TW202336282A - 電解器功率轉換 - Google Patents

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拉克席 羅伊
索馬 德普魯
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Abstract

本發明係關於一種用於一電解器之功率控制裝置，其經組態以：自複數個電源接收電流；對來自該複數個電源之一第一子集之交流電進行整流；對來自該複數個電源之一第二子集之直流電進行轉換；將功率自電源之該第一子集及該第二子集提供至一能量匯流排；及在該電解器處自該能量匯流排接收功率。

Description

電解器功率轉換
本發明之實施例大體上係關於電解器系統，且更特定言之，係關於電解器系統之功率轉換。
電解器為消耗功率以便藉由分解水分子或其他烴燃料分子產生氫氣之裝置。電解器之輸入電源可係主電網(即，公用電網)、微電網或其組合。一般而言，微電網可經組態以包括一或多個分散式電資源(DER)，例如太陽能、風能、地熱能、水能、儲能、習知電資源等。主電網亦可包括若干分散式電力資源。
電力系統(EPS)，無論其係主電網抑或微電網，都會經歷由EPS網路上之總發電功率與總負載功率之間的平衡之中斷引起的各種波動。因為DER中連接之可再生能源產生之功率具有間歇性質，所以此類波動愈來愈明顯。當網路上之發電功率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，當總負載功率量大於發電功率時，則電力系統之電壓及/或頻率減小。
因此，本發明之實施例係關於電解器功率轉換，其實質上消除由相關技術之限制及缺點導致的一或多個問題。
以下描述將闡述本發明之額外特徵及優點，且此等特徵及優點之一部分將在描述中顯而易見，或可藉由實踐本發明而習得。本發明之目標及其他優點將藉由在書面描述及其申請專利範圍以及隨附圖式中特別指出之結構來實現及獲得。
為了達成此等及其他優點，且根據本發明之目的，如體現及廣泛描述的，該電解器功率轉換包括一種用於一電解器之功率控制裝置，其經組態以：自複數個電源接收電流；對來自該複數個電源之一第一子集之交流電進行整流；對來自該複數個電源之一第二子集之直流電進行轉換；將功率自電源之該第一子集及該第二子集提供至一能量匯流排；及在該電解器處自該能量匯流排接收功率。
應理解，前述一般描述及以下詳細描述均為例示性的及解釋性的，並意欲提供對所主張之本發明之進一步解釋。
將參考隨附圖式詳細描述各種實施例。在可能的情況下，將在整個圖式中使用相同的附圖標記來指代相同或相似的部分。對特定實例及實施方案作出之參考係出於說明性目的，且並不意欲限制本發明實施例或申請專利範圍之範疇。
電解器為消耗電能及熱能以藉由分解水分子產生氫氣之裝置。電解器所需之熱能可由電解器內部之電能產生。替代地或另外，可自外部源供應熱能，通常藉由例如其他製程之副產物供應熱能。在電解器中，在熱能來源於電能的情況下，電解所需之總電能係堆所需之電能以及用於產生所需熱能之電能的總和。
一或多個電源可用於電能。電解器之輸入電源可係主電網(即，公用電網)、微電網或其組合。一般而言，微電網包括一或多個分散式電資源(DER)，例如太陽能、風能、地熱能、水能、儲能(例如，電池)、習知電資源等。
電力系統(EPS)，無論其係主電網抑或微電網，都會經歷由EPS網路上之總發電功率與總負載功率之間的平衡之中斷引起的各種波動。因為DER中連接之可再生能源產生之功率具有間歇性質，所以此類波動愈來愈明顯。當網路上之發電功率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，當總負載功率量大於發電功率時，則電力系統之電壓及/或頻率減小。另外，舉例而言，微電網中之分散式電源可為AC耦合之微電網或DC耦合之微電網，或其組合。
因此，本發明人已經開發了一種架構，其足夠靈活以接受電源及負載之變化而不需要在每一部位處進行客製化。各種實施例對電解器電源實施兩級功率轉換。此處，電解器設備中之氫氣生產速率基於輸入電源之條件，且可根據輸入電源之條件進行調整。
另外，各種實施例提供了靈活的電架構，以組合電資源之不同組合，並藉由遵循預設之優先級將該功率分配至不同負載。此架構允許增添及移除不同的發電機資源及負載，而不需要客製化解決方案。 電解之功率要求
無論係在低溫抑或高溫下，電解器都利用電能及熱能兩者來分解水分子。
低溫電解器藉由電解槽自身(即藉由電解槽中之I 2R損耗)產生用於化學反應之熱能，其中I係電流且R係電阻。因此，在一些實施例中，不將單獨的熱能供應至電解器堆。然而，高溫電解器(例如固體氧化物電解器(SOEC))利用額外熱能以將該等堆保持在所需之高溫下(例如，大於750℃)。此外，SOEC通常在比熱中性電壓低得多的電池電壓下開始操作，使得需要額外熱能來補償SOEC中之吸熱反應。此熱能在補償吸熱反應的同時使電解器堆保持為熱，且可由外部源引起及/或可由電能及加熱器(例如堆加熱器及空氣加熱器)產生。
與以液態水為輸入之低溫電解器不同，高溫電解器SOEC需要蒸汽作為輸入。此可藉由直接自外部源獲得蒸汽及/或可藉由使用水加熱器(例如蒸發器)在電解器內部產生蒸汽來達成。
根據供應至電解器堆之電能(功率)之量判定氫氣生產之量或速率。供應至該堆之功率等於電解器堆電壓乘以供應至電解器堆之電流。堆電壓又係堆電流及其他物理及化學參數之函數。由於其他物理及化學參數在正常操作期間保持恆定，因此實施例導出可由單一變數(即，堆電流)控制之堆功率。在實施例中，各種電化學系統可能需要額外功率來涵蓋電廠輔助設施組件，例如鼓風機、風扇、閥門、監測設備等。
圖1繪示根據本發明之實例實施例的具有電負載之電解器系統100。系統100描繪實例固體氧化物電解器系統。實例電負載包括用於將電解器堆保持在熱箱內所需高溫下之加熱器、用於將液態水轉換為蒸汽之加熱器、電解器堆及電廠輔助設施。
如圖1中所繪示，系統100包括固體氧化物電解器堆201、堆加熱器202、空氣加熱器203及蒸發器204。將堆500之電能供應至SOEC堆201。將堆加熱器501之電能供應至堆加熱器202。將空氣加熱器502之電能供應至空氣加熱器203，且將蒸發器503之電能供應至蒸發器204。空氣輸入600在環境溫度下供應至空氣加熱器203。受熱空氣601被供應至SOEC堆201。液態水602被供應至蒸發器204。蒸汽(或超熱或過熱蒸汽)被供應至SOEC堆201。
在各種實施例中，架構經組態以在具有或不具有空氣加熱器及/或水加熱器的情況下支撐電解器以保持SOEC堆201被加熱。電解器可視情況使用電解器內部之堆、空氣及水加熱器中之一或多者。替代地，當自外部源提供熱能時，可省略堆、空氣及水加熱器中之一或多者。 加熱器控制
存在多種設計方法來達成在容納電解器堆之熱箱內部之溫度控制。一種此類方法為使用一組加熱器直接藉由輻射來加熱電解器堆，且使用第二組加熱器來加熱空氣且將該熱空氣傳送至電解器堆。使用多個加熱器的此種類型之控制達成橫越熱箱之精確溫度控制及熱均勻性。
由加熱器產生之熱能與I 2R或V 2/R成比例，其中I及V為加熱器電流及電壓，且R為加熱器元件之電阻。加熱器電源設計者可選擇哪一參數(即V或I)來控制加熱器功率。此處，此兩個參數為等效的。在本發明中，在一些實例中描述電壓控制，但實施例不限於此。實施例包括V及I控制兩者。
自固定電壓獲得可變電壓之一種技術係藉由使用具有AC電壓之一或多個矽控整流器(SCR)。此可用於低功率應用，然而，在例如閃爍之電應用中使用基於SCR之可變AC電壓源及尤其在輕負載下之不良功率因子方面存在若干缺點。另一缺點係大量可用的短路電流，因為AC電源通常係公用電網，因此此種高可用的短路可能會在短路期間在熱箱內產生危險的高電弧閃光能量。
圖2繪示根據本發明之實例實施例的具有複數個DC電源及複數個負載之系統200。系統200描繪實例固體氧化物電解器系統。此處，加熱器功率控制具備可調整DC電壓。如圖2中所繪示，系統200包括複數個DC電源，包括用於為SOEC堆201供電之具有可調整電流(0至I rated)之DC源110、用於為堆加熱器202供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源121、用於為空氣加熱器203供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源122，及用於為蒸發器204供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源123。
將堆500之電能供應至SOEC堆201。將堆加熱器501之電能供應至堆加熱器202。將空氣加熱器502之電能供應至空氣加熱器203，且將蒸發器503之電能供應至蒸發器204。空氣輸入600在環境溫度下被供應至空氣加熱器203。受熱空氣601被供應至SOEC堆201。液態水602被供應至蒸發器204。蒸汽(或超熱或過熱蒸汽)被供應至SOEC堆201。 堆功率控制
供應至SOEC堆之功率及因此氫氣生產通常藉由控制流動通過該堆之DC電流來控制。因此，在一些實施例中，堆需要DC電源。 第一級轉換：電解器設備之電源
電解器設備之電源可來自一或多個源。公用電網為共同電源，然而，存在可電耦合至主電網之若干其他源，例如備用引擎發電機、太陽能、風能、儲能(例如，電池)、地熱能、水能等。電力資源可為耦合至電網之AC以將一個AC輸入提供至電解器設備，或電力資源可為多個不同AC源或DC源。在各種實施例中，使用DC匯流排，所有電源可經由各別功率轉換器電連接至該DC匯流排。
圖3繪示根據本發明之實例實施例的具有用於具有不同電源之電解器之第一級架構之系統300。
如圖3中所繪示，系統300包括：連接至公用設備之ACDC轉換器(整流器) 700、連接至引擎發電機之ACDC轉換器(整流器) 701、具有連接至太陽能之最大功率點追蹤(MPPT)之DCDC轉換器702，及連接至儲存系統之DCDC轉換器703。
來自公用設備之AC輸入710被供應至連接至公用設備之ACDC轉換器(整流器) 700。來自引擎發電機之AC輸入711被供應至連接至引擎發電機之ACDC轉換器(整流器) 701。來自太陽能板之DC輸入712被供應至具有連接至太陽能之MPPT之DCDC轉換器702。來自電池之DC輸入713被供應至連接至儲存系統之DCDC轉換器703。
連接至公用設備之ACDC轉換器(整流器) 700將來自公用整流器之DC輸出540供應至DC匯流排550。連接至引擎發電機之ACDC轉換器(整流器) 701將來自發電機整流器之DC輸出541供應至DC匯流排550。具有連接至太陽能之MPPT之DCDC轉換器702將來自太陽能DCDC之DC輸出542供應至DC匯流排550。連接至儲存系統之DCDC轉換器703將來自儲能DCDC之DC輸出543供應至DC匯流排550。
取決於電源類型，不同電源可藉由ACDC轉換器(整流器)或藉由DCDC轉換器連接至共同匯流排。公用發電機及引擎發電機為分別藉由其對應整流器700、701將功率供應至DC匯流排550之AC源。太陽能電源及電池電源為分別藉由DCDC轉換器702、703將功率供應至DC匯流排550之DC源。連接至系統DC匯流排550之整流器及DCDC使用各種DC下降控制方法並行操作。舉例而言，各種下降控制方法描述於2023年1月31日申請之名為「GRID SUPPORTING ELECTROLYZER」之美國專利申請案第18/162,060號中，該美國專利申請案以引用之方式併入本文中。
一或多個額外電源可在操作期間之任何時間點藉由介面轉換器(例如，基於電源類型之整流器或DCDC)電耦合至系統DC匯流排550，只要所增添轉換器之輸出追蹤匯流排上之剩餘轉換器之DC下降控制即可。類似地，若電力資源中之一些被暫時中斷或在一段延長之時間內中斷，則可在不調整剩餘系統之設計的情況下進行。 第二級轉換 ： 將電解器負載連接至共同 DC 匯流排
圖4繪示根據本發明之實例實施例的具有用於具有不同電源之電解器之第二級架構之系統400。
如圖4中所繪示，具有來自不同電解器之不同負載之電架構連接至一個DC匯流排550。舉例而言，電解器400.1至400.n之組件藉由段DCDC之DC輸入551及加熱器DCDC之DC輸入552電耦合至DC匯流排550。
由於每一負載所需之電壓及電流彼此不同且不同於DC匯流排電壓，因此每一負載藉由介面DCDC轉換器連接至DC匯流排550。DCDC轉換器經組態以提供0至全額定電壓之間的可變電壓，或提供0至全額定電流之間的可變電流，此取決於負載要求。DCDC亦提供輸入與輸出之間的電隔離。由於每一各別電解器400.1至400.n中之電解器堆201接地，因此氣體隔離有助於避免接地迴路，且亦有助於避免來自不同電路之高故障電流通過電解器堆。
如圖4中所繪示，可存在連接至一個DC匯流排550之N數目個電解器400.1至400.n，且每一各別電解器400.1至400.n可具有一或多個堆及一或多個堆DCDC轉換器、多個加熱器(例如，202、203、204、20x)及其自身的DCDC 12x。多個DCDC可連接至一個加熱器或一個DCDC可連接至多個加熱器，此取決於功率要求。
另外，此架構允許移除或增添電解器單元，只要匯流排上存在足夠功率以支援移除或增添電解器400.1至400.n即可。另外，取決於產生熱能之方式，此架構支援移除或增添加熱器12x及加熱器電源20x。 兩級功率轉換
圖5繪示根據本發明之實例實施例的具有兩級功率轉換之系統500。圖5之元件與結合圖1至圖4所描繪及描述之彼等元件相同。 負載之優先化
SOEC熱箱內頻繁的深度熱循環可潛在地加速SOEC堆之降級。為了避免深度熱循環，即使當電解器不產生氫氣時，SOEC亦儘可能地保持在預定的高溫下。
圖6繪示基於DC匯流排電壓之堆DCDC 100及加熱器DCDC 12x之功率縮減。
當DC匯流排550上不存在足夠可用的功率時，加熱器優先於堆功率及水加熱器。實施例藉由對連接之負載中之下降特性進行程式化來促成優先級。當DC匯流排550上之電壓由於負載產生不平衡而下降時，連接之電解器中之DCDC 110可判定點551處之電壓並減小其至電解器堆之功率，以幫助恢復DC匯流排550。若可用電壓仍下降，則在加熱器DCDC 12x恢復操作之前，堆功率500可完全減小至零。
其他電解器製造商使用具有一些固有缺點(例如，隔離要求、功率因子問題等)之單級轉換。本文中所描述之架構解決上文所提到之缺點，以及在不需要系統重新設計的情況下提供增添/移除不同電源及負載之更大靈活性。
對於熟習此項技術者而言將顯而易見，可在不脫離本發明之精神或範疇的情況下在本發明之電解器功率轉換中進行各種修改及變化。因此，希望本發明涵蓋本發明之修改及變化，其限制條件為此等修改及變化在所附申請專利範圍及其等效物之範疇內。
12x:加熱器DCDC 20x:加熱器電源 100:電解器系統 110:用於為SOEC堆供電之具有可調整電流(0至I rated)之DC源/DCDC 121:用於為堆加熱器供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源 122:用於為空氣加熱器供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源 123:用於為蒸發器供電之具有可調整電壓(0至V rated)之DC源 200:系統 201:固體氧化物電解器堆 202:堆加熱器 203:空氣加熱器 204:蒸發器 300:系統 400:系統 400.1:電解器 400.n:電解器 500:堆 501:堆加熱器 502:空氣加熱器 503:蒸發器 540:來自公用整流器之DC輸出 541:來自發電機整流器之DC輸出 542:來自太陽能DCDC之DC輸出 543:來自儲能DCDC之DC輸出 550:DC匯流排 551:段DCDC之DC輸入 552:加熱器DCDC之DC輸入 600:空氣輸入 601:受熱空氣 602:液態水 603:蒸汽(過熱器蒸汽) 700:連接至公用設備之ACDC轉換器(整流器) 701:連接至引擎發電機之ACDC轉換器(整流器) 702:具有連接至太陽能之最大功率點追蹤(MPPT)之DCDC轉換器 703:連接至儲存系統之DCDC轉換器 710:來自公用設備之AC輸入 711:來自引擎發電機之AC輸入 712:來自太陽能板之DC輸入 713:來自電池之DC輸入
被包括在內以提供本發明之進一步理解且併入在本說明書中並構成本說明書之一部分的隨附圖式繪示本發明之實施例且與描述內容一起用來解釋本發明之原理。
圖1繪示根據本發明之實例實施例的具有電負載之電解器系統。
圖2繪示根據本發明之實例實施例的具有複數個DC電源及複數個負載之系統。
圖3繪示根據本發明之實例實施例的具有用於具有不同電源之電解器之第一級架構之系統。
圖4繪示根據本發明之實例實施例的具有用於具有不同電源之電解器之第二級架構之系統。
圖5繪示根據本發明之實例實施例的具有兩級功率轉換之系統。
圖6繪示基於DC匯流排電壓之堆DCDC及加熱器DCDC之功率縮減。
12x:加熱器DCDC
20x:加熱器電源
110:用於為SOEC堆供電之具有可調整電流(0至Irated)之DC源/DCDC
121:用於為堆加熱器供電之具有可調整電壓(0至Vrated)之DC源
122:用於為空氣加熱器供電之具有可調整電壓(0至Vrated)之DC源
123:用於為蒸發器供電之具有可調整電壓(0至Vrated)之DC源
200:系統
201:固體氧化物電解器堆
202:堆加熱器
203:空氣加熱器
204:蒸發器
400.1:電解器
400.n:電解器
500:堆
501:堆加熱器
502:空氣加熱器
503:蒸發器
540:來自公用整流器之DC輸出
541:來自發電機整流器之DC輸出
542:來自太陽能DCDC之DC輸出
543:來自儲能DCDC之DC輸出
550:DC匯流排
551:段DCDC之DC輸入
552:加熱器DCDC之DC輸入
600:空氣輸入
601:受熱空氣
602:液態水
603:蒸汽(過熱器蒸汽)
700:連接至公用設備之ACDC轉換器(整流器)
701:連接至引擎發電機之ACDC轉換器(整流器)
702:具有連接至太陽能之最大功率點追蹤(MPPT)之DCDC轉換器
703:連接至儲存系統之DCDC轉換器
710:來自公用設備之AC輸入
711:來自引擎發電機之AC輸入
712:來自太陽能板之DC輸入
713:來自電池之DC輸入

Claims (18)

  1. 一種用於一電解器之功率控制裝置，其經組態以： 自複數個電源接收電流； 對來自該複數個電源之一第一子集之交流電進行整流； 對來自該複數個電源之一第二子集之直流電進行轉換； 將功率自電源之該第一子集及該第二子集提供至一能量匯流排；及 在該電解器處自該能量匯流排接收功率。
  2. 如請求項1之功率控制裝置，其中該複數個電源之該第一子集包括一電網。
  3. 如請求項2之功率控制裝置，其中該電網係一公用電網、一微電網或其一組合。
  4. 如請求項1之功率控制裝置，其中該複數個電源之該第二子集包括一太陽能系統或一電池能量儲存系統。
  5. 如請求項1之功率控制裝置，其中一第一級在該能量匯流排之前，且一第二級由該能量匯流排供電。
  6. 如請求項1之功率控制裝置，其中該電解器之不同負載元件回應於可用功率之一減小而具有不同優先級。
  7. 如請求項6之功率控制裝置，其中一加熱器相比於電解器堆具有較高優先級。
  8. 如請求項6之功率控制裝置，其中該電解器之負載元件根據在各別負載元件處程式化之下降特性而進行優先化。
  9. 如請求項6之功率控制裝置，其中回應於可用功率之一減小而將堆功率減小至零。
  10. 一種用於一電解器之功率控制方法，該方法包含： 自複數個電源接收電流； 對來自該複數個電源之一第一子集之交流電進行整流； 對來自該複數個電源之一第二子集之直流電進行轉換； 將功率自電源之該第一子集及該第二子集提供至一能量匯流排；及 在該電解器處自該能量匯流排接收功率。
  11. 如請求項10之功率控制方法，其中該複數個電源之該第一子集包括一電網。
  12. 如請求項11之功率控制方法，其中該電網係一公用電網、一微電網或其一組合。
  13. 如請求項10之功率控制方法，其中該複數個電源之該第二子集包括一太陽能系統或一電池能量儲存系統。
  14. 如請求項10之功率控制方法，其中一第一級在該能量匯流排之前，且一第二級由該能量匯流排供電。
  15. 如請求項10之功率控制方法，其中該電解器之不同負載元件回應於可用功率之一減小而具有不同優先級。
  16. 如請求項15之功率控制方法，其中一加熱器相比於電解器堆具有較高優先級。
  17. 如請求項15之功率控制方法，其中該電解器之負載元件根據在各別負載元件處程式化之下降特性而進行優先化。
  18. 如請求項15之功率控制方法，其中回應於可用功率之一減小而將堆功率減小至零。
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