一种海上风电制氢系统及其运行控制方法

1.本发明涉及一种海上风电制氢系统及其运行控制方法，属于新能源领域中的氢电耦合系统运行控制技术。


背景技术：

2.传统海上风电通常经过交流汇集然后直流送出，各机组由于直接电气耦合，面临着宽频带谐振、交流故障、直流故障等难题，且输电成本高昂，成为行业发展瓶颈，极大限制了其占比进一步提高。
3.此外，近年来，氢能得到了广泛关注，尤其可再生能源电解制氢成为行业热点。相较电气耦合而言，各制氢装置通过氢气管道互连，其动态耦合特性将会简单许多，各机组协同调控难度也会大大降低，系统稳定性问题等可以显著改善。
4.海上拥有充足的水资源，若能将风-电-氢有效协同起来，发展海上风电直接制氢技术，摒弃传统的电能外送模式而是采取氢能外送模式，可解决当前海上风电的困境，充分保证可再生能源的消纳。


技术实现要素：

5.本发明旨在提出一种新的海上风力资源利用模式，克服现阶段海上风力资源电力外送遇到的瓶颈。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种海上风电制氢系统，包括风电直接制氢装置，储氢罐，以及连接各风电制氢装置和储氢罐的氢气管道；所述风电直接制氢装置包含风机本体，机侧变流器以及海水电解槽；其中，风机本体用于将风能转化为交流电，机侧变流器用于将交流电转化为直流电，海水电解槽用于利用直流电将海水电解成为氢气，氢气经氢气管道储存至储氢罐。
8.进一步地，还包括副产品储存装置，用于收集和储存海水电解槽在电解制氢时产生的副产品。
9.进一步地，还包括中央调度系统，用于发出指令控制风电直接制氢装置的运行。
10.进一步地，所述中央调度系统包含分布式监控系统和中央控制器，以及连接分布式监控系统和中央控制器的以太网网络；其中，分布式监控系统用于采集风电直接制氢装置和储氢罐的运行状态信息；中央控制器用于依据分布式监控系统采集的信息发出指令控制风电直接制氢装置的运行。
11.进一步地，所述中央控制器还包括用于氢气安全预警和/或风力发电。
12.进一步地，风电直接制氢装置和储氢罐的运行状态信息包括：风速、风机出力、各风机并离网状态、储氢罐压力信息。
13.进一步地，所述依据分布式监控系统采集的信息发出指令控制风电直接制氢装置的运行具体为：根据储氢罐当前压力s和储氢罐允许最大压力s
max
将之间的差值发出功率指令，再按照电解槽功率-电压特性曲线，查表获得机侧变流器直流侧电压参考值u
ref
输入至
机侧变流器的控制器中，控制风电直接制氢装置运行。
14.进一步地，功率指令包括最大功率跟踪指令p
ref1
和接受上层调度指令p
ref0
，具体为：
15.1)若s≤s
th
,其中s
th
为储氢罐的安全限额
16.功率指令为
17.其中p
max
为风机可输出的大功率，ue是机侧变流器的直流侧电容电压，u
th
是阈值，u
max
表示机侧变流器的直流侧电容电压的最大值；
18.各风电直接制氢装置运行在最大功率跟踪模式；
19.2)若s》s
th
20.功率指令为
[0021][0022]
各风电直接制氢装置运行在限功率模式。
[0023]
一种上述海上风电制氢系统的运行控制方法，具体为：实时采集风电直接制氢装置和储氢罐的运行状态信息；
[0024]
根据储氢罐当前压力s和储氢罐允许最大压力s
max
将之间的差值发出功率指令再按照电解槽功率-电压特性曲线，查表获得机侧变流器直流侧电压参考值u
ref
输入至机侧变流器的控制器中，控制风电直接制氢装置运行。
[0025]
进一步地，所述控制器为pi控制器，所述pi控制器采用电压、电流双环控制，使得直流侧电容电压ue准确跟踪其参考值u
ref
，最终形成pwm信号控制机侧变流器。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
1)本发明采用风电直接电解海水制氢，然后通过氢气管道互连汇聚，利用船舶等运送氢气或相关化学副产品，开辟了新型海上风力资源利用模式，可有效避免海上风机直接电气互连而引发的系统宽频带谐振、交流故障、直流故障等难题。
[0028]
2)省去传统风机额外的网侧变流器(dc/ac)，系统电气结构得以简化；
[0029]
2)系统多机协同调控难度小，便于系统规模扩大，可实现100％风力消纳，具有广阔应用前景。
附图说明
[0030]
图1为海上风电制氢系统的组成示意图。
[0031]
图2为风电直接制氢装置的控制拓扑图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本方法作进一步详细描述：
[0033]
图1为由风电直接制氢装置，储氢罐，以及连接各风电制氢装置和储氢罐的氢气管道组成的海上风电制氢系统。该系统中，海上风力发电机通过机侧变流器连接海水电解槽，构成风电直接制氢装置；多台风电直接制氢装置通过氢气管道进行互连，且氢气管道连接
到储氢罐，构成互连系统；所述风电直接制氢装置包含风机本体，机侧变流器以及海水电解槽；其中，风机本体用于将风能转化为交流电，机侧变流器用于将交流电转化为直流电，海水电解槽用于利用直流电将海水电解成为氢气，氢气经氢气管道储存至储氢罐。最后，通过船舶等工具运输储氢罐到陆地，实现氢能利用。
[0034]
图2为风电直接制氢装置的运行控制方式。基于安全考虑，根据储氢罐当前压力s和储氢罐允许最大压力s
max
将之间的差值发出功率指令再按照电解槽功率-电压特性曲线，查表获得机侧变流器直流侧电压参考值u
ref
输入至机侧变流器的控制器中，如pi控制器，基于pi控制器的电压、电流双环控制，使得直流侧电容电压ue准确跟踪其参考值u
ref
，最终形成pwm信号控制机侧变流器，从而控制风电直接制氢装置运行。
[0035]
一般地，功率指令可以分为两类，最大功率跟踪指令p
ref1
和接受上层调度指令p
ref0
，根据不同的指令，风电直接制氢装置具有两种运行模式：接受上层调度指令p
ref0
，各风电直接制氢装置运行在限功率模式，接受最大功率跟踪指令p
ref1
，各风电直接制氢装置处于最大功率跟踪模式。
[0036]
另外，基于前述系统的运行控制方式，可组成包含分布式监控系统和中央控制器，以及连接分布式监控系统和中央控制器的以太网网络构成的中央调控系统。利用分布式监控系统可实现采集风速、风机出力、各风机并离网状态、储氢罐压力等风电直接制氢装置和储氢罐的运行状态信息；利用中央控制器可完成高速计算，在上述信息的基础上，中央控制器可实现系统功率调度、还可以进一步实现风力发电预测、氢气安全预警等功能。
[0037]
在系统功率调度方面，中央调度系统将实时采集储氢罐状态，根据储氢罐当前压力s和储氢罐允许最大压力s
max
之间的差值调节各风电直接制氢装置功率。在压力小于安全限额的情况下使其运行在最大功率跟踪模式；在压力大于等于安全限额s
th
的情况下使其运行在限功率模式，从而避免在高风速下直流侧电压过高而烧毁海水电解槽。
[0038]
关于压力安全的功率控制律如下：
[0039]
1)若s≤s
th
,其中s
th
可取0.8～0.9s
max
[0040]
其中p
max
为风机可输出的大功率，u
th
表示阈值，ue是机侧变流器的直流侧电容电压，u
max
表示机侧变流器的直流侧电容电压的最大值。
[0041]
各风电直接制氢装置运行在最大功率跟踪模式；
[0042]
2)若s》s
th
[0043][0044]
各风电直接制氢装置运行在限功率模式。
[0045]
进一步地，在海水电解槽利用直流电将海水电解成为氢气时，通常伴随次氯酸钠等副产品产生，因此，该系统还可以设置一副产品储存装置，用于收集和储存海水电解槽在电解制氢时产生的次氯酸钠等副产品，以便后续其他利用。
[0046]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或
变动仍处于本发明的保护范围。