包括多个电解槽模块的电解槽装置和用于控制电解槽装置操作的系统的制作方法

发明领域本发明涉及一种包括多个电解槽模块的电解槽装置和一种用于控制电解槽装置操作的系统、一种用于控制电解槽装置操作的系统的用途、一种计算机程序产品、一种计算机可读介质、一种用于控制包括多个电解槽模块的电解槽装置的操作的方法。

背景技术：

1、出于生产和规模化的目的，电解槽装置通常包含若干模块，这些模块又包含若干堆栈。

2、通常地，这种类型的电解槽装置被配置为使得在电解槽装置操作期间电解槽模块的部分或全部并行运行。

3、这种类型的电解槽装置一般地包括控制设备，该控制设备被配置为以协调的方式控制多个电解槽模块的操作，以下也被称为电解槽模块的协调控制。特别地，它可以被配置为控制针对每个电解槽模块的电解槽模块设置点。术语“电解槽模块设置点”可以指指示电解槽模块的氢气输出的生产设置点，或指电解槽模块的负载或功率设置点。

4、电解槽装置的操作在预定的设置点被执行，该设置点可以指生产设置点，生产设置点指示电解槽装置的总氢气输出，或指电解槽装置的负载或功率设置点。控制设备控制多个电解槽模块的操作，以多个电解槽模块的设置点总和(也被称为电解槽模块设置点)等于电解槽装置的预定设置点这样的方式。换句话说，控制设备为每个电解槽模块分配个体的设置点，使得所有电解槽模块设置点的总和与总电解槽装置设置点相匹配。为完整起见，当电解槽模块设置点是指电解槽模块的生产设置点时，则总电解槽设置点是指电解槽装置的生产设置点以及当电解槽模块设置点是指电解槽模块的负载或功率设置点时，则总电解槽装置设置点是指电解槽装置的负载或功率设置点。

5、目前，协调控制只考虑电解槽模块的数目和所需的负载以及应用刚性的预定方案来控制电解槽模块的操作。例如，所有电解槽模块可以被分配相等的设置点，或者针对多个电解槽模块设置点的预定固定切换序列可以被应用，例如当电解槽装置设置点提高时，以预定顺序随后切换电解槽模块。

6、然而，这种控制电解槽模块操作的方式意味着操作不会是理想的，因为这种刚性的方案没有考虑到电解槽模块的实际特性会相互显著不同并且可能随着时间的推移而变化，可能会有不同程度的变化。这意味着电解槽装置或模块通常不会以理想的方式操作，这对装置的总效率和/或电解槽模块的劣化是有害的。

7、这种控制电解槽模块操作的方式也可能导致电解槽模块维护的不利的和/或不可预测的维护模式。通常地，在一定的时间跨度和/或操作周期数之后，电解槽模块的维护是必要的。何时需要维护还取决于个体电解槽模块的特性及其操作情况，例如总操作时间和在哪个操作点操作。例如，不利的维护模式可能导致一些模块需要经常维护，而其他模块很少需要维护，使得一些模块维护必须在不合适的时间进行，例如在高生产需求期间、和/或许多模块需要同时维护期间。不可预测的维护模式降低了计划的准确性，并且从而危及装置的可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种方法和一种电解槽装置，其具有用于控制电解槽装置操作的系统，分别允许以协调的方式控制电解槽装置的操作，从而可以缓解至少上述一些问题中的一些，例如，使得可以提高总体效率和/或减少劣化和/或可以获得有利和/或可预测的维护模式。

2、本发明提供了一种电解槽装置和一种用于根据独立权利要求控制电解槽装置操作的方法。优选实施例由从属权利要求阐述。

3、电解槽装置包括多个电解槽模块，特别是将水分解为氢和氧的水电解槽模块，以及用于控制电解槽装置操作的系统。系统包括处理单元并且被配置为针对多个电解槽模块中的每个确定电解槽模块设置点，电解槽模块将在设置点操作，其中电解槽模块设置点被确定为使得其总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，并且在相应的电解槽模块设置点控制多个电解槽模块中的每个的操作。确定包括将代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据输入到处理单元并且处理单元执行输出电解槽模块设置点的优化程序，优化程序包括针对总电解槽装置效率、电解槽装置的寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和维护模式中的一个或多个的优化。

4、所要求保护的系统允许以可以最佳地利用每个电解槽模块的特性和能力来获得预定的设置点这样的方式来控制电解槽装置的操作。与不考虑任何这种特性的已知的刚性控制方案相比，电解槽装置的总操作可以在不同的技术方面得到改进，这取决于优化程序的优化目标和/或优化程序的约束。

5、装置寿命和电解槽模块的寿命可以各自指总寿命或剩余寿命。

6、针对总电解槽装置效率、总装置寿命、每个电解槽模块的寿命和/或维护模式“执行”优化意味着优化程序的目标是获得最佳的总电解槽装置效率、总装置寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和/或维护模式。还可以针对这些潜在目标中的一个进行优化，并使用考虑到一个或多个其他潜在目标的约束。作为示例，优化程序可以包括在约束提供的边界内对总装置效率的优化，约束确保电解槽模块的劣化(从而其寿命)保持在预定的可接受范围内或高于/低于可接受值。附加地或备选地，约束可以用于适应维护模式。作为备选方案，优化程序可以包括针对维护模式的优化，即提供允许电解槽模块能够安全和/或有效地操作直到预定的时间而无需维护的电解槽模块设置点。另外，在这种情况下，可选地，其他潜在的优化目标可能没有被优化，但可以通过约束来考虑。备选地或附加地，针对两个或更多个目标的优化也是可以的。

7、作为又一示例，针对一个或多个电解槽模块，约束可以包括限定分别的电解槽模块的操作范围的约束。这允许定制分别的电解槽模块的操作，以适应除电解槽模块的(多个)电解槽堆以外的组件(例如电解槽模块的整流器和/或滤波器)的操作参数，例如效率。

8、在本公开中，术语劣化通常地涉及电解槽模块的特性的变化，该变化在一个或多个方面是有害的。例如，操作效率和/或安全性可能会降低，和/或允许安全操作和/或有效操作的操作点范围可能会减小。

9、电解槽模块设置点被确定为使得它们的总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，这可能意味着该装置设置点是优化程序的约束之一。

10、确定电解槽模块设置点所包括的部分或全部步骤可以由处理单元执行。备选地或附加地，控制电解槽模块的操作的步骤可以部分地或完全地通过处理单元被执行。

11、处理单元可以包括控制设备，也被称为协调控制器，该控制设备将电解槽模块设置点分配给电解槽模块，以便控制其在相应的电解槽模块设置点处的操作。备选地，系统可以包括在处理单元外部并且被配置为与处理单元通信的控制设备。

12、每个电解槽模块可以被配置为与控制设备进行通信。特别是，每个电解槽模块可以被配置为接收来自控制设备的控制命令并且根据控制命令操作，特别是在由控制设备分配给它们的设置点处操作。

13、每个电解槽模块可以包括一个或多个电解槽堆，每个电解槽堆可以各自包括多个分解水并且产生氢的电解槽，并且还可以包括整流器以在给定设置点或另一个合适的电力电子设备处将交流电(ac)转换为直流电(dc)。每个电解槽模块还可以包括将交流电转换为输入到整流器的变压器和/或可以减少由整流器输出的并且要被输入到电解槽堆的直流电流中的直流电流纹波的滤波器。

14、应当理解的是在电解槽装置操作期间，规定的总装置设置点可能随时间而变化。因此，电解槽模块设置点也可能随时间变化。例如，电解槽模块可以在初始设置点被切换打开，并且随后其设置点可以提高和/或降低。设置点也可以在设置点的提高或降低之前、之后和/或之间保持不变。电解槽模块设置点的确定可以包括，针对每个电解槽模块确定电解槽模块设置点的时间序列，特别是考虑到总装置设置点的时间依赖性。

15、例如，针对不同的电解槽模块，可以在不同的时间打开电解槽模块操作，并且每个电解槽模块的电解槽模块设置点可以保持不变或可以随时间变化。特别地，作为时间函数的总装置设置点可以被输入到控制模块中并且被用于优化程序。换句话说，优化过程可以被执行以考虑总装置设置点中的变化。

16、电解槽模块设置点的确定还可以包括基于代表多个电解槽模块中每个的操作特性的数据创建和/或更新总电解槽装置模型，并且基于电解槽装置模型执行优化程序。

17、总电解槽装置模型可以是预测总电解槽装置效率、总电解槽装置寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和/或维护模式的模型，模型取决于多个电解槽模块中的每个的个体操作特性并且取决于其操作，特别是在其处操作的每个个体电解槽模块设置点，并且可选地取决于其他参数，例如像温度和/或压力等操作条件。因此，总电解槽装置模型允许建模和/或预测总装置操作，同时考虑到每个个体电解槽模块及其特定的个体操作特性。

18、代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据可以包括代表电解槽模块的效率特性、特别是电解槽模块的效率曲线的数据，和/或代表电解槽模块的劣化特性、特别是劣化曲线的数据。换句话说，劣化曲线和效率曲线各自表征了电解槽模块的操作情况。代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据还可以包括用于导通和/或断开它们的相应的开关损耗。

19、电解槽模块的效率特性包括来自输入功率的氢气生产的效率。对于每个电解槽模块，它们可以包括针对每个电解槽模块的一个或多个孤立的效率值，例如平均效率和/或在不同操作点的效率值。备选地，它们可以包括针对每个电解槽模块的效率曲线，该效率曲线表示电解槽模块效率作为操作点的函数的依赖性。操作点可以给定为标称负载的百分比。

20、多个电解槽模块中的一些的效率曲线可以通过相应的电解槽模块在任何给定操作点的效率值、电解槽模块的操作范围(例如不同的最大或最小操作点)、和/或曲线的形状而变化，例如，由于在不同负载下电解槽模块对整流器纹波因数的不同反应而变化。

21、劣化特性，特别是劣化曲线，代表了其他电解槽模块特性(如效率特性、安全性特性和/或结构特性)由于劣化随时间而发生的变化。例如，可以通过将表征相应电解槽模块的参数输入到劣化模型中来获得每个电解槽模块的劣化曲线。参数可以包括标称参数，例如取自每个电解槽模块的规格，和/或通过测量手段获得的参数。备选地或附加地，参数还可以包括表征电解槽模块的过去和/或预期操作条件的参数。

22、作为示例，基于效率和/或劣化曲线，系统可以关于电解槽装置效率、和/或电解槽和/或装置劣化的减少而最为有利地确定电解槽设置点。

23、每个模块的效率曲线和/或劣化曲线可以用于获得总电解槽装置模型。例如，效率曲线和/或劣化曲线可以被输入到输出电解槽装置模型的建模引擎中。建模引擎可以被配置为聚合效率曲线和/或劣化曲线以及代表电解槽装置和/或电解槽模块特性的可选附加数据，以获得用于确定电解槽装置模型的聚合数据集。备选地或附加地，每个模块的效率曲线和/或劣化曲线可以用于更新现有的总电解槽装置模型。例如，如果电解槽模块被交换和/或添加和/或移除和/或其他电解槽装置和/或电解槽模块特性发生变化，则建模引擎可以被配置为更新先前创建的电解槽装置模型。为此，在聚合数据集中，可以添加和/或交换和/或移除效率和/或劣化曲线，和/或可以在聚合数据集中添加、移除和/或改变代表其他电解槽装置和/或电解槽模块特性的数据。

24、如上所述，效率特性，特别是每个电解槽模块的效率曲线可以是时间相关的。换句话说，效率曲线可以随时间变化。例如，这样的变化可能是由于操作条件、环境条件和/或电解槽模块的劣化。该系统可以被配置为在优化程序中考虑效率曲线的所述时间依赖性，特别是由于劣化而引起的变化。

25、特别地，该系统可以被配置为更新用于确定设置点的效率曲线。系统可以被配置为自动地执行更新，例如以固定间隔或响应于触发事件，例如响应于接收控制命令。更新可以基于已知的设计数据，特别是从电解槽模块的寿命开始到寿命结束以及操作对劣化的影响。

26、该系统可以被配置为针对每个电解槽模块确定效率曲线随时间的变化。特别地，它可以被配置为预测效率曲线的未来变化。换句话说，系统可以配置为提供效率曲线的变化的投影。特别地，电解槽模块随时间的变化可以通过分析来自过去时间的效率曲线的趋势来确定。例如，可以外推这些趋势来预测效率曲线的未来变化。

27、可选地，针对每个电解槽模块的外推法可用于获得上述电解槽装置模型。

28、优化程序可以考虑，特别是利用，电解槽模块的效率曲线之间的差和/或电解槽模块的劣化曲线之间的差，特别是效率曲线的一个或多个不同的最大效率，效率曲线的不同形状、效率曲线的不同时间依赖性、以及电解槽模块的不同操作范围、以及在电解槽模块的所述操作范围内的可选对应效率。

29、这些差中的一个或多个可以用于获得总电解槽装置模型。上述允许每个电解槽模块利用其个体操作特性的优化使用。

30、上述优化程序可以包括通过设置约束(也被称为边界条件)来优化维护模式，约束代表预定的维护计划。

31、维护计划可以是分配特定时间或时间窗口的数据集，用于在一个或多个电解槽模块上执行维护操作。例如，维护计划可以确保在低生产需求时期能够执行维护、和/或电解槽模块的维护次数以在任何给定时间所需的装置生产率能被满足的方式随时间分布(特别地，随时间均匀地分配维护次数)、和/或将若干电解槽模块的维护集中到共同的时间和/或事件。后者减少了维护额外开销。

32、如上所述，优化过程可以包括对于维护模式的优化。备选地或附加地，优化可以使用代表预定维护计划的约束。因此，系统可以被配置为以能够遵守预定的维护计划这样的方式控制电解槽模块的操作。这可以基于每个电解槽模块的劣化特性，特别是劣化曲线来完成。因此，电解槽模块的操作可以以获得预定维护模式这样的方式被控制，预定维护模式允许遵守维护计划。

33、上述代表预定维护计划的约束可以包括电解槽模块的一个或多个预测特性，特别是预测操作特性，保持在一定范围内至少直到预定时间，特别地，电解槽模块的预测效率保持在预定效率阈值之上至少直到预定时间，和/或针对代表电解槽模块的操作安全性的特性的预测值保持在预定范围内直到预定时间。

34、例如，预定时间可以是针对相应电解槽模块的预期维护时间或预期维护时间窗口的开始。

35、特别地，约束可以包括代表电解槽模块的特性(也被称为电解槽模块特性，特别是操作特性)的值超过在一个或多个预定阈值和/或保持在一个或多个预定阈值以下。例如，操作时间可以代表电解槽模块特性。针对总电解槽模块操作时间的阈值可以根据操作时间与电解槽模块特性之间的相关性来确定。备选地或附加地，代表电解槽模块特性的值可以是由一个或多个传感器获得的值。

36、优化程序可以在每个电解槽模块保持高于或低于预定安全性阈值的约束下被执行。例如，优化程序可以在每个电解槽模块的膜的劣化不超过临界值的约束下被执行。这可以通过使用电解槽模块的总操作时间保持低于预定阈值或指示膜劣化的测量值保持高于或低于预定阈值的约束来实现。备选地和/或附加地，作为示例，在计划维护中偏离最大劣化条件可以作为惩罚添加到优化过程目标。

37、系统可以被配置为根据操作模式来确定电解槽模块设置点，特别是在多个操作模式之中自动地和/或响应于用户输入而选择的操作模式，其中操作模式是可以被称为效率模式的最大总电解槽装置效率、可以被称为延长寿命模式的电解槽模块(2a，2b，2c，2d，2e)中的每个的最小劣化、以及也可以被称为维护遵从模式的对维护计划的遵守、或者所述操作模式中的至少两个操作模式的组合中的一种。

38、至少两个上述操作模式的组合的示例是将电解槽模块的劣化率和负效率的凸组合最小化的模式，即将效率和延长寿命模式组合在一起。这种模式可以被称为经济模式。

39、在效率模式下，可以以牺牲一个或多个电解槽模块的寿命为代价来最大化效率，因为最大化效率可能会导致加速劣化。在延长寿命模式下，可以以牺牲效率为代价使劣化率最小化。经济模式允许最佳地适应延长寿命并提高效率的愿望。换句话说，不同的操作模式提供了不同的效率/寿命折衷。

40、也可以提供一种操作模式，该操作模式适应所期望的维护计划或模式，可选地结合其他目标，如优化总电解槽装置效率和/或电解槽模块寿命。

41、系统可以包括控制设备，该控制设备被配置为使用控制命令控制多个电解槽模块的操作，特别是上述控制设备。特别地，控制设备可以具有被配置为以便允许电解槽模块和控制设备之间进行通信的通信接口。控制设备可以被包括在处理单元中，它可以在处理单元的外部并且被配置成与处理单元通信。

42、因此，系统被配置为通过控制设备，特别是通过经由通信接口向电解槽模块提供控制命令，来提供电解槽模块的操作的协调控制。

43、系统还可以包括被配置为向控制设备提供生产信息(例如氢气需求)的erp系统，该生产信息可以从生产计划和/或维护信息(例如维护计划)中进行预测。备选地或附加地，erp系统被配置为更新生产信息和/或维护信息，特别是响应于从控制设备接收与电解槽模块有关的信息。

44、生产信息和/或维护信息可以根据推式或拉式方案被提供。作为拉式方案的示例，信息可以响应于从控制设备发送到erp系统的查询被提供。作为推式方案的示例，erp系统可以连续地或间隔地向控制设备提供信息。

45、控制设备可以被配置为提供与电解槽模块有关的信息，特别是劣化信息，例如电解槽模块的劣化状态和/或劣化率。可用于erp系统的数据，例如存储在erp系统或对于erp系统可访问的数据，可以用与电解槽模块有关的信息进行更新。erp系统可以被配置为使用从控制设备接收到的与电解槽模块有关的信息用于维护计划和/或生产计划和/或改进的物流。传统的erp系统可以被使用和调整，以便被配置为如上面概述的。将上述控制器和上述erp系统结合允许提供完全集成的解决方案。

46、需要注意的是上述系统中的每个可以被配置为不连续地执行电解槽模块设置点的确定，特别是响应用户输入，或者在预定时间自动地执行。例如，对于即将到来的时间段可以确定针对每个电解槽模块的电解槽模块设置点或电解槽模块设置点序列。然后，控制器可以基于先前确定的电解槽模块设置点或电解槽模块设置点序列，在该时间段内控制电解槽模块的操作。备选地，系统可以被配置为在电解槽模块操作期间连续地确定电解槽模块设置点。在这种情况下，考虑通过监测该操作获得的当前操作条件的数据，例如通过一个或多个传感器获得的，确定可以被执行。这样的配置在优化设置点方面具有更大的灵活性，从而进一步改善总电解槽装置操作。

47、本发明还提供了一种用于任何上述电解槽装置的系统的用途，系统包括处理单元并且被配置为针对多个电解槽模块中的每个确定电解槽模块设置点，电解槽模块将在设置点操作，其中电解槽模块设置点被确定为使得其总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，以及特别地在相应的电解槽模块设置点控制多个电解槽模块中的每个的操作。确定包括将代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据输入到处理单元并且处理单元执行输出电解槽模块设置点的优化程序，优化程序包括针对总电解槽装置效率、电解槽装置的寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和维护模式中的一个或多个的优化。

48、本发明还提供了一种包括指令的计算机可读介质，指令当由计算机执行时，导致计算机针对多个电解槽模块中的每个确定电解槽模块设置点，电解槽模块将在设置点操作，其中电解槽模块设置点被确定为使得其总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，以及特别地在相应的电解槽模块设置点提供用于控制多个电解槽模块中的每个的操作的控制信号。确定包括将代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据输入到处理单元并且处理单元执行输出电解槽模块设置点的优化程序，优化程序包括针对总电解槽装置效率、电解槽装置的寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和维护模式中的一个或多个的优化。

49、本发明还提供了一种包括指令的计算机程序产品，当程序由计算机执行时，导致计算机针对多个电解槽模块中的每个确定电解槽模块设置点，电解槽模块将在设置点操作，其中电解槽模块设置点被确定为使得其总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，以及特别地，在相应的电解槽模块设置点提供用于控制多个电解槽模块中的每个的操作的控制信号。确定包括将代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据输入到处理单元并且处理单元执行输出电解槽模块设置点的优化程序，优化程序包括针对总电解槽装置效率、电解槽装置的寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和维护模式中的一个或多个的优化。

50、本发明还提供了一种用于控制包括多个电解槽模块的电解槽装置的操作的方法。该方法包括针对多个电解槽模块中的每个确定电解槽模块设置点，电解槽模块将在设置点操作，其中电解槽模块设置点被确定为使得其总和等于电解槽装置的规定的总装置设置点，以及在相应的电解槽模块设置点控制多个电解槽模块中的每个的操作。确定包括将代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据输入到处理单元并且处理单元执行输出电解槽模块设置点的优化程序，优化程序包括针对总电解槽装置效率、电解槽装置的寿命、每个电解槽模块的寿命、操作安全性和维护模式中的一个或多个的优化。

51、电解槽模块设置点的确定还可以包括基于代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据来创建和/或更新总电解槽装置模型，并且基于电解槽装置模型执行优化程序。

52、电解槽模块设置点可以被不连续地，特别是响应于用户输入确定，和/或在预定时间地自动被确定，或在电解槽模块操作期间被连续地确定。

53、代表多个电解槽模块中的每个的操作特性的数据可以包括代表电解槽模块的效率特性的数据，特别是电解槽模块的效率曲线，和/或代表电解槽模块的劣化特性的数据，特别是劣化曲线。特别地，优化程序可以考虑，特别是利用电解槽模块的效率曲线之间的差和/或电解槽模块的劣化曲线之间的差，特别是效率曲线的一个或多个不同的最大效率、效率曲线的不同形状、电解槽模块的不同操作范围以及操作范围内的对应的效率、以及效率曲线的不同时间依赖性。

54、上述优化程序可以考虑，特别是利用电解槽模块的效率曲线之间的差和/或电解槽模块的劣化曲线之间的差，特别是效率曲线的一个或多个不同的最大效率、效率曲线的不同形状、效率曲线的不同时间依赖性以及电解槽模块的不同操作范围、以及在电解槽模块的操作范围内可选地对应的效率。

55、上述优化程序可以包括通过设置代表预定维护计划的约束的针对维护模式的优化，特别地，其中约束包括电解槽模块的一个或多个预测特性(特别是预测操作特性)保持在一定范围内至少直到预定时间，特别地，电解槽模块的预测效率保持高于预定效率阈值至少直到预定时间和/或代表电解槽模块的操作安全性的特性的预测值保持在预定范围内直到预定时间。

56、在上述方法中，电解槽模块设置点可以根据操作模式来确定，特别是在多个操作模式之中自动地和/或响应于用户输入而选择的操作模式，其中操作模式是最大总电解槽装置效率、每个电解槽模块的最小劣化、以及对维护计划的遵守，其也可以被称为维护遵从模式，或至少两种操作模式的组合。

57、上述在系统的上下文中概述的特征和优点同样适用于系统的使用、计算机可读介质、计算机程序产品和处理单元的使用以及本文所述的方法。

58、另外的特征、示例和优点将从参考附图的详细描述中变得明显。