一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，包括风力发电系统、功率分配器、变压器、AC‑DC控制器、超级电容器、DC‑AC控制器、蓄电池、电解槽、电解液储罐、燃料电池及协调控制器，该系统能够有效的防止电解槽与燃料电池的频繁开关，且系统的动态响应速度、安全性及稳定性较高。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统
本专利技术属于制氢和风电调峰调频领域，涉及一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统。
技术介绍
随着我国对可再生能源发展的积极推进，努力提高可再生能源在我国能源消费结构中的比重，希望可以缓解我国能源需求增长过快的压力和改善生态环境。风能作为一种可再生能源，因其储量丰富、清洁环保、便于规模化开发等优点受到广泛关注。现设定的目标是：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿千瓦、4亿千瓦和10亿千瓦，到2050年满足17％的电力需求。但是，风力发电存在以下几个方面的缺陷：(1)风力发电的不确定性高，风电输出功率和频率的波动随着风速的变化而变化，因此，受季节、环境、位置等影响较大，其输出电能质量较差、可靠性低，大规模风电并网给电网安全稳定运行带来影响；(2)由于风力发电的不稳定性，电网对风力发电的消纳有限，造成弃风弃电严重，造成资源的严重浪费。目前，解决风电消纳问题已成为风电场能否盈利及风电行业进一步发展的关键。除更为准确的减小风电功率预测误差、减少被考核之外；减小风电功率波动，降低由于风电不确定性对电网安全稳定造成的影响，以及减少风电弃风问题，提高能源利用率，成为目前国内外研究的重点。电解制氢属高能耗产业，用电成本是电解制氢的主要瓶颈，大规模、低成本的可再生能源制氢技术必将推动氢能发展。而把电解水制氢与调整并网风电品质的技术路线相结合，利用闲置的风能支撑电解水制氢消耗的电能，不仅可能提升风电系统的能源利用效率，减少为控制发电品质和电网调峰等要求而采用的刹车制动或其它系统调整动作，降低发电控制系统的运行和维护成本，而且生产出附加产品氢气，实现了风能资源的综合利用。利用清洁的风力发电，进行电解水制氢，从而将风电高效的进行利用，这种方式为风电企业解决弃风和限电问题以及低成本制氢找到了一种崭新的途径。但是，由于风电功率输出具有随机性、间歇性和波动性，在电解制氢系统中，电源直接接入电解槽时，会对产氢量及电解槽的使用寿命造成影响。现有技术对电解槽的控制策略比较简单，一般采用电解槽的额定功率进行控制，但是这种功率波动较大的情况下，对电解槽的启停十分频繁，严重损害电解槽的稳定性和安全性，造成电解制氢的成本增加。因此，如何提高用于水电解制氢的电解槽对风机系统波动电源的适应性，提高能量转化效率，是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，该系统能够有效的防止电解槽与燃料电池的频繁开关，且系统的动态响应速度、安全性及稳定性较高。为达到上述目的，本专利技术所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统包括风力发电系统、功率分配器、变压器、AC-DC控制器、超级电容器、DC-AC控制器、蓄电池、电解槽、电解液储罐、燃料电池及协调控制器；风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的两个输出端分别与变压器的输入端及AC-DC控制器的输入端相连接，AC-DC控制器的输出端与超级电容器的充电接口相连接，超级电容器的放电接口与DC-AC控制器的输入端及蓄电池的充电接口相连接，蓄电池与电解槽的电源接口相连接，电解液储罐的出口与电解槽的电解液入口相连通，电解槽的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐、氢气压缩机及储氢罐与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与DC-AC控制器的输入端相连接，DC-AC控制器的输出端与变压器的输入端相连接，变压器的输出端与电网相连接；协调控制器与燃料电池、超级电容器、风力发电系统、电解槽及功率分配器相连接。还包括氧气缓冲罐、氧气压缩机及储氧罐，其中，电解槽的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐及氧气压缩机与储氧罐相连通。电解液储罐与电解槽的电解液入口之间设置有流量调节阀。电解槽中的电解液为浓度为30％的KOH溶液，电解槽中阴极的材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或者几种的合金，电解槽中阳极的材料为镍基金属或合金氧化物。氢气缓冲罐及氧气缓冲罐均设置有用于除去碱液及水的过滤装置。在工作时，当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，协调控制器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量经AC-DC控制器存储于超级电容器中，当超级电容器充满电后，则对蓄电池进行充电，当蓄电池充满电后，协调控制器控制电解槽工作，电解槽电解电解液制氢。当风力发电系统的输出功率不能满足电网需求，协调控制器率先控制超级电容器经过DC-AC控制器将直流电转化为交流电，然后再向电网供电；当超级电容器的电量供电不足时，协调控制器控制燃料电池启动，通过燃料电池对电网进行放电；同时，电解槽正常工作，利用蓄电池提供的电能电解水制氢，当蓄电池的剩余电量小于预设最低电量时，协调控制器关闭电解槽。氧气压缩机入口处氧气的纯度大于等于99.9％；氢气压缩机入口处氢气的纯度大于等于99.9％。电解槽的温度范围是0-40℃。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统在具体操作时，通过超级电容、蓄电池、电解槽及燃料电池相结合，以消纳风力发电系统的弃风功率及调频，提高风力发电系统的发电效率，同时需要说明的是，本专利技术在具体操作时，当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，协调控制器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量存储于超级电容器中，当超级电容器充满电后，再对蓄电池供电，蓄电池对电解槽供电电解制氢；当风力发电系统的输出功率不能满足电网需求时，则首先通过超级电容器对电网进行放电，当超级电容器电量不足时，再启动燃料电池工作，此时蓄电池继续维持对电解槽供电制氢，直至蓄电池电量低至一定量后，关闭电解槽；对电解槽加装储能电池，保证储能电池电量处于一定范围内，能够有效地防止电解装置由于风电功率波动导致的频繁地开关，能够有效的提高系统的稳定性、安全性和使用寿命；另外，需要说明的是，当风力发电系统的输出功率波动时，本专利技术先通过超级电容器充电或放电，利用超级电容器储能内阻小、循环寿命长、功率密度高及响应速度快的特点，有效的平抑风电的波动性，减少风电波动对电网及电解槽的直接冲击，同时通过超级电容器弥补燃料电池动态响应速度慢的问题，以提升系统的动态响应速度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。其中，1为风力发电系统、2为功率分配器、3为AC-DC控制器、4为超级电容器、5为电解槽、6为蓄电池、7为电解液储罐、8为氧气缓冲罐、9为氢气缓冲罐、10为氧气压缩机、11为氢气压缩机、12为储氢罐、13为储氧罐、14为燃料电池、15为协调控制器、16为DC-AC控制器、17为变压器。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。参考图1，本专利技术所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统包括风力发电系统1、功率分配器2、变压器17、AC-DC控制器3、超级电容器4、DC-AC控制器16、蓄电池6、电解槽5、电解液储罐7、燃料电池14及协调控制器15；风力发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，包括风力发电系统(1)、功率分配器(2)、变压器(17)、AC‑DC控制器(3)、超级电容器(4)、DC‑AC控制器(16)、蓄电池(6)、电解槽(5)、电解液储罐(7)、燃料电池(14)及协调控制器(15)；风力发电系统(1)的输出端与功率分配器(2)的输入端相连接，功率分配器(2)的两个输出端分别与变压器(17)的输入端及AC‑DC控制器(3)的输入端相连接，AC‑DC控制器(3)的输出端与超级电容器(4)的充电接口相连接，超级电容器(4)的放电接口与DC‑AC控制器(16)的输入端及蓄电池(6)的充电接口相连接，蓄电池(6)与电解槽(5)的电源接口相连接，电解液储罐(7)的出口与电解槽(5)的电解液入口相连通，电解槽(5)的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐(9)、氢气压缩机(11)及储氢罐(12)与燃料电池(14)的氢气入口相连通，燃料电池(14)的输出端与DC‑AC控制器(16)的输入端相连接，DC‑AC控制器(16)的输出端与变压器(17)的输入端相连接，变压器(17)的输出端与电网相连接；协调控制器(15)与燃料电池(14)、超级电容器(4)、风力发电系统(1)及功率分配器(2)相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，包括风力发电系统(1)、功率分配器(2)、变压器(17)、AC-DC控制器(3)、超级电容器(4)、DC-AC控制器(16)、蓄电池(6)、电解槽(5)、电解液储罐(7)、燃料电池(14)及协调控制器(15)；风力发电系统(1)的输出端与功率分配器(2)的输入端相连接，功率分配器(2)的两个输出端分别与变压器(17)的输入端及AC-DC控制器(3)的输入端相连接，AC-DC控制器(3)的输出端与超级电容器(4)的充电接口相连接，超级电容器(4)的放电接口与DC-AC控制器(16)的输入端及蓄电池(6)的充电接口相连接，蓄电池(6)与电解槽(5)的电源接口相连接，电解液储罐(7)的出口与电解槽(5)的电解液入口相连通，电解槽(5)的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐(9)、氢气压缩机(11)及储氢罐(12)与燃料电池(14)的氢气入口相连通，燃料电池(14)的输出端与DC-AC控制器(16)的输入端相连接，DC-AC控制器(16)的输出端与变压器(17)的输入端相连接，变压器(17)的输出端与电网相连接；协调控制器(15)与燃料电池(14)、超级电容器(4)、风力发电系统(1)及功率分配器(2)相连接。2.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，还包括氧气缓冲罐(8)、氧气压缩机(10)及储氧罐(13)，其中，电解槽(5)的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐(8)及氧气压缩机(10)与储氧罐(13)相连通。3.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解液储罐(7)与电解槽(5)的电解液入口之间设置有流量调节阀。4.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹曦，刘明义，朱勇，曹传钊，朱连峻，郑建涛，李晴，徐越，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11