CN118480818A - 一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，包括交流微电网运行场景、多槽制氢系统与中央控制系统；交流微电网运行场景经多级变压后降为交流10kV作为主干线，经变压器降压后交流转直流，然后通过中央控制系统输入至制多槽制氢系统的电能输入端口，分别输入至制氢电解槽，制氢电解槽产出的氢气与氧气分别经过氢气分离器与氧气分离器收集，氧气直接排放，氢气经过氢气纯化器后，储存至氢气储罐中。本发明还包括一种高效运行方法，在不同功率输入下以制氢系统效率最优为目标的单个电解槽功率分配策略；一种单个电解槽的温度控制系统，保证不同功率下的电解槽功率稳定。本发明能实现制氢多槽系统稳定高效的接入电网。

Description

一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效 运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于水电解制氢技术领域的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法。

背景技术

随着可再生能源技术的不断发展，光伏发电及风力发电是未来清洁能源的主要发展方向。由于光伏发电及风力发电的周期性和不确定性，导致接入电网时会产生电力波动，再加上用电负荷本身的波动性，会对电网稳定性造成严重影响。

质子交换膜水电解制氢系统可以较好的应对风电/光伏等波动功率的输入，具有响应速度快、调节范围宽、启停迅速、体积小等优点，但目前国内外质子交换膜电解单槽规模较小，无法应对大规模的波动功率输入。电网中的功率是稳定的，波动功率几乎来源于风电与光伏的接入，因此多槽并联的质子交换膜电解水制氢系统不仅可以在稳定电网下制氢，也可以在风光输入下直接制氢。如何实现水电解制氢接入交流电网时技术人员的主要目标。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法，功率输入场景包含了风光直接制氢与风光接入的微电网制氢，通过微电网中央控制系统，在不同总功率输入下实时调节每个电解槽的运行功率，并根据电解槽的适宜运行温度实时调节水温，保证每个电解槽高效率运行。

实现上述目的的一种技术方案是：一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，包含交流微电网运行场景、多槽制氢系统与中央控制系统；交流微电网运行场景经多级变压后降为交流10kV作为主干线，经变压器降压后交流转直流，然后通过中央控制系统输入至制多槽制氢系统的电能输入端口，分别输入至若干个制氢电解槽，每个制氢电解槽产出的氢气与氧气分别经过氢气分离器与氧气分离器收集，氧气直接排放，氢气经过氢气纯化器后，储存至氢气储罐中。

进一步的，交流微电网运行场景包括电网、风力发电和光伏发电。

进一步的，风力发电和光伏发电经过AC/DC交直流转换后，直接输入至制多槽制氢系统的电能输入端口。

进一步的，每个制氢电解槽的功率通过中央控制系统进行单独控制。

进一步的，每个电解槽的分别单独配置温度控制及循环水冷却系统，包括温度检测装置、循环水泵、换热器和冷却水泵。

进一步的，温度检测装置包括电解槽入口水温检测和电解槽出口水温检测。

进一步的，循环水泵和冷却水泵通过PID算法对水泵实时流量进行调节，从而改变电解槽进口温度，保证电解槽的出口温度在出厂设定的范围；循环水泵及冷却水泵通过PID算法与单槽功率进行联合计算，不同单槽功率对应不同的循环水量与冷却水量。

进一步的，交流微电网运行场景配置有SVG。

采用上述水电解制氢多槽系统接入系统的高效运行方法，水电解制氢多槽系统接入方法按照用电负荷分为用电负荷大、用电负荷一般和用电负荷小三种状态；用电负荷大时，光伏发电与风力发电全部并入微电网中，微电网中的尖峰功率由多槽制氢系统进行消纳；用电负荷一般时，光伏发电与风力发电直接输入至制多槽制氢系统，不并入微电网中；当用电负荷小时，微电网中的电力、光伏发电与风力发电全部由多槽制氢系统进行消纳。

进一步的，设定多槽制氢系统中单个电解槽的最佳效率点为x％Pe，电解槽个数为n，额定运行功率为n*Pe，最大运行功率为n*150％Pe；

设定光伏、风电发电功率为P，制氢系统启动时，若P＞n*150％Pe，则减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若n*x％Pe≤P≤n*150％Pe，单个电解槽的功率分配为P/n，若P＜n*x％Pe，则开启电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，无功率的电解槽可不启动；在多槽制氢系统运行过程时，所有电解槽都在运行，若P＞n*150％Pe，则减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若P＜n*x％Pe，则在最佳效率点运行的电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，当其中(P-P/x％Pe)/(n-P/x％Pe)＜5％时，则在最佳效率点运行的电解槽个数可＜P/x％Pe，以防止某个电解槽在超过低限运行。

本发明面向波动功率、电网消纳等运行需求，提出一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法，优势如下：

交流微电网场景中融入了光伏、风电、电网等多个角色，将制氢系统接入其中不仅可以实现长周期的波动功率消纳，更可以以负载为主导，保障负载正常用电的基础上，最大限度的实现波动功率的消纳，为制氢系统的应用提供了较为全面的应用场景，并给出了保障整个交流微电网高效率的接入方法。

以制氢系统效率最优为目标，设计了单个电解槽功率分配策略。根据制氢系统前端输入功率的不同，实时输入功率与制氢系统x％Pe-150Pe功率进行比较，从而得到了不同功率输入等级下的电解槽效率最优的功率分配组合。

基于单个电解槽功率分配的差异，为每个电解槽设计了单独的温度调控系统，保证在功率骤升时可以白虎电解槽温度不超过设定范围，帮助单个电解槽的功率分配策略更好的实现。

附图说明

图1为本发明的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统的结构示意图；

图2为本发明制氢系统启动时，制氢系统电解槽功率分配图；

图3为本发明制氢系统运行时，制氢系统电解槽功率分配图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

本发明的目的在于提出一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法，用于解决适配交流微电网场景规模的制氢系统高效运行问题。本发明综合考虑在应对未来新型电网下的功率高效消纳问题，提出了在交流微电网场景(也可适配其它场景，本处以典型交流微电网场景进行举例应用)下的多槽制氢系统，并配合制氢系统的总体控制对单槽提出控制策略，以保证每个电解槽运行在高效率区间，提供如下技术方案。

如图1所示。一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统及高效运行方法，包含交流微电网运行场景、多槽制氢系统与中央控制系统。交流微电网场景包含电网、风力发电、光伏发电，电网经多级变压后降为交流10kV，10kV作为交流微电网的配电端主干线，由于10kV交流微电网中还有光伏与风电接入，为保障交流微电网稳定，可选择使用SVG进行无功支撑。

电力输入至10kV交流微电网经变压器降压后交流转直流，受制氢电解槽面积和片数影响，降压后可以是750V、380V或者其它等级配电网，降压后的电压应至少大于制氢电解槽所需总电压，否则还需再次进行DC/DC电压变换。

电力输入至制氢系统端口也可以是风力发电经过AC/DC交直流转换后，直接供给制氢系统，此外风力发出的电力可以经过变压器升压后汇总到10kV交流微电网主干线上；电力输入至制氢系统端口也可以是光伏发电经过DC/DC变换后，直接供给制氢系统，此外光伏发出的电力也可以经过DC/AC后，升压汇总至10kV交流微电网主干线上。

无论是交流微电网降压后制氢、光伏直接制氢还是风电直接制氢，都需要经过最后直流变换后输入至制氢电解槽，以便于对电解槽的功率进行单独控制，为保证在便功率下电解槽的运行效率最优，每个电解槽1、电解槽2、电解槽n需要单独进行功率调节，同时瞬时输入功率增大时，电解槽的出口温度会快速升高，为保证该状态下电解槽出口温度在适宜范围，需要快速调节入口温度，并且需要根据实时功率值进行温度调节。多槽产出的氢气与氧气分别经过氢气分离器与氧气分离器收集，氧气直接排放，氢气经过氢气纯化器后，储存至氢气储罐中。

基于单个PEM电解槽的结构而言，电解槽的活性面积决定了输入电流，电解槽的片数决定了输入电压，受限于单个电解槽的技术水平，单个电解槽的电压、电流水平范围在设计之初就已经确定了，一般可在自身额定功率的5-150％范围内调节。目前国内外的水平为单槽1MW左右，而交流微电网中需要消纳的功率远大于MW级水平，若要实现更大功率的消纳，则需要多个电解槽并联运行，电解槽并联可以提高制氢系统的电压，则交流微电网中10kV直接降压可以适配电解槽并联后的高电压，无需将电压降至很低，降低了变压器成本。

同时通过改变10kV交流变压器、光伏DC/DC与风电AC/DC的电压等级，并配合开关1、开关2、开关3对于三种不同接入的切换，可以在保证交流微电网用电负荷的条件下，最大程度的提高总体效率。具体方法为：当用电负荷特别大时，光伏发电与风力发电全部并入微电网中，微电网中的尖峰功率由制氢系统进行消纳；当用电负荷一般时，光伏发电或风力发电可直接制氢，而不并入微电网中，这样既省略了一级电压变换，又保证了交流微电网的稳定性；当用电负荷特别低时，微电网中的电力与光伏、风电的电力全部由制氢系统进行消纳。这样的实施方法，既保证了交流微电网的运行稳定性，又保证了在制氢系统消纳尖峰功率时的总体效率。

如图2和图3所示。制氢系统的功率运行范围一般在5-150％之间，电解槽运行效率随功率增加而减小，系统的运行效率随功率增加先升高后降低，最佳效率点一般在额定功率80％左右，不同的系统最佳点也会有区别，由于本实施例中，每个电解槽需要单独控制温度，因此可以看作一个独立的小型制氢系统，而气水分离器、氢气纯化器和控制系统都是多槽共用的，因此单个电解槽包含温度控制模块的最佳效率点会高于80％Pe，在此设定为最佳效率点为x％Pe，电解槽功率调控的目标是围绕效率最优，即控制单槽功率在x％Pe左右。电解槽个数为n，最佳效率运行点为x％Pe，额定运行功率为n*Pe，最大运行功率为n*150％Pe。

设定光伏、风电发电功率为P。制氢系统启动时，若P＞n*150％Pe，则关闭开关1或2，开启开关5或6，减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若n*x％Pe≤P≤n*150％Pe，单个电解槽的功率分配为P/n，若P＜n*x％Pe，则开启电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，无功率的电解槽可不启动。在制氢系统运行过程时，所有电解槽都在运行，若P＞n*150％Pe，则关闭开关1或2，开启开关5或6，减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若P＜n*x％Pe，则在最佳效率点运行的电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，当其中(P-P/x％Pe)/(n-P/x％Pe)＜5％时，则在最佳效率点运行的电解槽个数可＜P/x％Pe，以防止某个电解槽在超过低限运行。

这样在保证效率的同时，避免频繁启动和低功率运行还可兼顾电解槽的寿命。

请参阅图1，在电解槽输入功率瞬间增大时，尤其当超过电解槽额定功率Pe时，电解槽内部产热量也会随之瞬间增加，由于对于单个电解槽不同的功率分配策略，每个电解槽的瞬时产热量都不相同，因此循环水与冷却系统应给每个电解槽单独配置，包含入口温度检测1(检测电解槽入口水温)、出口温度检测2(检测电解槽出口水温)、循环水泵3、换热器4、冷却水泵5。对于大功率电解槽，出口水温更能真实反应电解槽的内部温度状态，而换热控制入口水温可以控制的更好，循环水泵和冷却水泵通过PID算法进行调节其水泵实时流量，从而改变电解槽进口温度，保证电解槽的出口温度在出厂设定的范围。循环水泵、冷却水泵通过PID算法与单槽功率进行联合计算，不同单槽功率对应不同的循环水量与冷却水量，该方法实现了制氢系统中槽与槽的控制分离，可以更好的帮助实现整个制氢系统运行在最佳效率点。

本发明的一种可与制氢系统实现友好交互的交流微电网场景，包括10kV交流微网主干线、光伏发电、风力发电、变压器、AC/DC、DC/DC、DC/AC等，本实施例中只给出了一种特定场景，并不限于其它场景可以应用。交流微电网中具备光伏、风电等元素，风电、光伏可直接发电上网，也可直接供给制氢系统，交流微电网的电除满足负荷用电外，电力尖峰都应由制氢系统进行消纳，并且根据负荷的用电程度，制氢系统可对交流微电网的功率稳定性进行调节。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，包含交流微电网运行场景、多槽制氢系统与中央控制系统；交流微电网运行场景经多级变压后降为交流10kV作为主干线，经变压器降压后交流转直流，然后通过中央控制系统输入至制多槽制氢系统的电能输入端口，分别输入至若干个制氢电解槽，每个制氢电解槽产出的氢气与氧气分别经过氢气分离器与氧气分离器收集，氧气直接排放，氢气经过氢气纯化器后，储存至氢气储罐中。

2.根据权利要求1所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，交流微电网运行场景包括电网、风力发电和光伏发电。

3.根据权利要求2所述的一种交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，风力发电和光伏发电经过AC/DC交直流转换后，直接输入至制多槽制氢系统的电能输入端口。

4.根据权利要求1所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，每个制氢电解槽的功率通过中央控制系统进行单独控制。

5.根据权利要求1所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，每个电解槽的分别单独配置温度控制及循环水冷却系统，包括温度检测装置、循环水泵、换热器和冷却水泵。

6.根据权利要求5所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，温度检测装置包括电解槽入口水温检测和电解槽出口水温检测。

7.根据权利要求5所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，循环水泵和冷却水泵通过PID算法对水泵实时流量进行调节，从而改变电解槽进口温度，保证电解槽的出口温度在出厂设定的范围；循环水泵及冷却水泵通过PID算法与单槽功率进行联合计算，不同单槽功率对应不同的循环水量与冷却水量。

8.根据权利要求1所述的一种适用于交流微电网下的水电解制氢多槽接入系统，其特征在于，交流微电网运行场景配置有SVG。

9.采用权利要求1至7中任意一项水电解制氢多槽接入系统的高效运行方法，其特征在于：水电解制氢多槽系统接入方法按照用电负荷分为用电负荷大、用电负荷一般和用电负荷小三种状态；用电负荷大时，光伏发电与风力发电全部并入微电网中，微电网中的尖峰功率由多槽制氢系统进行消纳；用电负荷一般时，光伏发电与风力发电直接输入至制多槽制氢系统，不并入微电网中；当用电负荷小时，微电网中的电力、光伏发电与风力发电全部由多槽制氢系统进行消纳。

10.根据权利要求9所述的一种高效运行方法，其特征在于：设定多槽制氢系统中单个电解槽的最佳效率点为x％Pe，电解槽个数为n，额定运行功率为n*Pe，最大运行功率为n*150％Pe；

设定光伏、风电发电功率为P，制氢系统启动时，若P＞n*150％Pe，则减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若n*x％Pe≤P≤n*150％Pe，单个电解槽的功率分配为P/n，若P＜n*x％Pe，则开启电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，无功率的电解槽可不启动；在多槽制氢系统运行过程时，所有电解槽都在运行，若P＞n*150％Pe，则减少光伏或风电的输入功率，防止制氢系统超载运行；若P＜n*x％Pe，则在最佳效率点运行的电解槽个数为P/x％Pe，其余运行电解槽个数为(P-P/x％Pe)/5％，当其中(P-P/x％Pe)/(n-P/x％Pe)＜5％时，则在最佳效率点运行的电解槽个数可＜P/x％Pe，以防止某个电解槽在超过低限运行。