专利名称：：用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统及其控制方法
技术领域：
：本发明属于可再生能源领域，更具体地涉及用于控制发电站的功率输出的制氢系统。本发明的主要目的是(提供)与一个或几个基于不易控制的(不宜管理的，non-manageable)可再生资源的发电站连接的制氢系统,如风力田(风电场)和光伏发电站，目的在于提供功率输出控制服务以避免能量损失以及使制氢系统的规模(size)最优化(optimise)。同样地，本发明的另一个目的是(提供)一种用于控制电力输送至电网的方法。
背景技术：
：风力发电系统目的在于将风动能转化成电能，并且在电网与风力系统连接的情况·下，将电能加载至其中，以备后续在其中的运输、分配与使用。在风力系统渗透水平较低的电网中，通常，所述电网的操作人员施加于发电机组(常规发电站)的其余部分的控制系统足以补偿通过风力田输送到电网中的电力的波动。这些波动显然是由风力资源固有的变化所产生的。然而，随着电网中风力系统渗透水平的增长，电网的操作人员需要将所述系统加入到电网的控制操作中，正如常规的发电站的情况一样。对依赖于不易控制控制的资源的任何可再生能源发电系统来说，如对光伏系统和太阳能资源情况，前面所提的内容同样有效。尽管我们在本文中优先(prioritarily)谈及风力系统，必须应该理解的是，在任何时候，本发明的范围可以扩大至利用不易控制能源的可再生能源发电系统。目前的电网中，发电有功功率和消耗有功功率之间平衡的维持是通过将系统频率维持在其标称值(在欧洲是50Hz，在美国是60Hz)而实现的。当系统中发电功率超过消耗功率时，系统频率相对于其标称值上升，进而加速发电站中同步交流发电机的机械轴(的转动)。与此相反，当发电功率小于消耗功率时，由于同步交流发电机轴减速，其速度降低，该频率下降。为了补偿这些频率上的偏差，除了与有功功率相应的那些(措施)之外，可以根据不同的系统频率控制过程，如初级控制、次级控制和三级控制，为常规发电站配备功率输出控制器，该控制器可以对频率值的变化作出响应。初级控制允许恢复由电网发电的有功功率和电网消耗的有功功率之间的平衡。互联电网中所有发电机组的联合操作使得快速补偿该电网中任何位置上消耗功率和发电功率之间的相位差。在大多数电网中，立法要求(legislationobliges)常规发电站建立一种专门的初级控制能力。这种控制由以下构成为了相应地增加或减少发电站的功率输出参考值而并入一种控制机构，以及相反方向的，基于一种所提及的特性如控制误差(statism)对于电网频率的变化。这种特性在坐标平面中表现为一条向下倾斜的直线，其中水平轴是由相对于其标称值的频率变化决定的，如该标称值的百分比，而垂直轴是由功率输出的变化决定的，其中发电站必须在给定的时间根据该输出功率的变化，对相应的频率变化作出响应，所述功率输出的变化也可以用发电站的标称功率输出的百分比表示。以此方式，当操作人员除了在给定的时间点确定了必须作出响应的、相对于标称功率输出值而言最大输出功率变化值之外，还确定了必须作出响应的最大频率变化值时，控制误差(statism)就确定了。初级控制必须发生在很短的响应时间内，为几秒的数量级。次级控制允许将电网频率恢复至其标称值。利用所述控制，通常该控制是可选择的和报偿的(有偿的，remunerated),在拥有发电站的电力公司预先商定的控制范围(控制带,controlbands)内，系统操作人员将新的发电值分配给发电站。以此方式,发电站修改其功率参考值直到系统频率恢复到其在稳定条件(稳定状态，stationaryregime)下的标称值。与初级控制不同，次级控制发生的响应时间为几分钟的数量级。最后，三级控制，也称作报偿的(有偿的，remunerated)(控制)，为了着手解决(addressing)预测的功率消耗和期望的电力产生之间可能的偏差，提供给电网操作人员或多或少的发电能力。在实践中，三级控制是指在程控(可编程，progra_ed)发电站中功率输出参考值的变化，以此方式，他们的操作时间范围(operatinghorizon)达到接近一小时至几小时。目前，风力发电的持续增长以及依靠具有不易控制资源的其它可再生资源发电的持续增长，对电网运行提出了重大挑战，基于易处理的(易管理的，manageable)常规能源系统的操作方案(actionprotocols)已发展多年。然而,假设电力消耗存在不可避免的可变性，目前统计学方法能够高度准确地预测每日所需及每小时所需。以此方式，通过不同的控制和操作服务，各操作(运行)方案已允许有效地管理由常规发电站(产生的)需求变化范围。目前，基于不易控制资源(主要是风力田(风电场))的可再生发电站的大规模合并入电力需求范围(powerdemandcoverage),给电网的操作(运行)带来了额外的不确定性，如所述资源的不可预知的变化性。以实例说明，根据西班牙电网运营商负责的公司，西班牙红色电网公司(RedElectricadeEspalia)提供的信息，我们必须指出以下事实2009年12月30日凌晨的西班牙，风力田发电量占总发电量的54.1%，即，不易控制的可再生资源覆盖了超过一半的电力需求。这一覆盖度代表了风能渗透(penetration)的里程碑，并且由于其中泵站的加入以及将热电站的生产量减至技术上的最低值，成功地得到了电网运行的支持。尽管如此，当时的低需求量迫使操作人员发布了减少600MW的风力发电几个小时的命令。在之前数月发生的类似情况下，已奉令进行了更大规模的缩减，特别是在液压泵容量不足的情况下。前述的实例说明目前的操作(运行)方案，甚至与新的电网操作(运行)相关技术(建立可再生能源控制中心，建立与发电控制中心的连接与通讯，配置用于连接与通讯所需的技术要求，等)一样，在可再生能源整合方面已达到它们的极限，随着将更多的可再生能源发电站合并入电网中，为了确保电网的稳定性，这就需要功率输出控制服务，甚至是对于基于不易控制的可再生能源的发电站，包括风力田(风电场)。关于初级控制服务以及用风力田(风电场)作为可再生能源发电站的典型例子，已经提出了仅利用风力田的风力涡轮机(风轮机)来提供此服务的不同技术。风电场的风力涡轮机为了提供初级控制服务，必须以最大功率值运行，该最大功率值等于在给定的时间能够从风力获得的最大功率以及依法(bylegislation)为初级控制制定的功率输出的最大变化值(在西班牙是标称输出功率的I.5%)的差值。这保证了，如果电网功率下降至依法(bythelegislation)和/或依照操作人员的操作方案确定的最小值,风力润轮机会具有必要的功率输出能力以将其升高至上述的功率输出的最大变化值。随之而来的技术问题是这种处理意味着风能的持续损失(称之为“放电”)，因为风力涡轮机几乎总是在低于最大可引出(extractable)功率、在固定不变的条件下(permanentregime)运行，以确保功率输出变化范围满足初级控制。已有专利文件披露了利用风能供能的制氢系统，如在这些专利案件中W02006097494、EP1596052、US20070216165、US20060125241和DE10055973。关于制氢，基本上有两种类型的电解水技术碱性技术和聚合物膜(PEM)技术。前者是工艺先进的并且可以达到非常高的功率输出值。通过施加电能来电解分解水分子以生产氢和氧。对此系统的热力学分析结果表明，最小能量供应的存在，可以使此电化学反应在一定时间段内以持续的方式进行。相应地，在电解单元中氢和氧的产生必须分离地进行，并且在内部形成通道(channelled),以免形成两种气体的潜在的爆炸混合物。在低生产值情况下，气体产生速度变慢，因而增加了形成爆炸混合物的风险。另一方面，在众多的因素中，所产生的气体的纯度取决于电解系统的工作点(operatingpoint),如果所述工作点低,贝U纯度变差。相应地，目前的电解槽可以由一个或几个电解单元形成。如果包括几个单元，则其操作通常是联合实施的。由于上述原因，目前的电解槽，不论是由一个或几个电解单元形成，都具有一个下限，低于此下限厂商即不允许其运行。这一限度既确保电解系统的安全操作也保持所产生气体的纯度。尽管该限度因厂商而变化，但目前碱性电解工艺的典型范围可以确定该限度在电解系统标称输出功率的15%至40%。其中电解系统不能在其内运行的范围对于该系统表现为“死带(bandamuerta,deadband)”(BM或DB)。为了使风力田(风电场)的初级控制服务通过风电涡轮机和电解系统共同运行，后者的大小要由电网操作人员施加影响(制定，imposed)的初级服务范围以及其可接受的操作范围两者决定，即高于电解系统的操作下限或死带(bandamuerta,或deadband)的功率输出范围。这需要相当大的制氢系统的选择参数的裕度(oversizing)，以实现初级控制服务的目的，并且避免风能损失，所述选择参数的裕度伴随着高经济成本。这对于输入到电网中的功率的变化施加影响的任何其他类型的控制服务都是同等有效的。
发明内容本发明通过提供与一个或几个基于不易控制可再生资源的发电站(如风力田)连接的制氢系统来解决上述缺陷，利用此系统可以控制通过其输送至电网的功率，以将电网频率维持在其标称值，优选的是初级控制服务，以避免所述发电站的能量损失并优化其性倉泛。所述制氢系统突出的是基本由独立运行的、嵌套结构的电解单元组成，该制氢系统的主要特性是其死带“BM(DB)”值显著低于目前的制氢系统的死带“BM(BD)”值。这种嵌套结构允许该制氢系统的操作(运行)范围最优化,并且避免为了满足每个国家依法制定的功率输出的需求而使所述系统规模过大。为了这个目的，配置到该系统的电解单元具有根据特定的算法计算得出的运行功率值，通过调节制氢系统以适应于控制服务需求，使得该制氢系统的总体规模最小化，并且与现有的可替代系统相比，系统规模实现了显著的缩减。在所提及的制氢系统中，构成它的每一个电解单元都是可以独立控制的。通过对每个单元的控制和独立调节，该制氢系统可以以此方式运行，而对于制(氢)系统所产生的死带与尺寸较小的电解单元的死带是相同的，实际上，根据上述算法所产生的死带是可以忽略的并且持续贯穿该系统的运行范围，即从系统的标称功率输出至其下限，接近零，与上述死带相对应。风力田和制氢系统都合并了电力电子器件(电力电子设备,powerelectronics)以及控制和监视系统。对于风力田而言，电力电子器件主要用于风力涡轮机，而控制和监视是在这些系统和风力田自身之间，以一种协同方式实现的。对于电解单元而言，也为其装配了电力电子器件和控制系统。所述控制和监视系统可以有多种实施方式，优选的是具有微控制器和用户界面的可编程自动机型工业系统，该系统可以手动开启或遥控开启。此外，总体监视系统实现了风力涡轮机和电解单元的工作点的常量运算。其次，本发明的说明书集中在初级控制服务上，然而，除了有助于将与发电站连接的连接点的无功功率输出控制在没有被有功功率输出控制使用的表观功率输出范围内以夕卜，对于提供的其它控制服务，如次级和三级(控制服务)，本发明是同样有效的。制氢系统，独立地或者与风力田或聚集的风力田协同地，使其产出应用于控制输送到可再生发电系统并网点的电力，以此方式能够使风力田满足初级控制对其的要求、以及其他要求。下面我们讨论嵌套结构的概念以阐明这一术语。假设制氢系统最初是由单一电解单元组成的，该电解单元称为E1(最初的电解单元)。下面，将E1分为两个不同尺寸的单元，较大的单元称为E2I(下标1，表示“大”)，较小的单元称为E2s(下标S，表示“小”)。如果所选择的较小单元具有与较大单元的死带相同的功率输出，则结果是得到一个没有中断的、贯穿整个运行范围的、并且具有比E1情况下更低的死带(BM)的制氢系统。因此，它是一种取决于所使用工艺的死带值的最理想的电力分配。从这一点来说，具有较低功率输出的电解单元(一般为Ens)，可以依次被分为具有相同电力分布的两个单元，并且确保Ens(的死带)总是等于或大于Enl的死带，或者换一种说法，Ens总是等于或大于与死带(作为通过Enl的标称功率输出选择的工艺的百分比)的乘积(product)ο最终的系统是由η个电解单元构成的，即，连续分割的较大尺寸的单元(从E2I到Enl)和最后分割的最小单兀(Ens)。基于所选工艺的死带(BM，这里用小数表示)的连续分割而得的电解单元需满足的功率输出方程是17P麵#|2/—I+BM"**BMf1E為+.一￡*|、BM·Ev<E2lt￡■,-_■——g￡-—)-￡I+SMM(I+BMf4整个过程的结果是，通过电解单元尺寸的最小化降低系统的死带(BMn)。利用这一电力分配策略，系统的死带(BMn)的大小，基于分割数η和由所选的电解工艺确定的限度，以下面的方法计算权利要求1.一种用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它包括至少两个具有递减的功率输出值的电解单元(5)，以这样的方式，对于所述系统的任何单元，较小的电解单元(5)的功率输出值的总和总是高于或等于所述单元的死带，允许将所述制氢系统(4)的死带减少至可忽略的水平，从而避免与可再生发电站相连的所述电网(3)中的损失、放电或产能。2.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，所述基于可再生能源的发电站由一个或多个风力田(2)组成，其中所述风力田(2)相互协同，且相应地由一组风力涡轮机(I)形成。3.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，所述基于可再生能源的发电站由一个或几个光伏电站组成。4.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它还包括用于帮助所述制氢系统(4)控制功率输出的电池系统(6)。5.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它还包括燃料电池系统，在电网频率范围低于标称频率时，所述燃料电池系统负责发电并将其输送到所述电网中，同时所述制氢系统(4)负责在电网频率范围高于标称频率时消耗电能。6.根据权利要求5所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它还包括储氢系统，以此方式，由所述制氢系统(4)产生的氢后续被所述燃料电池系统消耗。7.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它还包括由带有耦接至其上的发电机的氢内燃机或由两个系统的组合形成的系统。8.根据权利要求4所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它还包括储能系统，所述储能系统基于调速轮、或电容器组或者它们与所述电池系统(6)的组合。9.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，所述制氢系统(4)和所述发电站都并入电力电子器件，其调节在所述电网连接点处所产生的无功功率或消耗的无功功率。10.根据权利要求I所述的用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统(4)，其特征在于，它由至少两个独立运行的电解单元(5)组成。11.一种利用如权利要求I至10中任意一项所述的制氢系统(4)用于控制电力输送到电网(3)以控制电网(3)频率在其标称值的方法，其特征在于，所述电网(3)频率的控制仅通过所述制氢系统(4)进行。12.根据权利要求11所述的功率输出控制方法，其特征在于，当不需要初级控制服务时，风力田(2)的风力涡轮机(I)在给定时间持续以可用的最大功率运行，而所述电解单元(5)以其运行范围的50%运行。13.根据权利要求11所述的功率输出控制方法，其特征在于，当需要输送初级控制时，即必须输送电力至所述电网(3)中，这种情况发生在所述频率降至其参考值以下时，所述制氢系统(4)减少其功率输出。14.根据权利要求11所述的功率输出控制方法，其特征在于，当需要收回初级控制时，即在必须减少输送电力至所述电网(3)中时，这种情况发生在频率升至其参考值以上时，所述制氢系统(4)增加其功率输出。15.一种利用如权利要求2或9所述的制氢系统(4)用于控制电力输送到电网(3)以控制电网(3)频率在其标称值的方法，其特征在于，所述电网(3)频率由所述风力田(2)和制氢系统(4)共同控制。16.根据权利要求15所述的功率输出控制方法，其特征在于，当不需要初级控制服务时，所述风力田(2)的风力涡轮机(I)在给定时间持续以可用的最大功率运行，而所述电解单元(5)以其运行范围的100%运行。17.根据权利要求15所述的功率输出控制方法，其特征在于，当需要输送初级控制时，所述制氢系统(4)修改其工作点，以减少消耗功率至其标称值以下，从而释放来自所述风力田(2)的电力，将其输送到所述电网(3)中，而所述风力田(2)持续以最大功率运行。18.根据权利要求15所述的功率输出控制方法，其特征在于，当需要收回初级控制时，所述风力田(2)减少其功率输出，而所述制氢系统(4)持续以其标称功率运行。19.根据权利要求11或15所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述电池系统(6)在接近所述系统标称频率的频率沮围内运彳丁，而所述制氣系统(4),以较慢的运动，以所述电池系统(6)运行范围以外的频率值运行，用于由初级控制调节所建立的总频率控制带。20.根据权利要求11或15所述的功率输出控制方法，其特征在于，所述制氢系统(4)在接近所述系统标称频率的频率沮围内运彳丁，而所述电池系统(6)以所述制氣系统(4)运行范围以外的频率值运行，用于由初级控制调节所建立的总频率控制带。21.根据权利要求11或15所述的功率输出控制方法，其特征在于，也可以提供次级控制服务和/或三级控制服务。22.一种用于控制基于可再生能源的发电站与电网(3)互相交换的有功功率的方法，其特征在于，通过将电力电子器件用于权利要求I至10中任意一项所述的发电站以及制氢系统(4)来控制无功功率。全文摘要本发明涉及主要由嵌套结构的电解单元(5)组成的系统，所述电解单元独立运行，其输出功率值递减，以此方式，对于系统的任何一个单元，较小电解单元(5)的功率的总和总是高于或等于所述单元的“死带(bandamuerta，或deadband)”(BM或DB)，允许将所述制氢系统(4)的死带减少至可忽略的水平，从而避免所述可再生发电站的能量损失或放电，优选的是一个或多个由一组风力涡轮机(1)形成的连接到电网(3)的风力田(2)，作为在其中执行初级控制服务的实施，或者，一般地，对其进行任何其他有功功率控制服务，从而使所获得的总能量最优化。文档编号C25B15/02GK102959131SQ201080066416公开日2013年3月6日申请日期2010年4月28日优先权日2010年4月28日发明者哈维尔·佩雷斯巴瓦查诺,欧亨尼奥·格尔文苏米切莱纳,巴勃罗·桑奇斯古尔皮德,阿尔弗雷多·乌苏亚鲁比奥,路易斯·马罗约帕洛莫,伊斯雷尔·桑切斯马亚约申请人:英格蒂姆能源科技公司,安讯能能源公司