一种光伏电解碱水制氢功率平衡与最优电压控制方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别是涉及一种光伏电解碱水制氢功率平衡与最优电压控制方法。

背景技术

近年来氢能应用技术发展迅速，光伏制氢是一种典型的绿色制氢方法，电解碱水制氢也是一种较为成熟的技术，其已在工业中广泛应用，目前主流光伏制氢均采用电解碱水制氢方案，常规的电解碱水制氢系统电解采用稳压电源，供电来自于电网。虽然有很多光伏制氢示范案例，但其电解电源实际上还是常规稳压电解电源，由于电解电压不变化，需要稳定，其必须依赖于电网电压的稳定性，其所声称的光伏制氢电能来源仅仅是光伏电能潮流的分配。对于不依赖电网的独立光伏发电而言，其供电功率具有随机变化或波动性，且范围较大，而采用常规的光伏阵列DC/DC最大功率跟踪和功率平衡控制，一般采用调节碱性电解槽的电解电压，实现功率平衡，且只能是直流且低于最优电解直流电压。由于电解槽的IV特性是非线性的，在低电压等功率条件下，电荷转化氢气效率不一定最优，很大一部分可能造成发热损耗，氢离子置换效率不在最优点。本发明是根据电解槽IV特点，在最大功率跟踪和功率平衡控制平滑电压波形变换下，实现最优电解制氢效率的电压波形控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏电解碱水制氢功率平衡与最优电压控制方法，针对光伏实时变化，实现光伏电解碱水制氢的电路拓扑与最优电压控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种光伏电解碱水制氢功率平衡与最优电压控制方法，在独立光伏供电功率变换条件下，基于电解槽电流电压的非线性特征与电解槽电解效率模型及原理，设计光伏电解碱水制氢系统电路的主功率拓扑电路和副拓扑电路，其中，电路拓扑的A部分为主功率拓扑电路，电路拓扑的B部分为副拓扑电路，电路拓扑的A部分由第二DC/DC变换器通过功率管Qa与电路拓扑的B部分的第一DC/DC变换器串联二极管D1后并联，然后经过电感L1，接入电解槽；控制调节电路拓扑的A部分输出点a的电压、电路拓扑的B部分输出点b的电压、电路拓扑的A部分输出点a的电压宽度、波形周期T，进行阶梯电解电压波形自动调整，实现电解制氢效率的最优化。

进一步地，当光伏阵列功率小于电解槽功率时，在最大功率点跟踪的同时，稳定电路拓扑的A部分输出点a的电压、电路拓扑的B部分输出点b的电压，调整功率管Qa占空比，实现负载平均功率变化，达到功率平衡。

进一步地，光伏阵列的电压稳定和功率平衡由功率管Qa占空比的变化实现控制，功率管Qa闭合时，电路拓扑的A部分输出点a的电压输出，电解槽电流上升，功率管Qa断开时，电路拓扑的B部分保持电解槽的反应电荷量，协调电路拓扑的A部分的控制，实现电解电流波形控制。

进一步地，当光伏阵列最大功率大于电解槽功率时，最大功率点跟踪自动退出，电路拓扑的A部分输出点a的电压保持不变，不超出电解槽的最优电压值，功率管Qa占空比达到最大值，此时负载功率最大，光伏阵列实际功率与负载功率平衡。

进一步地，当光伏阵列实际功率与负载功率达到平衡时，光伏电解碱水制氢系统基于当前运行状态，在保证功率平衡的同时，通过建模查表或自动搜索的方式，微调电路拓扑的A部分输出点a的电压、电路拓扑的B部分输出点b的电压及功率管Qa占空比，以提高产氢效率。

本发明的优点有：

(1)本发明能够快速找到光伏阵列与电解碱水制氢的功率平衡点。

(2)本发明依据电压波形平滑变换，稳定光伏阵列电压，实时调整系统工作状态，实现最优电解制氢效率。

附图说明

图1是本发明的电路拓扑示意图；

图2是本发明的电解槽IV曲线模型图；

图3是本发明的光伏阵列功率变化时，占空比对主副电压的影响示意图；

图4是本发明的PWM1占空比变化对制氢效率的影响示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实现在独立光伏供电发电功率变换条件下的制氢效率最优，本发明提出一种光伏电解碱水制氢功率平衡与最优电压控制方法，其为四参数可调节的阶梯电解电压波形发生方法，下面参考附图描述本发明实施例。

图1是根据本发明的一个实施例的电路拓扑，所述电路拓扑的A部分为主功率拓扑电路，电路拓扑的B部分为副拓扑电路。电路拓扑的A部分由第二DC/DC变换器2通过功率管Qa与电路拓扑的B部分的第一DC/DC变换器1串联二极管D1后并联，然后经过电感L1，接入电解槽，实现阵列功率平衡控制。

图2是电解槽的IV(电流电压)曲线，由图可知，当电解槽两端电压小于起始拐点维持电压e

如图1所示，光伏阵列的电压稳定和功率平衡由功率管Qa占空比PWM1变化实现控制，功率管Qa采用低导通阻抗的半导体开关，当其闭合导通时，电路拓扑的A部分的输出点a的电压Ua施加给电解槽，电流快速上升；当功率管Qa断开时，电解槽由电路拓扑的B部分输出点b的电压Ub供电，电路拓扑的B部分输出点b的电压Ub低于电路拓扑的A部分的输出点a的电压Ua，此时电流下降。调节功率管Qa占空比PWM1可以影响整周期平均功率，这样就可以通过第一PI比例积分的闭环调节实现阵列的稳压控制。在阵列电压稳压控制前提下，阵列最大功率电压跟踪搜索可以采用常规方式，例如扰动观测法或电导纳增量法等。

如图1所示，电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua控制中，由于阵列功率变化范围宽，阵列的最大功率可以大于也可能小于电解槽额定功率，当最大功率大于电解槽额定功率时，电解槽电压不能超过电解电压最优限值。因此，电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua的控制采用输入输出双回路调节取最小原则，实现电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua的稳定控制。当阵列功率大于负载功率，如图3所示t

在功率平衡条件下的四参数寻优算法，如图4所示，基于温度、单位时间产氢量及产氢效率模型，在当前功率条件下，可以采用建模查表或自动搜索方式确定最优电压波形参数。功率管Qa占空比PWM1不变，调整电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua，可以使得功率平衡稳定阵列电压。电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua定值，调整功率管Qa占空比PWM1稳定阵列电压。电路拓扑的B部分输出点b的电压Ub可以微调，虽然有微小影响电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua或功率管Qa占空比PWM1，但对电流恢复有利，主要看对产氢效率影响。

在MPPT跟踪阵列电压稳定控制条件下，电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua、电路拓扑的B部分输出点b的电压Ub和功率管Qa占空比PWM1的变化都会影响负载功率，进而影响阵列电压调节，为解决之间互相影响，采用电路拓扑的A部分输出点a的电压Ua、电路拓扑的B部分输出点b的电压Ub和功率管Qa占空比PWM1分时搜索调节方式实现互相间的解耦控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。