一种虚拟同步PEM电解水制氢模块控制方法及装置与流程

本发明涉及气电融合、可调负荷主动支撑领域，特别涉及一种虚拟同步pem电解水制氢模块控制方法及装置。

背景技术：

1、近年来，随着科技的不断进步，我国新型电力系统的建设工作也在飞速向前。21世纪以来，新能源并网逆变器、可控负荷整流器为代表的电力电子装置以迅猛之势接入电网。常规变流器响应速度快，但几乎没有转动惯量、难以参与电网调节，无法为分布式电源、可再生能源发电占比不断攀升的新型电力系统提供必要的电压和频率支撑。小惯性、快速、高频电力电子系统接入大惯性、低速、工频电力系统，产生了不参与电网调节、不支撑电网故障恢复、管控困难、拔插频繁、动稳态过程鲁棒性不强等诸多适应性难题。因此，在新能源和可控负荷大量接入的背景下，挖掘可调负荷的主动支撑潜力势在必行。

2、同时，能源危机和环境污染日益严峻，发展可再生能源，走可持续发展道路成为各国学者的研究焦点。推动能源结构改革，实现能源的低碳化、清洁化也是我国可持续发展的必经之路。但由于太阳能、风能等可再生能源的间断性、间歇性和不易储存及运输等问题，需要一种高效清洁的能源载体作为可再生能源与用户之间的桥梁。氢能以其清洁、高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体。在目前的各种制氢技术中，利用可再生能源所产生的电能作为动力来电解水是最为成熟和最有潜力的技术，被视为通向氢经济的最佳途径。电解水是由电能提供动力，将水分解为氢和氧的过程。总反应式为：2h2o+电能

3、→2h2+o2。

4、质子交换膜电解池(proton exchange membrane,pem)作为多种水电解之情技术中最受关注的技术，相比碱性电解池和固体氧化物电解池具有电流密度高、可再生、无污染、启动速度快等优点。pem电解池在功率调节范围、功率变化适应性等方面的优势决定了其在未来新型电力系统中具有广泛的应用前景。特别是作为一项新兴的储能技术，在风/光发电领域可实现大规模长周期储能，与风/光发电系统耦合利用时亦可充当主动支撑电网的绿氢制取装置。

5、因此，pem电解水制氢装置将是未来电力系统中不可忽视的负荷类资源，并具有良好的可调性。开发一款电网友好的虚拟同步pem电解水制氢产品，促进可再生能源发电全额消纳，同时全方位主动支撑电网，是构建新型电力系统背景下的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于虚拟同步控制技术的pem电解水制氢方法，使现有pem电解水制氢模块具备有功-频率和无功-电压输出在各个时间尺度上的自治运行和主动管理功能；并且使现有pem制氢装置具有同步机组的惯性、阻尼特性、有功调频、无功调压等运行外特性，可以响应电网电压/频率调整，为电网提供有功和无功支撑。促进pem制氢模块与电网友好互动，助力改善有功平衡和电压稳定性；同时使电网具有更多主动支撑电网的可调负荷资源，促进可再生能源消纳和绿氢制取。

2、本发明还提出一种具有上述虚拟同步pem电解水制氢模块控制方法的装置。

3、根据本发明的第一方面实施例的虚拟同步pem电解水制氢模块控制方法，其特征在于：

4、将具有负荷虚拟同步控制功能的pwm三相变流器与pem制氢装置结合；

5、使所述pem制氢模块可感知电网的状态，自动调整吸收功率；

6、基于高频pwm整流电路连接至供电系统；

7、基于自主有功调频控制，调节目标并网频率；

8、基于自主无功调压控制，调节目标输出电压幅值。

9、根据本发明实施例的虚拟同步pem电解水制氢模块控制方法，至少具有如下有益效果：经过该方法改造后的pem电解水制氢模块接入目标能源系统时，能从有功-频率和无功-电压输出两方面在各个时间尺度上自治运行，并对电网电能质量进行主动管理。助推pem电解水制氢装置的应用，进一步缓解可再生能源系统在未来综合能源应用场景中的波动性和随机性，并提供更多绿氢资源。减少综合能源系统储能和并网部分的设备装置备用容量及成本。

10、根据本发明的一些实施例，所述将具有负荷虚拟同步控制功能的pwm三相变流器与pem制氢装置结合的步骤中，能够使所述电解水制氢模块模拟同步发电机的内在电磁转换机理和外在运行特性，从而使pem制氢装置块具备惯量机制。

11、根据本发明的一些实施例，所述高频pwm整流电路包括交流接口和直流接口，其中：

12、交流接口采用h桥ac/dc整流电路，用于将电网电压整流为600v的直流电压；

13、直流接口采用隔离型dc/dc变换器，用于将600v的直流电压转换为pem电解槽需要的直流电压。

14、根据本发明的一些实施例，所述转矩控制为级联的频率–转矩双闭环结构，由频率内环、转矩外环构成。

15、根据本发明的一些实施例，所述无功功率控制采用双闭环控制结构，由功率外环和电流内环构成。

16、根据本发明的第二方面实施例的虚拟同步pem电解水制氢模块控制装置，其特征在于，包括：

17、虚拟同步模块，将具有负荷虚拟同步控制功能的pwm三相变流器与pem制氢装置结合；

18、功率调整模块，能够应用虚拟同步电动机技术的pem制氢模块可感知电网的状态，自动调整吸收功率的快慢；

19、接线模块，能够基于高频pwm整流电路连接至供电系统；

20、频率调节模块，能够基于自主有功调频控制，调节目标并网频率；

21、转矩控制模块，能够基于模拟同步发电机转子运动方程进行转矩控制；

22、电压调节模块，能够基于自主无功调压控制，调节目标输出电压幅值。

23、根据本发明实施例的虚拟同步pem电解水制氢模块控制装置，至少具有如下有益效果：虚拟同步pem电解水制氢模块接入目标能源系统时，能从有功-频率和无功-电压输出两方面在各个时间尺度上自治运行，并对电网电能质量进行主动管理。并且限制可再生能源系统在未来综合能源应用场景中的波动性和随机性，同时就地提供绿氢。减少综合能源系统储能和并网部分的设备装置备用容量及成本，同时降低氢气储运成本。

24、根据本发明的一些实施例，所述虚拟同步模块能够使所述电解水制氢模块模拟同步发电机的内在电磁转换机理和外在运行特性，从而使pem制氢装置块具备惯量机制。

25、根据本发明的一些实施例，所述高频pwm整流电路包括交流接口和直流接口，其中：

26、交流接口采用h桥ac/dc整流电路，用于将电网电压整流为600v的直流电压；

27、直流接口采用隔离型dc/dc变换器，用于将600v的直流电压转换为pem电解槽需要的直流电压。

28、根据本发明的一些实施例，所述转矩控制为级联的频率–转矩双闭环结构，由频率内环、转矩外环构成。

29、根据本发明的一些实施例，所述无功功率控制采用双闭环控制结构，由功率外环和电流内环构成。

30、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。