TW202336279A - 電網支援式電解器 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於用於操作一電解器之系統、裝置、方法及指令，包含設定一所連接之一電力系統之一標稱頻率或一標稱電壓，該電解器經組態以在該標稱頻率或該標稱電壓下遞送一額定生產位準；設定該標稱頻率或該標稱電壓下或附近之一可調整死區；及若頻率降至該標稱頻率以下或若電壓降至該標稱電壓以下，則減少氫氣產生且減小功耗。
Description
本發明之實施例大體上係關於一種電網支援式電解器及其操作方法。
電解器係消耗電以便藉由分裂水分子或其他碳氫燃料分子來生產氫氣之裝置。電解器之輸入電源可為一主電網(即一公用電網)、一微電網或其等之一組合。一般而言，微電網包含一或多個分佈式電資源(DER)，諸如太陽能、風能、地熱、水力、蓄電、習知及類似者。主電網亦可包含若干分佈式電力資源。
電力系統(EPS)，無論係一主電網或一微電網，經歷因EPS網路上之總發電功率與總負載功率之間的平衡之中斷而引起之各種波動。由於由DER中連接之可再生能源產生之電力之間歇性質，此等波動愈加多地存在。當網路上之發電量大於總負載功率時，則電力系統之電壓及/或頻率增加。類似地，當負載功率之總量大於發電時，則電力系統之電壓及/或頻率減小。
若不回應於此等電壓及頻率波動採取行動，則電網中斷可發生。例如，波動可導致電網完全崩潰，且對於微電網及公用電網操作而言皆係如此。理想地，吾人期望發電資源立即回應以滿足網路上之總負載需求，但在現實世界中，暫態回應係不可能的，此係因為與負載之變化相比較，諸多習知發電系統具有一慢得多之回應。因此，發電不足持續對EPS網路構成一真正之威脅。
截至目前為止，網路營運商可用之不同選項係減載或使用蓄電模組。然而，增設一蓄電模組帶來額外之成本、佔用空間及更高之控制複雜性。在一公用電網網路之情況下，儘管並不理想，但減載係控制網路上之總發電與網路上之總負載之間的平衡之一個選項。亦可考慮將蓄電解決方案擴展至主電網，但此亦帶來更高之成本。
因此，本發明之實施例係關於一種電網支援式電解器，該電解器實質上消除歸因於相關技術之限制及缺點之一或多個問題。
本發明之額外特徵及優點將在下文之描述中闡述，且部分將從描述顯而易見，或可藉由本發明之實踐來學習。本發明之目標及其他優點將藉由本發明之書面描述及發明申請專利範圍以及附圖中特別指出之結構來實現及達成。
為達成此等及其他優點，且根據本發明之目的，如所體現及寬泛地描述，電網支援式電解器包含用於操作一電解器之系統、裝置、方法及指令，包括將f
0設定為一所連接之電力系統之一標稱頻率，電解器經組態以在f
0下達成額定生產位準P
0；設定在標稱頻率f
0下或附近之一可調整死區(f
1-f
0)；及一旦頻率降至頻率f
1位準以下，就減少氫氣產生且減小功耗，直至其在頻率f
2下達到零氫氣生產。
應理解，先前概述及以下詳細描述兩者係實例及解釋性的，且意欲提供對如所主張之本發明之進一步解釋。
將參考附圖詳細描述各種實施例。在可能的情況下，將貫穿圖式使用相同元件符號來指代相同或相似部分。對特定實例及實施方案之參考係用於繪示性目的，且不旨在限制本發明之實施例或發明申請專利範圍之範疇。
值及範圍可在本文被表達為從「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表達此一範圍時，實例包含從一個特定值及/或至另一特定之值。類似地，當值被表達為近似值時，藉由使用先行詞「約」或「實質上」，將理解特定值形成另一態樣。在一些實施例中，「約X」之一值可包含+/-1% X或+/-5% X之值。應進一步理解，範圍中之各者之端點既相對於另一端點，又獨立於另一端點係重要的。值及範圍提供實例，但本發明之實施例不受如此限制。
對於熟習此項技術者而言顯而易見的是，在不偏離本發明之精神及範疇之情況下，可對本發明進行各種修改及變動。由於熟習此項技術者可想到併入本發明之精神及實質之所揭示實施例之修改組合、子組合及變動，因此本發明應被解釋為包含所附發明申請專利範圍及其等等效物之範疇內之一切事物。
本發明之實施例通常係關於基於輸入電源之狀況來調整及控制電解器設施中之氫氣生產之速率，以便支援輸入網路之穩定性。輸入網路可為一主電網(即一公用電網)、一微電網或其等之一組合。
實施例提議藉由使用基於電壓及頻率下垂之控制來基於EPS網路狀況調整氫氣生產之速率。此等控制技術用於分佈式發電及通常強制功能中以併入來支援所連接之電網。然而，此等功能通常在能量產生產品及電池充電器中可得。實施例將此等功能引入電解器以支援所連接之EPS網路。基於電壓及頻率下垂之控制及其系統、裝置、方法及指令利用電解器系統之一或多個控制器。控制演算法通常在一數位控制器，諸如微控制器、數位信號處理器(DSP)、現場可程式化閘陣列(FPGA)及/或工業電腦中實施。
當在電力系統網路上，發電量變得高於負載量時，電力系統之頻率及/或電壓變得高於標稱頻率及/或標稱電壓位準。類似地，當網路上之功耗大於發電時，電力系統之頻率及/或電壓變得低於標稱值。通常，取決於地理位置，電力系統之標稱頻率為60 Hz或50 Hz。標稱電壓可為數百伏至數千伏之間的任何值，因此通常以電壓占其標稱電壓之百分比來參考電壓。
圖1圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之一電解器系統之頻率下垂控制。圖1之圖表100展示電解器系統之一下垂曲線，具有標稱頻率f
0下或附近之死區(f
1-f
0)。
如在圖1中所繪示，f
0係所連接之電力系統之標稱頻率(即，通常在60 Hz、50 Hz下或附近)。在標稱頻率f
0下，電解器系統經組態以遞送額定生產位準P
0。使用標稱頻率f
0下或附近之一可調整死區(f
1-f
0)來防止電解器對頻率之小波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。
電解器開始減少其氫氣產生，且因此一旦頻率降至f
1位準以下，便減小來自網路之功耗，直至其在頻率f
2下達到零氫氣生產。當頻率增加時，電解器根據下垂曲線(例如，線性或非線性)斜升生產。
如將容易理解，當氫氣生產降至一零位準時，電解器設施之電力汲取可最小化(但不完全為0 kW)，此係因為現場存在必須維持之電廠配套設施(BOP)負載。作為一任選特徵，電解器系統可經組態以在低於f
2之某一頻率下完全關閉。
死區可經設定為低至零，此使得f
1=f
0。替代地，死區(f
1-f
0)可經組態為i)一預設定固定值；ii)手動調整；iii)基於排程、環境狀況自動調整；及/或iv)使用一或多個演算法、人工智慧(AI)及/或機器學習(ML)基於電網狀況來週期性地或反覆調整。
圖2A至圖2D圖形地繪示根據本發明之其他實例實施例之一電解器系統之頻率下垂控制。圖表200A、200B、200C、200D繪示根據各種實施例之不同斜率曲線。
如在圖2A中所展示，死區可經設定為低至0 Hz。f
1與f
2之間的下垂曲線之斜率可為如圖1中所展示之線性(或圖2A之f
0與f
2之間)，或為如圖2B中所展示之非線性。替代地，或另外，f
1與f
2之間的下垂曲線之斜率可具有多個斜率(例如，線性及/或非線性)，如在圖2C中所展示。在又一替代方案中，f
1與f
2之間的下垂曲線之斜率可具有遲滯，如在圖2D中所展示。遲滯之寬度(f
1-f
1’及f
2-f
2’)及f
1與f
2之間以及f
1’與f
2’之間的斜率係可調整的。
在一些組態中，出於諸如最佳化壽命預期、提高可靠性等之各種原因，電解器在其最大可能生產位準以下操作。另外，或替代地，電解器可經組態以支援一短時間段內之過度生產(超載)。在此等情況下，可在過頻率電網情境期間達成額外生產。電力系統網路上之過頻率指示存在可用之過剩發電，其可在發電機作出反應且降低發電位準之前被消耗。當發電機開始減小功率之一程序時，電解器可經組態以藉由在短時間段內將其等氫氣生產位準增加超過標稱額定值來消耗過剩電力。過剩電力之消耗減小網路上可用之過剩發電，且因此緩解過頻率位準。
圖3圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之具有暫時性超載之一電解器系統之一頻率下垂特性。圖表300繪示暫時性超載期間之過度生產位準P
4。
在標稱頻率f
0下，電解器系統經組態以遞送額定生產位準P
0。使用標稱頻率f
0下或附近之一可調整死區下降(f
1-f
0)來防止電解器對頻率之小的向下波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。使用標稱頻率f
0下或附近之一可調整死區上升(f
0-f
3)來防止電解器對頻率之小的向上波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。
電解器開始減少其氫氣產生，且因此一旦頻率降至f
1位準以下，便減小來自網路之功耗，直至其在頻率f
2下達到零氫氣生產。當頻率增加時，電解器根據下垂曲線斜升生產。電解器開始增加其氫氣產生，且因此一旦頻率超過f
3位準，便增加來自網路之功耗，直至其在頻率f
4下達到超載氫氣生產。
圖4圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之具有有功功率之一電解器系統之電壓下垂控制。圖4之圖表400展示電解器系統之一下垂曲線，具有標稱電壓V
0下或附近之死區(V
1-V
0)。
如在圖4中所繪示，V
0係所連接之電力系統之標稱電壓。在標稱電壓V
0下，電解器系統經組態以遞送額定生產位準P
0。使用標稱電壓V
0下或附近之一可調整死區(V
1-V
0)來防止電解器對電壓之小波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。
電解器開始減少其氫氣產生，且因此一旦電壓降至V
1位準以下，便減小來自網路之功耗，直至其在電壓V
2下達到零氫氣生產。當電壓增加時，電解器根據下垂曲線斜升生產。
如將容易理解，當氫氣生產降至一零位準時，電解器設施之電力汲取可最小化(但不完全為0 kW)，此係因為現場存在必須維持之電廠配套設施(BOP)負載。作為一任選特徵，電解器系統可經組態以在低於V
2之某一電壓下完全關閉。
死區可經設定為低至零，此使得V
1=V
0。替代地，死區(V
1-V
0)可經組態為i)一預設定固定值；ii)手動調整；iii)基於排程、環境狀況自動調整；及/或iv)使用一或多個演算法、人工智慧(AI)及/或機器學習(ML)基於電網狀況來週期性地或反覆調整。
操作原理類似於頻率下垂，惟影響參數係電壓除外。與其中電力系統之頻率與有功功率不平衡直接相關之過/欠頻率不同，電力系統上之過/欠電壓狀況可為無功功率不平衡、有功功率不平衡或其等之一組合之一結果，其中無功功率不平衡係主要原因。然而，電解器可調整有功功率，此係因為氫氣生產之速率可僅影響有功功率。
一般而言，難以判定過電壓是否係由無功功率不平衡或由有功功率不平衡引起。因此，一般做法係調整負載，以便在可能之情況下調整其無功功率，且接著啟用有功功率控制。因此，與無功功率控制中之死區相比較，有功功率下垂曲線具有寬得多之死區(即V
1-V
0或V
2-V
0)。若無功功率控制係不可能的，則當電壓位準超過死區時，僅調整有功功率。
圖5A至圖5D圖形地繪示根據本發明之其他實例實施例之一電解器系統之電壓下垂控制。圖表500A、500B、500C、500D繪示根據各種實施例之不同斜率曲線。
如在圖5A中所展示，死區可經設定為低至0伏。V
1與V
2之間的下垂曲線之斜率可為如圖4中所展示之線性(或圖5A之V
0與V
2之間)，或為如圖5B中所展示之非線性。替代地，或另外，V
1與V
2之間的下垂曲線之斜率可具有多個斜率(例如，線性及/或非線性)，如在圖5C中所展示。在又一替代方案中，V
1與V
2之間的下垂曲線之斜率可具有遲滯，如在圖5D中所展示。遲滯之寬度(V
1-V
1’及V
2-V
2’)及V
1與V
2之間以及V
1’與V
2’之間的斜率係可調整的。
在一些組態中，出於諸如最佳化壽命預期、提高可靠性等之各種原因，電解器在其最大可能生產位準以下操作。另外，或替代地，電解器可經組態以支援一短時間段內之過度生產(超載)。在此等情況下，可在過電壓電網情境期間達成額外生產。電力系統網路上之過電壓指示存在可用之過剩發電，其可在發電機作出反應並降低發電位準之前被消耗。當發電機開始減小功率之一程序時，電解器可經組態以藉由在短時間段內將其等氫氣生產位準增加超過標稱額定值來消耗此過剩電力。過剩電力之消耗減小網路上可用之過剩發電，且因此緩解過電壓位準。
圖6圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之具有暫時性超載之一電解器系統之一電壓下垂特性。圖表600繪示暫時性超載期間之過度生產位準P
4。
在標稱電壓V
0下，電解器系統經組態以遞送額定生產位準P
0。使用標稱電壓V
0下或附近之一可調整死區下降(V
1-V
0)來防止電解器對電壓之小的向下波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。使用標稱電壓V
0下或附近之一可調整死區上升(V
0-V
3)來防止電解器對電壓之小的向上波動作出回應，且因此改良網路之穩定性。
電解器開始減少其氫氣產生，且因此一旦電壓降至V
1位準以下，便減小來自網路之功耗，直至其在電壓V
2下達到零氫氣生產。當電壓增加時，電解器根據下垂曲線斜升生產。電解器開始增加其氫氣產生，且因此一旦電壓超過V
3位準，便增加來自網路之功耗，直至其在電壓V
4下達到超載氫氣生產。
在一些實施例中，EPS網路之電壓及頻率係解耦變數，其等獨立地且在不同方向及不同量值上變化。例如，可能同時具有過頻率及欠電壓，且反之亦然。在此等情況下，與電壓下垂曲線相比較，有功功率控制可優先考慮頻率下垂。換言之，電解器可經組態以僅當頻率在一頻率下垂死區內時啟用電壓下垂。替代地，電解器可經組態以僅當電壓在一電壓下垂死區內時啟用頻率下垂。
本文描述之實施例可容易地應用於各種電解器，諸如一單一電解器、一群組之電解器或一整個電解器設施；水電解或分裂烴分子；低溫電解器(例如，聚合物電解質膜「PEM」基或鹼基)或高溫電解器(例如，固體氧化物電解器電池「SOEC」)。實施例可與任何電解器技術或任何非臨界線性可調整負載組合使用。
對於熟習此項技術者而言顯而易見的是，可在不脫離本發明之精神或範疇之情況下，對本發明之電網支援式電解器進行各種修改及變化。因此，本發明旨在涵蓋本發明之修改及變化，前提係其等在所附發明申請專利範圍及其等等效物之範疇內。
100:圖表
200:圖表
300:圖表
400:圖表
500:圖表
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被包含來提供對本發明之一進一步理解且被併入此說明書及構成此說明書之一部分之附圖繪示本發明之實施例，且與描述一起用於解釋本發明之原理。
圖1圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之一電解器系統之頻率下垂(droop)控制。
圖2A至圖2D圖形地繪示根據本發明之其他實例實施例之一電解器系統之頻率下垂控制。
圖3圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之具有暫時性超載之一電解器系統之一頻率下垂特性。
圖4圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之一電解器系統之電壓下垂控制。
圖5A至圖5D圖形地繪示根據本發明之其他實例實施例之一電解器系統之電壓下垂控制。
圖6圖形地繪示根據本發明之一實例實施例之具有暫時性超載之一電解器系統之一電壓下垂特性。
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Claims (16)
- 一種用於操作一電解器之方法，該方法包括： 設定一所連接之電力系統之一標稱頻率或一標稱電壓，該電解器經組態以在該標稱頻率或該標稱電壓下遞送一額定生產位準； 設定包含該標稱頻率或該標稱電壓之一可調整死區；及 若該電力系統之一頻率降至該標稱頻率以下或若該電力系統之一電壓降至該標稱電壓以下，則減少氫氣產生且減小功耗。
- 如請求項1之方法，其中該死區為0赫茲或0伏，或該死區具有一固定頻率範圍或一固定電壓範圍。
- 如請求項1之方法，其中基於一排程、環境狀況或電網狀況中之一或多者來調整該死區。
- 如請求項1之方法，其中根據一下垂曲線之一斜率來調整氫氣產生或功耗。
- 如請求項4之方法，其中該下垂曲線係線性的或非線性的。
- 如請求項4之方法，其中該下垂曲線具有複數個斜率，該複數個斜率之各者係線性的或非線性的。
- 如請求項1之方法，其進一步包括在該頻率增加之情況下增加氫氣產生且增加功耗。
- 如請求項1之方法，其進一步包括在該電壓增加之情況下增加氫氣產生且增加功耗。
- 一種用於操作一電解器之控制器，該控制器經組態以執行指令用於： 設定一所連接之一電力系統之一標稱頻率或一標稱電壓，該電解器經組態以在該標稱頻率或該標稱電壓下遞送一額定生產位準； 設定包含該標稱頻率或該標稱電壓之一可調整死區；及 若該電力系統之一頻率降至該標稱頻率以下或若該電力系統之一電壓降至該標稱電壓以下，則減少氫氣產生且減小功耗。
- 如請求項9之控制器，其中該死區為0赫茲或0伏，或該死區具有一固定頻率範圍或一固定電壓範圍。
- 如請求項9之控制器，其中基於一排程、環境狀況或電網狀況中之一或多者來調整該死區。
- 如請求項9之控制器，其中根據一下垂曲線之一斜率來調整氫氣產生或功耗。
- 如請求項12之控制器，其中該下垂曲線係線性的或非線性的。
- 如請求項12之控制器，其中該下垂曲線具有複數個斜率，該複數個斜率之各者係線性的或非線性的。
- 如請求項9之控制器，其進一步包括在該頻率增加之情況下增加氫氣產生且增加功耗。
- 如請求項9之控制器，其進一步包括在該電壓增加之情況下增加氫氣產生且增加功耗。
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