一种制氢系统的压力控制方法及制氢系统与流程

1.本发明涉及氢气制备技术领域，特别涉及一种制氢系统的压力控制方法及制氢系统。


背景技术：

2.参见图1，图1示出一种水电解制氢系统的结构框图，在该制氢系统中，制氢电源与制氢装置相连，向制氢装置输出制氢功率供制氢装置进行制氢作业，制氢装置向氢气分离器输出含有氢气的电解液，经过氢气分离器的分离处理后得到氢气，同时，制氢装置向氧气分离器输出含有氧气的电解液，经过氧气分离器的分离处理后得到氧气，经过气体分离处理后的电解液可在电解液循环泵的作用下汇流至制氢装置内再次利用。
3.在水电解制氢系统的实际运行中，制氢系统的系统压力应处于安全范围内，进而确保制氢系统的安全运行。如图1所示，现有制氢系统中设置有压力变送器，用于检测制氢系统的系统压力，控制器根据压力变送器反馈的检测结果计算阀门的调节量，最终根据计算得到的调节量调节阀门的开度，进而保持系统的系统压力处于安全范围内。
4.发明人研究发现，现有技术中的压力平衡控制方法属于被动控制，从检测到系统的系统压力，到最终确定调节量并调节阀门开度，直至将系统压力控制在安全范围内，整个过程耗时太长，压力控制效果欠佳。


技术实现要素：

5.本发明提供一种制氢系统的压力控制方法及制氢系统，最终用于调节系统压力的目标调节量基于与制氢功率相关的目标电气参数得到，在制氢功率最终影响系统压力前就可提前确定调节量，有效提高制氢系统的系统压力控制效率，改善压力控制效果。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供一种制氢系统的压力控制方法，包括：
8.获取目标电气参数的参数值变化量，以及当前系统压力与预设压力阈值的压力差值；
9.其中，所述目标电气参数与制氢系统的制氢功率相关；
10.根据所述参数值变化量确定第一调节量；
11.基于所述第一调节量和所述压力差值确定目标调节量；
12.按照所述目标调节量调节所述制氢系统的系统压力。
13.可选的，所述基于所述第一调节量和所述压力差值确定目标调节量，包括：
14.根据所述压力差值确定第二调节量；
15.基于所述第一调节量和所述第二调节量确定目标调节量。
16.可选的，所述基于所述第一调节量和所述压力差值确定目标调节量，包括：
17.将所述第一调节量和所述压力差值输入第一预设控制器，得到目标调节量。
18.可选的，所述根据所述压力差值确定第二调节量，包括：
19.将所述压力差值输入第二预设控制器，得到与所述压力差值对应的第二调节量。
20.可选的，所述根据所述参数值变化量确定第一调节量，包括：
21.将所述参数值变化量输入第三预设控制器，得到与所述参数值变化量对应的第一调节量。
22.可选的，所述将所述参数值变化量输入第三预设控制器，得到与所述参数值变化量对应的第一调节量，包括：
23.判断所述参数值变化量是否大于预设变化量阈值；
24.若所述参数值变化量大于所述预设变化量阈值，将所述参数值变化量输入第三预设控制器，得到与所述参数值变化量对应的第一调节量；
25.若所述参数值变化量小于等于所述预设变化量阈值，获取上一控制周期的第一调节量。
26.可选的，所述获取目标电气参数的参数值变化量，包括：
27.获取目标电气参数在当前控制周期的参数值和在上一控制周期的参数值；
28.将所述当前控制周期的参数值与所述上一控制周期的参数值的差值，作为所述目标电气参数的参数值变化量。
29.可选的，所述获取目标电气参数在当前控制周期的参数值，包括：
30.获取所述制氢系统设置的电气参数采集装置反馈的目标电气参数的参数信号；
31.解析所述参数信号，并根据解析结果确定所述目标电气参数在当前控制周期的参数值；
32.或者，
33.获取所述制氢系统中制氢电源的通讯报文；
34.提取所述通讯报文携带的目标电气参数在当前控制周期的参数值。
35.可选的，所述目标电气参数包括所述制氢系统的输入功率、输入电压和输入电流中的一种。
36.可选的，所述按照所述目标调节量调节所述制氢系统的系统压力，包括：
37.根据预设映射关系确定与所述目标调节量对应的目标开度；
38.将所述制氢系统中压力调节阀的开度调节至所述目标开度；
39.其中，所述预设映射关系中记录有调节量与压力调节阀开度之间的对应关系。
40.可选的，本发明第一方面提供的制氢系统的压力控制方法，还包括：
41.存储所述目标电气参数在当前控制周期的参数值。
42.第二方面，本发明提供一种制氢系统，包括：制氢电源、制氢装置、电解液循环管路、氢气分离器、氧气分离器、压力调节阀、压力采集装置和制氢控制器，其中，
43.所述制氢电源的输出端与所述制氢装置的输入端相连；
44.所述制氢装置的输出端与所述电解液循环管路相连；
45.所述电解液循环管路分别与所述氢气分离器和所述氧气分离器相连；
46.所述压力调节阀与所述氢气分离器或所述氧气分离器相连；
47.所述压力采集装置采集制氢系统的系统压力；
48.所述制氢控制器分别与所述压力采集装置、所述制氢电源以及所述压力调节阀相连，执行本发明第一方面任一项所述的制氢系统的压力控制方法。
49.可选的，所述制氢控制器与所述制氢电源通讯连接；
50.或者，
51.所述制氢系统还包括电气参数采集装置；
52.所述电气参数采集装置与所述制氢电源相连；
53.所述制氢控制器与所述电气参数采集装置相连。
54.可选的，所述制氢装置包括碱性水电解制氢装置或pem水电解制氢装置。
55.可选的，所述压力采集装置包括压力变送器；
56.所述压力变送器与所述氧气分离器相连。
57.可选的，所述制氢电源包括风力发电系统，或光伏发电系统，或交流电网。
58.本发明提供的制氢系统的压力控制方法，在获取目标电气参数的参数值变化量以及当前系统压力与预设压力阈值的压力差值之后，根据参数值变化量确定第一调节量，并基于第一调节量和压力差值确定目标调节量，最终按照目标调节量调节制氢系统的系统压力。本发明中目标电气参数与制氢系统的制氢功率相关，由于制氢功率波动会直接影响制氢系统的系统压力，且压力变化在制氢功率波动之后出现，因此，可以在制氢功率最终影响系统压力产生变化前提前确定调节量，有效提高压力控制效率，改善控制效果。
59.进一步的，最终使用的目标调节量同时考虑功率波动和制氢系统实际的压力差值的影响，相较于现有技术单纯依靠系统的系统压力确定调节量的方法，调节结果更加准确。
附图说明
60.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
61.图1是现有技术中一种水电解制氢系统的结构框图；
62.图2是本发明实施例提供的一种制氢系统的压力控制方法的流程图；
63.图3是本发明实施例提供的一种水电解制氢系统的结构框图。
具体实施方式
64.下面将结合本技术实施例中的附图，对本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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
65.发明人研究发现，在水电解制氢系统的实际工作过程中，制氢装置的制氢功率，即排除系统运行损耗后直接用于氢气制备的电功率的变化对制氢系统的系统压力有着直接的影响，当制氢功率发生变化时，会引起制氢装置氢气与氧气的生成，进而改变制氢系统的系统压力，因此，制氢功率的波动往往会伴随系统压力的波动，而且由于水电解制氢系统的工作原理所致，系统压力的波动必然是发生在制氢功率波动之后的，因此，基于制氢装置制氢功率的波动可以实现系统压力波动的预测，进而提前进行系统压力的调节与控制。
66.基于此，本发明实施例提供一种制氢系统的压力控制方法，应用于水电解制氢系
统，具体的，可以应用于制氢系统中用于调节系统压力的控制器之中，也可以应用于制氢系统中的其他控制器，当然，在某些情况下，也可以应用于网络侧的服务器实现。参见图2，图2是本发明实施例提供的制氢系统的压力控制方法的流程图，本实施例提供的压力控制方法的流程可以包括：
67.s100、获取目标电气参数的参数值变化量，以及当前系统压力与预设压力阈值的压力差值。
68.首先需要强调说明的是，本实施例述及的目标电气参数与制氢系统的制氢功率相关，在实际应用中可以选用制氢系统的输入功率、输入电压以及输入电流中的任意一种，当然，也可以选用其他与制氢功率有关的技术参数，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
69.进一步的，目标电气参数的参数值变化量，是指目标电气参数在当前控制周期的参数值与目标电气参数在上一控制周期的参数值的差值，基于此，在获取目标电气参数的参数值变化量时，可以分别获取上一控制周期中目标电气参数的参数值，以及当前控制周期中目标电气参数的参数值，然后计算所得当前控制周期中目标电气参数的参数值与上一控制周期中目标电气参数的参数值的差值，即得到目标电气参数在当前控制周期的参数值变化量。
70.可选的，对于目标电气参数在当前控制周期的参数值的获取，有两种实现方式，对于设置有电气参数采集装置的制氢系统而言，可以获取该电气参数采集装置反馈的目标电气参数的参数信号，并在对所得参数信号进行解析后，根据解析结果确定目标电气参数在当前控制周期的参数值。而对于并未设置电气参数采集装置的制氢系统而言，可以预先与制氢电源建立通讯连接，获取制氢系统中制氢电源的通讯报文，进而提取所得通讯报文携带的目标电气参数在当前控制周期的参数值。
71.对于目标电气参数在上一控制周期中的参数值，在可以通过访问预设的数据存储器获得。基于此，本发明实施例提供的压力控制方法，在获取到目标电气参数在当前控制周期的参数值之后，还应予以保存，以便下一控制周期可以获取得到。
72.需要说明的是，如果是首次执行本发明实施例提供的压力控制方法，并不存在目标电气参数在上一控制周期的参数值，为避免得到错误的参数值变化量，可以采用预设的初始参数值，该初始参数值可以基于相似的制氢系统的历史运行数据得到，避免计算得到较大的参数值变化量，进而避免进行错误的调节过程。
73.制氢系统的当前系统压力可以由现有技术中所使用的压力采集装置，比如压力变送器采集得到，预设压力阈值则是根据制氢系统的耐压水平以及额定工况参数，基于实际运行经验得到的，以满足制氢系统正常运行为前提，在实际应用中可根据需求设置。在得到制氢系统的当前系统压力和预设压力阈值之后，将预设压力阈值减去当前系统压力，所得差值即相应的压力差值。
74.需要说明的是，由于由制氢功率波动引起的压力变化会存在一定的时间延迟，因此可以理解的是，本步骤获取得到的压力差值，特别是当前系统压力，可能并非是当前控制周期的制氢功率波动引起的，有可能是历史控制周期的制氢功率波动引起的，也有可能是实际应用中的其他原因引起的。当然，不论是什么原因引起的系统压力变化，都可以应用于当前控制周期的压力控制。
75.s110、根据参数值变化量确定第一调节量。
76.可选的，本发明实施例提供第三预设控制器，该第三预设控制器以目标电气参数的参数值变化量为输入，以表征液位调节装置调节方向和调节幅度的调节量为输出，且第三预设控制器的输出数据能够及时跟随输入数据的变化。在实际应用中，第三预设控制器可以选用p型控制器、pi控制器或pid控制器，当然，也可以选用其他输出数据跟随输入数据变化的控制器，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
77.在现有技术中，制氢系统的系统压力调节是通过系统内设置的压力调节阀完成的，一般情况下，压力调节阀设置在氧气分离器所在的氧侧回路中，当然，也可以设置在氧气分离器所在的氧侧回路中，或者氢侧回路与氧侧回路同时设置，基于此，本实施例中的第一调节量则具体用来表征压力调节阀的调节方向和阀门开度。
78.结合前述内容中对于第三预设控制器的定义可以想到，如果所得参数值变化量大于零，则第一调节量应使压力调节阀向着阀门开度变大的正方向变化，以尽快降低系统的系统压力；如果参数值变化量小于零，则第一调节量应使压力调节阀向着阀门开度变小的负方向变化，以通过减少气体排放的方式增大系统的系统压力；相应的，如果参数值变化量为零，第一调节量也应为零，维持压力调节阀门的当前位置不动。
79.可选的，本发明实施例设置一个预设变化量阈值，在得到目标电气参数的参数值变化量之后，比较参数值变化量与预设变化量阈值的大小关系，如果参数值变化量的绝对值大于预设变化量阈值，则将参数值变化量输入第三预设控制器，得到与参数值变化量对应的第一调节量；相反的，如果参数值变化量的绝对值小于等于预设变化量阈值，则获取上一控制周期的第一调节量。
80.比如，第一调节量可以按照前述内容述及的方式，直接根据输入功率的变化量确定，即不考虑输入功率变化量的大小，都会计算得到相应的第一调节量。也可以按照上述方法，设置一个预设变化量阈值，比如10％的额定功率，当输入功率变化量的绝对值大于10％的额定功率时，才会根据输入功率变化量计算第一调节量，如果输入功率变化量的绝对值小于等于10％的额定功率，则保持上一控制周期的第一调节量。
81.可以想到的是，通过预设变化量阈值，可以避免在每个控制周期都对压力调节阀进行调节，有效降低压力调节阀的调节频次，有助于提高压力调节阀的使用寿命。
82.对于预设变化量阈值的设置，可以根据实际控制精度需求，以及制氢系统对于制氢功率波动的容错程度设置，本发明对于预设变化量阈值的具体取值不做限定。
83.s120、基于第一调节量和压力差值确定目标调节量。
84.本发明实施例提供两种基于第一调节量和压力差值确定目标调节量的方法。
85.第一种：首先根据压力差值确定第二调节量，然后基于第一调节量和第二调节量确定目标调节量。
86.其中，在根据压力差值确定第二调节量时，本发明实施例提供第二预设控制器，将压力差值输入第二预设控制器，便可得到与压力差值对应的第二调节量。与前述第三预设控制器类似，本步骤中的第二预设控制器可以选用p型控制器或pi控制器或pid控制器实现，当然，也可以选用其他输出数据跟随输入数据变化的控制器实现。
87.第二调节量所表征的含义与前述第一调节量所表征的含义是相同的，同样用于表征制氢系统中压力调节装置的调节方向和调节幅度，在压力调节装置选用压力调节阀实现
时，第二调节量具体表征压力调节阀的调节方向和阀门开度。
88.基于上述前提，如果压力差值大于零，则第二调节量应使压力调节阀向着阀门开度变大的正方向变化；如果参数值变化量小于零，则第一调节量应使压力调节阀向着阀门开度变小的负方向变化；相应的，如果参数值变化量为零，第一调节量也应为零，维持压力调节阀门的当前位置不动。
89.对于基于第一调节量和第二调节量确定目标调节量的方式包括多种，可以直接将第一调节量与第二调节量之和作为目标调节量，也可以在分别对第一调节量和第二调节量加权后，将二者的权值之和作为目标调节量。当然，还可以采用其他基于第一调节量和第二调节量确定目标调节量的方法，在不超出本发明核心思想范围的前提下，同样属于本发明保护的范围内。
90.第二种：本实施例提供第一预设控制器，该第一预设控制器与前述第二预设控制器和第三预设控制器的选型规则相同，此处不再赘述。将第一调节量和所得压力差值输入第一预设控制器，便可得到目标调节量。
91.s130、按照目标调节量调节制氢系统的系统压力。
92.确定目标调节量之后，即可按照目标调节量调节制氢系统的系统压力。
93.可选的，在制氢系统是通过压力调节阀实现压力调节的情况下，本发明实施例提供预设映射关系，该预设映射关系中记录有调节量与压力调节阀开度之间的对应关系。
94.得到目标调节量之后，根据预设映射关系即可确定与该目标调节量对应的目标开度，进而可以按照目标开度调节制氢系统中的压力调节阀，以实现系统压力的调节控制。
95.综上所述，本发明实施例提供的压力控制方法，获取与制氢功率有关的目标电气参数的参数值变化量，通过该参数值变化量确定第一调节量，由于制氢功率波动会直接影响制氢系统的压力变化，且压力变化在制氢功率波动之后出现，因此，可以在制氢功率最终影响压力变化前提前确定调节量，有效提高压力平衡控制效率，改善压力平衡控制效果。
96.相较于现有技术的被动调节方法，本发明直接采集影响压力平衡的原始参数，属于主动调节方法，而且电气参数的采集要比压力差值这类机械信号的采集更为快速，因此，本发明实施例提供的控制方法执行效率更高，因而特别适用于采用光伏发电系统、风力发电系统等输出功率波动明显的新能源制氢电源的制氢系统，当然，同样也适用于采用交流电网作为制氢电源的制氢系统，适用范围更广。
97.进一步的，最终使用的目标调节量同时考虑功率波动和制氢系统实际的压力差的影响，相较于现有技术单纯依靠压力差确定调节量的方法，调节结果更加准确。
98.可选的，参见图3，图3是本发明实施例提供的一种制氢系统的结构框图，本实施例提供的制氢系统包括：制氢电源、制氢装置、电解液循环管路、氢气分离器、氧气分离器、压力调节阀、压力采集装置和制氢控制器，其中，
99.制氢电源的输出端与制氢装置的输入端相连；
100.制氢装置与电解液循环管路相连，可选的，电解液循环管路至少包括图3中所示冷却器以及连通管路，，一般情况下，制氢系统中还会设置有与电解液循环管路相连的电解液循环泵，用于驱动电解液循环，在实际应用中，电解液循环管路还可以包括其他构成部分，具体可参照现有技术实现，此处不再详述。
101.电解液循环管路分别与氢气分离器和氧气分离器相连。其中，氢气分离器用于分
离电解液中的氢气，氧气分离器用于分离电解液中的氧气，进一步的，图3中还示出相应的气体冷却模块，用于对相应气体做进一步的处理，具体可基于现有技术实现，此处亦不展开。
102.在图3所示示例中，压力调节阀与氧气分离器相连，在某些情况下，压力调节阀也可以和氢气分离器相连。压力采集装置可以选用压力变送器等能够采集制氢系统的系统压力的设备，在具体的连接关系上，压力采集装置可以和制氢系统中任何能够反映系统的系统压力的构成部分相连，在图3所示实施例中，压力采集装置与氧气分离器相连。
103.同时，制氢控制器分别与压力采集装置、制氢电源和压力调节阀相连，并执行上述任一项所述的制氢系统的压力控制方法。
104.可选的，制氢控制器与制氢电源通讯连接，通过通讯报文的方式获取目标电气参数的参数值。
105.或者，制氢系统中还包括电气参数采集装置，该电气参数采集装置与制氢电源相连，制氢控制器与电气参数采集装置相连，制氢控制器可以通过电气参数采集装置获取目标电气参数的参数值。
106.可选的，上述实施例中的制氢装置包括碱性水电解制氢装置或pem水电解制氢装置，此外，还可以选择固体氧化物制氢装置。
107.可选的，上述任一实施例中的制氢电源包括风力发电系统或光伏发电系统，当然，也可以是交流电网。
108.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
109.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
110.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
111.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。