コントローラー６９１が、複数の整流器６９０を制御するように構成することができる。
整流器コントローラー６９１は、整流器入力７１０におけるグリッド電圧及び周波数を連続的に監視し、グリッド異常中に必要とされる電力抑制を確定する。しかしながら、上記に言及したように、整流器は、概して、接続されたＤＣＤＣ１１０が利用する電力を供給しながら、固定ＤＣ出力電圧を生成するように設計される。換言すれば、電解槽電流を整流器又は整流器コントローラーから、それらの間の有効な通信なしで直接制御することが可能でない。
本発明の実施形態は、整流器コントローラーとＤＣＤＣとの間の有効な通信を必要とせずに、よりロバストな解決策を提供する。「コード化」されたＤＣバス電圧を使用して、電力抑制情報を整流器コントローラー６９１からＤＣＤＣコントローラー１１１に伝達することが提案される。整流器６９０、ＤＣＤＣコンバーター１１０、及びＤＣＤＣコントローラー１１１は、同じＤＣバス５５０に電気的に接続されることから、ＤＣバス５５０における電圧を同時に、独立して、及び瞬時に監視することが可能である。整流器コントローラー６９１と集中ＤＣＤＣコントローラー１１１との間の別個の高速通信線は必要ない。
図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、ＤＣドループを使用する２ステージ電力変換を有する電解槽における周波数ドループ制御の実施を示している。
実施形態は、第１のステージにおいて、ＤＣドループ特性を使用して、電力抑制情報をＤＣバス電圧レベルとしてエンコードし、第２のステージにおいて、そのＤＣバス電圧を電力情報にデコードする。所望の周波数－電力特性は、図７の（Ｃ）に示されている。周波数がｆ１よりも降下すると、電解槽による電力使用は、ｆ１とｆ２との間のドループ曲線の傾きによって規定されるように低減することが予期される。ドループ特性は、複数の傾き又は非線形の傾きを含むことができる。所望の周波数－電力ドループ曲線は、異なるコントローラーにおける一連の２つのドループ曲線（すなわち、整流器コントローラー６９１における周波数－ＤＣバス電圧ドループ曲線、及びＤＣＤＣコントローラー１１１におけるＤＣバス電圧－電力曲線）を通して実施することができる。
整流器６９０は、所定の範囲内の調整可能な出力ＤＣ電圧を供給するように設計される。電解槽電力消費とＤＣバス電圧との関係は、図７の（Ｂ）に示されているように、予め設定されたドループ特性によって確定される。同様に、ＤＣバス電圧と周波数との関係は、図７の（Ａ）に示されているように、予め設定されたドループ特性によって確定される。図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）におけるドループ曲線の傾き及び不感帯は、図７の（Ｃ）における所望のドループ曲線を達成するように特別に設計することができる。
整流器コントローラー６９１は、接続されたＡＣ入力７１０の周波数を連続的に監視する。周波数が限度内にあるとき（ｆ＞ｆ１）、コントローラー６９１は、整流器６９０に、ＤＣバス５５０における公称ＤＣ出力電圧Ｖｄｃ１を生成するようにコマンドを送る。図７の（Ａ）に示されているように、入力７１０の周波数がｆ１よりも降下すると、コントローラーは、整流器にコマンドを送り、ＤＣドループの傾き及び測定周波数に基づいて、その出力電圧レベルを公称電圧レベルＶｄｃ１よりも低い値に低減する。この周波数ドループ制御特性の支配方程式は、以下に与えられる。
Figure 2023129395000002
 式中、ｆｇｒｉｄは、入力７１０における測定周波数であり、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧である。
ＤＣドループの傾きは、公称ＤＣ電圧Ｖｄｃ１と、ＤＣＤＣ及び整流器が動作するのに必要な最小電圧Ｖｄｃ２と、周波数値ｆ１及びｆ２とに基づいて設計される。Ｖｄｃ２の典型的な値は、公称ＤＣバス電圧Ｖｄｃ０の９５％～９０％である。
ＤＣＤＣコントローラー１１１は、ＤＣバス電圧５５０であるＶｄｃを連続的に監視し、図７の（Ｂ）に記載されている特性に基づいて、等価の電力を計算する。次いで、コントローラー１１１は、この電力情報からスタック電流レベルを導出する。「ＤＣバス電圧－電力」ドループ曲線の支配方程式は、以下に与えられる。
Figure 2023129395000003
 式中、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧であり、Ｐは、電解槽の目標電力である。
ＤＣＤＣコントローラー１１１は、電力Ｐからスタック電流を導出し、次いで、それをオペレーター水素設定点から導出された電流と比較し、これらの２つの電流の最小値をＤＣＤＣ１１０に送信する（これは図３に記載されている）。ＤＣＤＣ１１０は、コマンドに応じた量の電流をスタックに供給することによって、そのコマンドを実行する。
図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、一時過負荷容量を有する電解槽の周波数ドループ制御を示している。電解槽が一時過負荷を行うことができる場合、図８に記載されているドループ特性を使用して、過周波数シナリオを軽減することができる。支配方程式は、以下に与えられる。
セット１：整流器コントローラー６９１において実施される周波数－ＤＣバスドループ特性
Figure 2023129395000004
 式中、ｆｇｒｉｄは、入力７１０における測定周波数であり、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧である。
セット２：ＤＣＤＣコントローラー１１１において実施されるＤＣバス電力ドループ特性
Figure 2023129395000005
 式中、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧であり、Ｐは、電解槽の目標電力である。
電圧ドループ制御
図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、電解槽の２ステージ電力変換における電圧ドループ制御の実施を示している。
電圧ドループ制御は、周波数の代わりに電圧が強制関数として使用されることを除いて、周波数ドループ制御と同じ方法で実施される。２ステージ電力変換における電圧ドループ制御の実施は、図９に示されている。ＡＣグリッド電圧－ＤＣバス電圧ドループ制御は、整流器コントローラー６９１において実施される。ＤＣバス電圧－電解槽電力ドループは、ＤＣＤＣコントローラー１１１において実施される。この構成は、周波数ドループ及び電圧ドループの双方の実施に容易に適用可能である。
ＡＣ入力電圧－ＤＣバス電圧の支配方程式は、以下に与えられる。
Figure 2023129395000006
 式中、Ｖｇｒｉｄは、入力７１０における測定電圧であり、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧である。
図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の例示の実施形態に係る、一時過負荷容量を有する電解槽における電圧ドループ制御を示している。同様に、一時過負荷特徴を有する電解槽の電圧ドループの実施及び支配方程式は、図１０及び以下に与えられる。
Figure 2023129395000007
 式中、ｆｇｒｉｄは、入力７１０における測定周波数であり、Ｖｄｃは、ＤＣバス５５０における測定ＤＣ電圧である。
周波数ドループ特性及び電圧ドループ特性の組合せ
図１１の（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一例示の実施形態に係る、２ステージ変換電解槽におけるスタック電流の選択基準を示している。
いくつかの例において、周波数及び電圧の過剰／公称／不足シナリオの異なる組合せを有するグリッドイベントが起こり得る。したがって、電圧及び周波数ドループ制御ループは、異なる電力設定点を出力するように構成することができる。
電力設定点の選択基準は、図１１のロジックを実行する。２ステージ電力変換におけるロジックは、単一ステージ電力変換（図４）に記載の同じロジックに従うが、相違点は、整流器コントローラー６９１から整流器６９０への出力コマンドが、スタック電流コマンドではなくＤＣバスコマンドであることである。
図１１の（Ａ）に示されているように、整流器コントローラー（例えば、６９１）は、電圧ドループ特性及び周波数ドループ特性から２つの電圧レベルを導出し、ブロック９００において２つのレベルを比較し、２つの値のうちの低い方をブロック９０１に送信して、オペレーター水素設定点から導出された電圧設定点の値と比較する。次いで、ブロック９０１は、２つの値のうちの低い方を整流器に通信する。
図１１の（Ｂ）において、コントローラー（例えば、６９１）は、ブロック９０２において、「最大短時間過負荷設定点」を「周波数ドループから導出された電圧」と更に比較し、その出力において２つのうちの低い方を出力する。ソフトウェアロジックスイッチは、周波数ステータスに基づいて整流器に対する電圧設定点を選択する。周波数が過周波数条件として判断された場合、ブロック９０２の出力が整流器に送信される。周波数が過周波数でない（すなわち、通常周波数又は不足周波数）と判断された場合、ブロック９０１の出力が整流器に送信される。
実施形態は、任意の電解槽技術において使用することができる。様々な実施形態において、十分な電力が利用可能でない場合、スタック電力及び水加熱器よりも加熱器に優先順位が与えられる。実施形態は、接続された負荷におけるドループ特性をプログラミングすることによって優先順位を促進する。利用可能な電圧が負荷－発生の不均衡に起因して降下すると、接続された電解槽におけるＤＣＤＣは、その電圧を確定し、スタックへの電力を低減することができる。利用可能な電圧が依然として降下している場合、スタック電力は、完全にゼロに低減することができる。
当業者であれば、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明の電解槽の電力管理及び電力システムの制御において、様々な変更及び変形を行うことができることが明らかとなろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるならば、それらを包含することが意図される。

Claims (15)

  1. 第１のステージにおいて、ＤＣドループ特性を使用して、電力抑制情報をＤＣバス電圧レベルとしてエンコードし、第２のステージにおいて、前記ＤＣバス電圧レベルを電力情報にデコードするように構成される、電解槽の電力制御装置。
  2. 前記電力抑制情報は、整流器コントローラーからＤＣＤＣコントローラーに供給される、請求項１に記載の電力制御装置。
  3. 前記整流器コントローラーは、整流器と一体である、又は前記整流器とは別個である、請求項２に記載の電力制御装置。
  4. 前記電力情報は、前記電解槽の水素生成を確定する、請求項１に記載の電力制御装置。
  5. 前記整流器コントローラーは、複数の整流器を制御するように構成される、請求項２に記載の電力制御装置。
  6. 前記整流器コントローラーは、グリッド電圧及び周波数を監視する、請求項２に記載の電力制御装置。
  7. 前記グリッドは、ユーティリティグリッド、マイクログリッド、又はそれらの組合せである、請求項６に記載の電力制御装置。
  8. 前記マイクログリッドは、太陽光、風力、地熱、水力、及びバッテリ貯蔵から選択される１つ以上の分散型電気リソースを含む、請求項７に記載の電力制御装置。
  9. グリッド電力の低減に応答して、異なる負荷要素が異なる優先順位を有する、請求項６に記載の電力制御装置。
  10. 負荷要素がドループ特性によってプログラミングされる、請求項６に記載の電力制御装置。
  11. 整流器が、所定の範囲内の調整可能な出力ＤＣ電圧を供給する、請求項２に記載の電力制御装置。
  12. 整流器が、ドループ特性に従って調整可能な出力ＤＣ電圧を供給する、請求項２に記載の電力制御装置。
  13. 前記第１のステージは、ＤＣバスの前にあり、前記第２のステージは、前記ＤＣバスによって供給を受ける、請求項１に記載の電力制御装置。
  14. 整流器、ＤＣＤＣコンバーター、及びＤＣＤＣコントローラーが、前記ＤＣバスに電気的に接続される、請求項１に記載の電力制御装置。
  15. 前記整流器、前記ＤＣＤＣコンバーター、及び前記ＤＣＤＣコントローラーのそれぞれは、グリッド電圧及び周波数を監視するように構成される、請求項１４に記載の電力制御装置。

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