CN114374220A - 一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电化学电池‑电解水制氢‑储氢‑氢燃料电池耦合储能***及控制方法，通过技术耦合拓展***的应用场景和效率；通过电化学电池耦合实现波动性电力的功率平滑和短期存储；通过电解水制氢‑储氢‑氢燃料电池耦合实现波动性电力的主动消纳和长期存储；通过电化学电池‑制氢***联合运行，提高制氢***供电和运行稳定性，延长使用寿命；同时电化学电池***可为制氢和氢燃料电池装置提供离网条件下启动电源，该耦合***适用于配合可再生能源发电场区应用，最大化可再生能源开发能力。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源技术领域，尤其是涉及一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***及控制方法。
背景技术
风电、光伏等可再生能源电力因其绿色环保、无枯竭危机、安全可靠、建设周期短等优势，成为我国能源转型的重要发展方向。然而可再生能源电力具有随机性、间歇性特征，造成其并网、调节、消纳、储存困难；同时可再生能源资源分布不均，电力外送通道建设滞后等因素，为可再生能源电力的进一步开发利用形成阻碍。
储能是改善大规模可再生能源出力特性、提升需求侧响应、削峰填谷和可再生能源电力消纳的有效途径。目前发展最快的两种储能技术包括电化学储能和氢储能。其中，电化学储能具有灵活配置、响应迅速和便于集成优点，然而其只能满足短期电能存储，并且不能主动消纳可再生能源电力。氢储能是基于电能和氢能之间通过电解水制氢技术和燃料电池技术实现清洁相互转换，制备氢气可以气、液、固形式稳定存储，被认为是实现电力的跨时段、跨区域、大规模存储的有效途径。
然而，可再生能源电力的波动性和间歇性，将对制氢***稳定运行造成冲击，碱性电解水制氢因运行机制限制仅在50%~100%额定功率范围内运行，在过高或过低功率下运行均存在风险。在功率波动情况下，碱性电解水制氢***响应时间在分钟以上；而对于质子交换膜电解水制氢，输入功率波动性对制氢***的催化剂和隔膜使用寿命造成影响，损害***运行稳定性。另一方面，氢燃料电池的相较于电化学电池启动时间和响应时间较慢，在***调频、提升电能质量等场景应用存在限制。因此需要提升耦合可再生能源电解水制氢***稳定性，同时拓展氢储能***应用场景。
发明内容
本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的缺陷，提供一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，包括电化学电池***、电解水制氢装置、氢气储存装置、氢燃料电池发电装置、AC/DC装置、DC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器、能量管理***；
所述电化学电池***通过AC/DC装置、变压器与场区AC母线双向连接，输出端通过DC/DC装置与电解水制氢输入端连接；
所述电解水制氢装置输入端同时通过AC/DC装置、变压器与外部输入AC母线连接；
所述氢气储存装置通过管道与电解水制氢装置和氢燃料电池发电装置连接；
所述氢燃料电池发电装置能够利用氢气储存装置输入氢气和环境输入空气产生直流电，并通过DC/AC装置、变压器与场区AC母线连接。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述电化学电池***可接受能量管理***调度选择性输出功率到场区AC母线或通过DC/DC装置输出功率到电解水制氢装置。
作为本发明的优选技术方案：所述电解水制氢装置能够独立或同时利用电化学电池***通过DC/DC装置变换输入功率以及外部AC母线通过变压器和AC/DC装置变化后输入功率工作，并将电能转换为氢气。
作为本发明的优选技术方案：所述能量管理***在并网条件下能够根据接入发电***功率，并网限制功率和***运行状态，实时对耦合储能***运行状态进行调节：
当接入发电***发电功率大于并网限制功率和电解水额定功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置将多余的电能转换为氢，同时电化学电池***处于充电状态；
当接入发电***发电功率小于或等于并网限制功率和电解水额定功率之和时，若电解水装置已在运行，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定，若电解水装置未启动，则调度电化学电池处于充电状态；
当接入发电***发电功率小于电解水额定功率时，能量管理***可调度电化学电池***为制氢***供电，维持电解制氢***输入功率稳定。
作为本发明的优选技术方案：所述能量管理***在离网条件下能够根据接入发电***功率，用户需求和***运行状态，实时对耦合储能***运行状态进行调节：
当接入发电***发电功率大于电解水制氢额定功率时，能量管理***调度电解水制氢装置将电能转换为氢，同时电化学电池***处于充电状态；若接入发电***发电功率介入电解水制氢额定功率和可运行功率之间时，则维持电解水制氢运行，电化学电池处于待机状态。
当接入发电***发电功率小于电解水可运行功率时，若电解水装置已在运行，电化学电池处于荷电状态，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定；若电化学电池处于枯电状态，则调度电化学电池处于充电状态。
作为本发明的优选技术方案：所述氢燃料电池发电装置输入端与电化学电池***输出端通过DC/DC装置连接，在氢燃料电池发电***启动时，辅助设备通过电化学电池***供电，当启动完成后，辅助设备可通过氢燃料电池发电自供电，从而实现***在电网断电条件下启动。
本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的缺陷，提供电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在并网条件下的控制方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
根据前文所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在并网条件下的控制方法，包括如下步骤：
电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***中能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率，并网限制功率和用户需求，对耦合储能***运行状态进行调节：在并网条件下，当接入发电***存在弃电时，耦合储能***启动；
1）、若弃电功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置在额定功率运行，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率大于或等于制氢额定功率，则制氢***在额定功率运行；
3）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于荷电状态，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定；；
4）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于枯电状态，则调度制氢***停止工作，电化学电池处于充电模式；
5）、若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率大于或等于制氢额定功率，则调度制氢***启动，电化学电池处于充电状态；
6）、若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，则维持制氢***不动作，调度电化学电池处于充电状态。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的缺陷，提供电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在离网条件下的控制方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
根据前文所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在离网条件下的控制方法，包括如下步骤：
电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***中能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率和***运行状态，对耦合储能***运行状态进行调节：在离网条件下：
1）、若接入发电***功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置在额定功率运行，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）、若接入发电***功率大于制氢额定功率，但不小于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，则制氢***在额定功率运行；
3）、若接入发电***功率大于电解水制氢***可运行功率，但小于制氢额定功率，则制氢***运行；
4）、若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于开机模式，若电化学电池处于荷电状态，则电化学电池为制氢***功率供电；若电化学电池处于枯电状态，则制氢***停机，电化学电池处于充电模式；
5）、若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于关机模式，则维持制氢***不动作，电化学电池处于充电状态。
本发明提供一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***及控制方法，通过技术耦合拓展***的应用场景和效率；通过电化学电池耦合实现波动性电力的功率平滑和短期存储；通过电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合实现波动性电力的主动消纳和长期存储；通过电化学电池-制氢***联合运行，提高制氢***供电和运行稳定性，延长使用寿命；同时电化学电池***可为制氢和氢燃料电池装置提供离网条件下启动电源，该耦合***适用于配合可再生能源发电场区应用，最大化可再生能源开发能力。
本发明可将光伏/风力发电等波动性电力，根据用户需求以电能和氢能形式短期或长期存储；同时当输入电能波动性较大时，通过电化学电池***和电解水制氢装置联合运行，提升制氢***输入功率稳定性；通过各***协调互动，提升可再生能源资源的开发能力。
与现有技术相比，本发明所提供的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***及控制方法具有如下优点：
（1）、相较于传统单一的电解水制氢***，在与可再生能源电力耦合“电转氢”过程，由于输入功率的波动性和间歇性，极大影响制氢***运行安全和稳定性，增大***能耗；本发明可在输入功率剧烈波动时，利用***内部电化学电池平抑制氢***输入功率波动，实现与波动性电源耦合的稳定“电转氢”过程。
（2）、相较于传统单一电化学电池储能***，在并网功率受限或外界负载功率不足，储能难以提高可再生能源消纳，本发明基于电解水制氢配备氢气存储和燃料电池***，使得***具备一定主动电力消纳能力，尤其适用于我国西北地区，可再生能源丰富但并网送出功率受限区域，有助于提高区域可再生能源开发能力。
（3）、相较于传统储能产品为单一的电能或氢能，本发明通过调控制氢和电化学电池配置和控制策略可实现储能产品为比例可调节的氢能和电能，应用场景更为丰富。
（4）、本发明中电化学电池***输出端和电解水制氢和氢燃料电池发电装置输入端通过DC/DC直流连接，简化***元件，减少电力电子变换造成的能量损耗，可实现***在离网下启动。
附图说明
图1为本发明所提供的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***的架构图。
图2为并网条件下电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***的控制方法流程框图。
图3为离网条件下电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***的控制方法流程框图。
图4为本发明所提供的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***的功率输出图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，包括电化学电池***、电解水制氢装置、氢气储存装置、氢燃料电池发电装置、AC/DC装置、DC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器、能量管理***。
电化学电池***通过AC/DC装置、断路器K1和变压器#1与场区AC母线双向连接；同时电化学电池输出端通过断路器K2、DC/DC装置与电解水制氢输入端连接，以及断路器K3、DC/DC装置与氢燃料电池输入端连接；电解水制氢装置输入端同时通过AC/DC装置、断路器、AC/DC装置和变压器#2与场区AC母线连接；氢燃料电池装置输出端通过DC/AC装置、断路器K5和变压器#3与场区AC母线连接；外部不稳定功率通过AC母线向耦合储能输入，同时***AC母线通过断路器K5控制***电网接入或外部负载接入。
电化学电池***可接受能量管理***调度选择性输出功率到***AC母线或通过DC/DC装置输出功率到电解水制氢装置。
电解水制氢装置能够独立或同时利用电化学电池***通过DC/DC装置变换输入功率以及场区AC母线通过变压器和AC/DC装置变化后输入功率工作，并将电能转换为氢气。
氢气储存装置通过管道与电解水制氢装置和氢燃料电池发电装置连接；氢燃料电池发电装置输出端通过DC/AC装置、变压器与***AC母线连接。
能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率，并网限制功率和用户需求，对耦合储能***运行状态进行调节：如图2所示，当K6处于闭合，即耦合储能***处于并网状态。在并网条件下，当接入发电***存在弃电时，耦合储能***启动；
1）当弃电功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时（ΔP-Ps> PH额+PE），能量管理***调度电解水制氢装置将多余的电能转换为氢，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率大于或等于制氢额定功率，则制氢***在额定功率运行，储能***充电功率PE =ΔP-Ps-PH额；
3）若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于荷电状态，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定；储能***放电功率PE= PH额-（ΔP-Ps）；
4）若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于枯电状态，则调度制氢***停止工作，电化学电池处于充电模式PE=ΔP-Ps；
5）若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率大于或等于电化学电池最大充电功率，则调度制氢***启动，电化学电池处于充电状态，充电功率PE= ΔP-Ps-PH额；
6）若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率小于电化学电池最大充电功率，则调度电化学电池处于充电模式，充电功率PE= ΔP-Ps。
能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率和***运行状态，对耦合储能***运行状态进行调节：如图3所示，当K6处于断开状态，即耦合储能***处于离网状态。在离网条件下：
1）若接入发电***功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时（ΔP> PH额+PE），能量管理***调度电解水制氢装置在额定功率运行，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）若接入发电***功率大于制氢额定功率，但不小于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时（PH额+PE ≥ ΔP > PH额），则制氢***在额定功率运行，电化学电池***充电功率PE =ΔP-PH；
3）若接入发电***功率大于电解水制氢***可运行功率，但小于制氢额定功率，则制氢***运行功率PH= ΔP；
4）若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于开机模式，若电化学电池处于荷电状态，则电化学电池为制氢***功率供电，放电功率PE= PH-ΔP；若电化学电池处于枯电状态，则制氢***停机，电化学电池处于充电模式PE=ΔP；
5）若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于关机模式，则维持制氢***不动作，电化学电池处于充电状态，充电功率PE= ΔP。
全文上下：ΔP为接入发电***功率，Ps为并网限制功率，PE为电化学电池充放电功率，PH为制氢***功率，PH额和PH min分别为制氢***额定和最小可运行功率。
更具体地，电化学电池-电解水制氢-储氢--氢燃料电池耦合储能***，包括15MW/30MWh电化学电池***，15MW电解水制氢***，100 m3 1.6 MPa筒形氢气存储装置，3000 kW氢燃料电池发电装置，及AC/DC装置、DC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器、能量管理***；该耦合储能***用于额定功率为100 MW的光伏场区配套储能：某日该光伏场区日出力曲线如图4所示，根据电网调度需求，在每日上午10时到下午14时，光伏并网功率PS=60 MW。
10：50~11：40，此时光伏场区发电功率60MW＜ΔP≤75 MW，此时能量管理***调度电化学电池***处于充电模式，充电功率PE=ΔP-PS。
11：40~12：20，此时光伏场区发电功率在75MW＜ΔP≤90 MW，此时能量管理***调度电解水制氢***以额定功率PH运行，氢气存储装置运作，将生产的氢气存储在储罐中，同时电化学电池***继续处于充电模式，充电功率PE=ΔP-PS-PH。
12：20~13：00，此时光伏场区发电功率60MW＜ΔP≤75 MW，此时能量管理***调度电解水制氢***在额定功率运行，同时调度电化学电池***处于放电模式，放电功率PE=PH+PS-ΔP。
13：00~13：25，此时光伏场区发电功率在75MW＜ΔP≤90 MW，此时电解水制氢***继续以额定功率PH运行,同时能量管理***调度电化学电池***继续处于充电模式，充电功率PE=ΔP-PS-PH。
13：25~14：00，此时光伏场区发电功率60MW＜ΔP≤75 MW，此时能量管理***调度电解水制氢***在额定功率运行，同时调度电化学电池***处于放电模式，放电功率PE= PH+PS-ΔP。
14：00以后，电解水制氢***停止工作，电化学电池***接受电网调度。
同时在电网断电情况下，能量管理***调度氢燃料电池发电装置利用氢气储存装置输入氢气和环境输入空气产生直流电，并通过DC/AC装置、变压器向场区AC母线供电；在氢燃料电池发电***启动时，辅助设备通过电化学电池***供电，当启动完成后，辅助设备可通过氢燃料电池发电自供电，从而实现***在电网断电条件下启动。
通过电化学电池-制氢-储氢的联合运行，可有效消纳光伏场区弃电电量，同时转化为氢产品，在波动性功率输入条件下，制氢***始终保持在额定功率附近工作，有助于提高其运行稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：所述电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***包括电化学电池***、电解水制氢装置、氢气储存装置、氢燃料电池发电装置、AC/DC装置、DC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器、能量管理***；
所述电化学电池***通过AC/DC装置、变压器与场区AC母线双向连接，输出端通过DC/DC装置与电解水制氢输入端连接；
所述电解水制氢装置输入端同时通过AC/DC装置、变压器与外部输入AC母线连接；
所述氢气储存装置通过管道与电解水制氢装置和氢燃料电池发电装置连接；
所述氢燃料电池发电装置能够利用氢气储存装置输入氢气和环境输入空气产生直流电，并通过DC/AC装置、变压器与场区AC母线连接。
2.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：所述电化学电池***可接受能量管理***调度选择性输出功率到场区AC母线或通过DC/DC装置输出功率到电解水制氢装置。
3.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：所述电解水制氢装置能够独立或同时利用电化学电池***通过DC/DC装置变换输入功率以及外部AC母线通过变压器和AC/DC装置变化后输入功率工作，并将电能转换为氢气。
4.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：在并网条件下，所述能量管理***能够根据接入发电***功率，并网限制功率和***运行状态，实时对耦合储能***运行状态进行调节：
当接入发电***发电功率大于并网限制功率和电解水额定功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置将多余的电能转换为氢，同时电化学电池***处于充电状态；
当接入发电***发电功率小于或等于并网限制功率和电解水额定功率之和时，若电解水装置已在运行，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定，若电解水装置未启动，则调度电化学电池处于充电状态；
当接入发电***发电功率小于电解水额定功率时，能量管理***可调度电化学电池***为制氢***供电，维持电解制氢***输入功率稳定。
5.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：在离网条件下，所述能量管理***能够根据接入发电***功率，用户需求和***运行状态，实时对耦合储能***运行状态进行调节：
当接入发电***发电功率大于电解水制氢额定功率时，能量管理***调度电解水制氢装置将电能转换为氢，同时电化学电池***处于充电状态；若接入发电***发电功率介入电解水制氢额定功率和可运行功率之间时，则维持电解水制氢运行，电化学电池处于待机状态。
6.当接入发电***发电功率小于电解水可运行功率时，若电解水装置已在运行，电化学电池处于荷电状态，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定；若电化学电池处于枯电状态，则调度电化学电池处于充电状态。
7.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***，其特征在于：所述氢燃料电池发电装置输入端与电化学电池***输出端通过DC/DC装置连接，在氢燃料电池发电***启动时，辅助设备通过电化学电池***供电，当启动完成后，辅助设备可通过氢燃料电池发电自供电，从而实现***在离网条件下启动。
8.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在并网条件下的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***中能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率，并网限制功率和用户需求，对耦合储能***运行状态进行调节：在并网条件下，当接入发电***存在弃电时，耦合储能***启动；
1）、若弃电功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置在额定功率运行，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率大于或等于制氢额定功率，则制氢***在额定功率运行；
3）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于荷电状态，则调度电化学电池处于放电模式为制氢***供电，维持制氢功率稳定；；
4）、若电解水装置处于开机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，电化学电池处于枯电状态，则调度制氢***停止工作，电化学电池处于充电模式；
5）、若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率大于或等于制氢额定功率，则调度制氢***启动，电化学电池处于充电状态；
6）、若电解水装置处于关机模式，同时弃电功率小于制氢额定功率，则维持制氢***不动作，调度电化学电池处于充电状态。
9.根据权利要求1所述的电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***在离网条件下的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能***中能量管理***能够实时监测各子***运行状态，并根据接入发电***功率和***运行状态，对耦合储能***运行状态进行调节：在离网条件下：
1）、若接入发电***功率大于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，能量管理***调度电解水制氢装置在额定功率运行，同时电化学电池***处于最大功率充电状态；
2）、若接入发电***功率大于制氢额定功率，但不小于制氢额定功率和储能电池最大充电功率之和时，则制氢***在额定功率运行；
3）、若接入发电***功率大于电解水制氢***可运行功率，但小于制氢额定功率，则制氢***运行；
4）、若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于开机模式，若电化学电池处于荷电状态，则电化学电池为制氢***功率供电；若电化学电池处于枯电状态，则制氢***停机，电化学电池处于充电模式；
5）、若接入发电***功率小于制氢可运行功率，同时制氢***处于关机模式，则维持制氢***不动作，电化学电池处于充电状态。
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