对电化学设备进行基于需求的闭环控制的方法与流程

1.本发明涉及一种用于对电化学设备进行基于需求的闭环控制的方法，该电化学设备包括多个模块和控制单元，每个模块由控制单元单独控制并被提供模块特定工作电流，以便每个模块生成单独的产物流，产物流并行相连的各个模块的产物流被合并以形成设备的总产物流。


背景技术：

2.化学设备的能源需求占整个工业能源需求的很大一部分，因此出于经济和生态原因，对降低化学设备的能源需求存在明显的兴趣。
3.特别能源密集型设备参考的一个示例是电解设备，诸如水电解或氯碱电解设备。此类设备的核心是串联连接的电池，这些电池形成模块-也称为堆块。此类结构也用于燃料电池或电池技术。在典型的大型化学设备中，大量此类模块并行运行以生成所需的总产物流，例如材料流或电流，即以对电化学设备执行基于需求的闭环控制。如果设备的总产物流完全由可再生能源满足，则需要设备足够灵活。设备的高度灵活性确保由可再生能源提供的广泛变化的电力可以尽可能全面和快速地转化为总产物流。作为积极的作用，这种灵活型的设备还可以用于以有效和实用的方式缓冲由强风或强烈太阳辐射引起的电力峰值，以保持电网稳定性。在这方面，此类设备既要特别节能，又要能够尽可能灵活地做出反应。
4.文献ep2350352b1公开了一种用于从风力发电电解生产氢气的电力输送系统以及一种用于控制来自风电场的电能分配到多个电解模块以用于生产氢气的方法。所使用的控制系统被设计成使模块利用率尽可能接近由风电场提供的电能水平——这在风强度大幅度波动的情况下尤其成问题——因此使用尽可能高比例的可再生能源用于生产氢气。为此，各模块的工作电流基于由风电场生成的可用直流电力来选择，以便能够将尽可能高比例的风能投入到氢气生产中。
5.此种设备的缺点是它们远离其最佳能效工作点运行，因此此类现有设备的总功耗增加，这既不经济也不环保。特别是，在现有技术中对已知的系统或此种系统的闭环控制中，各个模块的各自使用年限特征和操作模式对整个设备的效率有相当大的影响，从而影响其整体功耗，然而它们却被忽略了。


技术实现要素：

6.在这方面，本发明的目的是提出一种对电化学设备进行基于需求的闭环控制的方法，该方法的特点是总功耗最小、最经济且最生态的操作、以及高度的灵活性，以应对广泛波动的总产物流需求。
7.该目的是通过开头提到的一般性的方法实现的，其特征在于，当满足启动条件时，由控制单元执行以下步骤：
[0008]-记录当前总产物流需求；
[0009]-记录电化学设备的各个模块的当前效率，该当前效率取决于各模块相应的工作
电流与产物流的比率；
[0010]-确定操作就绪模块；
[0011]-根据各模块的效率与当前总产物流需求，从允许的模块特定目标工作电流范围内为各个操作就绪模块确定模块特定目标工作电流，以保障当前总产物流需求；
[0012]-将各操作就绪模块的工作电流设置为所确定的模块特定目标工作电流。
[0013]
在本发明的上下文中讨论的模块的特征在于它们可以根据它们的效率来表征。此种模块可以是例如电解模块，其电流-电压特性代表此模块的一系列不同的工作点。此外，各模块的老化过程也反映在电流-电压特性中，因为较旧且因此较低能效的模块需要更高的电压来提供相同的电流或产物流。
[0014]
根据本发明的方法的基本特征在于：要经受基于需求的闭环控制的化学设备除了包括各个模块之外，还包括控制单元，该控制单元被设计为单独地激活各个模块。该激活尤其涉及控制单元为每个模块提供模块特定工作电流。该设备以如下方式设计：使得设备中各个模块的产物流被合并成总产物流。
[0015]
根据本发明的方法的特征在于：如果满足启动条件，则由控制单元执行以下步骤。
[0016]
当前总产物流需求被记录。这在化学设备要满足总产物流需求的意义上是必要的。
[0017]
此外，每个模块的效率被记录。这表明了根据本发明的方法中为了能够尽可能有效地对化学设备进行闭环控制而进行的一个必要步骤。模块特定效率取决于该模块的模块特定工作电流与相应的所生成的产物流的比率。模块的效率不是恒定的，而是取决于例如模块的老化或还取决于工作温度。
[0018]
此外，作为根据本发明的方法的一部分，设备的可用模块被记录。特别地，也可以只考虑操作就绪模块：有缺陷或正在进行维护的模块不能对总产物流需求做出贡献，因而被忽略，因此如果可能的话，这些模块的缺失贡献必须由操作就绪模块来补偿。非操作就绪模块被分配了基本上为零的模块特定目标工作电流，因而此类模块被有效地关断。根据本发明，可以规定，通过识别模块，不仅可以确定模块本身，而且可以确定总产物流。此信息对于执行对设备的闭环控制，例如，对于缓冲过多的能量(特别是可再生能源)供应，是有价值的。作为优选改进的一部分，可以规定各个模块将以例如110％的过载运行一段时间，以便对电网稳定性做出特别高的贡献。
[0019]
在根据本发明的方法的另一步骤中，模块特定目标工作电流被确定以便满足总产物流需求。这是以特定于模块的方式确定的——换句话说，该方法规定为每个模块分配单独的目标工作电流。目标工作电流选自允许的模块特定目标工作电流范围。此范围的下限例如由使模块完全投入运行所需的目标工作电流给出。目标工作电流的上限例如由模块在其最大利用率的限制下运行而不会导致过度损坏(即超出正常老化效应)的电流给出。
[0020]
然而，模块特定目标工作电流并不是仅仅在维持目标工作电流的允许范围和满足总产物流需求的基础上确定。替代地，模块特定目标工作电流根据各模块的效率和当前总产物流需求来确定。虽然目标工作电流对总产物流需求的依赖性仅仅是因为在为各模块提供特定目标工作电流和所生成的总产物流之间存在直接依赖性——因此目标工作电流必须总是根据总产物流需求来确定——但是各模块的目标工作电流对该模块的效率的依赖性表明了重要的依赖性。在确定目标工作电流时对各模块的效率的这种考虑使得可以以特
别有利的方式以节能模式运行设备。
[0021]
在各模块的工作电流已经被设置为所确定的该模块的特定目标工作电流以便以节能方式满足总产物流需求之后，根据本发明的方法可以例如通过控制单元为设备监控存在新的启动条件而重新从头开始。
[0022]
因此，根据本发明的方法不仅使得能够进行节能运行，而且对电化学设备进行的基于需求的闭环控制满足总产物流需求也对电网稳定性做出重大贡献，因为由于能量(特别是从可再生能源获得的能量)供应过剩引起的电压和/或电流峰值可以通过以下手段而得以缓冲：按照为此目的使用特定量的电能(具体地，要缓冲的能量)的方式来选择由根据本发明的方法生成的总产物流或总产物流需求。
[0023]
在根据本发明的方法的改进中，为了确定模块特定目标工作电流，各个模块根据它们当前的效率水平被排序，并根据所得顺序被升高或降低，直到满足当前总产物流需求。因此，在增加总产物流需求的情况下，为最高效率的模块提供更高的目标工作电流，或在减少总产物流需求的情况下，为最低效率的模块提供更低的目标工作电流。这确保了当前特别高效的模块以高利用率或目标工作电流运行，并且低效率的模块以低利用率或目标工作电流运行。
[0024]
根据模块的效率对模块进行排名或排序以有序地升高或降低模块特定目标工作电流可能非常耗时，因此关于满足广泛波动的总产物流需求方面的灵活性不再得到保证。该问题可以通过根据本发明的优选改进，使用根据n*log(n)缩放的算法最小化排序n个模块所需的时间来解决。例如，可以使用所谓的快速排序(quicksort)算法作为排序算法，其按上述方法进行缩放，并允许根据本发明的方法对总产物流需求的变化做出足够快速的反应，即使在应用于具有大量模块的设备时也能进行。
[0025]
根据本发明的优选改进，为了确定模块特定目标工作电流(im)，各个模块(m)根据模块特定生命周期参数被排序并且根据所得顺序被升高或降低，直到满足总产物流需求(b)的当前值。生命周期参数是根据各模块的当前效率和考虑了电化学设备的维护成本的校正项计算的。通过考虑维护成本，设备的运行在运行总成本(总拥有成本)方面得到改进。校正项产生了与设备当前最有效工作点的偏差，这允许模块在效率方面的不均匀的老化。设备的维护成本取决于设备的运行模式。例如，可以只需在指定维护间隔检查设备并避免停工或停机来降低维护成本。为了降低维护成本，在维护间隔期满之后而设备仍在运行期间，定期地维护或更换部分模块，例如10％至25％的模块，因此是有益的。为此，如果要更换的模块比设备的其他模块具有更高的老化程度并因此具有更低的效率，则是有益的。在维护或更换之后，确保不仅仅最近维护的模块由于其更高的效率而用于部分负载操作也是有益的。这些优点是通过考虑设备的维护成本的校正项来实现的。
[0026]
校正项优选地根据在先前生命周期期间流过相应模块的总电荷量和/或根据相应模块的使用年限和/或根据相应模块在电化学设备中的位置来确定。不同的老化过程活跃在模块的电化学电池中，需要在某个时间点进行维护或更换。一组老化效应主要取决于流过模块的电荷总量。这包括例如，隔板的离子电导率下降和电极涂层的质量。其他老化效应，例如腐蚀效应，主要取决于模块的使用年限。通过考虑模块在电化学设备中的位置，还可以控制要维护或更换的模块例如在设备的区块或区段内的在空间上尽可能集中的程度。这样，可以进一步降低维护成本。
[0027]
用于满足总产物流需求的操作就绪模块的模块特定目标工作电流优选地使用对每个单独模块可实现的效率的预测计算并假设相应模块特定工作电流的逐步变化来迭代地确定的。迭代方法非常适合在变化的运行条件下优化复杂的设备，因为其允许从当前运行状态开始快速有效地适应变化的条件。
[0028]
迭代优选地基于贪心算法，即这样一种算法，其逐步地选择序列中保证设备的效率在该选择时具有最佳变化的下一状态。
[0029]
迭代优选地以自适应步长来执行，该自适应步长根据总产物流与总产物流需求的当前偏差来选择。这允许通过迭代实现的最终状态就理论最优值而得到改进。
[0030]
在优选的改进中，在确定模块特定目标工作电流时，各模块的效率以加权因子被加权，该加权因子取决于模块特定工作电流与所有模块的模块特定工作电流的总和的比率。由于考虑了单个模块的效率变化对整体效率的影响，这使得化学设备可以更接近其最佳能效运行。
[0031]
在对化学设备的实际操作中，基于对根据本发明的方法的改进，关注点不仅在于良好的能效，而且在于能够足够快速地处理总产物流需求的广泛波动；因此，在于以足够的灵活性使设备的利用率适应广泛变化的需求的能力。这作为根据本发明的方法的改进的一部分通过控制单元为所有模块分配对应于基础负载的最小工作电流来实现。此外，最小工作电流确保所有模块，例如电解设备的模块，保持在最低温度，这使能所有模块具有一定的最低效率。否则，冷的电解模块由于其低效率可能不会被控制单元考虑，导致可能无法满足总产物流需求。
[0032]
在根据本发明的方法的优选实施例中，控制单元是设备控制单元。仅出于安全原因，几乎所有的化学设备都需要此种设备控制单元，这意味着不需要额外的控制硬件来执行根据本发明的方法。除了上述关于设备的节能运行的优点之外，这使得根据本发明的方法的使用在广泛的化学设备中特别有吸引力。
[0033]
根据本发明的方法步骤在满足启动条件的情况下才被执行。此启动条件可以是当前生成的产物流与总产物流需求偏离预定量的事实。此启动条件将能够应对模块的波动的效率(其导致变化的总产物流)以及变化的总产物流需求。个别模块的投运或停运也可以被视为可能的启动条件。例如，如果个别模块出于维护目的而暂停服务，则这些模块将不再可用于满足总产物流需求。通过提供上述启动条件，根据本发明的方法将已经暂停服务的模块视为未操作就绪，从而已经暂停服务的模块的贡献由另一个模块履行。这同样适用于已投运的其他模块，例如，当系统配备新模块时。
[0034]
在根据本发明的方法的另一实施例中，各模块的温度被控制单元确定为超了或低了可预定的最大量被用作启动条件。这意味着根据本发明的方法可以防止各模块过热，或防止各模块以比期望工作温度低的温度工作而不能提供最佳可能的效率。指定时间段的到期也可以被提供作为特别简单的启动条件。
[0035]
在根据本发明的方法的特别优选的改进中，电化学设备是水电解设备。由于能效在水电解设备中起着特别重要的作用，并且不同的模块有时会表现出巨大的效率差异和波动，因此根据本发明的方法当应用于水电解设备时，其优点可以特别明显。
[0036]
作为根据本发明的方法的另一实施例的一部分，可以基于电流-电压特性来确定各个模块的效率。例如，对于电解模块或电池，可以是这种情况。电解模块或电池模块的效
率越高，在特定目标工作电流下的工作电压就越低。例如，模块的老化表现为电流-电压特性沿纵坐标向更高电压偏移。
[0037]
在根据本发明的方法的优选改进中，各个模块的效率被存储在控制单元中作为模块老化的记载。这产生如下优点：模块老化被连续记录，并且新模块的采购或旧模块的翻新可得以及时启动。这有效地防止了模块故障和模块因过度老化而导致的低效运行。此外，此存储功能使得向冷的并因此低效的模块分配最新存储的效率值变得特别简单，因此与使用冷的模块的效率的情况相比，通过将电化学反应的温度依赖性考虑进来，为模块的效率提供了更实际的值。
[0038]
优选地，控制单元中的测得的效率作为数据点被添加到模块特定模型中，用于预测相应模块的当前电流-电压特性。随着模块老化，数据点的添加更新了模型。用于预测当前电流-电压特性的模型允许预测和考虑各个模块在任何工作点的效率。
[0039]
在根据本发明的方法的另一优选实施例中，特定模块以预定平衡工作电流被供电预定时间以提高操作就绪模块的效率，并且在确定模块特定目标工作电流时考虑了此预定平衡工作电流。该平衡工作电流允许更准确地确定各模块的各自效率，进一步提高了方法的准确性。
[0040]
本发明的优选改进从从属权利要求、以下描述和附图中获得。
附图说明
[0041]
在下文中，基于示例性实施例并参考附图更详细地描述了本发明。在附图中：
[0042]
图1：示出了根据本发明的方法的方法步骤的图示；
[0043]
图2：示出了根据本发明的优选改进方法的方法步骤的图示，其中模块根据其当前效率被排序并且根据所得顺序被升高或降低；
[0044]
图3：示出了根据本发明的替代的优选改进方法的方法步骤的图示，其中确定的模块特定目标工作电流通过乘以加权因子被修改；和
[0045]
图4：示出了根据本发明的方法基于水电解设备的示意图，该水电解设备包括控制单元和多个并行相连的模块，该多个模块由串行相连的电解电池形成。
[0046]
在各个图中，相同的部件总是用相同的附图标记表示并且因此通常在每种情况下仅被命名或提及一次。
具体实施方式
[0047]
根据本发明的用于对电化学设备进行基于需求的闭环控制的方法可以应用于一种设备，该设备包括多个模块和控制单元。每个模块由控制单元单独控制，并被提供模块特定工作电流。通过为各模块提供工作电流来生成产物流。例如，在氯碱电解情况下，此产物流可以包含氯和苛性钠，或在水电解情况下，此产物流可以包含氢气。如果设备是电池的形式，则产物流仅是电流。在任何情况下，由各个模块生成的产物流被合并以形成总流。
[0048]
在图1中，由控制单元执行的必要方法步骤被示意性地可视化。如果满足启动条件，则方法步骤包括：
[0049]
记录当前总产物流需求(1)。当前总产物流需求可能显著变化。总产物流需求可能出现非常大的波动，特别在电池情况中。
[0050]
一旦记录了总产物流需求，记录电化学设备的各个模块的效率(2)。该效率取决于各模块相应的工作电流与产物流的比率。
[0051]
在进一步的步骤中，识别模块(3)，特别是哪些模块是实际可用的。可选地，还可以识别操作就绪模块：非操作就绪模块是例如有缺陷的或出于维护目的而暂停服务的模块。非操作模块也可以例如在故障或维护活动期间被分配基本为零的固定工作电流。
[0052]
根据本发明的以下方法步骤涉及为各操作就绪模块确定模块特定目标工作电流以满足当前总产物流需求。模块特定目标工作电流从允许的模块特定目标工作电流范围中确定，这例如可以防止由于选择过高的工作电流而对模块造成损坏。替代地，模块特定目标工作电流根据该模块的效率和当前总产物流需求而确定(4)。考虑模块的效率是根据本发明的方法的重要步骤，因为这使得化学设备能够以接近最小化的总功耗点运行。
[0053]
在确定模块特定目标工作电流后，将各操作就绪模块的工作电流设置为所确定的模块特定目标工作电流(5)。
[0054]
根据本发明的方法的优选改进在图2中示意性地示出。该改进的特征在于，为了确定模块特定目标工作电流，各个模块根据它们的当前效率被排序并且根据所得顺序被升高或降低，直到满足当前总产物流需求(3a)。以该方式，在总产物流需求增加的情况下，可以为高效模块分配更高的工作电流，或者在总产物流需求减少的情况下，可以为低效模块分配更低的工作电流，从而降低设备的功耗。根据效率对模块进行排序是必要的，以便能够随后根据所得顺序对模块进行升高或降低。由于该排序可能涉及大量的计算工作或时间，根据本发明的方法的改进规定，为了对n个模块就效率进行排序，使用根据n*log(n)缩放的算法，因此即使对于具有大量模块的大型设备，也能确保可管理的计算时间。例如，这可以是快速排序(quicksort)算法。
[0055]
替代地——也在根据图2的方法图中被示出——为了在步骤(3a)中确定模块特定目标工作电流，各个模块可以根据模块特定生命周期参数被排序，并根据所得顺序被升高或降低，直到满足当前总产物流需求。生命周期参数是根据模块(m)的当前效率和考虑了电化学设备的维护成本的校正项来计算的。校正项优选地根据在先前生命周期期间流过相应模块的总电荷量和/或根据相应模块的使用年限和/或根据相应模块在电化学设备中的位置来确定。
[0056]
上述方法中用于满足总产物流需求(b)的操作就绪模块(m)的模块特定目标工作电流(im)优选地使用对每个单独模块(m)可实现的效率的预测计算并假设相应模块特定工作电流的逐步变化来迭代地确定的。贪心算法特别优选地用于该迭代。迭代优选地以自适应步长执行，该自适应步长根据总产物流与总产物流需求(b)的当前偏差来选择。
[0057]
当确定模块特定目标工作电流(im)时，模块(m)的效率优选地用加权因子被加权，该加权因子取决于模块特定工作电流与所有模块(m)的模块特定工作电流的总和的比率。这意味着在确定模块特定目标工作电流(im)时，已经考虑了单个模块的效率变化对整体效率的影响。
[0058]
根据本发明的方法的优选替代改进在图3中示出。在这种情况下，所确定的模块特定目标工作电流通过乘以加权因子来修改，该加权因子取决于模块特定工作电流和所有模块的模块特定工作电流的总和的比率(4a)。这使设备的工作点更接近其最佳能效。
[0059]
图4示出了根据本发明的方法基于水电解设备(e)的示意图，该水电解设备包括控
制单元(c)和并行相连的多个模块(m)，该多个模块(m)由并行相连的电解电池组成，用于生产氢气(h2)。控制单元(c)记录总产物流需求(b)并记录各个模块(m)的效率，根据各个模块(m)的效率对各个模块(m)进行排序并确定各个模块(m)的操作就绪情况(通过勾或叉指示)。然后各个模块的目标工作电流(im)被确定，被乘以加权因子，从而获得各个模块的经加权的目标工作电流(i
m,g
)，以使整个设备更接近其最大能效工作点。控制单元将各工作电流设置为经加权的目标工作电流(i
m,g
)，然后可以监控系统是否出现新的启动条件。
[0060]
参考符号列表
[0061]
1 记录当前总产物流需求
[0062]
2 记录模块效率
[0063]
3 识别模块
[0064]
3a 根据效率/生命周期参数进行排序和变化
[0065]
4a 将模块特定目标工作电流与加权因子相乘
[0066]
4 确定模块特定目标工作电流
[0067]
5 设置模块特定目标工作电流
[0068]
b 总产物流需求
[0069]
c 控制单元
[0070]
e 水电解设备
[0071]
m 模块
[0072]im 模块的目标工作电流
[0073]im,g 模块的经加权的目标工作电流