一种耦合制氢系统及其控制方法与流程

本发明属于新能源技术领域，涉及一种制氢技术，尤其是一种耦合制氢技术。

背景技术：

氢气作为一种能源载体，极易燃烧，具备高效、无污染等特点，在一定程度上可替代传统化石能源，用于氢燃料电池汽车、备用基站电源、热电联供系统等新能领域。同时，氢作为一种化工原料，又可以用于炼油、化工、合成氨等传统工业领域，具有极广阔的用途。

当前，主要的氢气来源主要来自于化石能源，包括水煤气制氢、天然气重整制氢、甲醇重整制氢等。此外，水电解制氢技术也很成熟，但由于其电价成本相对化石能源制氢成本高而未能大规模的应用；如果采用清洁能源如风、光发电来进行电解水制备氢气，则可以实现从氢气制备到使用全过程零碳排放，这种能源转换与利用方式可减少大气污染，改善空气质量，同时也解决了弃风弃光的问题。但是，由于风能和太阳能发电具有典型的波动性、随机性和间歇性，造成电能输出不稳定，从而对电解制氢设备的氢气纯度达不到要求，并且对制氢设备的安全和稳定使用造成极大的危害。

申请号为201010538149.7的中国专利描述了一种风电制氢调控并网系统，主要是针对并网风电的利用和制氢后燃料电池发电反馈给电网的控制。申请号为201210057067.X的中国专利描述了一种非并网风电制氢装置，主要采用配置大容量蓄电池，作为功率平衡系统，解决电能波动性和间歇性的问题。上述现有技术虽然采用并网或配置大容量蓄电池的方法，解决电源的间歇性难题；但是，并网需要在大型风场才具备条件，配置蓄电池受到储存电量的制约，只能维持一小段时间的功率稳定，如果要配置和制氢功率完全匹配的蓄电池，成本非常昂贵。

因此，通用性强，成本低，能够在不使用蓄电池的情况下，解决商业化电解水制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度难题，且安全性和稳定性高的制氢系统具有极强的研究意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制氢技术，以低成本的方式在不使用蓄电池的情况下，解决商业化制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度低的难题，且该过程安全性和稳定性高。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种耦合制氢系统，包括控制单元，以及与所述控制单元均连接且相互之间依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元，以由所述控制单元检测所述发电单元和所述制氢单元的所有工作参数并进行分析，控制所述能量管理单元和所述储气补气单元的动作；所述发电单元包括至少两种能量来源类型不同的发电装置；能量管理单元包括均与所述控制单元连接的开关切换部分和整流部分，通过所述开关切换部分连接所述发电单元和所述整流部分，以在控制单元的控制下通过所述开关切换部分的连接变换调整所述整流部分的工作配合关系，得到制氢所需的电能；所述制氢单元产生的氢气进入所述储气补气单元中储存，所述控制单元控制所述储气补气单元在必要的情况下向所述制氢单元反补氢气。

所述制氢单元为电解水制氢单元，包括电解水制氢装置和氢气纯化装置；所述制氢装置包括电解槽；所述必要的情况指的是所述纯化装置中的氢气含量低于设定值的情况。

所述发电单元包括风力发电装置，和/或光伏发电装置，和/或市电，和/或潮汐发电装置。

所述整流部分包括AC/DC整流模块、和/或DC/DC整流模块、和/或电压串并联模块，和/或整流变换电源模块。

所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置以及光伏发电装置；所述市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接电压串并联模块，第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接所述电压串并联模块，所述电压串并联模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块和第三AC/DC整流模块分别将第一风力发电装置和第二风力发电装置的输出电压转换为直流电压和过滤杂波，再由所述电压串并联模块进行串并联组合后，由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；所述光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第三整流变换模块，以由DC/DC整流模块对所述光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第三整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求。

优选地，市电和第一AC/DC整流模块之间设置第一开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间设置第二开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间设置第三开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间设置第四开关。

优选地，第一整流变换电源模块和第二整流变换电源模块在输入端之间通过第五开关串联连接，第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输入端之间通过第六开关串联连接。

优选地，第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输出端并联连接。

优选地，第一风力发电装置到第二AC/DC整流模块的线路为第一风力发电线路，第二风力发电装置到第三AC/DC模块的线路为第二发电线路；所述电压串并联模块包括从第一风力发电线路的正极通过第七开关连接到第二风力发电线路的正极的线路，从第一风力发电线路的负极通过第八开关连接到第二风力发电线路的负极的线路，以及从第一风力发电线路与第七开关之间的电路结点通过第九开关连接到第二风力发电线路与第二开关之间的电路结点的线路。

所述电压串并联模块的一输出端为第七开关与第二风力发电线路之间线路的电路结点，另一输出端为第八开关和第一风力发电线路之间线路的电路结点。

优选地，第七开关、第八开关、第九开关均为绝缘栅双极型晶体管。

优选地，第七开关、第八开关、第九开关均与所述控制单元连接，以在所述控制单元的控制下导通或关断，以控制第一风力发电线路和第二风力发电线路的串联或并联连接。

或者，所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置以及光伏发电装置；所述市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块将第一风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接第三整流变换电源模块，以由第三AC/DC整流模块将第二风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；所述光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第四整流变换电源模块，以由DC/DC整流模块对所述光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第四整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求。

优选地，市电和第一AC/DC整流模块之间设置开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间设置开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间设置开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间设置开关。

优选地，第一整流变换电源模块与第二整流变换电源模块之间、第二整流变换电源模块与第三整流变换电源模块之间，第三整流变换电源模块与第四整流变换电源模块之间均设置开关。

优选地，第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块、第三整流变换电源模块和第四整流变换电源模块在输出端并联连接。

当所述储气补气单元的储氢压力小于设定值时，在所述制氢单元和所述储气补气单元之间布置氢气增压装置，以使得所述制氢单元产生的氢气由所述氢气增压装置增压后再进入所述储气补气单元。

优选地，所述氢气增压装置为氢气隔膜压缩机，或氢气增压器。

所述储气补气单元包括储氢瓶，以及在从储氢瓶指向制氢单元的方向上依次布置的：第一压力传感器，以检测所述储氢瓶中的氢气压力，稳态调压阀，以调整反补氢气的压力，安全泄压阀，以在所述稳态调压阀故障时自动开启以泄放氢气，气体质量流量控制器，以控制反补氢气的流量，氢气自动阀门开关，以根据所述控制单元的指令，打开或关闭从所述储气补气单元到所述制氢单元之间的氢气补气，以及第二压力传感器，以检测所述反补氢气的氢气压力。

优选地，连接所述制氢单元和所述储气补气单元的氢气通道至少包括两条，一条为氢气流向为从所述制氢单元到所述储气补气单元的储气通道，另一条为氢气流向为从所述储气补气单元到所述制氢单元的补气通道。

进一步优选地，第一压力传感器、所述稳态调压阀、所述安全泄压阀、所述气体质量流量控制阀、所述氢气自动阀门开关和第二压力传感器均位于所述补气通道上。

发电单元包括市电、风力发电装置和光伏发电装置时，所述制氢系统包括三种运行模式：

第一种运行模式为切断市电，由风力发电装置和光伏发电装置供电；

第二种运行模式为市电独立供电，切断风力发电装置和光伏发电装置；

第三种运行模式为市电、风力发电装置和光伏发电装置同时供电。

第三种运行模式中，风力发电装置和光伏发电装置发电的优先级高于市电。

优选地，通过检测和计算得到制氢单元的需求功率，并与风力发电装置和光伏发电装置的发电功率进行比较；当风力发电装置和光伏发电装置的发电功率大于或等于所述需求功率时，仅由风力发电装置和光伏发电装置发电供制氢单元使用；否则，风力发电装置和光伏发电装置的发电功率全部用于制氢单元，不足部分再由市电补充。

进一步优选地，制氢单元包括电解制氢装置，电解制氢装置包括电解槽，通过采集电解槽的工作温度和工作电压计算制氢单元的需求功率，采用以下公式进行计算：

P＝U²/R(T)

其中：P为电解槽的需求功率，U为电解槽的工作电压，R为电解槽的电阻，T为电解槽的工作温度，R(T)表示R关于T的函数。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：本发明通用性强，成本低，能够在不使用蓄电池的情况下，解决商业化制氢设备，尤其是电解水制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度难题；同时，本发明安全性强，稳定性高。

附图说明

图1为本发明一实施例中耦合制氢系统的系统结构框图；

图2为该耦合制氢系统的结构示意图；

图3为该实施例中电压串并联模块和两个风力发电线路的结构示意图。

附图中：1、第一AC/DC整流模块；2、第二AC/DC整流模块；3、第三AC/DC整流模块；4、DC/DC整流模块；5、电压串并联模块；6、氢气自动阀门开关；7、第一风力发电线路；8、第二风力发电线路。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提出了一种耦合制氢系统，这里的耦合指的是两种或多种能源的耦合；图1所示为其系统结构框图，图2为本实施例中该耦合制氢系统较为细致的结构示意图。该耦合制氢系统包括依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元以及与前述这些单元均连接的控制单元，以由控制单元检测发电单元和制氢单元的所有工作参数并进行分析，据此控制能量管理单元和储气补气单元的动作。

发电单元包括至少两种能量来源类型不同的发电装置，例如其能够包括风力发电装置，和/或光伏发电装置，和/或市电，和/或潮汐发电装置等等。本实施例中，如图2所示，该发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置和光伏发电装置。

能量管理单元包括均与控制单元连接的开关切换部分和整流部分，通过开关切换部分连接发电单元和整流部分，以在控制单元的控制下通过开关切换部分的连接变换调整整流部分的工作配合关系，得到制氢所需的电能。该整流部分根据与发电单元的匹配，能够包括AC/DC整流模块、和/或DC/DC整流模块、和/或电压串并联模块，和/或整流变换电源模块。

如图2所示，本实施例中，该整流部分包括第一AC/DC整流模块1、第二AC/DC整流模块2、第三AC/DC整流模块3、DC/DC整流模块4、电压串并联模块5、第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块；开关切换部分包括第一开关KM1、第二开关KM2、第三开关KM3、第四开关KM4、第五开关KM5和第六开关KM6。

其中，市电通过第一AC/DC整流模块1连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块1将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽(如后文所述制氢单元包括电解槽)的用电要求。第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块2连接电压串并联模块5，第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块3连接电压串并联模块5，电压串并联模块5连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块2和第三AC/DC整流模块3分别将第一风力发电装置和第二风力发电装置的输出电压转换为直流电压和过滤杂波，再由电压串并联模块5进行串并联组合后，由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述制氢单元中电解槽的用电要求。光伏发电装置通过DC/DC整流模块4连接第三整流变换电源模块，以由DC/DC整流模块4对光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第三整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽的用电要求。

第一开关KM1设置在市电和第一AC/DC整流模块1之间，第二开关KM2设置在第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块2之间，第三开关KM3设置在第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块3之间，第四开关KM4设置在光伏发电装置和DC/DC整流模块4之间；第五开关KM5串联连接在第一整流变换电源模块的输入端和第二整流变换电源模块的输入端之间，第六开关KM6串联连接在第二整流变换电源模块的输入端和第三整流变换电源模块的输入端之间。第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输出端并联连接。

上述电压串并联模块5是针对多台风力发电装置而设置，当单台风力发电装置产生的电压达到有效输出值时，电压串并联模块5将各台风力发电装置进行并联输出电压；当单台风力发电装置产生的电压低于有效输出值时，电压串并联模块5将多台风力发电装置进行串联，提升电压，直至达到有效输出值。

本实施例中，令第一风力发电装置到第二AC/DC整流模块的线路为第一风力发电线路7，第二风力发电装置到第三AC/DC模块的线路为第二发电线路8。电压串并联模块包括从第一风力发电线路7的正极通过第七开关S1连接到第二风力发电线路8的正极的线路，从第一风力发电线路7的负极通过第八开关S2连接到第二风力发电线路8的负极的线路，以及从第一风力发电线路7与第七开关S2之间的电路结点通过第九开关S3连接到第二风力发电线路8与第八开关S2之间的电路结点的线路。该电压串并联模块5的一输出端为第七开关S1与第二风力发电线路8之间线路的电路结点，另一输出端为第八开关S2和第一风力发电线路7之间线路的电路结点；该电压串并联模块5通过两输出端串联连接在第二整流变换电源模块上。图3所示为该电压串并联模块和两个风力发电线路连接后的结构示意图。

在图3中所示的电压串并联模块5中，第七开关S1、第八开关S2、第九开关S3均为即绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其导通与关断由控制单元进行控制。当控制单元控制第七开关S1和第八开关S2导通，第九开关S3关断时，第一风力发电线路和第二风力发电线路并联；当控制单元控制第九开关S3导通，第七开关S1和第八开关S2关断时，第一风力发电线路和第二风力发电线路串联。

本发明中，也可不设置上述实施例中的电压串并联模块，而将各风力发电装置到制氢单元之间的线路布置均类似于上述实施例中市电到制氢单元之间的线路布置而设置。具体地，发电单元与上述实施例相同，而此时能量管理单元的具体布置为：

市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块将第一风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽的用电要求；第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接第三整流变换电源模块，以由第三AC/DC整流模块将第二风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽的用电要求；光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第四整流变换电源模块，以由DC/DC整流模块对光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第四整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配制氢单元中电解槽的用电要求。其中，市电和第一AC/DC整流模块之间串联设置开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间串联设置开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间串联设置开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间串联设置开关；第一整流变换电源模块与第二整流变换电源模块之间，第二整流变换电源模块与第三整流变换电源模块之间，第三整流变换电源模块和第四整流变换电源模块之间均设置开关，并且第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块、第三整流变换电源模块和第四整流变换电源模块在输出端并联连接。

制氢单元为电解制氢单元，本实施例中其为电解水制氢单元，包括电解水制氢装置和氢气纯化装置，电解水制氢装置包括电解槽。其中，电解水制氢装置包括但不限于常规碱性电解水装置或固态聚合物电解制氢装置。当储气补气单元的储氢压力小于设定值时，在制氢单元和储气补气单元之间布置氢气增压装置，以使得制氢单元产生的氢气经由该氢气增压装置增压后再进入储气补气单元。上述氢气增压装置可以是氢气隔膜压缩机或者氢气增压器。

储气补气单元的作用一方面在于储存制氢单元产生的氢气，另一方面在于在必要的情况下向制氢单元的纯化装置反补氢气，该必要的情况指的是纯化装置中的氢气含量低于设定值的情况，即当制氢单元在低功率运行的情况下产生的氢气量不能满足纯化装置的再生要求的情况。制氢单元与储气补气单元通过氢气管道连接，储气补气单元包括储氢瓶组，以及在从储氢瓶组指向制氢单元的方向上依次设置的第一压力传感器、稳压调压阀、安全泄压阀、气体质量流量控制器、氢气自动阀门开关6和第二压力传感器。其中，储氢瓶组包括至少一个储氢瓶，储存压力为3～20MPa，每个储氢瓶的出口安装有球阀，以允许手动关闭氢气；第一压力传感器的作用为检测储氢瓶组内的氢气压力；稳压调压阀的作用在于调节反补的氢气压力，使得从储氢瓶组出来的反补的氢气的压力调节到与制氢单元中纯化装置所需要的氢气压力，即1.0～3MPa；安全泄压阀的作用在于当稳压调压阀发生故障时，该安全泄压阀自动开启，将氢气泄放到排空管道中，避免下游设备受到损害；气体质量流量控制器的作用是控制反补的再生氢气的流量，以满足制氢单元对再生氢气的流量要求；氢气自动阀门开关6连接控制单元，以根据控制单元的控制指令打开，使得储气瓶组内的再生氢气反补到制氢单元的纯化装置中，或者根据控制单元的控制指令关闭，以停止反补再生氢气；第二压力传感器的作用在于检测反补的再生氢气的压力。第一压力传感器、第二压力传感器、气体质量流量控制器和氢气自动阀门开关6均连接控制系统，向控制系统反馈信号。上述氢气自动阀门开关6为气动阀或电磁阀；储氢瓶为钢质储氢瓶或碳纤维缠绕储氢瓶。

连接制氢单元和储气补气单元的氢气通道至少包括两条，一条为氢气流向为从制氢单元到储气补气单元的储气通道，另一条为氢气流向为从储气补气单元到制氢单元的补气通道。上述第一压力传感器、稳态调压阀、安全泄压阀、气体质量流量控制阀、氢气自动阀门开关和第二压力传感器均位于补气通道上。

控制系统采用PLC控制模块，通过采集发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元的所有信号并处理分析，来实现对风力和光伏耦合电解制氢的控制。

本实施例中，第一风力发电装置和第二风力发电装置均为发电功率为100KW的风力发电机；光伏发电装置的发电功率为100KW；电解水制氢单元的产能为50Nm³/h，额定功率为250KW；储气补气系统的储氢容积为600Nm³。

根据电解水制氢单元的特性，能量管理系统的整流变化电源模块采用IGBT高频开关电源，主要技术参数为：工作频率：50kHz，输入电压：380V/AC，输出电压：150V/DC。IGBT高频开关电源采用PWM调节输出电压模块，每个IGBT高频开关电源的功率为100kW，总的功率达到300kW。通过控制系统，控制第五开关和第六开关的闭合和断开，可以实现100kW，200kW，300kW的功率输出。控制系统为西门子300的PLC控制系统。

本发明还提出了一种上述耦合制氢系统的控制方法，由此对上述耦合制氢系统的工作规定三种运行模式。第一种运行模式为切断市电，由风力发电装置和光伏发电装置供电；在图2中，通过断开第一开关，闭合第二开关、第三开关和第四开关实现第一种运行模式。第二种运行模式为市电独立供电，切断风力发电装置和光伏发电装置；在图2中，通过闭合第一开关，断开第二开关、第三开关和第四开关实现第二种运行模式。第三种运行模式为市电、风力发电装置和光伏发电装置同时供电；在图2中，通过闭合第一开关、第二开关、第三开关和第四开关实现第三种运行模式。

在第三种运行模式中，风力发电和光伏发电的优先级高于市电供电。对于电解水制氢单元来说，电解槽的负荷特性满足下式：

P＝U²/R(T)

其中，P为电解制氢单元所需的功率，U为电解槽的工作电压，R为电解槽的电阻，T为电解槽的工作温度，R(T)表示R关于T的函数。

因此，通过检测电解槽的工作电压和工作温度，得到电解制氢单元所需的功率，即其需求功率。当风力发电装置和光伏发电装置的发电功率大于或等于电解制氢单元的需求功率时，仅由风力发电装置和光伏发电装置发电；否则，风力发电装置和光伏发电装置的发电功率全部用于电解制氢单元，不足部分再由市电补充。该过程通过调节市电的第一AC/DC整流模块、两个风力发电装置的第二AC/DC整流模块和第三AC/DC整流模块以及光伏发电装置的DC/DC整流模块的输出电压，使得其总输出功率满足制氢单元的需求功率，并优先考虑风力发电和光伏发电实现。

此外，在能量管理单元的整流变换电源模块之间，能够通过整流变换电源模块之间的电气开关，组合成不同功率大小的整流电源。例如，在图2所示的能量管理单元中，当闭合第五开关、断开第六开关时，第一整流变换电源模块和第二整流变换电源模块组合使用；当第五开关和第六开关均闭合时，则第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块组合使用。

本发明通用性强，成本低，能够在不使用蓄电池的情况下，解决商业化制氢设备，尤其是电解水制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度难题；同时，本发明安全性强，稳定性高。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。