一种海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及新能源发电及制氢领域，更具体地说，涉及一种海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统。


背景技术：

2.海上风电是可再生能源中最具规模化发展潜力的能源之一。对于海岸线长、海域面积辽阔、海上风资源丰富的地域，可开发海上风电规模巨大。大力发展海风风电可促进能源结构调整，减少环境污染。
3.随着海上风电快速发展，海上风电的消纳问题日益突出，局部区域海上风电集中大规模开发至装机容量占电网比例较大时，会对电网电能质量、频率和电压的稳定性、安全性造成不良影响。通过水电解实现海上风电制氢，可解决风电资源大规模消纳的问题。
4.由于海上风电的波动性和随机性，其输出功率(电流)波动将对电解水制氢带来挑战。为了确保制氢支路电流无波动或波动在允许范围内，增加电储能是一个可行的解决方案。电储能跟踪负荷变化能力强，响应速度快，控制精确，且具有双向调节能力和平滑功率的双重功效，是制氢过程中的关键调节电源。
5.制氢及储能系统有大量的数据需要采集、处理、存储和显示，并用于录像带保护控制。系统数据采集主要包括制氢系统、储能系统以及辅助设备等数据，其中，储能系统包括电池状态、储能变流器(pcs)数据、故障代码等数据，制氢系统包括制氢装置交流侧并网数据、产氢量、电解槽电压、电解槽电流等，其他数据主要包括并网点电压、电流、功率等。
6.安全保护控制系统主要包括制氢子系统安全保护、储能子系统安全保护等。
7.现有方案中，主要是为有效解决偏远岛屿微电网供能的难题，对于系数的数据采集和安全控制并无具体方案，无法适用于大规模海上风电并网的消纳方案，可实施性低。


技术实现要素：

8.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统。
9.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统，包括：低压母线、能量管理系统、监视系统、储能协调控制器、储能系统、制氢系统、海上风电系统以及电信号采集装置；
10.所述储能系统分别与所述低压母线、所述能量管理系统、所述监视系统和所述储能协调控制器连接，所述制氢系统分别与所述低压母线和所述储能协调控制器连接，所述储能协调控制器分别与所述海上风电系统、所述能量管理系统、所述监视系统连接、所述电信号采集装置和并网点连接；
11.所述能量管理系统和所述监视系统通过所述储能协调控制器接收所述储能系统的储能信息、所述制氢系统的制氢信息、所述海上风电系统的风电信息以及所述并网点的并网信息；所述储能协调控制器对所述储能系统的数据、所述海上风电系统的数据、所述制
氢系统的数据以及所述电信号采集装置采集的数据进行采集和处理分析，并根据分别对所述储能系统、所述海上风电系统和所述制氢系统进行保护控制。
12.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，还包括：开关装置和辅助设备；
13.所述开关装置与所述储能协调控制器连接，所述辅助设备与所述开关装置和所述低压母线连接；
14.所述开关装置根据所述储能协调控制器的控制导通或者断开，以控制所述储能系统、所述制氢系统和所述辅助设备的工作。
15.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，所述电信号采集装置包括：第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器和电能计量表；
16.所述开关装置包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；
17.所述第二开关的第二端与所述低压母线连接，所述第二开关的控制端与所述储能协调控制器连接，所述第二开关的第一端依次经过所述第一开关、所述第一传感器和所述电能计量表至电网，所述第一开关的控制端与所述储能协调控制器连接，所述第一传感器和所述电能计量表的信号输出端与所述储能协调控制器连接；
18.所述第二传感器的第一端与所述低压母线连接，所述第二传感器的第二端连接所述第三开关的第一端，所述第三开关的控制端和所述第二传感器的信号输出端与所述储能协调控制器连接；
19.所述第三传感器的第一端与所述低压母线连接，所述第三传感器的第二端连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的控制端和所述第三传感器的信号输出端与所述储能协调控制器连接，所述第四开关的第二端连接所述制氢系统；
20.所述第四传感器的第一端与所述低压母线连接，所述第四传感器的第二端连接所述第五开关的第一端，所述第五开关的控制端和所述第四传感器的信号输出端与所述储能协调控制器连接，所述第五开关的第二端连接所述辅助设备。
21.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，所述储能系统包括：储能变流器、电池管理系统以及储能电池；
22.所述储能变流器的第一端连接所述第三开关的第二端，所述储能变流器的第二端连接所述电池管理系统的第一端，所述储能变流器的第三端连接所述储能协调控制器，所述电池管理系统的第二端连接所述储能电池，所述电池管理系统的数据输出端连接所述能量管理系统和所述监视系统。
23.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，还包括：消防系统；
24.所述消防系统通过rs485通讯线与所述电池管理系统连接。
25.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，还包括：转接设备；
26.所述转接设备分别与所述能量管理系统、所述储能协调控制器、所述电池管理系统和所述监视系统连接，用于完成所述能量管理系统、所述储能协调控制器、所述电池管理系统和所述监视系统之间的数据交互。
27.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，所述转接
设备包括：交换机和通信管理机；
28.所述交换机分别与所述电池管理系统、所述储能协调控制器和所述监视系统通信，所述交换机还通过所述通信管理机与所述能量管理系统通信。
29.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，所述储能系统包括：所述电池管理系统的安全保护，所述储能变流器的安全保护，集装箱的安全保护；
30.所述电池管理系统的安全保护包括：所述电池管理系统实时监测所述储能电池的电池信息并在所述储能电池故障或者异常时，启动限半功率
‑
限零功率
‑
故障切除的安全保护；
31.所述储能变流器的安全保护包括：所述储能变流器实时监测自身的工作状态、所述储能电池和交流电网的状态，并在监测到故障或者异常时，停止工作并输出报警信号；
32.集装箱的安全保护包括：热管理保护、安全监测和预警保护、消防安全保护以及灭火保护。
33.在本实用新型所述的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统中，所述储能变流器输出的报警信息包括：交流过/欠压保护、交流过/欠频保护、交流过流保护、负序电流保护、负序电压保护、孤岛检测保护、直流过压保护、直流欠压保护、直流侧极性反接保护、直流过流保护、绝缘监测、驱动保护、pt异常保护、辅助电源保护、过温保护、通讯故障保护、外部联锁保护中的任意一种或者多种。
34.实施本实用新型的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统，具有以下有益效果：包括：低压母线、能量管理系统、监视系统、储能协调控制器、储能系统、制氢系统、海上风电系统以及电信号采集装置；储能系统分别与低压母线、能量管理系统、监视系统和储能协调控制器连接，制氢系统分别与低压母线和储能协调控制器连接，储能协调控制器分别与海上风电系统、能量管理系统、监视系统连接、电信号采集装置和并网点连接。本实用新型通过对各系统进行数据采集可实现能量管理、调度和控制，并进行安全保护控制，解决海上风电随机性和波动性对制氢系统的影响，可适用于大规模海上风电并网的消纳方案，实施性强。
附图说明
35.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
36.图1是本实用新型实施例提供的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统的系统框图。
具体实施方式
37.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
38.参考图1，图1为本实用新型提供的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统的系统框图。该控制系统通过对大量数据的采集及分析，采用切实可靠的安全保护控制措施，可有效解决海上风电随机性和波动性对制氢系统8的影响，可适用于大规模海上风电并网的消纳方案。
39.具体的，如图1所示，该海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统包括：低压母线17、能量管理系统1、监视系统2、储能协调控制器4、储能系统、制氢系统8、海上风电系统23以及电信号采集装置。
40.储能系统分别与低压母线17、能量管理系统1、监视系统2和储能协调控制器4连接，制氢系统8分别与低压母线17和储能协调控制器4连接，储能协调控制器4分别与海上风电系统23、能量管理系统1、监视系统2连接、电信号采集装置和并网点连接。
41.能量管理系统1和监视系统2通过储能协调控制器4接收储能系统的储能信息、制氢系统8的制氢信息、海上风电系统23的风电信息以及并网点的并网信息；储能协调控制器4对储能系统的数据、海上风电系统23的数据、制氢系统8的数据以及电信号采集装置采集的数据进行采集和处理分析，并根据分别对储能系统、海上风电系统23和制氢系统8进行保护控制。
42.进一步地，如图1所示，该海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统还包括：开关装置和辅助设备9。其中，该开关装置与储能协调控制器4连接，辅助设备9与开关装置和低压母线17连接。开关装置根据储能协调控制器4的控制导通或者断开，以控制储能系统、制氢系统8和辅助设备9的工作。
43.具体的，能量管理系统1主要用于对储能系统、制氢系统8以及海上风电系统23进行能量分析、管理和调度，并通过储能协调控制器4对储能系统、制氢系统8以及海上风电系统23进行控制和调节。监视系统2对储能系统、制氢系统8及海上风电系统23进行监视。
44.进一步地，如图1所示，该海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统还包括：消防系统10，该消防系统10通过rs485通讯线与电池管理系统6连接。可选的，该消防系统10包括消防设备及空调。
45.进一步地，如图1所示，该海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统还包括：转接设备；该转接设备分别与能量管理系统1、储能协调控制器4、电池管理系统6和监视系统2连接，用于完成能量管理系统1、储能协调控制器4、电池管理系统6和监视系统2之间的数据交互。
46.具体的，如图1所示，转接设备包括：交换机3和通信管理机22。该交换机3分别与电池管理系统6、储能协调控制器4和监视系统2通信，交换机3还通过通信管理机22与能量管理系统1通信。其中，交换机3分别通过网线与电池管理系统6、储能协调控制器4、监视系统2以及通信管理机22进行通讯及数据交互。通信管理机22通过网线与能量管理系统1进行通讯。
47.如图1所示，该电信号采集装置包括：第一传感器18、第二传感器19、第三传感器20、第四传感器21和电能计量表11。开关装置包括：第一开关12、第二开关13、第二传感器14、第四开关15和第五开关16。
48.第二开关13的第二端与低压母线17连接，第二开关13的控制端与储能协调控制器4连接，第二开关13的第一端依次经过第一开关12、第一传感器18和电能计量表11至电网，第一开关12的控制端与储能协调控制器4连接，第一传感器18和电能计量表11的信号输出端与储能协调控制器4连接；第二传感器19的第一端与低压母线17连接，第二传感器19的第二端连接第二传感器14的第一端，第二传感器14的控制端和第二传感器19的信号输出端与储能协调控制器4连接；第三传感器20的第一端与低压母线17连接，第三传感器20的第二端
连接第四开关15的第一端，第四开关15的控制端和第三传感器20的信号输出端与储能协调控制器4连接，第四开关15的第二端连接制氢系统8；第四传感器21的第一端与低压母线17连接，第四传感器21的第二端连接第五开关16的第一端，第五开关16的控制端和第四传感器21的信号输出端与储能协调控制器4连接，第五开关16的第二端连接辅助设备9。
49.其中，第一开关12为隔离开关，起到保护作用，第二开关13为通断控制作用。通电时，先闭合第一开关12再闭合第二开关13；断电时，先断开第二开关13，再断开第一开关12。如图1所示，通电时，可从电网向储能系统、制氢系统8和辅助设备9取电，另外，储能系统还可以反向向电网供电。第二传感器14起到通断控制作用，以控制储能系统接入低压母线17。第四开关15起到通断控制作用，以控制制氢系统8接入低压母线17。第五开关16起到通断控制作用，以控制辅助设备9接入低压母线17。其中，并网点为电网与该海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统的连接点。
50.具体的，如图1所示，该储能系统包括：储能变流器7、电池管理系统6以及储能电池5。
51.储能变流器7的第一端连接第二传感器14的第二端，储能变流器7的第二端连接电池管理系统的第一端，储能变流器7的第三端连接储能协调控制器4，电池管理系统的第二端连接储能电池5，电池管理系统6的数据输出端连接能量管理系统1和监视系统2。
52.一些实施例中，该储能协调控制器4通过信号采集线与第一传感器18、第二传感器19、第三传感器20、第四传感器21以及电能计量表11相连并采集电信号。储能协调控制器4通过通讯线(网线)与交换机3进行数据传输，通过rs485通讯线控制储能变流器7和制氢系统8，通过光缆与海上风电系统23连接，通过rs485通讯线与消防设备和空调连接。电池管理系统6通过can通讯线与储能变流器7连接，另一路通过网络接入交换机3，通信规约为modbus。
53.进一步地，储能协调控制器4与交换机3通过网线连接，通讯规约为电力104规约。交换机3与监视系统2通过网线连接，通讯规约为电力104规约。交换机3与通讯管理机之间通过网线连接，通讯规约为电力104规约。通讯管理机与能量管理系统1之间通过网线连接，通讯规约为电力104规约。
54.储能电池5与电池管理系统6通过功率线缆连接；电池管理系统6与储能变流器7通过功率线缆连接；储能变流器7与第二传感器14通过功率线缆连接；第二传感器14与低压母线17(380v)通过功率线缆连接，第二传感器19串联在第二传感器14与低压母线17之间。
55.制氢系统8与第四开关15通过功率线缆连接；第四开关15与低压母线17通过功率线缆连接；第三传感器20串联在第四开关15与低压母线17之间。
56.辅助设备9通过功率线缆与第五开关16连接；第五开关16与低压母线17通过功率线缆连接；第四传感器21串联在第五开关16与低压母线17之间。
57.进一步地，本实用新型实施例中，储能系统的储能信息包括但不限于：电池充放电状态、pcs交流侧三相电压、pcs交流侧三相电流、pcs交流侧频率、pcs有功功率、pcs无功功率、pcs直流侧电压、pcs直流侧电流、igbt温度监测、电池单体电压、电池单体温度、电池堆soc值、电池堆平均温度、蓄电池各类故障代码(包括单体故障码)、pcs故障代码、电池管理系统6上传的其他信息、pcs变流器上传的其他信息。
58.制氢系统8的制氢信息包括但不限于：制氢装置交流侧并网电压、制氢装置交流侧
并网电流、产氢量、电解槽压力、电解槽温度、电解槽电压、电解槽电流、制氢系统8故障、氢气罐压力、制氢装置系统压力显示/调节、水电解制氢装置的氢侧/氧侧压差显示/调节、氢气压缩机进气压力/排气压力、水电解槽碱液温温度显示/调节。
59.海上风电系统23的风电信息包括但不限于：海上风电系统23交流侧电压、海上风电系统23交流侧电流、海上风电系统23交流侧频率、海上风电系统23交流侧功率。
60.并网点的信息包括但不限于：并网点三相电压、并网点三相电流、并网点功率、并网点、并网点电能耗费。
61.电信号采集装置采集的电信号包括但不限于：电压、电流、功率等。
62.本实用新型实施例中，储能系统包括：电池管理系统6的安全保护，储能变流器7的安全保护，集装箱的安全保护。
63.电池管理系统6的安全保护包括：电池管理系统6实时监测储能电池5的电池信息并在储能电池5故障或者异常时，启动限半功率
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限零功率
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故障切除的安全保护；储能变流器7的安全保护包括：储能变流器7实时监测自身的工作状态、储能电池5和交流电网的状态，并在监测到故障或者异常时，停止工作并输出报警信号；集装箱的安全保护包括：热管理保护、安全监测和预警保护、消防安全保护以及灭火保护。
64.本实用新型实施例中，电池管理系统6的安全保护具有三级防护架构，即当电池过充过放、温度异常等情况发生时，先将输出功率降半，并持续监测；当处于半功率状态时，仍异常，则将输出功率降为零；当处于零功率时，仍异常，则进行开关切断，以直接切除故障。进一步地，电池管理系统6还具有通讯异常保护功能，即当电池管理系统6与储能变流器7的通讯异常时，电池管理系统6将自动进入保护状态，避免故障无法进一步扩大，防止危害事故发生。
65.本实用新型实施例中，储能变流器7可实时检测自身的工作状态及储能电池5和交流电网的状态，检测到故障及异常时，储能变流器7停止工作，并发出报警信号。
66.可选的，储能变流器7输出的报警信息包括但不限于：交流过/欠压保护、交流过/欠频保护、交流过流保护、负序电流保护、负序电压保护、孤岛检测保护、直流过压保护、直流欠压保护、直流侧极性反接保护、直流过流保护、绝缘监测、驱动保护、pt异常保护、辅助电源保护、过温保护、通讯故障保护、外部联锁保护中的任意一种或者多种。
67.本实用新型实施例中，集装箱的安全保护包括但不限于：热管理安全保护、安全监测和预警安全保护以及灭火处理安全保护。
68.其中，热管理安全保护中，可采集电池簇内的温度最高点和最低点。空调的散热功率大于集装箱储能系统中电芯在正常充放电循环下的总产热功率，同时可消除集装箱内部的冷却死区，防止局部温度过高造成单个或多个电芯老化受损。
69.安全监测和预警安全保护中，不同类型储能电池5热失控时其表面温度具有不同的升温趋势与临界绝对值，设定合适的升温速率与绝对温度值作为温度预警阈值，根据危险程度设置多级预警，对应不同的声光信号，耦合气体预警；电池发生热失控前发出预警信号，为人员逃生预留安全时间；探测器预警信号集中传输至监视系统2进行阈值判定，判断发生危险情况时，预警信号传输至监视系统2，并发出声光预警信号。配套气体探测(一氧化碳、氢气等)系统，与消防系统10联动。其中，探测器包括但不限于烟雾探测器、火灾探测器和温感探测器。
70.灭火处理安全保护中，储能电池5在明火熄灭后，内部仍会继续产生热量，若不进行有效降温或灭火措施，则会发生复燃。根据电池复燃特性，使用全氟己酮或者七氟丙烷对电池进行灭火，有效降低电池表面温度，防止电池复燃。其中，进行灭火处理时可采用人工方式灭火，或者采用自动方式灭火。
71.本实用新型实施例中，集装箱中还设有消防设备，其中，消防设备与预警相结合，采用能够有效报警的消防探头，防止误报和漏报。在进行设置时，可以根据集装箱体积和箱内电池的数量布置探头的位置和间距。
72.需要说明的是，本实用新型实施例中，图1中的海上风电制氢及储能系统监测与安全控制系统除了海上风电系统23、制氢系统8、辅助设备9以及电网外，均集成在集装箱中。
73.本实用新型实施例中，数据采集的上传及下属可实现毫秒级快速响应。进一步地，本实用新巧制氢系统8与储能系统并联运行，可以通过储能系统的调节作用，平滑缺氧系统的电流波形，提高制氢系统8的效率，还可延长缺氧系统的寿命。具体的，利用海上风电产生的电能给制氢系统8提供电能进行制氢时，由于海上风电的特性(海风时大时小)，因此，当海风小甚至没有风时，可以通过储能系统向制氢系统8提供电能，当海风过大时，可以通过储能系统吸收多余的电能，从而达到平滑制氢系统8的电流波形的目的。
74.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
75.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。
76.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
77.以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。