一种基于电解电场重构的碱液电解制氢高效变流控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于电解电场重构的碱液电解制氢高效变流控制方法，属于可再生能源电解制氢领域的电力电子变换器控制技术。

背景技术

坚持可持续发展战略，加速推进新型能源架构建设，加快电力脱碳进程，构建高比例新能源的新型电力系统形态，是促进社会发展全面绿色的重要途径。风光等可再生能源因其强随机性和波动性会造成电网频率和电压波动，为保证电网稳定运行，配置一定容量的储能是保障电网安全经济运行的重要手段。在风光等电氢耦合系统中，具备绿色清洁、高能量密度和高转化效率等优点的氢能，可充分发挥快速功率调节的作用，进而提升高比例新能源并网系统的稳定性。然而，为提高可再生能源的利用率并减小弃光和弃风率，碱液电解制氢设备-电解槽通常会低载运行。低载电解时电解槽中各电解小室分压不均匀，电解小室发生未完全电解，导致电解效率偏低问题，严重影响碱性电解槽的运行范围，这将限制碱性电解槽在高比例新能源并网系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种碱性电解槽电解功率脉冲调制策略，本发明通过根据可再生能源功率的大小以生成不同脉宽的功率脉冲，进而重构电解槽低载工况下的电解电场，有效地解决了碱性电解槽低载工况电解效率偏低的问题。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种基于电解电场重构的碱液电解制氢高效变流控制方法，碱液电解制氢设备通过电路接入含新能源的电力系统中，基于电解电场重构的碱液电解制氢高效变流控制具体为：

实时获取碱液电解制氢设备消纳功率目标值P

进一步地，所述电路包括前级DC/DC变换器，采用前级DC/DC变换器对碱液电解制氢设备消纳功率目标值P

进一步地，前级DC/DC变换器为Buck变换器、串联谐振变换器、双有源桥变换器或移相全桥变换器。

进一步地，所述电路包括后级DC/DC变换器，基于功率指令值或功率脉冲指令值生成后级DC/DC变换器的移相占空比，控制碱液电解制氢设备运行，其中基于功率指令值或功率脉冲指令值生成后级DC/DC变换器的移相占空比的方法如下：

将功率指令值或功率脉冲指令值除以采集到的碱液电解制氢设备电解电压V

进一步地，所述后级DC/DC变换器为双有源桥变换器或移相全桥变换器。

进一步地，当功率脉冲指令值处于脉冲峰值时，所述后级DC/DC变换器的占空比为：

式中，P

进一步地，三角载波的幅值为1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)提升碱性电解槽低载工况下电解效率，拓宽了电解槽可运行范围，提高了电解槽可负载能力，同时可为高比例新能源并网系统特别是含高比例新能源的电力系统提供全范围功率调节。

(2)从制氢电解器电路拓扑上讲，原本需要额外的开关管进行斩波以提供功率脉冲，本发明功率脉冲由控制环路产生，从而避免了额外开关管的使用，降低了电路复杂程度和成本。

附图说明

图1基于双级式DC/DC变换器的光伏直驱碱液电解制氢拓扑；

图2基于buck变换器的光伏最大功率点跟踪控制信号生成逻辑图；

图3 PSFB控制器的控制信号对应图；

图4自适应电解功率脉冲脉宽调制的PSFB控制器的详细控制信号生成逻辑图；

图5电解功率脉冲示意图；

图6电解槽功率与光伏输出功率对照图。

具体实施方式

本发明针对可再生能源的不稳定性，将碱液电解制氢设备通过电路接入含新能源的电力系统中，采用基于电解电场重构的碱液电解制氢高效变流控制方法，具体地：

实时获取碱液电解制氢设备消纳功率目标值P

本发明的含新能源的电力系统是指包含风、光等可再生能源的电力系统，尤其是含高比例(15％以上)可再生能源的新型电力系统，碱液电解制氢设备消纳功率目标值是含新能源的电力系统根据发电和用电的实时情况进行分配控制输入至碱液电解制氢设备的功率，本发明方法通过根据碱液电解制氢设备消纳功率目标值功率的大小以生成不同脉宽的功率脉冲，进而重构碱液电解制氢设备低载工况下的电解电场，有效地解决了碱液电解制氢设备低载工况电解效率偏低的问题，从而完全消纳可再生能源输出功率的基础上提高碱液电解制氢设备低载电解效率。

下面将结合本发明附图以只包含光伏的电力系统即光伏直驱碱液电解制氢为例对本发明技术方案进行清楚、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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构以及步骤，并结合附图和具体实施方式，对本申请实施例作进一步详细的说明，以便阐释本发明提出的技术方案。

图1所示为一种光伏直驱碱液电解制氢拓扑，如图中所示，碱液电解制氢设备通过电路接入光伏电力系统中，其中电路采用双级式DC/DC变换器，如图1所示，上述双级式DC/DC变换器的前级DC/DC变换器对光伏输出功率进行最大输出功率跟踪，以实现完全消纳光伏输出功率。前级DC/DC变换器可以为Buck变换器、串联谐振变换器、双有源桥变换器或移相全桥变换器，图中示出为Buck变换器；双级式DC/DC变换器的后级DC/DC变换器负责碱液电解制氢设备-电解槽运行模式切换，后级DC/DC变换器为双有源桥变换器或移相全桥变换器，图中示出为移相全桥(PSFB)变换器。如图中所示，Buck变换器由开关管S

通过控制上述双级式DC/DC变换器，对光伏输出功率进行最大输出功率跟踪同时对电解槽运行模式进行切换，能在完全消纳光伏输出功率的基础上提高电解槽低载电解效率。其中，模式切换依据为：当光伏输出功率P

P

本发明方法控制框架如图2～4所示，包括：

Buck变换器控制，如图2所示，测量光伏侧电压v

PSFB变换器控制，多模态电解制氢方式的控制信号由图3逻辑生成。当光伏输出功率P

控制信号w

其中，

功率指令值P

d＝K

其中K

当光伏输出功率P

其中K

其次，将调制波d

进一步地，脉冲电解下为提高电流内环响应速度，设置了两种内环控制模式。其一，当功率脉冲指令值处于脉冲峰值时，I

其二，当功率脉冲指令值为0时，I

基于双级式DC/DC变换器的碱性电解槽电解功率脉冲调制策略控制效果如图6所示。实验中，设置电解槽最佳电解效率运行处的功率P

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。