一种基于光储联合供电制氢系统、装置及方法

技术领域

本发明属于变流器控制技术领域，尤其涉及一种基于光储联合供电制氢系统、装置及方法，适用于光储系统变流控制方法。

背景技术

目前，在工业中应用广泛的氢气主要是通过化石燃料的重整进行获取，在重整过程中不仅仅产生严重的环境问题，并会造成化石资源逐步枯竭，因此改变氢气的获取方式至关重要。电解制氢技术目前研究比较成熟，但是由于电能来源问题导致了该项技术的成本较高，而应用无污染的太阳能资源发电是未来主流的发电方式，因此利用太阳能资源进行电解水是制备氢气的最优选择，但由于太阳能自身较强的昼夜性导致了其不可持续发电的局限，而对电解制氢所应用的电解槽频繁启停会导致其寿命减少、制备氢气纯度下降；同时应用太阳能发电的光伏电池板出力受环境因素影响较大，而电解槽稳定工作的前提是保证其输入功率的波动性小即其两端电压稳定，因此使制氢电解槽系统持续、稳定的工作是目前所应对的主要技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于光储联合供电制氢系统、装置及方法。其目的是为了实现系统持续稳定工作，减少水电解系统启停和功率波动，延长电解系统使用寿命，提高电解系统稳定性及制氢纯度的发明目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于光储联合供电制氢方法，包括以下步骤：

步骤1.构建质子交换膜水电解制氢系统的电压模型；

步骤2.分析超级电容系统的升降压双向变流器原理；

步骤3.根据分析结果，建立具有稳压功能的超级电容控制系统；

步骤4.对光伏电池输出电压电流进行采样；

步骤5.对光伏系统中升压变压器工作特性及原理进行分析；

步骤6.根据采样和分析结果，建立变步长的扰动观察控制方法，以实现最大功率追踪；

步骤7.将光伏系统与超级电容系统并联后所输出的稳定电压送入水电解制氢系统，以实现系统稳定持续工作。

更进一步的，所述构建质子交换膜水电解制氢系统的电压模型，包括：

在水电解系统电极通入直流电，水分子在各电极上发生化学反应分别产生氧气和氢气，各电极反应式如下：

阳极：

阴极：

2H

总反应式：

水电解系统中电压U

U

U

其中，U

更进一步的，所述分析超级电容系统的升降压双向变流器原理，包括：升降压双向变流器中两个开关管V

当V

其中，β为开关管在单个周期的开通占空比，t

当V

更进一步的，所述超级电容控制系统，当工作时，工作电压为：

其中，R

超级电容在补充功率差额的基础上通过控制实现直流母线电压的稳定；

所述超级电容控制系统的控制方法，包括：实时采集系统的直流母线电压U

更进一步的，所述对光伏系统中升压变压器工作特性及原理进行分析，包括：升压变流器的原理是当开关器件导通时，电源与电感回路导通，电源经回路对电感充电，与此同时电容向负载供电；当开关器件关断时，电感充当电源向电容充电的同时又向负载供能；开关器件运行的整个周期内，电感存储和释放的能量相等，该电路输出电压为：

其中，t

更进一步的，所述根据采样和分析结果，建立变步长的扰动观察控制方法，以实现最大功率追踪，包括：

光伏电池输出的瞬时功率为：

P(n)＝V(n)*I(n)(11)

其中，P为光伏电池输出瞬时功率，V是光伏输出电压，I是光伏输出电流，n为控制周期；

同时判断ΔP＝P(n)-P(n-1)与0的大小关系，若ΔP＝0则光伏电池工作在最大功率点则在该处稳定工作停止扰动；若ΔP≠0则未工作在最大功率点从而进行下一步判断；

判断ΔP是否大于0，若ΔP大于0，则ΔD＝s×ΔP，同时判断V(n)-V(n-1)是否大于0：若是，则D(n)＝D(n-1)+ΔD、若否，则D(n)＝D(n-1)-ΔD；若ΔP小于0，则ΔD＝s×(-ΔP)，同时判断V(n)-V(n-1)是否大于0：若是，则D(n)＝D(n-1)-ΔD、若否，则D(n)＝D(n-1)+ΔD；

其中，ΔD是扰动大小，s是变步长速度因子恒大于0。

一种基于光储联合供电制氢系统，包括：超级电容、光伏阵列、升降压变流器、升压变流器与水电解制氢系统；其中，其中，超级电容通过升降压变流器与水电解制氢系统相连接；光伏阵列通过升压变流器与水电解制氢系统相连接。

一种基于光储联合供电制氢装置，包括：

电压设计模块，用来设计质子交换膜水电解系统的电压模型；

分析模块，用来对超级电容系统的升降压双向变流器原理进行分析，确保系统稳定工作；

超级电容控制系统设计模块，用来根据分析结果设计具有稳压功能的超级电容控制系统；

采样模块，用来对光伏电池输出电压电流进行采样；

分析模块，用来对光伏系统中升压变压器工作特性及原理进行分析；

观察控制模块，用来根据采样和分析结果，建立变步长的扰动观察控制方法，以实现最大功率追踪；

稳定电压送入模块，用来将光伏系统与超级电容系统并联后所输出的稳定电压送入水电解制氢系统，以实现系统稳定持续工作。

一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的一种基于光储联合供电制氢系统、装置及方法的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的一种基于光储联合供电制氢系统、装置及方法的步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明利用变步长扰动观察法可以针对环境条件的变化快速追踪到光伏系统的最大功率点；超级电容的存在不仅可以满足负荷需求与光伏输出功率的差额部分使系统持续工作，而且针对超级电容的恒压控制可以满足制氢负荷工作条件的稳定，减少功率波动，提高电解系统稳定性及制氢纯度

本发明首先控制光伏系统的输出功率，使其环境条件发生变化时能够在最大功率点处快速达到稳定状态；同时超级电容根据负荷需求光伏输出功率的差额进行功率补充或吸收使系统稳定工作，并针对电解槽需要稳定的功率输入对超级电容进行恒压控制使整个系统的母线电压稳定在一固定值延长电解系统使用寿命，也使制氢纯度得到显著的提高，具有较好的实际工程应用意义。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明基于光储联合供电制氢系统的流程图；

图2是本发明基于光伏变步长扰动观察法控制流程图；

图3是本发明光储联合供电制氢系统结构与控制框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图3描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供了一个实施例，是一种基于光储联合供电制氢系统，如图3所示，图3是本发明光储联合供电制氢系统结构与控制框图。

本发明在光伏升压变流器中加入变步长的扰动观察法追踪最大功率点并与带恒压控制的超级电容结合为所提出的电解系统模型供电以持续稳定制氢。

本发明首先，根据质子交换膜水电解系统自身特性构建其满足直流系统工作条件的电压模型；其次，超级电容基于光伏系统昼夜特性使得整个系统不间断供电，并研究基于恒压控制方法以稳定直流系统电压，同时根据光伏系统在不同环境条件下出力变化的工作特性，研究基于变步长扰动观察法的控制方法使之工作在最大功率点处；最后，基于变步长扰动观察法的光伏系统与稳定直流电压的超级电容系统耦合为质子交换膜水电解系统持续供电，减少水电解系统启停延长其使用寿命并实现系统稳定制氢。

本发明以变步长扰动观察法针对环境条件的变化快速追踪到光伏系统的最大功率点为基础向系统注入功率，同时加入超级电容应对负荷需求与光伏输出功率不平衡的情况进行功率补充，并针对超级电容提出了恒压控制以满足制氢负荷稳定输入的工作条件减少功率波动，保证了系统安全稳定的工作。

图3中包括三部分：一是光储联合供电制氢系统结构，主要包括：超级电容1、光伏阵列2、升降压变流器3、升压变流器4与水电解制氢系统5。其中，超级电容1通过升降压变流器3与水电解制氢系统5相连接；光伏阵列2通过升压变流器4与水电解制氢系统5相连接。

二是超级电容升降压变流器恒压控制框图，主要对第一部分中的超级电容的升降压变流器，提供恒压控制策略，使系统直流侧电压保持稳定。

三是光伏升压变流器变步长扰动观察最大功率追踪控制框图，主要对第一部分中的光伏阵列的升降压变流器，提供变步长扰动观察最大功率追踪控制，为系统注入功率。

实施例2

本发明又提供了一个实施例，是一种基于光储联合供电制氢方法。如图1所示，图1是本发明基于光储联合供电制氢系统的流程图。

一种基于光储联合供电制氢方法，包括以下步骤：

步骤1.根据水分子分解原理设计质子交换膜水电解系统的电压模型：电压模型的基础，即设计光伏电池与超级电容输出电压值。

在水电解系统电极通入直流电，水分子在各电极上发生化学反应分别产生氧气和氢气，各电极反应式如下：

阳极：

阴极：

2H

总反应式：

水电解系统中电压U

U

U

其中，U

步骤2.对超级电容系统的升降压双向变流器原理进行分析，确保系统稳定工作；

结合步骤1中得到的水电解系统电压模型，通过电压模型中电解电压数值，设定升降压变流器输出电压参数，连接到系统直流侧以支撑系统稳定性。分析设计步骤2中超级电容文雅控制系统。

升降压双向变流器中两个开关管V

当V

其中，β为开关管在单个周期的开通占空比，t

当V

通过升降压双向变流器实现超级电容在系统功率不平衡时释放吸收能量，以满足功率差额，保证系统稳定工作。

步骤3.根据分析结果，设计具有稳压功能的超级电容控制系统：

超级电容在工作时其工作电压可表示为：

其中，R

超级电容在补充功率差额的基础上通过控制要实现直流母线电压的稳定，所述具有稳压功能的超级电容控制系统的控制方法如下：

实时采集系统的直流母线电压U

步骤4.通过Simulink中的采样模块完成对光伏电池输出电压电流的采样，以便后续实现对光伏电池的控制；

步骤5.进一步阐述光伏系统中升压变压器工作特性及原理分析，以便实现对后续光伏系统的控制；

升压变流器的原理是当开关器件导通时，电源与电感回路导通，电源经回路对电感充电，与此同时电容向负载供电；当开关器件关断时，电感充当电源向电容充电的同时又向负载供能。开关器件运行的整个周期内，电感存储和释放的能量相等，因此该电路输出电压为：

其中，t

步骤6.设计变步长的扰动观察控制方法实现最大功率追踪；

光伏电池输出的瞬时功率表示为：

P(n)＝V(n)*I(n) (11)

其中，P为光伏电池输出瞬时功率，V是光伏输出电压，I是光伏输出电流，n为控制周期。

同时判断ΔP＝P(n)-P(n-1)与0的大小关系，若ΔP＝0则光伏电池工作在最大功率点则在该处稳定工作停止扰动；若ΔP≠0则未工作在最大功率点从而进行下一步判断。

判断ΔP是否大于0，若ΔP大于0，则ΔD＝s×ΔP，同时判断V(n)-V(n-1)是否大于0：若是，则D(n)＝D(n-1)+ΔD、若否，则D(n)＝D(n-1)-ΔD；若ΔP小于0，则ΔD＝s×(-ΔP)，同时判断V(n)-V(n-1)是否大于0：若是，则D(n)＝D(n-1)-ΔD、若否，则D(n)＝D(n-1)+ΔD。

其中，ΔD是扰动大小，s是变步长速度因子恒大于0。

如图2所示，图2是本发明基于光伏变步长扰动观察法控制流程图。

步骤7.将光伏系统与超级电容系统并联后所输出的稳定电压送入水电解制氢系统，最终实现系统稳定持续工作。

实施例3

本发明又提供了一个实施例，是一种基于光储联合供电制氢装置，包括：

电压设计模块，用来设计质子交换膜水电解系统的电压模型；

分析模块，用来对超级电容系统的升降压双向变流器原理进行分析，确保系统稳定工作；

超级电容控制系统设计模块，用来根据分析结果设计具有稳压功能的超级电容控制系统；

采样模块，用来对光伏电池输出电压电流进行采样；

分析模块，用来对光伏系统中升压变压器工作特性及原理进行分析；

观察控制模块，用来设计变步长的扰动观察控制方法，以实现最大功率追踪；

稳定电压送入模块，用来将光伏系统与超级电容系统并联后所输出的稳定电压送入水电解制氢系统，以实现系统稳定持续工作。

实施例4

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1-3所述的任意一种基于光储联合供电制氢系、装置及方法的步骤。

实施例5

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1-3所述的任意一种基于光储联合供电制氢系、装置及方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。