一种风网协同智能控制电解水制氢系统及其工作方法与流程

本发明属于新能源利用技术领域，尤其涉及一种风网协同智能控制电解水制氢系统及其工作方法。

背景技术：

氢气是一种重要的工业用品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门。工业上制取氢气的方法很多，天然气石油及其制品经蒸汽转化、部分氧化制氢，煤气化制氢等，又如之前流行一时的氨分解制氢，近几年较为时髦的甲醇裂解制氢，此外，还有食盐水电解制氢及水电解制氢。在这些方法中，水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式和一定能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染，且产品氢气的纯度高，但是水电解制氢的运行费用比较高，耗电量较大。

氢不仅是一种清洁能源而且也是一种优良的能源载体，具有可储的特性。储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或有大量廉价电能都可以转化为氢能储存，供需要时再使用，这种储能方式分散灵活。氢能也具有可输的特性，如在一定条件下将电能转化为氢能，输氢较输电有一定的优越性。

氢能的开发与应用研究尚处于起步阶段，但随着技术进步，环境对清洁能源的要求不断提高，氢能利用是发展的必然趋势，对氢源供应的要求必将日益增加。

风能作为一种新能源具有很好的发展前景，但风电具有典型的随机性和间歇性，大规模风电并网对电网的安全稳定有很大的不良影响，这也成为制约风电规模化发展的严重障碍。目前，将风能和电能结合起来使用，为电解水制氢提供电能的相关技术还很不成熟，还需要做大量的研究工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风网协同智能控制电解水制氢系统及其工作方法，解决了水电解制氢的耗电量较大的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种风网协同智能控制电解水制氢系统，包括风力发电机组、电网供电电源、风电整流模块、电网整流模块、风网协同智能控制模块、直流接触器和电解水制氢模块；

风力发电机组包括至少一个风力发电机，每个风力发电机对应连接一个风电整流模块，风力发电机通过风电整流模块与风网协同智能控制模块连接；

电网供电电源通过电网整流模块与风网协同智能控制模块连接；

电解水制氢模块为至少一个，每个电解水制氢模块对应连接一个直流接触器，电解水制氢模块通过直流接触器与风网协同智能控制模块连接；

风网协同智能控制模块，用于监控风力发电机组的运行状态，计算风力发电机组的发电效率；控制直流接触器的开闭，控制电解水制氢模块的接入数量。

进一步，风力发电机与风电整流模块的交流侧连接，风电整流模块的直流侧与风网协同智能控制模块的直流母线连接。

进一步，电网供电电源与电网整流模块的交流侧连接，电网整流模块的直流侧与风网协同智能控制模块的直流母线连接。

进一步，直流接触器的一侧连接风网协同智能控制模块的直流母线，另一侧与电解水制氢模块相连接构成直流供电回路。

进一步，风网协同智能控制模块与电解水制氢模块之间还连接有电流反馈电路和电压反馈电路，电压反馈电路包括电压隔离电路和有源滤波电路；

电解水制氢模块的电流输出端经霍尔传感器和电流反馈电路接入风网协同智能控制模块；电解水制氢模块的电压输出端经电压隔离电路和有源滤波电路后接入风网协同智能控制模块；

电网整流模块的电流输出端通过霍尔传感器接入风网协同智能控制模块，风电整流模块的电流输出端通过霍尔传感器接入风网协同智能控制模块。

进一步，风电整流模块和电网整流模块与风网协同智能控制模块之间设有脉冲信号放大和驱动电路；

风网协同智能控制模块，用于根据风力发电机组的发电效率发出控制脉冲信号，脉冲信号接入脉冲信号放大和驱动电路，触发风电整流模块或电网整流模块。

进一步，风电整流模块包括依次连接的电压型三相桥式整流电路和隔离型双向全桥dc-dc变换电路，风力发电机的输出端与电压型三相桥式整流电路连接；

电压型三相桥式整流电路，用于将风力发电机发出的交流电变换后成为直流电；

隔离型双向全桥dc-dc变换电路，用于将直流电整流后变成设定的低压大电流直流电供电给电解水制氢模块。

进一步，电网整流模块包括交流变压器和三相桥式晶闸管整流电路，电网供电电源、交流变压器和三相桥式晶闸管整流电路依次连接；

交流变压器，用于将电网三相交流电降压后变成低压的三相交流电；

三相桥式晶闸管整流电路，用于将经过交流变压器出来的低压的三相交流电整流后变成设定的低压大电流直流电。

进一步，每个电解水制氢模块对应连接一个储氢模块。

本发明还公开了所述风网协同智能控制电解水制氢系统的工作方法，包括以下情况：

当风力发电机组输出功率在电解水制氢模块的额定工作功率±5％范围之内时，所有的电解水制氢模块由风力发电机组供电；

当风力发电机组输出功率小于电解水制氢模块额定工作功率95％时，风网协同智能控制模块根据采集到的所有风电整流模块的电压和电流信号计算出最适合的电解水制氢模块匹配的数量，通过控制直流接触器的开启数量以达到最佳匹配数量的电解水制氢模块的带电运行，其余的没有被风力发电机组供电的电解水制氢模块同步用电网供电电源供电；

当风力发电机组输出功率为零时，风网协同智能控制模块同步发出控制信号给电网整流模块和直流接触器，所有电解水制氢模块全部由电网供电电源供电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种风网协同智能控制电解水制氢系统，包括风力发电机组、电网供电电源、风电整流模块、电网整流模块、风网协同智能控制模块、直流接触器和电解水制氢模块；风力发电机组发出的交流电经过风电整流模块变成直流电供电给电解水制氢模块，电网供电电源经过电网整流模块整流变换成直流电供电给电解水制氢模块，电解水制氢模块采用多组模块并列运行，其数量根据电解水制氢的规模选用；风网协同智能控制模块与风力发电机组连接，用于监控风力发电机组的运行状态，计算风力发电机组的发电效率，风网协同智能控制模块根据风力发电机组的发电效率，触发风电整流模块或电网整流模块；每个电解水制氢模块都与一个直流接触器相连，风网协同智能控制模块根据风力发电机组输出功率控制直流接触器的开断和闭合，风网协同智能控制模块接收所有的风力发电机组的输出功率的反馈信号以及所有整流模块的电压和电流的信号，风网协同智能控制模块对所有的风力发电机组的输出功率的反馈信号以及整流模块的电压和电流的信号与负载的额定电压和电流进行比较和计算，给出最佳的电解水制氢模块的匹配数量，同时发出电压触发信号控制风电整流模块的输出，以便满足最佳匹配数量的电解水制氢模块的正常运行。本发明根据制氢规模选择理想情况下相应的风机装机容量和对应的电解水制氢模块数量与之匹配，利用风网协同智能控制模块对风电整流模块和电网整流模块以及电解水制氢模块的数量控制，实现风力发电机组和电网协同为电解水制氢模块供电电解水制氢。本发明为风能和氢能的有利结合提供了一条捷径，不但能够大规模的有效利用风能，通过大规模的风力发电，实现可再生能源的能量储备和能源转换，而且为电解水制氢提供了有效的多种电源供给，提供了一种大规模的电解水制氢有效方法，为大规模电解水制氢技术提供了良好的发展前景。

进一步，风电整流模块包括电压型三相桥式整流电路和隔离型双向全桥dc-dc变换电路，通过电压型三相桥式整流电路将风力发电机发出的交流电变换后成为直流电；通过隔离型双向全桥dc-dc变换电路将直流电整流后变成设定的低压大电流直流电供电给电解水制氢模块，为电解水制氢模块提供合适的直流电。

进一步，电网整流模块由交流变压器和可控的三相桥式晶闸管整流电路组成，电网三相交流电经过交流变压器降压后变成较低压的三相交流电，较低压的三相交流电经过可控的三相桥式晶闸管整流电路整流后变成设定的低压大电流直流电供电给电解水制氢模块，为电解水制氢模块提供合适的直流电。

进一步，风网协同智能控制模块与电解水制氢模块的电流反馈电路和电压反馈电路相连，电流反馈电路中主要包括霍尔电流传感器，霍尔电流传感器直接测量电解水制氢模块的负载电流，电压反馈电路中主要包括电压隔离电路和有源滤波电路，通过电流反馈电路和电压反馈电路使得风网协同智能控制模块可以监测到电解水制氢模块的电流信号和电压信号。

进一步，电解水制氢模块与储氢模块相连，电解水制氢模块生产的氢气通过成熟的储氢模块运送到氢能下链。

本发明还公开了所述风网协同智能控制电解水制氢系统，根据风电机组的输出功率与电解水制氢模块工作功率的比较，采用完全风力供电、部分风力供电和完全电网供电三种供电方式，根据实际情况灵活调节供电路径，可有效解决目前电解水制氢完全依赖电网供电，导致耗电量大的问题，切合实际应用，易大规模推广。

附图说明

图1是本发明风网协同智能控制电解水制氢系统的原理图；

图2本发明风网协同智能控制电解水制氢系统的控制原理图；

图3为本发明风电整流模块的原理图；

图4为本发明电网整流模块的原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种风网协同智能控制电解水制氢系统，包括风力发电机组、电网三相交流电、风电整流模块、电网整流模块、风网协同智能控制模块、直流接触器和电解水制氢模块；风力发电机组包括多个风力发电机，每个风力发电机与一个风电整流模块的交流侧相连接，风电整流模块的直流侧与直流母线相连接，电网供电包括电网三相交流电源与电网整流模块的交流侧相连接，电网整流模块的直流侧与直流母线相连接，电解水制氢模块通过直流接触器与直流母线相连接，电解水制氢模块根据需求可以是一个或者多个，每个电解水制氢模块对应一个直流接触器。直流接触器的一侧连接风网协同智能控制模块的直流母线，风网协同智能控制模块通过控制直流接触器的开断与闭合，来控制电解水制氢模块的接入数量，直流接触器的另外一侧与电解水制氢模块相连接构成直流供电回路。

每个电解水制氢模块连接有一个储氢模块，储氢模块与电解水制氢模块通过管道连接，储氢模块用于收集所有的电解水制氢模块生产的氢气。

当风力发电机组输出功率在额定电解水制氢模块的工作功率±5％范围内时，完全由风力发电机组供电，所有的电解槽模块带电正常额定运行；当风力发电机组输出功率小于电解水制氢模块工作功率95％时，风网协同智能控制模块根据采集到的所有风力发电机整流模块的电压和电流信号计算出最适合的电解水制氢模块匹配的数量，通过控制与电解水制氢模块相连的直流接触器的开关数量以达到最佳匹配数量的电解水制氢模块的带电运行，剩下的没有被风力发电机组供电的所有电解水制氢模块同步用电网三相交流电供电制氢；当风力发电机组输出功率为零时，风网协同智能控制模块同步发出控制信号给电网整流模块和直流接触器，所有电解水制氢模块全部由电网三相交流电供电进行额定功率运行。

如图2所示，风网协同智能控制模块与风力发电机组连接，用于监控风力发电机组的运行状态，计算风力发电机组的发电效率，风网协同智能控制模块根据风力发电机组的发电效率，发出控制脉冲信号，脉冲信号接入脉冲信号放大和驱动电路，触发风电整流模块，风电整流模块输出直流电到达直流母线侧提供供电电源，同时风电整流模块的输出电流通过霍尔传感器得到检测信号接入风网协同智能控制模块进行信号的储存，同样的道理，风网协同智能控制模块与电网整流模块连接，当风力发电机组的发电效率不满足额定电解水制氢模块的额定运行时，发出控制脉冲信号，脉冲信号接入脉冲信号放大和驱动电路，触发电网整流模块，电网整流模块输出直流电到达直流母线侧提供供电电源，同时电网整流模块的输出电流通过霍尔传感器得到检测信号接入风网协同智能控制模块进行信号的储存。

电解水制氢模块是风网协同智能控制电解水制氢的主要直流负载，它的运行状态是受风网协同智能控制模块的监测和控制的，电解水制氢模块的电流信号通过霍尔电流传感器接入到电流反馈电路，通过信号处理后接入风网协同智能控制模块，电解水制氢模块的电压信号通过电压隔离电路接入到有源滤波电路，通过谐波处理后接入风网协同智能控制模块。

如图3所示，风电整流模块主要由电压型三相桥式整流电路和隔离型双向全桥dc-dc变换电路组成，风力发电机组发出的交流电经过三相桥式整流电路变换后成为直流电，直流电经过隔离型双向全桥dc-dc变换电路把整流后的直流电变成设定的低压大电流直流电供电给电解水制氢模块。

电压型三相桥式整流电路中包含六个绝缘栅双极型三极管igbt，该电路的特点是采用高频pwm整流技术，igbt器件处于高频开关状态，器件的开通和关断状态是可以控制的，因而整流器的电流波形是可控的。

隔离型双向全桥dc-dc变换电路由四个igbt三极管q1，q2，q3，q4构成原边侧连接的h桥，四个igbt三极管q5，q6，q7，q8构成副边侧连接的h桥，原边侧连接的h桥与副边侧连接的h桥通过变比为n:1的高频变压器tr进行连接。

如图4所示，电网整流模块由交流变压器和可控的三相桥式晶闸管整流电路组成，电网三相交流电经过交流变压器降压后变成较低压的三相交流电，经过交流变压器出来的较低压的三相交流电经过可控的三相桥式晶闸管整流电路整流后变成设定的低压大电流直流电供电给电解水制氢模块。

可控的三相桥式晶闸管整流电路中包含六个可控晶闸管，任何时刻必须保证有两个晶闸管同时导通才能构成电流回路，且其中一个晶闸管是共阴组的，另一个晶闸管是共阳极组的，电网交流电通过降压变压器后与和电网整流模块后变成设定的直流电。

风电整流模块和电网整流模块的转换电路的工作主要靠风网协同智能控制模块发出电压脉冲信号对可控晶闸管或者场效应管进行触发和控制。

本发明的风网协同智能控制电解水制氢系统和方法，根据制氢规模选择理想情况下相应的风机装机容量和对应的电解槽模块数量与之匹配，利用风网协同智能控制模块对风力发电机组和电网整流模块以及电解水制氢模块的数量控制，实现风力发电机组和电网协同为电解水制氢模块供电电解水制氢的一种系统和方法。与现有技术相比，风网协同智能控制电解水制氢系统和方法，为风能和氢能的有利结合提供了一条捷径，不但能够大规模的有效利用风能，通过大规模的风力发电，实现可再生能源的能量储备和能源转换，而且为电解水制氢提供了有效的多种电源供给，提供了一种大规模的电解水制氢有效方法，为大规模电解水制氢技术提供了良好的发展前景。