基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统及优化配置方法与流程

本发明涉及基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统及优化配置方法，属于电解水，尤其是电解槽配置。

背景技术：

1、随着可再生能源技术的不断发展，风光、光伏作为清洁、可再生的能源形式，受到了广泛的关注和应用，电力系统正逐步迈向高比例可再生能源交直流混联电网时代。在这一过程中，电力系统的转动惯量逐渐减少，用户侧可控负荷作为电力辅助服务的重要提供者，扮演着至关重要的角色，电解水制氢设备作为用户侧重要的可控负荷之一，具有显著的调节潜力和灵活性，能够积极响应电网调度指令或电力需求响应指令，为电力系统提供宝贵的辅助服务，同时，电解水制氢也是推动能源系统向清洁低碳、安全高效转型的关键技术，在新能源发展和交通工业脱碳方面展现出巨大的应用潜力。

2、然而新能源发电的间歇性和随机性的特点，导致电力调频、电力调峰等辅助服务的需求显著增加，使其对电解槽等用电设备的稳定运行提出了挑战。

3、由于风光能源的输出功率并非稳定不变，而是随天气、季节等因素频繁波动。忽略其负荷特性的电解槽配置难以在风光发电功率较高时充分利用电能，导致能源浪费；在发电功率较低时又可能无法满足电解槽的运行需求，影响制氢效率和稳定性。其次，由于传统的电解槽配置无法有效地适应风光发电的变化，电解槽可能会出现频繁的启停或低效率运行状态，增加了设备的损耗和维护成本。再者，不能与风光发电良好协同的电解槽阵列可能导致电网的功率波动增大，增加电网调度和平衡的难度，甚至可能引发电网故障。

4、因此，亟需基于风光发电负荷特性提供一种电解槽配置及优化方法，以实现对风光发电低负荷下电能的高效利用，同时保证电解槽系统的稳定运行和寿命均衡。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统及优化配置方法，通过合理配置的电解槽阵列，旨在最大化利用风光发电在低负荷状态下的电能输出量，从而提高电解槽系统的整体运行效率和稳定性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统，包括若干电解槽、气液分离系统、纯化系统以及储气装置，风光发电负荷通过电缆与若干电解槽连接，所述风光发电负荷产生的电能用于驱动若干电解槽进行电解水反应，电解槽的输出端均通过管道与匹配气液分离系统的输入端相连，气液分离系统的氢气输出端通过管道与纯化系统的输入端相连，纯化系统的输出端通过管道与储气装置连接；

4、所述的若干电解槽呈阵列并联排布；

5、作为本发明的进一步优选，针对风光发电负荷特性，设置若干台大型电解槽与若干台小型电解槽，若干台小型电解槽的功率总和等于一台大型电解槽的功率；

6、每台大型电解槽与一台气液分离系统连接，若干台小型电解槽同时与一台气液分离系统连接，每台气液分离系统与一台纯化系统连接；

7、作为本发明的进一步优选，设置9台大型电解槽，每台大型电解槽为1000 nm3/h电解槽；若干台小型电解槽包括1台500 nm3/h电解槽、2台为200 nm3/h电解槽，以及1台100nm3/h电解槽；

8、每产生1000 nm3/h的氢气配置1台气液分离系统；

9、作为本发明的进一步优选，阵列电解槽系统还包括控制器、变压器以及整流器，风光发电负荷产生的电能输入至变压器，变压器输出的交流电接入整流器，整流器将交流电转换为直流电后在控制器的调节和监控下输入至电解槽中，其中，控制器用于监测风光发电负荷的特性，并根据监测的特性控制呈阵列排布的电解槽的运行状态；

10、采用所述阵列电解槽系统的优化配置方法，阵列电解槽系统内，在风光发电的负荷为低负荷或中负荷时，若干电解槽的启动优先级为，优先启动100 nm3/h电解槽，其次启动200 nm3/h电解槽，接着启动500 nm3/h电解槽，最后启动1000nm3/h电解槽；

11、在风光发电的负荷为高负荷时，优先启动1000nm3/h电解槽；

12、若干电解槽运行时，当发电量达到单台电解槽运行负荷的100%时，将该台电解槽的运行负荷降低至50%，同时开启第二台电解槽，直至所有电解槽均达到运行负荷的50%；

13、若发电量继续提升，将发电量平均分配，直至所有电解槽运行负荷均达到100%；

14、作为本发明的进一步优选，基于权利要求3中设置的9台1000 nm3/h电解槽、1台500 nm3/h电解槽、2台为200 nm3/h电解槽，以及1台100 nm3/h电解槽，

15、1000 nm3/h电解槽最高运行负荷为5 mw，最低运行负荷为1 mw；

16、500 nm3/h电解槽最高运行负荷为2.5 mw，最低运行负荷为0.5 mw；

17、200 nm3/h电解槽最高运行负荷为1 mw，最低运行负荷为0.2 mw；

18、100nm3/h电解槽最高运行负荷为0.5 mw，最低运行负荷为0.1 mw；

19、作为本发明的进一步优选，当风光发电的负荷为低负荷，即负荷范围为0.1-1.5mw时；

20、若上游电力为0.1 mw，优先启动100 nm3/h电解槽，直至电力达到0.5 mw，此时将100 nm3/h电解槽的负荷降低至50%，即0.25 mw，剩余的0.25 mw分配至一台200 nm3/h电解槽；

21、电力持续输入，将200 nm3/h电解槽负荷提升至50%，即0.5 mw；若发电量继续提升，将发电量负荷平均分配，直至两台电解槽负荷均提升至100%；

22、此时开启一台气液分离系统以及一台纯化系统；

23、作为本发明的进一步优选，当风光发电的负荷为中负荷，即负荷范围为1.5-5 mw时；

24、若上游电力为1.5 mw，分配0.5 mw的电力至100 nm3/h电解槽，分配1 mw的电力至一台200 nm3/h电解槽；

25、电力持续输入，将200 nm3/h电解槽的50%负荷分配至另一台200 nm3/h电解槽；

26、电力继续输入，将电量负荷平均分配至两台200 nm3/h电解槽，直至一台100 nm3/h电解槽以及两台200 nm3/h电解槽负荷均提升至100%；

27、电力继续输入，将一台100 nm3/h电解槽以及两台200 nm3/h电解槽负荷的50%负荷分配至一台500 nm3/h电解槽；

28、电力继续输入，将电量负荷平均分配至一台100 nm3/h电解槽、两台200 nm3/h电解槽以及一台500 nm3/h电解槽，直至四台电解槽负荷均提升至100%；

29、此时开启一台气液分离系统以及一台纯化系统；

30、作为本发明的进一步优选，当风光发电的负荷为高负荷，即负荷范围为5-50 mw时；

31、若上游电力为5 mw，启动两台1000 nm3/h电解槽，每台分别分配2.5 mw电力；

32、电力继续输入，将其中一台1000 nm3/h电解槽负荷提升至100%后，分配50%的负荷至第三台1000 nm3/h电解槽，直至三台1000 nm3/h电解槽负荷均至50%；以此类推，直至九台电解槽负荷均至50%；

33、电力继续输入，将第九台1000 nm3/h电解槽负荷提升至100%后，分配第九台1000nm3/h电解槽50%的负荷至四台小型电解槽，直至四台小型电解槽的负荷均至50%；

34、电力继续输入，将电量负荷平均分配至所有电解槽，直至所有电解槽负荷均提升至100%；

35、每开启一台电解槽，即开启一台气液分离系统以及一台纯化系统，直至开启全部气液分离系统与纯化系统。

36、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

37、1、本发明提供的基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统，基于历史风光发电数据，分析风光发电的负荷特性，确定不同标方电解槽的配置台数以及排布模式，同时优化了电解槽与气液分离系统的连接方式，提高了系统整体自动化控制以及高效运行的能力；

38、2、本发明提供的优化配置方法，确定风光发电的低负荷时段和高负荷时段，基于风光发电负荷特性的阵列电解槽系统，根据电解槽的标方和功率特性，充分利用不同标方电解槽在低负荷和高负荷下运行效率以及稳定性的优势，合理配比不同容量的电解槽，达到负荷下限量的最大化，同时进一步提高了系统的整体运行效率以及稳定性。