电解水制氢的功率变换控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种电解水制氢的功率变换控制系统及方法。


背景技术：

2.随着国际、国内对氢能的重视，各种制氢方式方法都有了长足的进步，但是都不能脱离供电-电解这一过程。众所周知，电解水制氢是一个耗能严重的方式，因此效率就显得格外重要。当前利用新能源发电供电电解水制氢的技术路线已经被众多学者和企业所看重，这也是未来实现低碳排放实现氢能制备的重要途径。目前电解水制氢多以氢气纯度和产量为目标，导致能耗消耗大，如何实现对电解水制氢过程的效率提升是未来实现氢能社会的重要技术内容之一。新能源发电的波动性会导致电解水制氢的过程出现供电品质降低，进而导致电源-负荷功率失去平衡，造成严重生产事故。因此急需要解决新能源发电-电解水制氢这个一系统的输出/输入问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种电解水制氢的功率变换控制系统及方法。
4.具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种电解水制氢的功率变换控制系统，包括：最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元、控制单元、通讯单元、等效电路参数测量单元、新能源发电系统、功率变换电路和电解槽；
6.所述等效电路参数测量单元，用于测量不同类型电解槽的等效电路参数；
7.所述最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元，用于根据不同类型电解槽的等效电路参数，拟合出功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线；
8.所述控制单元，用于接收所述最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元发送的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线，并根据所述曲线控制所述功率变换电路以及电解槽的制氢量为所述电解槽提供功率输出，以实现功率变换电路-电解槽最优效率曲线输出电流；
9.所述新能源发电系统，用于向所述功率变换电路进行供电；
10.所述功率变换电路，用于在所述控制单元的控制下为所述电解槽提供功率输出。
11.进一步地，所述功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线是制氢量和电流的非线性曲线；
12.其中，一个制氢量对应一个功率变换电路-电解槽效率最大的电流值，当整个系统运行在这条最优曲线时，表示进入最优效率曲线控制模式。
13.进一步地，所述功率变换电路还用于在输入功率发生波动或者变化时，切换至直流侧电压稳定控制模式，保证电解槽的直流供电品质。
14.进一步地，所述制氢量的变换根据生产负荷对氢气需求量的变换而变化。
15.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于如第一方面所述的电解水制氢的功率变换控制系统的电解水制氢的功率变换控制方法，包括：
16.s1、测量出不同类型电解槽的等效电路参数；
17.s2、根据不同类型电解槽的等效电路参数，拟合出功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线，输入控制单元；
18.s3、当制氢量发生变化时，按照调整后的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线调整输出电流；
19.s4、当输入功率发生波动或者变化时，应切换至电压稳定控制。
20.进一步地，所述功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线是制氢量和电流的非线性曲线；
21.其中，一个制氢量对应一个功率变换电路-电解槽效率最大的电流值，当整个系统运行在这条最优曲线时，表示进入最优效率曲线控制模式。
22.进一步地，所述制氢量的变换根据生产负荷对氢气需求量的变换而变化。
23.进一步地，以获取系统效率最大值为目标，采用最优效率曲线和电压稳定控制两种模式分别处理输出、输入对系统的影响。
24.由上面技术方案可知，本发明实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统及方法，适用于电解水制氢的功率变换场合，以及大电流电源-负荷之间的高效电能变换场合，以获取系统效率最大为目标进行控制，从而可以提高功率变换电路-电解槽的整体效率，是一种高效的新能源发电电解水的功率变换控制系统及方法。
25.此外，本发明实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统及方法，当输入功率发生波动或者变化时，会自动切换至电压稳定控制。由此可见，本发明实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统及方法，以获取系统效率最大最为目标，同时可以实现新能源发电电能波动等场合，提高了功率变换电路-电解槽的整体效率，是一种高效的新能源发电电解水的功率变换控制系统及方法。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明一实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统的结构示意图；
28.图2是本发明一实施例提供的电解水制氢的功率变换控制方法的流程图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
30.本发明是一种全新的功率变换系统和控制方法，主要解决电解水制氢的系统效率提升问题。具体地，本发明提供了一种电解水制氢的功率变换系统及其控制方法，应用于电解水制氢的功率变换场合，以及大电流电源-负荷之间的高效电能变换场合，以及风光等新能源发电的波动性电能发电电解水制氢场合。下面将通过具体实施例对本发明提供的方案进行解释说明。
31.图1是本发明一实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统的结构示意图；图2是本发明一实施例提供的电解水制氢的功率变换控制方法的流程图。如图1和图2所示，本发明实施例提供的电解水制氢的功率变换控制系统，包括：最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元1、控制单元2、通讯单元3、等效电路参数测量单元4、新能源发电系统5、功率变换电路6和电解槽7；
32.所述等效电路参数测量单元，用于测量不同类型电解槽的等效电路参数；
33.所述最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元，用于根据不同类型电解槽的等效电路参数，拟合出功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线；
34.所述控制单元，用于接收所述最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元发送的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线，并根据所述曲线控制所述功率变换电路以及电解槽的制氢量为所述电解槽提供功率输出，以实现功率变换电路-电解槽最优效率曲线输出电流；
35.所述新能源发电系统，用于向所述功率变换电路进行供电；
36.所述功率变换电路，用于在所述控制单元的控制下为所述电解槽提供功率输出。
37.进一步地，基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线是制氢量和电流的非线性曲线；这个曲线通过测量不同类型电解槽的等效电路参数，然后根据不同类型电解槽的等效电路参数拟合出功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线。
38.在本实施例中，需要说明的是，电解槽负荷作为功率变换电路的供电对象，其效率与输入电流相关，而输入电流又与电解槽的等效电路相关。
39.最优效率可以理解为制氢量/电量的最大值，而同一个制氢量下，可能存在不同的系统配置，但是只有一个配置是对应的电量最小的，或者是电流最小的。
40.最优效率曲线通过实际测试获得。在功率变换电路和电解槽不变的情况下，由功率变换电路给出不同的输入电流到电解槽，然后测试电解槽等效电路参数和实际效率，得出电流-效率曲线，再根据上面的说明拟合出最优效率曲线。
41.然后，在电解槽实际工作过程中，根据制氢量的需求，查询效率最优曲线，就可以得到对应的电流，同时实现效率最大化。
42.其中，一个制氢量对应一个功率变换电路-电解槽效率最大的电流值，当整个系统运行在这条最优曲线时，表示进入最优效率曲线控制模式。
43.进一步地，基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述功率变换电路还用于在输入功率发生波动或者变化时，切换至直流侧电压稳定控制模式，保证电解槽的直流供电品质。
44.进一步地，基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述制氢量的变换根据生产负荷对氢气需求量的变换而变化。
45.在本实施例中，需要说明的是，本实施例应用于电解水制氢的功率变换场合，以及大电流电源-负荷之间的高效电能变换场合，以获取系统效率最大最为目标，同时可以实现新能源发电电能波动等场合，提高了功率变换电路-电解槽的整体效率，是一种高效的新能源发电电解水的功率变换控制系统。如图1所示，1是最大功率传输效率的电解槽负荷曲线计算单元，2是控制单元，3是通讯单元，4是等效电路参数测量单元，5是新能源发电系统，6是功率变换电路，7是电解槽。其中，1与2连接，且1作为初始计算值；3与2连接，4与7连接，并通过3与2实现数据交互；6与5、2连接。与该系统对应的控制方法流程图如图2所示。
46.可以理解的是，当制氢量发生变化时，可以提供最大功率传输效率的电解槽负荷曲线将发生改变，此时要求功率变换电路按照调整后的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线调整输出电流，进而实现功率变换电路-电解槽最优效率曲线输出电流。而当输入功率发生波动或者变化时，功率变换电路应切换至直流侧电压稳定控制模式，保证电解槽的直流供电品质。
47.需要说明的是，制氢量的变换根据生产负荷对氢气需求量的变换而变化。功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线是制氢量和电流的非线性曲线。可见，某一制氢量对应一个功率变换电路-电解槽效率最大的电流值，当整个系统运行在这条最优曲线时，也就是进入了最优效率曲线控制模式。
48.在本实施例中，功率变换电路的直流侧电压稳定控制是在输入功率发生变换或波动时采取的控制方法，主要目的是保持电源稳定，降低电源侧对电解槽的影响。可见，以获取系统效率最大最为目标，采用最优效率曲线和电压稳定控制两种模式分别处理输出、输入对系统的影响。
49.本发明另一实施例提供了一种基于如上面实施例所述的电解水制氢的功率变换控制系统的电解水制氢的功率变换控制方法，如图2所示，该方法包括如下处理过程：
50.s1、测量出不同类型电解槽的等效电路参数；
51.s2、根据不同类型电解槽的等效电路参数，拟合出功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线，输入控制单元；
52.s3、当制氢量发生变化时，按照调整后的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线调整输出电流；
53.s4、当输入功率发生波动或者变化时，应切换至电压稳定控制。
54.在本实施例中，可以理解的是，所述功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线是制氢量和电流的非线性曲线；
55.其中，一个制氢量对应一个功率变换电路-电解槽效率最大的电流值，当整个系统运行在这条最优曲线时，表示进入最优效率曲线控制模式。
56.在本实施例中，可以理解的是，所述制氢量的变换根据生产负荷对氢气需求量的变换而变化。
57.在本实施例中，可以理解的是，以获取系统效率最大值为目标，采用最优效率曲线和电压稳定控制两种模式分别处理输出、输入对系统的影响。
58.由以上技术方案可知，本发明涉及一种电解水制氢的功率变换电路及其控制方法，应用于电解水制氢的功率变换场合，以及大电流电源-负荷之间的高效电能变换场合，以及风光等新能源发电的波动性电能发电电解水制氢场合。功率变换电路包括：功率变换
电路、控制单元、等效电路参数测量单元、通讯单元等。方法包括：当制氢量发生变化时，可以提供最大功率传输效率的电解槽负荷曲线将发生改变，此时要求功率变换电路按照调整后的功率变换电路-电解槽负荷最优效率曲线调整输出电流，进而实现功率变换器-电解槽最优效率曲线输出电流。而当输入功率发生波动或者变化时，功率变换器应切换至直流侧电压稳定控制模式，保证电解槽的直流供电品质。该发明以获取系统效率最大最为目标，同时可以实现新能源发电电能波动等场合，提高了功率变换电路-电解槽的整体效率，是一种高效的新能源发电电解水的功率变换控制方法。
59.此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
60.此外，在本发明中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。