一种耦合制氢系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种耦合制氢系统及其控制方法，属于新能源技术领域。该系统包括控制单元，以及与控制单元均连接且相互之间依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元，以由控制单元检测发电单元和制氢单元的所有工作参数并进行分析，控制能量管理单元和储气补气单元的动作。制氢单元产生的氢气进入储气补气单元中储存，控制单元控制储气补气单元在必要的情况下向制氢单元反补氢气。该控制方法包括三种运行模式：仅由风力发电装置和光伏发电装置供电；市电独立供电；以及市电、风力发电装置和光伏发电装置同时供电。本发明专利技术能够解决商业化制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度难题，成本低，安全性强，稳定性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源
，涉及一种制氢技术，尤其是一种耦合制氢技术。
技术介绍
氢气作为一种能源载体，极易燃烧，具备高效、无污染等特点，在一定程度上可替代传统化石能源，用于氢燃料电池汽车、备用基站电源、热电联供系统等新能领域。同时，氢作为一种化工原料，又可以用于炼油、化工、合成氨等传统工业领域，具有极广阔的用途。当前，主要的氢气来源主要来自于化石能源，包括水煤气制氢、天然气重整制氢、甲醇重整制氢等。此外，水电解制氢技术也很成熟，但由于其电价成本相对化石能源制氢成本高而未能大规模的应用；如果采用清洁能源如风、光发电来进行电解水制备氢气，则可以实现从氢气制备到使用全过程零碳排放，这种能源转换与利用方式可减少大气污染，改善空气质量，同时也解决了弃风弃光的问题。但是，由于风能和太阳能发电具有典型的波动性、随机性和间歇性，造成电能输出不稳定，从而对电解制氢设备的氢气纯度达不到要求，并且对制氢设备的安全和稳定使用造成极大的危害。申请号为201010538149.7的中国专利描述了一种风电制氢调控并网系统，主要是针对并网风电的利用和制氢后燃料电池发电反馈给电网的控制。申请号为201210057067.X的中国专利描述了一种非并网风电制氢装置，主要采用配置大容量蓄电池，作为功率平衡系统，解决电能波动性和间歇性的问题。上述现有技术虽然采用并网或配置大容量蓄电池的方法，解决电源的间歇性难题；但是，并网需要在大型风场才具备条件，配置蓄电池受到储存电量的制约，只能维持一小段时间的功率稳定，如果要配置和制氢功率完全匹配的蓄电池，成本非常昂贵。因此，通用性强，成本低，能够在不使用蓄电池的情况下，解决商业化电解水制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度难题，且安全性和稳定性高的制氢系统具有极强的研究意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制氢技术，以低成本的方式在不使用蓄电池的情况下，解决商业化制氢设备在宽功率波动的间歇性电源条件下的氢气纯度低的难题，且该过程安全性和稳定性高。为了达到上述目的，本专利技术的解决方案是：一种耦合制氢系统，包括控制单元，以及与所述控制单元均连接且相互之间依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元，以由所述控制单元检测所述发电单元和所述制氢单元的所有工作参数并进行分析，控制所述能量管理单元和所述储气补气单元的动作；所述发电单元包括至少两种能量来源类型不同的发电装置；能量管理单元包括均与所述控制单元连接的开关切换部分和整流部分，通过所述开关切换部分连接所述发电单元和所述整流部分，以在控制单元的控制下通过所述开关切换部分的连接变换调整所述整流部分的工作配合关系，得到制氢所需的电能；所述制氢单元产生的氢气进入所述储气补气单元中储存，所述控制单元控制所述储气补气单元在必要的情况下向所述制氢单元反补氢气。所述制氢单元为电解水制氢单元，包括电解水制氢装置和氢气纯化装置；所述制氢装置包括电解槽；所述必要的情况指的是所述纯化装置中的氢气含量低于设定值的情况。所述发电单元包括风力发电装置，和/或光伏发电装置，和/或市电，和/或潮汐发电装置。所述整流部分包括AC/DC整流模块、和/或DC/DC整流模块、和/或电压串并联模块，和/或整流变换电源模块。所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置以及光伏发电装置；所述市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接电压串并联模块，第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接所述电压串并联模块，所述电压串并联模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块和第三AC/DC整流模块分别将第一风力发电装置和第二风力发电装置的输出电压转换为直流电压和过滤杂波，再由所述电压串并联模块进行串并联组合后，由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；所述光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第三整流变换模块，以由DC/DC整流模块对所述光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第三整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求。优选地，市电和第一AC/DC整流模块之间设置第一开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间设置第二开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间设置第三开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间设置第四开关。优选地，第一整流变换电源模块和第二整流变换电源模块在输入端之间通过第五开关串联连接，第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输入端之间通过第六开关串联连接。优选地，第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输出端并联连接。优选地，第一风力发电装置到第二AC/DC整流模块的线路为第一风力发电线路，第二风力发电装置到第三AC/DC模块的线路为第二发电线路；所述电压串并联模块包括从第一风力发电线路的正极通过第七开关连接到第二风力发电线路的正极的线路，从第一风力发电线路的负极通过第八开关连接到第二风力发电线路的负极的线路，以及从第一风力发电线路与第七开关之间的电路结点通过第九开关连接到第二风力发电线路与第二开关之间的电路结点的线路。所述电压串并联模块的一输出端为第七开关与第二风力发电线路之间线路的电路结点，另一输出端为第八开关和第一风力发电线路之间线路的电路结点。优选地，第七开关、第八开关、第九开关均为绝缘栅双极型晶体管。优选地，第七开关、第八开关、第九开关均与所述控制单元连接，以在所述控制单元的控制下导通或关断，以控制第一风力发电线路和第二风力发电线路的串联或并联连接。或者，所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置以及光伏发电装置；所述市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块将第一风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接第三整流变换电源模块，以由第三AC/DC整流模块将第二风力发电装置的输出电压转换为直流电，之后由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；所述光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第四整流变换电源模块，以由DC/DC整流模块对所述光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第四整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求。优选地，市电和第一AC/DC整流模块之间设置开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间设置开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间设置开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间设置开关。优选地，第一整流变换电源模块与第二整流变换电源模块之间、第二整流变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合制氢系统，其特征在于：包括控制单元，以及与所述控制单元均连接且相互之间依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元，以由所述控制单元检测所述发电单元和所述制氢单元的所有工作参数并进行分析，控制所述能量管理单元和所述储气补气单元的动作；所述发电单元包括至少两种能量来源类型不同的发电装置；能量管理单元包括均与所述控制单元连接的开关切换部分和整流部分，通过所述开关切换部分连接所述发电单元和所述整流部分，以在控制单元的控制下通过所述开关切换部分的连接变换调整所述整流部分的工作配合关系，得到制氢所需的电能；所述制氢单元产生的氢气进入所述储气补气单元中储存，所述控制单元控制所述储气补气单元在必要的情况下向所述制氢单元反补氢气。

【技术特征摘要】
1.一种耦合制氢系统，其特征在于：包括控制单元，以及与所述控制单元均连接且相互之间依次连接的发电单元、能量管理单元、制氢单元和储气补气单元，以由所述控制单元检测所述发电单元和所述制氢单元的所有工作参数并进行分析，控制所述能量管理单元和所述储气补气单元的动作；所述发电单元包括至少两种能量来源类型不同的发电装置；能量管理单元包括均与所述控制单元连接的开关切换部分和整流部分，通过所述开关切换部分连接所述发电单元和所述整流部分，以在控制单元的控制下通过所述开关切换部分的连接变换调整所述整流部分的工作配合关系，得到制氢所需的电能；所述制氢单元产生的氢气进入所述储气补气单元中储存，所述控制单元控制所述储气补气单元在必要的情况下向所述制氢单元反补氢气。2.根据权利要求1所述的耦合制氢系统，其特征在于：所述制氢单元为电解水制氢单元，包括电解水制氢装置和氢气纯化装置；所述制氢装置包括电解槽；所述必要的情况指的是所述纯化装置中的氢气含量低于设定值的情况。3.根据权利要求1所述的耦合制氢系统，其特征在于：所述发电单元包括风力发电装置，和/或光伏发电装置，和/或市电，和/或潮汐发电装置。4.根据权利要求1所述的耦合制氢系统，其特征在于：所述整流部分包括AC/DC整流模块、和/或DC/DC整流模块、和/或电压串并联模块，和/或整流变换电源模块。5.根据权利要求2所述的耦合制氢系统，其特征在于：所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电装置以及光伏发电装置；所述市电通过第一AC/DC整流模块连接第一整流变换电源模块，以由第一AC/DC整流模块将市电转换为直流电，之后由第一整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；第一风力发电装置通过第二AC/DC整流模块连接电压串并联模块，第二风力发电装置通过第三AC/DC整流模块连接所述电压串并联模块，所述电压串并联模块连接第二整流变换电源模块，以由第二AC/DC整流模块和第三AC/DC整流模块分别将第一风力发电装置和第二风力发电装置的输出电压转换为直流电压和过滤杂波，再由所述电压串并联模块进行串并联组合后，由第二整流变换电源模块继续进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；所述光伏发电装置通过DC/DC整流模块连接第三整流变换模块，以由DC/DC整流模块对所述光伏发电装置的输出电压进行直流变换，之后由第三整流变换电源模块进行整流和变压，以匹配所述电解槽的用电要求；优选地，市电和第一AC/DC整流模块之间设置第一开关，第一风力发电装置和第二AC/DC整流模块之间设置第二开关，第二风力发电装置和第三AC/DC整流模块之间设置第三开关，光伏发电装置和DC/DC整流模块之间设置第四开关；优选地，第一整流变换电源模块和第二整流变换电源模块在输入端之间通过第五开关串联连接，第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输入端之间通过第六开关串联连接；优选地，第一整流变换电源模块、第二整流变换电源模块和第三整流变换电源模块在输出端并联连接；优选地，第一风力发电装置到第二AC/DC整流模块的线路为第一风力发电线路，第二风力发电装置到第三AC/DC模块的线路为第二发电线路；所述电压串并联模块包括从第一风力发电线路的正极通过第七开关连接到第二风力发电线路的正极的线路，从第一风力发电线路的负极通过第八开关连接到第二风力发电线路的负极的线路，以及从第一风力发电线路与第七开关之间的电路结点通过第九开关连接到第二风力发电线路与第二开关之间的电路结点的线路；所述电压串并联模块的一输出端为第七开关与第二风力发电线路之间线路的电路结点，另一输出端为第八开关和第一风力发电线路之间线路的电路结点；优选地，第七开关、第八开关、第九开关均为绝缘栅双极型晶体管；优选地，第七开关、第八开关、第九开关均与所述控制单元连接，以在所述控制单元的控制下导通或关断，以控制第一风力发电线路和第二风力发电线路的串联或并联连接。6.根据权利要求2所述的耦合制氢系统，其特征在于：所述发电单元包括市电、第一风力发电装置、第二风力发电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张存满，吕洪，周伟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31