风电制氢装置及控制方法
【专利摘要】本发明涉及风电制氢技术领域，是一种风电制氢装置及控制方法，其包括风场单元、电网单元、制热储热单元、AC/DC换流器和电解槽制氢单元，风场单元的第一输出端与电网单元电连接，风场单元的第二输出端与制热储热单元电连接，风场单元的第三输出端与AC/DC换流器的第一输入端电连接，AC/DC换流器的输出端与电解槽制氢单元电连接，电网单元与AC/DC换流器电连接。本发明通过对风电出力在一定程度上进行控制和预测实现电网调度在风电运行中提前获知实际风电制氢系统中的电力分配，利用富余的风电制氢，方便持续生产氢气无环境污染，有效解决了现有的弃风限电的弊端，有效节约了制氢的成本，资源利用率高，最优化风场出力。
【专利说明】
风电制氨装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及风电制氨技术领域，是一种风电制氨装置及控制方法。
【背景技术】
[0002] 当前国内外W风力发电为代表的风能利用规模日益扩大，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。然而，由于风力发电特 性，风资源在不同时间尺度上的可变性导致了风力发电机出力的波动性，即风能具有间歇 性和波动性，当风速发生变化时，风电机组输出的功率也随之变化，从而影响电网的电能质 量，因而必须将运些风电切出电网，而运又会造成风能的浪费；其次是输电容量，电网建设 周期比较长，往往跟不上风力发电机的装机容量的增加量，由于风力发电的供给和需求很 难协调，不利于实现灵活的电能调度，使得风力发电的年有效利用小时数远远不及常规发 电厂，且维持电网稳定运行的能力十分有限;最后，是电力政策，在国内北方的供暖地区，在 供暖季火力发电厂优先供暖，火力发电占据了更多的电网输电容量。风电制氨作为促进可 再生电力就地消纳解决弃风限电问题的路线已经在国外内形成共识，但是当前风电制氨并 没有充分考虑到风电特性和水电解槽特性，往往不能最优化风场出力和电解槽，所W局部 地区出现了较为严重的限电弃风。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种风电制氨装置及控制方法，克服了上述现有技术之不足，其能 有效解决现有技术中风力发电存在的限电弃风的问题W及现有技术中风电制氨不能最优 化风场出力和电解槽造成风电利用比例失调的问题。
[0004] 本发明的技术方案之一是通过W下措施来实现的：一种风电制氨装置，包括风场 单元、电网单元、制热储热单元、AC/DC换流器和电解槽制氨单元，风场单元的第一输出端与 电网单元的输入端电连接，风场单元的第二输出端与制热储热单元的输入端电连接，风场 单元的第S输出端与AC/DC换流器的第一输入端电连接，AC/DC换流器的输出端与电解槽制 氨单元的输入端电连接，电网单元的输出端与AC/DC换流器的第二输入端电连接。
[0005] 上述还可包括风电制氨系统能量管理控制器、风场控制器、制热储热控制器和电 解槽制氨控制器，风电制氨系统能量管理控制器与风场控制器电连接，风场控制器与风场 单元电连接，风电制氨系统能量管理控制器与制热储热控制器电连接，制热储热控制器与 制热储热单元电连接，风电制氨系统能量管理控制器与电解槽制氨控制器电连接，电解槽 制氨控制器与电解槽制氨单元电连接。
[0006] 上述所述的制热储热单元可包括制热单元和储热单元，制热单元为电解槽制氨单 元的制热模块，储热单元为锅炉水暖系统;或/和，储热单元为固态烙融盐储热系统。
[0007] 上述还可包括中央监控器、风场风能预测模块和电网调度预测模块，风场风能预 测模块与中央监控器电连接，电网调度预测模块与中央监控器电连接。
[000引本发明的技术方案之二是通过W下措施来实现的：一种使用风电制氨装置的控制 方法，包括W下步骤：
[0009] 第一步，风场风能预测模块对风场功率进行实时预测，预测值为Pw,同时电网调度 预测模块对电网需求功率进行预测，预测值为Pg，风场实际功率为Pr，之后进入第二步；
[0010] 第二步，将风场功率预测值Pw和电网需求功率预测值Pg进行对比，如果Pw>Pg 计算电解槽制氨单元最大需求功率Pmax和电解槽制氨单元最小需求功率化in,之后进入第 四步；
[0011] 第S步；如果Pw含Pg，则将风场实际功率Pr与电网需求功率Pg进行大小判定，之后 进入第四步；
[0012] 第四步，如果Pr<Pg，那么在维持电解槽制氨单元最小需求化in的基础上，风场剩 余电力全部并入电网单元，此时电网单元的功率为Pr-化in,当Pr-化in为正值，贝向电网单 元送电，当Pr-化in为负值时，电网单元反送电维持电解槽制氨单元的最低需求，之后进入 第五步；
[OOU] 第五步，如果^iin-Pg<Pr<Pmax-Pg，那么并入电网单元的电力功率为Pg,其中用 于电解槽制氨单元的功率为Pr-Pg,之后进入第六步；
[0014] 第六步，如果Pr>Pmax+Pg，则开启最大的储热功率，同时对风机进行全场优化的 变速变奖，实现对风机的功率限制。
[0015] 下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
[0016] 上述第二步中，电解槽制氨单元可分为两种功率Pl，P2…化和Pl，p2-'pn，前者的 功率分别大于后者的功率，对应的功率控制系数为Kl，K2-'Kn和kl，k2-'kn，制热系统的功 率为Pt,控制系数为T;电解槽制氨单元和制热单元的实时功率为P(realtime)的计算公式 如下：
[0017]
[001引当t = K1=K2 =…=Kn = O时，得到电解槽制氨单元最小值，即：F*min(realtime)= F*min化y化Ogendemand) ,F*min(realtime)为单组最小功率制氨单元在最小系数下的功率。 运里，实时电解槽制氨最小功率等于最小需求功率；
[0019] 当Ki = 1，ki = 1 ,T= 1的条件下，电解槽制氨单元和制热单元最大的功率Pmax (realtime)的计算公式为；
[0020] 本发明通过对风电出力在一定程度上进行预测和控制实现电网调度在风电运行 中提前获知实际风电制氨系统中的电力分配情况，对电解槽制氨进行针对性的设计和运营 策略，实现在满足电网单元供电需求的基础上，充分利用风能，利用富余的风电制氨，能够 方便持续生产氨气无环境污染，有效避免了现有的弃风限电的弊端，有效节约了制氨的成 本，资源利用率高，最优化风场出力。
【附图说明】
[0021 ]附图1为本发明实施例1的连接框图。
[0022] 附图2为本发明实施例2的电路框图。
[0023] 附图3为本发明实施例2的方法流程图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体 的实施方式。
[0025] 在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1 的布图方式来进行描述的，如:前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图 方向来确定的。
[0026] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
[0027] 实施例1:如附图1、2、3所示，一种风电制氨装置，包括风场单元、电网单元、制热储 热单元、AC/DC换流器和电解槽制氨单元，风场单元的第一输出端与电网单元的输入端电连 接，风场单元的第二输出端与制热储热单元的输入端电连接，风场单元的第S输出端与AC/ DC换流器的第一输入端电连接，AC/DC换流器的输出端与电解槽制氨单元的输入端电连接， 电网单元的输出端与AC/DC换流器的第二输入端电连接。
[00%]如附图1、2、3所示，还包括风电制氨系统能量管理控制器、风场控制器、制热储热 控制器和电解槽制氨控制器，风电制氨系统能量管理控制器与风场控制器电连接，风场控 制器与风场单元电连接，风电制氨系统能量管理控制器与制热储热控制器电连接，制热储 热控制器与制热储热单元电连接，风电制氨系统能量管理控制器与电解槽制氨控制器电连 接，电解槽制氨控制器与电解槽制氨单元电连接。
[0029] 如附图1、2、3所示，所述的制热储热单元包括制热单元和储热单元，制热单元为电 解槽制氨单元的制热模块，储热单元为锅炉水暖系统;或/和，储热单元为固态烙融盐储热 系统。工作时，储热单元可W是锅炉水暖系统或固态烙融盐储热系统。
[0030] 如附图1、2、3所示，还包括中央监控器、风场风能预测模块和电网调度预测模块， 风场风能预测模块与中央监控器电连接，电网调度预测模块与中央监控器电连接。运里，风 场风能预测模块和电网调度预测模块均由功率预测模块来控制，功能预测模块属于中央监 控器;风力发电机有风机外部控制器进行功率控制，风力发电机的功率控制命令来自于中 央监控器；电解槽制氨单元由电解槽制氨控制器进行输入功率的控制；中央监控器接受来 自制热储热控制器和电解槽制氨控制器输出的控制参数。
[0031] 实施例2:如附图1、2、3所示，一种风电制氨装置的控制方法，包括W下步骤：
[0032] 第一步，风场风能预测模块对风场功率进行实时预测，预测值为Pw,同时电网调度 预测模块对电网需求功率进行预测，预测值为Pg，风场实际功率为Pr，之后进入第二步；
[0033] 第二步，将风场功率预测值Pw和电网需求功率预测值Pg进行对比，如果Pw>Pg 计算电解槽制氨单元最大需求功率Pmax和电解槽制氨单元最小需求功率化in,之后进入第 四步；
[0034] 第S步；如果Pw含Pg，则将风场实际功率Pr与电网需求功率Pg进行大小判定，之后 进入第四步；
[0035] 第四步，如果Pr<Pg，那么在维持电解槽制氨单元最小需求化in的基础上，风场剩 余电力全部并入电网单元，此时电网单元的功率为Pr-化in,当Pr-化in为正值，贝向电网单 元送电，当Pr-化in为负值时，电网单元反送电维持电解槽制氨单元的最低需求，之后进入 第五步；
[0036] 第五步，如果化in-Pg<Pr<Pmax-Pg，那么并入电网单元的电力功率为Pg，其中用 于电解槽制氨单元的功率为Pr-Pg,之后进入第六步；
[0037] 第六步，如果Pr>Pmax+Pg，则开启最大的储热功率，同时对风机进行全场优化的 变速变奖，实现对风机的功率限制。
[0038] 运里，Pw为风场功率预测值P(wind forcast)的英文缩写，Pg为电网需求功率P (Grid forcast)的英文缩写，Pr为风场实际功率P(real)的英文缩写，Pmax为电解槽制氨单 元最大需求功率化ax(Hy化Ogen demand)的英文缩写Jmin为电解槽制氨单元最小需求功 率Ftain(Hy化Ogen demand)的英文缩写。
[0039] 可根据实际需要，对上述风电制氨系统的控制方法作进一步优化或/和改进：
[0040] 如附图1、2、3所示，在第二步中，电解槽制氨单元分为两种功率Pl，P2…化和pi， p2-'pn，前者的功率分别大于后者的功率，对应的功率控制系数为Kl，K2-'Kn和kl，k2-'kn， 制热系统的功率为Pt,控制系数为T ;电解槽制氨单元和制热单元的实时功率为P (realtime)的计算公式如下：
[0041]
[0042] 当T = Kl =K2 =…=Kn = O时，得到电解槽制氨单元最小值，即：F*min(realtime)= F*min化y化ogendemand),化;[]1(>日日11:;[111日)为单组最小功率制氨单元在最小系数下的功率。 运里，实时电解槽制氨最小功率等于最小需求功率；
[0043] 当Ki = 1，ki = 1 ,T= 1的条件下，电解槽制氨单元和制热单元最大的功率Pmax (realtime)的计算公式关
[0044] 实际应用过程中，在电解槽制氨单元最小功率和最大功率之间的部分，电解槽制 氨单元可W实现任意功率的波动，其中，总功率增加的过程中，对于瞬间增加的功率，优先 开启对应相等功率的电解槽制氨单元，否则电解槽制氨单元开启的原则遵循从小功率单元 到大功率单元开启；相反，当总功率减少的过程中，瞬间减少的功率，优先关闭对应相等功 率的电解槽制氨单元，否则电解槽制氨单元关闭原则从大功率单元向小功率单元关闭。
[0045] W上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据 实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
【主权项】
1. 一种风电制氨装置，其特征在于包括风场单元、电网单元、制热储热单元、AC/DC换流 器和电解槽制氨单元，风场单元的第一输出端与电网单元的输入端电连接，风场单元的第 二输出端与制热储热单元的输入端电连接，风场单元的第Ξ输出端与AC/DC换流器的第一 输入端电连接，AC/DC换流器的输出端与电解槽制氨单元的输入端电连接，电网单元的输出 端与AC/DC换流器的第二输入端电连接。2. 根据权利要求1所述的风电制氨装置，其特征在于还包括风电制氨系统能量管理控 制器、风场控制器、制热储热控制器和电解槽制氨控制器，风电制氨系统能量管理控制器与 风场控制器电连接，风场控制器与风场单元电连接，风电制氨系统能量管理控制器与制热 储热控制器电连接，制热储热控制器与制热储热单元电连接，风电制氨系统能量管理控制 器与电解槽制氨控制器电连接，电解槽制氨控制器与电解槽制氨单元电连接。3. 根据权利要求1或2所述的风电制氨装置，其特征在于所述的制热储热单元包括制热 单元和储热单元，制热单元为电解槽制氨单元的制热模块，储热单元为锅炉水暖系统；或/ 和，储热单元为固态烙融盐储热系统。4. 根据权利要求1或2所述的风电制氨装置，其特征在于还包括中央监控器、风场风能 预测模块和电网调度预测模块，风场风能预测模块与中央监控器电连接，电网调度预测模 块与中央监控器电连接。5. 根据权利要求3所述的风电制氨装置，其特征在于还包括中央监控器、风场风能预测 模块和电网调度预测模块，风场风能预测模块与中央监控器电连接，电网调度预测模块与 中央监控器电连接。6. -种使用权利要求1至5任一项风电制氨装置的控制方法，其特征在于包括W下步 骤： 第一步，风场风能预测模块对风场功率进行实时预测，预测值为Pw，同时电网调度预测 模块对电网需求功率进行预测，预测值为Pg，风场实际功率为Pr，之后进入第二步； 第二步，将风场功率预测值Pw和电网需求功率预测值Pg进行对比，如果Pw>Pg，则计算 电解槽制氨单元最大需求功率化ax和电解槽制氨单元最小需求功率化in,之后进入第四 步； 第Ξ步；如果Pw含Pg，则将风场实际功率Pr与电网需求功率Pg进行大小判定，之后进入 第四步； 第四步，如果Pr<Pg，那么在维持电解槽制氨单元最小需求化in的基础上，风场剩余电 力全部并入电网单元，此时电网单元的功率为Pr-Pmin，当Pr-Pmin为正值，则向电网单元送 电，当Pr-Pmin为负值时，电网单元反送电维持电解槽制氨单元的最低需求，之后进入第五 步； 第五步，如果化in-Pg<P;r<Pmax-Pg,那么并入电网单元的电力功率为Pg，其中用于电 解槽制氨单元的功率为Pr-Pg，之后进入第六步； 第六步，如果Pr > Pmax+Pg,则开启最大的储热功率，同时对风机进行全场优化的变速 变奖，实现对风机的功率限制。7. 根据权利要求6所述的风电制氨装置的控制方法，其特征在于第二步中，电解槽制氨 单元分为两种功率P1，P2···化和91，92'',11，前者的功率分别大于后者的功率，对应的功率 控制系数为Κ1，Κ2···Κη和41也。'1〇1，制热系统的功率为？1，控制系数为1';电解槽制氨单元 和制热单元的实时功率为P(realtime)的计算公式如下：^中1 >Ki >0;1 >Τ>0;1 >ki>0; 当Τ = Κ1 =Κ2 =…=Κη = 0时，得到电解槽制氨单元最小值， 良Ρ :F*min(realtime) =F*min巧y化ogendemand),化;[]1(的日11:;[1116)为单组最小功率制氨 单兀在最小系数下的功率。运里，实时电解槽制氨最小功率等于最小需求功率； 当Ki = l，ki = l，T=l的条件下，电解槽制氨单元和制热单元最大的功率Pmax (realtime)的计算公式为；
【文档编号】C25B1/02GK105846468SQ201610365954
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】杨学军
【申请人】新疆洁净能源技术研究院