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CN117713547B - 一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统 - Google Patents

一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统 Download PDF

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CN117713547B CN202311712152.XA CN202311712152A CN117713547B CN 117713547 B CN117713547 B CN 117713547B CN 202311712152 A CN202311712152 A CN 202311712152A CN 117713547 B CN117713547 B CN 117713547B
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Abstract

本发明公开了一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，涉及新能源技术领域，包括并网单元、直流母线、新能源发电单元、储能单元，通过并网单元进行直流母线与电网间的电力交换，新能源发电单元为直流母线供电，储能单元制氢模式利用直流母线的电能制备氢气并存储，发电模式利用存储的氢气发电为直流母线供电；基于直流母线额定电压划定工作区间，并根据当前直流母线电压值所在工作区间，选择系统中并网单元、新能源发电单元、储能单元的控制策略。本系统具有并网输电质量高，系统内部电压波动小，传输效率高的特点，实现了新能源发电的就地消纳，平抑了电网负荷波动，便于新能源和可再生能源发电的推广应用。

Description

一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，更具体的说是涉及一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统。
背景技术
新能源和可再生能源发电，对于增强能源供给能力，缓解能源需求压力，以及优化能源结构，保护自然环境，促进经济和社会的可持续发展具有重要意义。
但是，现有的新能源发电技术，例如风力发电、太阳能发电等方式通常具有地理分布的不均性，发电出力固有的间歇性和波动性，通常导致“弃风弃光”等新能源发电消纳问题；并且，新能源发电固有的自身调节能力不足，还会导致其并网的频率稳定和电压稳定性不足，对现有电网平稳运行造成了较大冲击。
因此，如何实现新能源发电的就地消纳，平抑电网负荷波动是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，采用移相整流技术连接新能源发电单元，储能单元和电网，系统内基于直流母线进行电力传输，并根据直流母线电压对新能源发电单元、储能单元以及并网单元进行调控，从而实现新能源发电的就地消纳，平抑电网负荷波动。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，包括：并网单元、直流母线、新能源发电单元、储能单元；
所述并网单元的AC端与电网连接，DC端与所述直流母线连接，用于所述直流母线与电网的电能交换；
所述新能源发电单元输出端与所述直流母线连接，为所述直流母线提供电能；
所述储能单元与所述直流母线连接，所述储能单元制氢模式时利用所述直流母线的电能制备氢气并存储，所述储能单元发电模式时利用存储的氢气发电为所述直流母线提供电能；
基于所述直流母线的额定电压划定工作区间，并根据当前直流母线电压值所在工作区间，选择系统中并网单元、新能源发电单元、储能单元的控制策略。
进一步的，所述并网单元包括移相变压器和NPC三电平整流器；
所述移相变压器主绕组与电网连接，辅助绕组与所述NPC三电平整流器AC端连接，通过调整辅助绕组的连接方式或者移相变换器的耦合磁通，控制主绕组与辅助绕组之间的相位差，从而控制功率流向和电压大小；
所述NPC三电平整流器DC端与所述直流母线连接，所述NPC三电平整流器通过按开关顺序逻辑控制功率开关器件，产生三种相电压电平，在AC端合成交流电。
进一步的，所述新能源发电单元包括光伏单元和风电单元，所述光伏单元采用DC/DC变换器与所述直流母线连接，所述风电单元采用NPC三电平变流器与所述直流母线连接。
进一步的，所述DC/DC变换器为Boost变换器；所述光伏单元采用MPPT控制方法控制电能输出，包括：
步骤1：获取光伏阵列初始时刻的输出电压UPV 0和输出电流iPV 0，并输入MPPT算法模块；
步骤2：所述MPPT算法模块计算光伏阵列初始输出功率P0，随机生成扰动电压△U0，根据UPV 0和△U0输出电压的参考值Uref至PI调节器，其中△U0的绝对值小于UPV的0.5％；
步骤3：所述PI调节器根据所述Uref，经PWM调制器后输出所述Boost变换器的功率开关管的开关信号，从而调节所述光伏阵列的电能输出；
步骤4：获取光伏阵列当前时刻的输出电压UPV和输出电流iPV，并输入MPPT算法模块；
步骤5：所述MPPT算法模块计算当前时刻光伏阵列输出功率P，以及P与上一时刻光伏阵列功率P-的变化△P，并根据上一时刻施加的扰动电压△U-，确定对所述UPV施加微小的扰动电压△U，根据UPV和△U输出电压的参考值Uref至PI调节器；
步骤6：重复执行步骤3-5。
进一步的，所述步骤5中，
当所述△P>0时，△U->0则△U>0，△U-<0则△U<0；
当所述△P<0时，△U->0则△U<0，△U-<0则△U>0。
进一步的，所述储能单元包括：双向DC/DC变换器、电解槽、压缩机、存储罐、燃料电池；
所述双向DC/DC变换器的前级为所述直流母线，后级为所述电解槽或者所述氢燃料电池；在制氢模式时，所述电解槽利用所述双向DC/DC变换器提供的电能电解产生氢气，并通过所述压缩机将氢气存储至所述存储罐；在发电模式时，所述氢燃料电池利用所述存储罐内的氢气发电，并为所述双向DC/DC变换器供电。
进一步的，所述直流母线的电压及功率传输控制策略如下：
设本系统正常运行时所述直流母线的额定电压数值为Ubus，当前系统的所述直流母线电压数值为Unow，燃料电池荷电状态为SOC，新能源发电单元发电功率为PPV，制氢消耗的功率为PL；
当1.05Ubus<Unow≤1.1Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用定功率模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当1.02Ubus<Unow≤1.05Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.98Ubus<Unow≤1.02Ubus时，直流母线电压基本保持不变，由并网单元调节直流母线电压，光伏单元切换至MPPT控制模式；
当0.95Ubus<Unow≤0.98Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并让并网单元从直流母线向电网吸收并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.90Ubus<Unow≤0.95Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，采用移相整流技术连接制氢系统和电网，具有功率因数高，谐波小的优点，提高了系统输出电能质量；系统内部采用直流共母线，母线电压波动小，电能转换次数少，设备投资低，传输效率高；与现有制氢系统相比，本发明成本低，损耗小，电能转换效率可达96％以上；本系统满足了氢燃料电池并网发电需求，实现了新能源发电的就地消纳，平抑了电网负荷波动，便于新能源和可再生能源发电的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明系统结构示意图。
图2为NPC变流器拓扑结构。
图3为双向DC/DC变换器拓扑结构。
图4为光伏DC/DC变换器拓扑结构。
图5为光伏MPPT控制策略示意图。
图6为双向DC/DC变换器充放电控制策略示意图。
图7为移相整流并网系统控制策略示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，如图1所示，包括：并网单元、直流母线、新能源发电单元、储能单元；
并网单元的AC端与电网连接，DC端与直流母线连接，用于直流母线与电网的电能交换；
新能源发电单元输出端与直流母线连接，为直流母线提供电能；
储能单元与直流母线连接，储能单元制氢模式时利用直流母线的电能制备氢气并存储，储能单元发电模式时利用存储的氢气发电为直流母线提供电能；
基于直流母线的额定电压划定工作区间，并根据当前直流母线电压值所在工作区间，选择系统中并网单元、新能源发电单元、储能单元的控制策略。
在一个具体的实施例中，并网单元包括移相变压器和NPC三电平整流器；
移相变压器主绕组与电网连接，辅助绕组与NPC三电平整流器AC端连接，通过调整辅助绕组的连接方式或者移相变换器的耦合磁通，控制主绕组与辅助绕组之间的相位差，从而控制功率流向和电压大小；
NPC三电平整流器DC端与直流母线连接，NPC三电平整流器通过按开关顺序逻辑控制功率开关器件，产生三种相电压电平，在AC端合成交流电。
在一个具体的实施例中，新能源发电单元包括光伏单元和风电单元，光伏单元采用DC/DC变换器与直流母线连接，风电单元采用NPC三电平变流器与直流母线连接。
在一个具体的实施例中，DC/DC变换器为Boost变换器；光伏单元采用MPPT控制方法控制电能输出，包括：
步骤1：获取光伏阵列初始时刻的输出电压UPV 0和输出电流iPV 0，并输入MPPT算法模块；
步骤2：MPPT算法模块计算光伏阵列初始输出功率P0，随机生成扰动电压△U0，根据UPV 0和△U0输出电压的参考值Uref至PI调节器，其中△U0的绝对值小于UPV的0.5％；
步骤3：PI调节器根据Uref，经PWM调制器后输出Boost变换器的功率开关管的开关信号，从而调节光伏阵列的电能输出；
步骤4：获取光伏阵列当前时刻的输出电压UPV和输出电流iPV，并输入MPPT算法模块；
步骤5：MPPT算法模块计算当前时刻光伏阵列输出功率P，以及P与上一时刻光伏阵列功率P-的变化△P，并根据上一时刻施加的扰动电压△U-，确定对UPV施加微小的扰动电压△U，根据UPV和△U输出电压的参考值Uref至PI调节器；
步骤6：重复执行步骤3-5。
在一个具体的实施例中，步骤5中，
当△P>0时，△U->0则△U>0，△U-<0则△U<0；
当△P<0时，△U->0则△U<0，△U-<0则△U>0。
在一个具体的实施例中，储能单元包括：双向DC/DC变换器、电解槽、压缩机、存储罐、燃料电池；
双向DC/DC变换器的前级为直流母线，后级为电解槽或者氢燃料电池；在制氢模式时，电解槽利用双向DC/DC变换器提供的电能电解产生氢气，并通过压缩机将氢气存储至存储罐；在发电模式时，氢燃料电池利用存储罐内的氢气发电，并为双向DC/DC变换器供电。
在一个具体的实施例中，直流母线的电压及功率传输控制策略如下：
设本系统正常运行时直流母线的额定电压数值为Ubus，当前系统的直流母线电压数值为Unow，燃料电池荷电状态为SOC，新能源发电单元发电功率为PPV，制氢消耗的功率为PL；当PPV远大于PL时，直流母线电压会因为功率饱和而被持续抬升，从而超过安全阈值1.05Ubus，并接近直流母线电压运行上限1.1Ubus，此时必须让新能源发电单元切换至定功率模式，并且让并网单元从直流母线向电网释放最大并网功率，以保护系统的运行安全。
当1.05Ubus<Unow≤1.1Ubus时，若SOC≥0.1，则利用储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使并网单元从直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用定功率模式；若SOC<0.1，则利用新能源单元调节直流母线电压，并使储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当1.02Ubus<Unow≤1.05Ubus时，若SOC≥0.1，则利用储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使并网单元从直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；SOC<0.1，则利用新能源单元调节直流母线电压，并使储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.98Ubus<Unow≤1.02Ubus时，直流母线电压基本保持不变，由并网单元调节直流母线电压，光伏单元切换至MPPT控制模式；
当0.95Ubus<Unow≤0.98Ubus时，若SOC≥0.1，则利用储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并让并网单元从直流母线向电网吸收并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用新能源单元调节直流母线电压，并使储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.90Ubus<Unow≤0.95Ubus时，若SOC≥0.1，则利用储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使并网单元从直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用新能源单元调节直流母线电压，并使并网单元从直流母线向电网释放最大并网功率。
在一个具体的实施例中，NPC三电平整流器拓扑如图2所示，通过一对中点箝位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相联，将功率开关器件分别串联，箝位二极管用于嵌位电平，两电容均衡直流侧电压相等，按开关顺序逻辑控制功率开关器件，产生三种相电压电平在输出端合成正弦波。
NPC三电平逆变器为双向三电平逆变器，在三相abc坐标系下数学模型与三相PWM变流器完全相同，为：
旋转到两相同步旋转坐标系dq下可得：
其中，L为线路电感，t为时间，ia、ib、ic分别为A、B、C相电流，R为线路电阻，ea、eb、ec分别为电网电压，Sa、Sb、Sc分别为三相开关函数，vdc分别为直流母线电压，d、q分别表示dq坐标系下的d轴和q轴分量。在dq坐标系下的数学模型中其交流量已完全变为了直流量，用dq解耦+PI控制的方式实现电压电流的无静差控制。并网单元具有交流侧谐波小，功率因数>0.95，电能质量高，与电网交互友好，且电力电子设备动态调节能力强，具有四象限工作模式，可以支撑整流制氢，氢能源发电并网，即功率双向流动的优点。
在一个具体的实施例中，并网单元的控制策略如图7所示，首先采样当前并网电流iA、iB、iC的电流值，电网电压eA、eB、eC的电压值，以及直流母线电压值UDC；把采样得到的iA、iB、iC、eA、eB、eC通过Clark变换与Park变换后得到在dp旋转坐标系下并网电流id、iq和电网点位ed、eq。进一步的，该算法中首先用UDC减去直流母线电压的参考值UDC_ref，所得结果经过电压环的PI控制器后得到并网电流id的参考值id_ref；用id_ref、iq_ref减去id、iq得到的结果送入电流环的PI控制器，控制器输出的信号经过解耦后得到dp旋转坐标系下的调制波Ud_ref、Uq_ref，再经过反Park变换和反Clark变换后得到调制波信号，将调制波信号经过SPWM调制器后得到NPC变换器的12个功率开关管的导通关断信号，按照导通关断信号对功率开关管进行相应的导通和关断操作，即可实现并网单元的并网控制策略。
在一个具体的实施例中，双向DC/DC变换器拓扑如图3所示，该拓扑为能量双向流动的DC/DC变换器，前级为直流母线，后级为制氢设备或氢燃料电池。其充放电控制策略如图6所示，工作时，开关管S1的占空比为D，稳态时电容C2上的电压为Ubat＝(1-D)Udc，通过功率外环与电流内环的控制方法，可以实现电池的充放电功能。制氢设备工作在500V-1000V电压范围内，制氢电流可达到5500A-12000A。
在一个具体的实施例中，光伏阵列与DC/DC变换器构成光伏单元，DC/DC变换器拓扑结构如图4所示，由于光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度和负载情况影响，为了提高光伏系统的整体效率，采用MPPT算法控制光伏阵列，使光伏系统始终输出最大功率。MPPT算法采用干扰观察法，原理是每隔一定时间增加或减少光伏阵列输出电压，并观测之后其输出功率变化方向，来决定下一步的控制信号，算法流程如图5所示，其中Upv、Ipv分别为光伏阵列输出电压，P为当前时刻电池这列功率P-为电池阵列上一时刻功率。
在一个具体的实施例中，风电单元采用如图2所示的三电平变流器，将风力发电机发出的电能输送至直流母线。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，包括：并网单元、直流母线、新能源发电单元、储能单元；
所述并网单元的AC端与电网连接，DC端与所述直流母线连接，用于所述直流母线与电网的电能交换；
所述新能源发电单元输出端与所述直流母线连接，为所述直流母线提供电能；
所述储能单元与所述直流母线连接，所述储能单元制氢模式时利用所述直流母线的电能制备氢气并存储，所述储能单元发电模式时利用存储的氢气发电为所述直流母线提供电能；
基于所述直流母线的额定电压划定工作区间，并根据当前直流母线电压值所在工作区间，选择系统中并网单元、新能源发电单元、储能单元的控制方法；
所述直流母线的电压及功率传输控制方法如下：
设本系统正常运行时所述直流母线的额定电压数值为Ubus，当前系统的所述直流母线电压数值为Unow，燃料电池荷电状态为SOC；
当1.05Ubus<Unow≤1.1Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用定功率模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当1.02Ubus<Unow≤1.05Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.98Ubus<Unow≤1.02Ubus时，直流母线电压基本保持不变，由并网单元调节直流母线电压，光伏单元切换至MPPT控制模式；
当0.95Ubus<Unow≤0.98Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并让并网单元从直流母线向电网吸收并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述储能单元工作在制氢模式，以恒流恒压充电；
当0.90Ubus<Unow≤0.95Ubus时，若SOC≥0.1，则利用所述储能单元调节直流母线电压，以恒压模式向直流母线释放功率，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率，新能源发电单元采用MPPT工作模式；若SOC<0.1，则利用所述新能源单元调节直流母线电压，并使所述并网单元从所述直流母线向电网释放最大并网功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，所述并网单元包括移相变压器和NPC三电平整流器；
所述移相变压器主绕组与电网连接，辅助绕组与所述NPC三电平整流器AC端连接，通过调整辅助绕组的连接方式或者移相变换器的耦合磁通，控制主绕组与辅助绕组之间的相位差，从而控制功率流向和电压大小；
所述NPC三电平整流器DC端与所述直流母线连接，所述NPC三电平整流器通过按开关顺序逻辑控制功率开关器件，产生三种相电压电平，在AC端合成交流电。
3.根据权利要求1所述的一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，所述新能源发电单元包括光伏单元和风电单元，所述光伏单元采用DC/DC变换器与所述直流母线连接，所述风电单元采用NPC三电平变流器与所述直流母线连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，所述DC/DC变换器为Boost变换器；所述光伏单元采用MPPT控制方法控制电能输出，包括：
步骤1：获取光伏阵列初始时刻的输出电压UPV 0和输出电流iPV 0，并输入MPPT算法模块；
步骤2：所述MPPT算法模块计算光伏阵列初始输出功率P0，随机生成扰动电压△U0，根据UPV 0和△U0输出电压的参考值Uref至PI调节器，其中△U0的绝对值小于UPV的0.5％；
步骤3：所述PI调节器根据所述Uref，经PWM调制器后输出所述Boost变换器的功率开关管的开关信号，从而调节所述光伏阵列的电能输出；
步骤4：获取光伏阵列当前时刻的输出电压UPV和输出电流iPV，并输入MPPT算法模块；
步骤5：所述MPPT算法模块计算当前时刻光伏阵列输出功率P，以及P与上一时刻光伏阵列功率P-的变化△P，并根据上一时刻施加的扰动电压△U-，确定对所述UPV施加微小的扰动电压△U，根据UPV和△U输出电压的参考值Uref至PI调节器；
步骤6：重复执行步骤3-5。
5.根据权利要求4所述的一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，所述步骤5中，
当所述△P>0时，△U->0则△U>0，△U-<0则△U<0；
当所述△P<0时，△U->0则△U<0，△U-<0则△U>0。
6.根据权利要求1所述的一种基于移相变压器的双向可逆新能源制氢系统，其特征在于，所述储能单元包括：双向DC/DC变换器、电解槽、压缩机、存储罐、燃料电池；
所述双向DC/DC变换器的前级为所述直流母线，后级为所述电解槽或者氢燃料电池；在制氢模式时，所述电解槽利用所述双向DC/DC变换器提供的电能电解产生氢气，并通过所述压缩机将氢气存储至所述存储罐；在发电模式时，所述氢燃料电池利用所述存储罐内的氢气发电，并为所述双向DC/DC变换器供电。
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