一种新能源制氢系统及其控制方法与流程

本发明涉及新能源制氢技术领域，特别涉及一种新能源制氢系统及其控制方法。

背景技术：

光伏发电作为国家鼓励发展的绿色清洁能源，近年装机规模不断增大，随着光伏发电成本的持续下降，光伏制氢的竞争力也将逐渐增强，但光伏发电具有随机性、波动性、阶段性提供运行电能等问题，造成了一定的浪费。

目前的制氢系统中，为了能承受光伏发电的最大输出功率，都是根据光伏发电的最大功率匹配相应额定功率的电解槽；但是，由于光伏发电的随机性和波动性，电解槽大部分时间都难以做到满负荷运行。而电解槽的成本在整套制氢系统中占比非常大，所以如果不能充分利用，就会造成初始投资成本较大，投资回报周期变长，运行成本增加，降低了系统的经济效益。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种新能源制氢系统及其控制方法，以降低初始投资成本和运行成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种新能源制氢系统的控制方法，所述新能源制氢系统包括新能源发电装置和电解槽，且所述电解槽的额定功率小于所述新能源发电装置的最大功率；所述控制方法包括：

检测所述新能源发电装置的功率；

判断所述新能源发电装置的功率是否大于等于所述电解槽的额定功率；

若判断结果为是，则控制所述电解槽满功率运行；

以所述新能源发电装置的剩余功率，为所述新能源制氢系统的其他用电设备提供运行电能。

可选的，若所述其他用电设备的数量大于1，则以所述新能源发电装置的剩余功率，为所述新能源制氢系统的其他用电设备提供运行电能，包括：

以所述剩余功率，按照各所述其他用电设备的优先级，依次为各所述其他用电设备提供运行电能。

可选的，各所述其他用电设备分别为：补水装置和加热装置；所述控制方法中，以所述剩余功率，按照各所述其他用电设备的优先级，依次为各所述其他用电设备提供运行电能，包括：

判断所述剩余功率是否大于等于所述补水装置的额定功率；

若判断结果为是，则启动所述补水装置并为其供电，使其为所述新能源制氢系统的储水设备补水，直至所述补水设备中的液位达到液位上限；

判断所述剩余功率是否大于等于所述补水装置的额定功率与所述加热装置的额定功率之和；

若判断结果为是，则启动所述加热装置并为其供电，使其为所述新能源制氢系统产生的气体进行纯化再生，直至纯化再生完成。

可选的，各所述其他用电设备分别为：补水装置和空压机；所述控制方法中，以所述剩余功率，按照各所述其他用电设备的优先级，依次为各所述其他用电设备提供运行电能，包括：

判断所述剩余功率是否大于等于所述补水装置的额定功率；

若判断结果为是，则启动所述补水装置并为其供电，使其为所述新能源制氢系统的储水设备补水，直至所述补水设备中的液位达到液位上限；

判断所述剩余功率是否大于等于所述补水装置的额定功率与所述空压机的额定功率之和；

若判断结果为是，则启动所述空压机并为其供电，使其向所述新能源制氢系统的压缩空气储存设备中补充压缩空气，直至达到气压上限。

可选的，判断所述新能源发电装置的功率是否大于等于所述电解槽的额定功率之后，还包括：

若判断结果为否，则控制所述电解槽以预设系数降功率运行；

再执行以所述新能源发电装置的剩余功率，为所述新能源制氢系统的其他用电设备提供运行电能的步骤。

可选的，判断所述新能源发电装置的功率是否大于等于所述电解槽的额定功率之后，还包括：

若判断结果为否，则控制所述电解槽以所述新能源发电装置的功率运行。

本发明第二方面提供一种新能源制氢系统，包括：新能源发电装置、电源分配装置、电解槽、控制器及至少一个其他用电设备；其中：

所述新能源发电装置与所述电源分配装置的输入端相连；

所述电源分配装置的输出端分别与所述电解槽及各所述其他用电设备相连；

所述电解槽的额定功率小于所述新能源发电装置的最大功率；

所述电源分配装置、所述电解槽及各所述其他用电设备均受控于所述控制器，以使所述控制器实现如本发明第一方面任一段落所述的新能源制氢系统的控制方法。

可选的，各所述其他用电设备分别为：补水装置，和，加热装置或空压机；

在所述新能源发电装置的剩余功率分配过程中，所述补水装置的优先级最高；

所述补水装置用于为所述新能源制氢系统的储水设备补水，所述储水设备中设置有液位计，所述液位计输出液位检测结果至所述控制器；

所述加热装置用于通过加热，对干燥塔进行干燥再生处理，为所述新能源制氢系统产生的气体进行纯化再生；

所述空压机用于向所述新能源制氢系统的压缩空气储存设备中补充压缩空气，所述压缩空气储存设备中设置有气压计，所述气压计输出气压检测结果至所述控制器。

可选的，所述新能源发电装置包括：光伏发电装置及风力发电装置中的至少一个。

可选的，所述电源分配装置包括：至少两个受控于所述控制器的功率变换模块；

各所述功率变换模块的输入端分别接收所述新能源发电装置中相应的功率；

一个所述功率变换模块的输出端连接所述电解槽；

另外至少一个所述功率变换模块的输出端连接各所述其他用电设备。

可选的，各所述其他用电设备分别连接一个相应的所述功率变换模块；或者，

各所述其他用电设备共用同一所述功率变换模块，且各所述其他用电设备的供电端分别通过相应的可控开关连接同一所述功率变换模块；各所述可控开关均受控于所述控制器。

可选的，所述新能源发电装置包括光伏发电装置时，所述功率变换模块包括多个输出端并联连接的dcdc变换器，各所述dcdc变换器的输入端分别接收所述光伏发电装置中相应光伏子阵的电能；

所述新能源发电装置包括风力发电装置时，所述功率变换模块包括多个输出端并联连接的acdc变换器，各所述acdc变换器的输入端分别接收所述风力发电装置中相应风力发电机的电能。

本发明提供的新能源制氢系统的控制方法，其新能源制氢系统中，电解槽的额定功率小于新能源发电装置的最大功率，即合理降低了电解槽的额定功率，相比现有技术，降低了系统的初始投资成本；而且，在检测到所述新能源发电装置的功率后，若判断所述新能源发电装置的功率大于等于所述电解槽的额定功率，则控制所述电解槽满功率运行；然后以所述新能源发电装置的剩余功率，为所述新能源制氢系统的其他用电设备提供运行电能；进而实现了电解槽工作效率的最大化，同时实现了对于新能源发电装置功率的合理分配，避免了系统中其他用电设备的额外取电，降低了系统的运行成本，提高了系统的经济效益。

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为本发明实施例提供的新能源制氢系统的控制方法的流程图；

图2a和图2b为本发明实施例提供的光伏发电装置的两种输出功率特性曲线示意图；

图3、图4、图5及图6分别为本发明实施例提供的新能源制氢系统的控制方法的另外四种流程图；

图7、图8a、图8b、图9、图10a和图10b分别为本发明实施例提供的新能源制氢系统的六种结构示意图。

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。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

目前的光伏制氢系统设计时，多采用根据光伏发电的最大功率匹配相应的电解槽的做法，这样做虽能保证光伏可以做到充分利用，但由于光伏发电的随机性和波动性，电解槽大部分时间都难以做到满负荷运行，这无疑会造成初始投资成本较大，投资回报周期变长，运行成本增加等问题，导致经济效益低下。因此，本发明提供一种新能源制氢系统的控制方法，以降低初始投资成本和运行成本。

该新能源制氢系统中包括新能源发电装置和电解槽，而且，其电解槽的额定功率小于新能源发电装置的最大功率；也即，相比于现有技术中将电解槽配置为额定功率等于新能源发电装置最大功率的情况，降低了电解槽成本，进而降低了系统的初始投资成本。

对于这种电解槽配置下的新能源制氢系统，其控制方法，如图1所示，包括：

s101、检测新能源发电装置的功率。

实际应用中，该新能源制氢系统中设置有相应的检测设备，能够检测得到新能源发电装置的电压和电流的信息，进而能够获得其功率。

实际应用中，该新能源发电装置可以为光伏发电装置及风力发电装置中的至少一个。以光伏发电装置为例进行说明：假设某一天的天气情况能够在长时间内光照充足，则其输出功率特性曲线可以参见图2a，该新能源发电装置的功率pm在光伏稳定输出期间是大于电解槽的额定功率pe的。假设某一天的天气情况是光照不足，则其输出功率特性曲线可以参见图2b，该新能源发电装置的功率pm一直是小于电解槽的额定功率pe的。

s102、判断新能源发电装置的功率是否大于等于电解槽的额定功率。

若判断结果为是，比如新能源发电装置的输出功率特性曲线为图2a所示情况，则执行步骤s103。

s103、控制电解槽满功率运行。

控制电解槽满功率运行，即以其额定功率pe运行；此时，新能源发电装置的功率将存在剩余，即新能源发电装置存在剩余功率，该剩余功率的值具体是：新能源发电装置的功率pm与电解槽的额定功率pe之差δp＝pm–pe。

s104、以新能源发电装置的剩余功率，为新能源制氢系统的其他用电设备提供运行电能。

实际应用中，该新能源制氢系统中，除电解槽以外，一般还存在一些其他用电设备，比如补水装置、加热装置及空压机等，这些其他用电设备一般取电于额外电源，比如通过各自的dcdc变换器从市电取电。其中，补水装置用于为新能源制氢系统的储水设备补水；加热装置用于在氢气纯化运行时，通过加热，对干燥塔进行干燥再生处理；空压机用于向新能源制氢系统的压缩空气储存设备中补充压缩空气。

本实施例通过降低电解槽的额定功率，使电解槽大部分时间均工作于额定功率，而且使新能源发电装置还存在剩余功率，进而代替上述额外电源，为这些其他用电设备提供运行电能；也即，本实施例以新能源发电装置提供的绿色能源，最大化供该新能源制氢系统运行，进而节约系统的运行成本。

因此，本实施例提供的该控制方法，不仅合理降低了电解槽的额定功率，相比现有技术，降低了系统的初始投资成本；而且，还实现了电解槽工作效率的最大化，同时实现了对于新能源发电装置功率的合理分配，避免了系统中其他用电设备的额外取电，降低了系统的运行成本，提高了系统的经济效益。

在上一实施例的基础之上，该新能源制氢系统中，若其他用电设备的数量大于1，则步骤s104中，可以使剩余功率的大小，同时为至少两个其他用电设备供电，也可以依次满足各个用电设备的用电需求；其中，后者的具体过程可以参见图3中所示的：

s400、以剩余功率，按照各其他用电设备的优先级，依次为各其他用电设备提供运行电能。

接收剩余功率供电的其他用电设备中，由于其各自的功用不同，为其设置的优先级也有所不同，以下提供两种具体示例：

(1)假设以剩余功率供电的各其他用电设备分别为：补水装置和加热装置，则此时，该控制方法如图4所示，其中，步骤s400具体包括：

s401、判断剩余功率是否大于等于补水装置的额定功率。

假设补水装置的额定功率为pw，若δp≥pw，也即若判断结果为是，则执行步骤s402。

s402、启动补水装置并为其供电，使其为新能源制氢系统的储水设备补水，直至补水设备中的液位达到液位上限。

参见图8a所示的新能源制氢系统，当δp≥pw时，启动补水装置4工作，为制氢储水设备5补水，当液位计5-1检测到液位达到储水设备5的液位上限时，停止补水。

s403、判断剩余功率是否大于等于补水装置的额定功率与加热装置的额定功率之和。

假设加热装置的额定功率为ph，若δp≥pw+ph，也即若判断结果为是，则执行步骤s404。

s404、启动加热装置并为其供电，使其为新能源制氢系统产生的气体进行纯化再生，直至纯化再生完成。

参见图8a所示的新能源制氢系统，当δp≥pw+ph时，如系统纯化运行，则启动加热装置6进行纯化再生。

(2)假设以剩余功率供电的各其他用电设备分别为：补水装置和空压机；则此时，该控制方法如图5所示，其中，步骤s400具体包括：

s411、判断剩余功率是否大于等于补水装置的额定功率。

假设补水装置的额定功率为pw，若δp≥pw，也即若判断结果为是，则执行步骤s412。

s412、启动补水装置并为其供电，使其为新能源制氢系统的储水设备补水，直至补水设备中的液位达到液位上限。

参见图8b所示的新能源制氢系统，当δp≥pw时，启动补水装置4工作，为制氢储水设备5补水，当液位计5-1检测到液位达到储水设备5的液位上限时，停止补水。

s413、判断剩余功率是否大于等于补水装置的额定功率与空压机的额定功率之和。

假设空压机的额定功率为pk，若δp≥pw+pk，也即若判断结果为是，则执行步骤s414。

s414、启动空压机并为其供电，使其向新能源制氢系统的压缩空气储存设备中补充压缩空气，直至达到气压上限。

参见图8b所示的新能源制氢系统，当δp≥pw+pk时，启动空压机5，向压缩空气储存设备8中补充压缩空气；当气压计8-1检测结果说明压缩空气储存设备8中的气压达到气压上限时，停止补充压缩控制。

需要说明的是，实际应用中，该新能源系统中的其他用电设备，并不仅限于上述几种设备；对于不同功用的其他用电设备，其在剩余功率的分配过程中所占的优先级也不同；上述两种情况仅为示例，并不仅限于此。

在上述实施例的基础之上，该新能源制氢系统的控制方法，在步骤s102、判断新能源发电装置的功率是否大于等于电解槽的额定功率之后，还包括图6(以在图1的基础上为例进行展示)中所示的：

若判断结果为否，也即新能源发电装置的输出功率特性曲线为图2b所示情况，则先执行步骤s105，之后，再执行步骤s104。

s105、控制电解槽以预设系数降功率运行。

在光光伏稳定输出期间，由于pm＜pe，图8a或图8b中所示电解槽3不能以pe满功率运行，此时，以一定的预设系数降低电解槽功率，记该预设系数为k，得到电解槽的运行功率pe1＝k×pe，以维持制氢系统继续运行。此时，步骤s104中的剩余功率将改变为δp1(δp1＝pm–pe1)，但其具体执行过程可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。

实际应用中，在步骤s102之后，若判断结果为否，也即新能源发电装置的输出功率特性曲线为图2b所示情况，则也不排除一种可选的控制方式是：控制电解槽以新能源发电装置的功率运行，而其他用电设备仍旧取电于其额外电源。该情况下，虽然不能节约系统运行成本，但依旧可以降低系统的初始投资成本。

本发明另一实施例还提供了一种新能源制氢系统，如图7所示，包括：新能源发电装置1、电源分配装置2、电解槽3、控制器7及至少一个其他用电设备10；其中：

新能源发电装置1与电源分配装置2的输入端相连，为该新能源制氢系统提供直流电源。

电源分配装置2的输出端分别与电解槽3及各其他用电设备10相连。

电解槽3，是系统的核心设备，直流电在电解槽3中将水电解，产生氢气和氧气；该电解槽3的额定功率小于新能源发电装置1的最大功率。

电源分配装置2、电解槽3及各其他用电设备10均受控于控制器7，以使控制器7实现如上述任一实施例所述的新能源制氢系统的控制方法，能够根据不同的新能源发电功率条件，采用不同的控制策略，在确保电解槽3运行效率的情况下，控制各其他用电设备10动作，利用新能源的多余电能为各其他用电设备10供电。该控制方法的具体过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。该控制方法下，制氢能量控制策略灵活，针对不同的新能源发电状况，可以灵活切换制氢系统的运行方式，使制氢系统始终工作在能将新能源发电全部利用的最佳状态。

实际应用中，各其他用电设备10可以分别为：补水装置4，和，加热装置6(如图8a中所示)或空压机8(如图8b中所示)；其中：

补水装置4用于为新能源制氢系统的储水设备5补水，储水设备5中设置有液位计5-1，液位计5-1输出液位检测结果至控制器7。

加热装置6用于在氢气纯化运行时，通过加热，对干燥塔进行干燥再生处理。

空压机8用于向新能源制氢系统的压缩空气储存设备9中补充压缩空气，压缩空气储存设备8中设置有气压计8-1，气压计8-1输出气压检测结果至控制器。

在新能源发电装置1的剩余功率分配过程中，该补水装置4的优先级最高；加热装置6和空压机8次之。若电解槽3的额定功率配置再进一步降低一部分，则还可以增设更高或更低优先级的其他用电设备，此次不做限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

该新能源制氢系统，针对新能源的发电特性，摈弃了现有技术中根据光伏发电最大功率匹配大功率电解槽的做法，合理降低电解槽3的额定功率；而且通过合理选择电解槽3大小，使其在大部分时间都可以在满负荷状态下运行，电解槽3的使用率和制氢效率大大提高。同时，通过控制器7的调配控制，实现新能源发电的均衡分配，用于实现该新能源制氢系统中电解槽3工作效率的最大化。通过这种做法，一方面，降低电解槽3投资成本，进而降低了制氢系统的投资成本，提高系统经济效益；另一方面，较小的制氢系统能耗也相对较小，同时，新能源发电也得以充分利用，一降一增之下，相比较更大功率的制氢系统，更好的节省了能源消耗。

实际应用中，该新能源制氢系统中的电源分配装置2，如图9所示，包括：至少两个受控于控制器7的功率变换模块2-1；而且，各功率变换模块2-1的输入端分别接收该新能源发电装置1中相应的功率；其中一个功率变换模块2-1的输出端连接电解槽；另外至少一个功率变换模块2-1的输出端连接各其他用电设备。

具体的，各其他用电设备10分别连接一个相应的功率变换模块2-1，如图10a所示；或者，各其他用电设备10共用同一功率变换模块2-1，且各其他用电设备10的供电端分别通过相应的可控开关k连接同一功率变换模块2-1；各可控开关k均受控于控制器7，如图10b所示。

可选的，该新能源发电装置1包括：光伏发电装置(如图8a和图8b中所示)及风力发电装置(未进行图示)中的至少一个。两者均具有功率波动性，所以该新能源发电装置1中可以是仅有其中一种，也可以是同时配置有两者，同时配备有两者时，该新能源发电装置1的功率为两者功率之和，电解槽3的额定功率小于两者功率最大值之和；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

实际应用中，新能源发电装置1包括光伏发电装置时，其功率变换模块2-1包括多个输出端并联连接的dcdc变换器，各dcdc变换器的输入端分别接收光伏发电装置中相应光伏子阵的电能。

新能源发电装置1包括风力发电装置时，其功率变换模块2-1包括多个输出端并联连接的acdc变换器，各acdc变换器的输入端分别接收风力发电装置1中相应风力发电机的电能。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，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。