CN114481179A - 中压直流汇集型可再生能源发电制氢***及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制氢***技术领域，公开了一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***及其工作方法，所述的***包括可再生能源发电单元、中压直流母线、制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元，可再生能源发电单元通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接，制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元通过输出侧电能变换单元与中压直流母线连接。所述的方法包括如下步骤：进行启动；正常运行并进行动态功率调节；判断***是否停机。本发明解决了现有技术存在的大规模可再生能源发电与电解水装置的电能耦合问题，占用公共电网容量，煤电污染严重，稳定性和安全性差，连接线路电流过大，损耗过大，***效率过低，电缆造价过高的问题。
Description
技术领域
本发明属于制氢***技术领域，具体涉及一种中压直流汇集型可再生能源 发电制氢***及其工作方法。
背景技术
在化工、炼钢、交通等很多领域，无法使用电能。需要使用绿氢替代焦炭、 煤制氢、重油制氢、天然气制氢等有二氧化碳排放的生产方式，减少这些领域 的碳排放。因此需要大力发展大规模可再生能源发电制氢。
现有技术存在以下的问题：
1)大规模可再生能源发电(主要至风力发电、太阳能发电)的电解水制氢， 目前大部分采用公共交流电网连接，即风电、光伏发电接入公共交流电网，制 氢装置从公共交流电网取电。这种方式的缺点是：由于风电、光伏发电具有间 歇性和波动性，这种方法将占用公共电网容量和公共电网内的调峰机组容量， 并发生容量占用费；在风电、光伏不发电的时候(如夜间无风的时候)，采用 公共电网调峰机组发的电进行制氢。但公共电网的调峰机组一般考虑为煤电机 组。考虑到煤电的效率，用煤发的电进行电解水制氢，生产单位重量氢气的二 氧化碳排放约为煤化学制氢的3倍，不符合可再生能源发电制氢的初衷。所以，上述接入公共交流电网的方式，在未来不能大规模发展，以支持国家的碳减排 目标。
2)如果不采用上述方法，则可以采用交流微网离网制氢和直流微网离网制 氢两种方法。其中交流离网制氢存在以下问题：稳定性问题。交流***存在频 率稳定、功角(相位)稳定和电压稳定的三重稳定性问题，在没有公共电网支 撑的交流电网，这个问题尤其突出。故障穿越问题。交流***的断路器，在发 生短路时，故障切除时间为50ms-80ms，在这段时间内，整个电网电压极低。 在故障切除后，电网上的各设备各自搜寻电网电压相位，并根据搜寻到的相位 恢复运行。在这个过程中，一般会发生电网频率、相位、电压、电流的大幅波 动，进而导致电网崩溃。因此，采用交流微网离网制氢在稳定性和安全性上存 在很大的问题。
3)采用直流微网离网制氢，现有技术仅见到单个电解槽的小规模***，采 用低压(不超过直流1500V)互联。在大规模制氢***中，采用低压直流互联 将导致连接线路电流过大，损耗过大，***效率过低，连接线路电缆造价过高 的问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的大规模可再生能源发电与电解水装置的电能耦合 问题，占用公共电网容量，煤电污染严重，稳定性和安全性差，连接线路电流 过大，损耗过大，***效率过低，电缆造价过高的问题，本发明目的在于提供 一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***及其工作方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，包括可再生能源发电单元、 中压直流母线、制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元，可再生能源发 电单元通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接，制氢单元、储能单元以 及辅机及安全供电单元通过输出侧电能变换单元与中压直流母线连接。
进一步地，可再生能源发电单元包括风力发电装置和光伏发电装置，风力 发电装置和光伏发电装置通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接。
进一步地，输入侧电能变换单元包括升压型直流变压器和升压型整流器， 风力发电装置通过升压型整流器与中压直流母线连接，光伏发电装置通过升压 型直流变压器与中压直流母线连接。
进一步地，还包括输入侧中压保护单元，输入侧中压保护单元包括若干馈 入型中压直流保护模块，升压型直流变压器通过对应的馈入型中压直流保护模 块与中压直流母线连接，升压型整流器通过对应的馈入型中压直流保护模块与 中压直流母线连接。
进一步地，输出侧电能变换单元包括降压型直流变压器和双向型直流变压 器，中压直流母线通过对应的双向型直流变压器与储能单元连接，中压直流母 线通过串联设置的双向型直流变压器和逆变器与辅机及安全供电单元连接，且 中压直流母线通过对应的降压型直流变压器与制氢单元连接。
进一步地，还包括输出侧中压保护单元，输出侧中压保护单元包括若干双 向型中压直流保护模块和若干馈出型中压直流保护模块，中压直流母线通过对 应的双向型中压直流保护模块与双向型直流变压器连接，且中压直流母线通过 对应的馈出型中压直流保护模块与降压型直流变压器连接。
进一步地，储能单元包括飞轮储能装置和化学储能电池，制氢单元为制氢 电解槽，辅机及安全供电单元包括辅机供电模块和安全供电模块，辅机供电模 块连接有外部若干的电站辅机设备，安全供电模块连接有外部若干的安全级设 备。
一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***的工作方法，基于中压直流 汇集型可再生能源发电制氢***，包括如下步骤：
若***为完全无电状态，进行黑启动，否则进行正常启动；
启动后***进行正常运行，并进行持续的动态功率调节；
判断***是否停机，若是则结束工作，否则维持正常运行。
进一步地，进行黑启动的步骤为：
使用安全电源为安全级设备供电，并为储能单元充电；
使用安全电源和充电后的储能单元通过输出侧电能变换单元为中压直流母 线供电；
启动可投运的可再生能源发电单元通过中压直流母线为储能单元充电；
使用中压直流母线通过输出侧电能变换单元为辅机及安全供电单元供电；
基于正常运行的辅机及安全供电单元，启动制氢单元，并使用中压直流母 线为制氢单元供电。
进一步地，动态功率调节的具体方法为：采用电压下垂控制和集中调度控 制方式，对***的动态过程和稳定性进行调节；
电压下垂控制方式为：根据直流电网电压偏离基准值的幅度值和下垂系数 对***各装置的功率进行调节，其公式为：
Pt＝Pd*RangeLimit(K1*Vdc_err)
式中，Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；RangeLimit(·)为限幅函数； K1为下垂系数；Vdc_err为中压直流母线电压偏离基准值的幅度值；
集中调度控制方式为：根据制氢需要和***当前运行状态，对可再生能源 发电单元的发电装置和制氢单元的各制氢装置下达调度功率指令，根据调度功 率指令对装置的功率进行调节；
各可调装置的功率为下垂调节功率与调度功率指令之和，其公式为：
P＝Pt+Pd
式中，P为可调装置的功率；Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；
***停机的情况包括无电停机和指令停机，无电停机包括无电临时停机、 无电短期停机以及无电长期停机。
本发明的有益效果为：
本发明解决了大规模可再生能源发电与电解水装置的电能耦合问题，无公 共电网连接，不使用公共电网的煤电备用机组容量和有碳排放的煤电电量，不 占用公共电网容量，不发生公共电网容量费用，稳定性好，故障穿越能量强， 安全性高，传输损耗小，运行效率高，***造价低。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。
附图说明
图1是本发明中中压直流汇集型可再生能源发电制氢***的结构框图。
图2是本发明中中压直流电网拓扑结构的结构示意图。
图3是本发明中工作方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
实施例1：
如图1和图2共同所示，本实施例提供一种中压直流汇集型可再生能源发 电制氢***，包括可再生能源发电单元、中压直流母线、制氢单元、储能单元 以及辅机及安全供电单元，可再生能源发电单元通过输入侧电能变换单元与中 压直流母线连接，制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元通过输出侧电 能变换单元与中压直流母线连接。
工作原理：可再生能源发电单元采用清洁能源进行发电，避免了大规模使 用煤电造成环境污染的问题，可再生能源发电单元的发电机组发出的电能通过 输入侧电能变换单元进行直流升压，将其原先输出的1kV左右的低压升至20kV 中压并输入中压直流母线，中压直流，典型范围约为1.5kV～60kV，典型值20kV， 中压直流母线通过输出侧电能变换单元将将20kV中压降至1.5kV以下的低压并 输入制氢单元进行制氢工作，输入储能单元进行存储，在可再生能源发电单元 发电不足或中压直流母线电能不足时为***供电，辅机及安全供电单元连接有 外部的安全级设备和辅机，为电站制氢单元启动提供必要的设备条件和安全保 障。
作为优选，可再生能源发电单元包括风力发电装置和光伏发电装置，风力 发电装置和光伏发电装置通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接，输入 侧电能变换单元包括升压型直流变压器和升压型整流器，风力发电装置通过升 压型整流器与中压直流母线连接，光伏发电装置通过升压型直流变压器与中压 直流母线连接。
本实施例中，风力发电机出口是变频的交流电，对于永磁风机来说，一般 会设置一台AC/DC/AC的全功率风电变流器，将该变频交流电先完全变为直流， 然后变换为50Hz交流，连接电网。对于双馈风机来说，转子侧类似，定子侧直 接连接电网。本实施例采用的双馈风机，则应当增加定子侧AC/DC整流器，因 此风力发电装置的升压型整流器采用PWM整流器连接升压型直流变压器构成， PWM整流器将风力发电装置输出的交流电转换为直流电，再通过升压型直流变 压器进行升压。
风力发电装置和光伏发电装置均为清洁能源，风力发电装置包括若干风电 机组，升压型整流器将风电机组输出的交流电转换为直流电并进行升压，最后 输入中压直流母线，光伏发电装置包括若干光伏发电板，升压型直流变压器将 光伏发电板输出的直流电并进行升压，最后输入中压直流母线。
作为优选，还包括输入侧中压保护单元，输入侧中压保护单元包括若干馈 入型中压直流保护模块，升压型直流变压器通过对应的馈入型中压直流保护模 块与中压直流母线连接，升压型整流器通过对应的馈入型中压直流保护模块与 中压直流母线连接。
馈入型中压直流保护模块和升压型直流变压器一一对应，为相同数量的风 力发电装置和光伏发电装置提供保护，使中压直流母线构成的直流电网在外部 设备或者线路发生短路故障时，能够限制直流电网输出的短路电流并快速切除 短路故障，保障直流电网本体安全稳定连续运行。
作为优选，输出侧电能变换单元包括降压型直流变压器和双向型直流变压 器，中压直流母线通过对应的双向型直流变压器与储能单元连接，中压直流母 线通过串联设置的双向型直流变压器和逆变器与辅机及安全供电单元连接，且 中压直流母线通过对应的降压型直流变压器与制氢单元连接。
降压型直流变压器将中压直流母线输入的20kV中压降至1.5kV以下的低 压，输入制氢单元进行供电，由于储能单元在直流电网电能不足时需要向中压 直流母线进行供能，因此采用的双向型直流变压器实现储能单元与中压直流母 线的双向电能变换，一般地，设置降压型直流变压器为辅机及安全供电单元连 接的安全级设备和辅机设备进行供电，本实施例中，将辅机及安全供电单元连 接于储能单元使用的双向型直流变压器的低压侧，与储能单元共用直流变压器， 节约了硬件成本投入，减少了变压器的数量。
作为优选，还包括输出侧中压保护单元，输出侧中压保护单元包括若干双 向型中压直流保护模块和若干馈出型中压直流保护模块，中压直流母线通过对 应的双向型中压直流保护模块与双向型直流变压器连接，且中压直流母线通过 对应的馈出型中压直流保护模块与降压型直流变压器连接。
双向型中压直流保护模块和馈出型中压直流保护模块为制氢单元、储能单 元以及辅机及安全供电单元提供保护，使中压直流母线构成的直流电网在外部 设备或者线路发生短路故障时，能够限制直流电网输出的短路电流并快速切除 短路故障，保障直流电网本体安全稳定连续运行，馈出型和双向型根据连接的 单元功能不同进行选择。
作为优选，储能单元包括飞轮储能装置和化学储能电池，制氢单元为制氢 电解槽，辅机及安全供电单元包括辅机供电模块和安全供电模块，辅机供电模 块连接有外部若干的电站辅机设备，安全供电模块连接有外部若干的安全级设 备，安全供电模块可以采用氢燃料电池，其核心作用是在夜间无风等无发电电 源的工况下，依靠储氢装置中储存的氢气，维持安全级用电设备可靠运行。
安全级设备和辅机连接于储能单元使用的双向型直流变压器的低压侧，与 储能单元共用直流变压器。对于安全级设备，在可再生能源发电单元发电能力 不足时，需要采用额外的电源提供持续的电力供应。一般可以用化学储能电池、 备用柴油发电机组、蓄电池组，或者小容量公共电网供电。安全级设备一般连 接在储能单元使用的双向型直流变压器的低压侧，便于高压直流电网没有建立 时，为储能装置充电。
实施例2：
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上，提供一种中压直流汇集型可 再生能源发电制氢***的工作方法，基于中压直流汇集型可再生能源发电制氢 ***，包括如下步骤：
若***为完全无电状态，一般发生于***的初次投运，或者***在无光、 无风条件下停机后的重新启动，进行黑启动，否则进行正常启动；
启动后***进行正常运行，并进行持续的动态功率调节；
判断***是否停机，若是则结束工作，否则维持正常运行。
作为优选，进行黑启动的步骤为：
使用安全电源为安全级设备供电，并为储能单元充电至黑启动所需储能深 度；
使用安全电源和充电后的储能单元通过输出侧电能变换单元为中压直流母 线供电；
启动可投运的可再生能源发电单元通过中压直流母线为储能单元充电至期 望储能深度；
使用中压直流母线通过输出侧电能变换单元为辅机及安全供电单元供电；
基于正常运行的辅机及安全供电单元，启动制氢单元，并使用中压直流母 线为制氢单元供电；
根据***需求，启动更多的发电装置和更多的制氢装置。
作为优选，动态功率调节的具体方法为：动态功率调节的具体方法为：采 用电压下垂控制和集中调度控制方式，对***的动态过程和稳定性进行调节；
电压下垂控制方式为：根据直流电网电压偏离基准值的幅度值和下垂系数 对***各装置的功率进行调节，其公式为：
Pt＝Pd*RangeLimit(K1*Vdc_err)
式中，Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；RangeLimit(·)为限幅函数； K1为下垂系数；Vdc_err为中压直流母线电压偏离基准值的幅度值；
集中调度控制方式为：根据制氢需要和***当前运行状态，对可再生能源 发电单元的发电装置和制氢单元的各制氢装置下达调度功率指令，根据调度功 率指令对装置的功率进行调节；
各可调装置的功率为下垂调节功率与调度功率指令之和，其公式为：
P＝Pt+Pd
式中，P为可调装置的功率；Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；
***停机的情况包括无电停机和指令停机，无电停机指新能源发电侧因为 风力和光照条件不足导致的停机，指令停机指的是由于其它原因，人为要求停 机，无电停机包括无电临时停机、无电短期停机以及无电长期停机；
无电临时停机指由于临时失去风力条件和光照条件导致的停机，例如乌云 遮挡阳光或者风速突然降低。无电临时停机时，***按照功率平衡调度控制方 式，将所有的制氢电解槽的电解电源临时停机，辅机设备的压缩机临时停机， 其余辅机设备靠储能单元和安全供电***维持运行。停机期间，中压直流电网 保持运行状态。在之后的开机过程中，先启动可再生能源发电单元的发电装置， 补充储能单元的电量后，启动制氢单元。由于停机时间较短，启动制氢单元时， 无需重新预热。压缩机根据制氢单元的压力参数适时启动。
无电短期停机指诸如夜间无风情况下，在小时级别的时间长度上失去风光 条件的停机过程。无电短期停机时，***按顺序将压缩机、制氢电解槽的电解 电源停机，并按顺序将非必须持续运行的辅机设备停机，飞轮储能装置停机。 然后***维持最小电力负荷，由安全电源供电。停机期间，中压直流电网停止 工作，安全电源直接为安全负荷供电。全***在额定的氢气压力下维持待机状 态，并维持制氢电解槽等各设备的短期停机状态。发电条件再次就绪后，按照 黑启动过程的步骤启动***。
无电长期停机指因故障、检修、气候等原因，需要若干日以上连续停机的 过程。无电长期停机时，在执行无电短期停机过程后，按工艺流程对制氢*** 进行安全减压和氮气置换，对各***进行安全隔离操作，在寒冷地区，根据计 划停机期间的场站温度情况，对可能受冰冻影响的设备进行防冻处理，例如将 碱液从制氢电解槽退回抗冻储液罐等。再次上电过程为完整的黑启动过程。
指令停机过程根据指令的要求，执行上述停机过程中的部分或全部步骤。
本发明解决了大规模可再生能源发电与电解水装置的电能耦合问题，无公 共电网连接，不使用公共电网的煤电备用机组容量和有碳排放的煤电电量，不 占用公共电网容量，不发生公共电网容量费用，稳定性好，故障穿越能量强， 安全性高，传输损耗小，运行效率高，***造价低。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出 其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限 制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于 解释权利要求书。
Claims (10)
1.一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：包括可再生能源发电单元、中压直流母线、制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元，所述的可再生能源发电单元通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接，所述的制氢单元、储能单元以及辅机及安全供电单元通过输出侧电能变换单元与中压直流母线连接。
2.根据权利要求1所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：所述的可再生能源发电单元包括风力发电装置和光伏发电装置，所述的风力发电装置和光伏发电装置通过输入侧电能变换单元与中压直流母线连接。
3.根据权利要求2所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：所述的输入侧电能变换单元包括升压型直流变压器和升压型整流器，所述的风力发电装置通过升压型整流器与中压直流母线连接，所述的光伏发电装置通过升压型直流变压器与中压直流母线连接。
4.根据权利要求3所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：还包括输入侧中压保护单元，所述的输入侧中压保护单元包括若干馈入型中压直流保护模块，所述的升压型直流变压器通过对应的馈入型中压直流保护模块与中压直流母线连接，所述的升压型整流器通过对应的馈入型中压直流保护模块与中压直流母线连接。
5.根据权利要求1所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：所述的输出侧电能变换单元包括降压型直流变压器和双向型直流变压器，所述的中压直流母线通过对应的双向型直流变压器与储能单元连接，中压直流母线通过串联设置的双向型直流变压器和逆变器与辅机及安全供电单元连接，且中压直流母线通过对应的降压型直流变压器与制氢单元连接。
6.根据权利要求5所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：还包括输出侧中压保护单元，所述的输出侧中压保护单元包括若干双向型中压直流保护模块和若干馈出型中压直流保护模块，所述的中压直流母线通过对应的双向型中压直流保护模块与双向型直流变压器连接，且中压直流母线通过对应的馈出型中压直流保护模块与降压型直流变压器连接。
7.根据权利要求1所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：所述的储能单元包括飞轮储能装置和化学储能电池，所述的制氢单元为制氢电解槽，所述的辅机及安全供电单元包括辅机供电模块和安全供电模块，所述的辅机供电模块连接有外部若干的电站辅机设备，所述的安全供电模块连接有外部若干的安全级设备。
8.一种中压直流汇集型可再生能源发电制氢***的工作方法，基于如权利要求1所述的中压直流汇集型可再生能源发电制氢***，其特征在于：包括如下步骤：
若***为完全无电状态，进行黑启动，否则进行正常启动；
启动后***进行正常运行，并进行持续的动态功率调节；
判断***是否停机，若是则结束工作，否则维持正常运行。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：进行黑启动的步骤为：
使用安全电源为安全级设备供电，并为储能单元充电；
使用安全电源和充电后的储能单元通过输出侧电能变换单元为中压直流母线供电；
启动可投运的可再生能源发电单元通过中压直流母线为储能单元充电；
使用中压直流母线通过输出侧电能变换单元为辅机及安全供电单元供电；
基于正常运行的辅机及安全供电单元，启动制氢单元，并使用中压直流母线为制氢单元供电。
10.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于：动态功率调节的具体方法为：采用电压下垂控制和集中调度控制方式，对***的动态过程和稳定性进行调节；
电压下垂控制方式为：根据直流电网电压偏离基准值的幅度值和下垂系数对***各装置的功率进行调节，其公式为：
Pt＝Pd*RangeLimit(K1*Vdc_err)
式中，Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；RangeLimit(·)为限幅函数；K1为下垂系数；Vdc_err为中压直流母线电压偏离基准值的幅度值；
集中调度控制方式为：根据制氢需要和***当前运行状态，对可再生能源发电单元的发电装置和制氢单元的各制氢装置下达调度功率指令，根据调度功率指令对装置的功率进行调节；
各可调装置的功率为下垂调节功率与调度功率指令之和，其公式为：
P＝Pt+Pd
式中，P为可调装置的功率；Pt为下垂调节功率；Pd为功率调度指令值；
所述的***停机的情况包括无电停机和指令停机，所述的无电停机包括无电临时停机、无电短期停机以及无电长期停机。
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