具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统及控制方法与流程

本发明涉及制氢电源，尤其涉及一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统及控制方法。

背景技术：

1、氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源和重要的工业原料。电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，其具有绿色环保、生产灵活、纯度高等特点，是理想的绿色制氢生产方式。制氢电源装置及制氢电解槽均为电解水制氢系统中的关键装置。制氢电源装置用于提供制氢电解槽电解水所需的直流电，是制氢系统运行的基本保障，而制氢电解槽是制氢系统中最为核心的部分，是影响制氢效率和安全的最关键环节，也是制氢系统中成本占比最大的部分，因而在制氢电源装置工作过程中对制氢电解槽状态的检测分析是保障制氢安全和提升电解槽使用寿命的必要措施。

2、现有技术中，电解水制氢电源装置仅能够实现电解直流电源输出功能，要实现对电解槽的状态检测和分析则需要额外设置检测设备，即电解槽的状态检测与制氢电源是独立执行的，该类方案会存在以下问题：

3、1、传统状态检测设备通常都是仅能够实现单一功能的检测，如单一的绝缘检测、阻抗检测等，因而往往需要为电解槽同时设置多个不同功能的检测设备，不仅实现成本高、整体系统体积重量大，且控制复杂程度高、效率低。另外，多个分散功能难以实现系统性的电解槽健康管理。

4、2、电解槽的部分重要状态通常需要在有外部电源激励的情况下才能体现和检测，例如电解槽的绝缘检测和阻抗检测就需要外部电源激励下才能进行测量和计算，因而为实现电解槽的状态检测还需要额外引入外部电源激励，进一步增加了实现成本以及控制复杂程度。

5、3、各类电解槽检测通常只能进行离线检测，不能在制氢生产过程中进行实时在线检测，离线检测意味着只能在电解槽的每次停机间歇进行“保养式”的健康检测，不仅耗时耗力，且难以及时发现电解槽的异常状态。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、成本低、体积重量小、能源利用率以及集成化程度高的具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统，及实现方法简单、控制效率高的控制方法，能够在制氢过程中实现电解槽状态的在线检测，使得能够及时、快速地发现电解槽的异常状态。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置，包括控制模块以及分别与所述控制模块连接的电源主电路模块、电源检测模块以及电解槽检测模块，所述电源主电路模块的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽以向电解槽提供所需的直流电，所述电源检测模块还与所述电源主电路模块连接，以用于检测所述电源主电路模块在运行过程中的状态信息，所述电解槽检测模块还与电解槽连接以用于检测电解槽的状态信息，所述控制模块分别接收所述电源检测模块检测的状态信息、所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息，对所述电源主电路模块、电解槽进行控制。

4、进一步的，所述电源主电路模块在运行过程中的状态信息包括输入端电压/电流、中间环节电压/电流、输出端电压/电流、温度状态以及开关状态中任意一种或多种，所述温度状态包括所述电源主电路模块的温度和/或所述电源主电路模块中部件的温度。

5、进一步的，所述电源检测模块包括用于检测电压/电流的第一检测单元、用于检测温度状态的第二检测单元以及用于检测开关状态的第三检测单元。

6、进一步的，所述电解槽的状态信息包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压、气体浓度中任意一种或多种。

7、进一步的，所述控制模块包括相互连接的数据处理单元以及控制单元，所述数据处理单元用于根据所述电源检测模块检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态，将状态评估结果输出给所述控制单元，所述控制单元根据所述数据处理单元输出的制氢电源的状态评估结果，对所述电源主电路模块的状态进行控制，以及根据电解槽的状态评估结果对电解槽的状态进行控制。

8、进一步的，还包括分别与所述控制模块、电源主电路模块连接的绝缘检测控制模块，以用于对电解槽进行绝缘检测时，控制断开电解槽负极与地之间的连接，并控制将所述电源主电路模块输出的电压提供给电解槽正负极与地之间，以实现电解槽自动绝缘检测。

9、进一步的，所述绝缘检测控制模块包括双极切换开关k2、短接开关k3以及限流电阻r1，所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接所述电源主电路模块的的负极和所述限流电阻r1，所述限流电阻r1的另一端接地，所述短接开关k3的两端分别与电解槽的正负极连接。

10、进一步的，所述控制模块通过控制电解槽负极与地之间的接地开关k0以及所述双极切换开关k2、短接开关k3的开断，实现电解槽自动绝缘检测。

11、进一步的，所述绝缘检测控制模块还包括设置在所述限流电阻r1的接地回路的漏电流检测电路，以用于检测限流电阻r1所在回路的接地电流，得到电解槽主回路的对地漏电流。

12、一种制氢电源系统，包括：

13、如上述制氢电源装置；

14、电解槽；

15、所述制氢电源装置的输入端连接输入电源，输出端连接所述电解槽。

16、进一步的，还包括与所述制氢电源装置连接的控制交互装置，以用于接收所述制氢电源装置的输出数据以及发送控制指令给所述制氢电源装置。

17、一种用于上述制氢电源装置的控制方法，步骤包括：

18、分别接收所述电源检测模块检测的状态信息以及所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息；

19、根据所述电源检测模块检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态；

20、根据制氢电源的状态评估结果和电解槽的状态评估结果控制所述制氢电源装置，根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽。

21、进一步的，所述根据制氢电源的状态评估结果控制制氢电源装置包括进行输入保护、同步控制、闭环控制、过温保护、过压过流保护、预充电控制、逻辑控制和保护中任意一种或多种，其中，根据所述电源检测模块检测的所述电源主电路模块输入端的电压/电流，进行所述输入保护、同步控制、闭环控制中任意一种，所述输入保护包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护中任意一种，所述闭环控制包括用于消谐控制或逆变控制的闭环控制，根据所述电源检测模块检测的电源关键部件温度进行所述过温保护，根据检测到的中间环节电压/电流进行所述过压过流保护及预充电控制，根据检测到的开关状态进行所述逻辑控制和保护。

22、进一步的，根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压状态、气体浓度状态中任意一种或多种的状态，所述根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽包括控制电解槽的阀门分合和/或故障小室旁路，控制制氢电源包括控制输入开关柜跳闸和/或封锁脉冲和/或降功运行。

23、进一步的，当评估电解槽的阻抗状态时，所述控制模块具体执行步骤包括：

24、控制所述电源主电路模块输出的电压作为激励施加至电解槽的正负极之间；

25、检测电解槽的正负极之间产生的电解电流；

26、根据所述电源主电路模块输出的电压以及检测到的所述电解电流计算电解槽的阻抗值；

27、根据计算出的电解槽的阻抗值判断电解槽的阻抗状态。

28、进一步的，当评估电解槽的小室电压状态时，所述控制模块具体执行步骤包括：

29、控制检测电解槽中每个小室的电压；

30、根据各个小室的电压判断是否存在异常；

31、根据各个小室的电压的判断结果，如果存在小室电压异常时控制执行保护或预警。

32、一种用于上述制氢电源装置的控制方法，该方法包括通过控制模块执行电解槽绝缘检测控制步骤，具体步骤包括：

33、控制将电解槽的正负极短接以及断开电解槽负极与地之间的连接；

34、控制将所述电源主电路模块输出电能施加至电解槽正负极与地之间以作为外部激励；

35、检测电解槽主回路的对地漏电流；

36、根据检测到的漏电流判断电解槽的绝缘状态。

37、进一步的，所述通过控制模块控制对电解槽进行绝缘检测的步骤中，控制连接在电解槽正负极之间的短接开关k3闭合，以控制将电解槽的正负极短接，以及通过控制双极切换开关k2闭合使制氢电源输出加在电解槽电极和地之间；所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接制氢电源的负极和所述限流电阻r1连接，所述限流电阻r1的另一端接地；由所述电源主电路模块输出的电压作为外部激励施加至电解槽的正负极与地之间，检测所构建的测试回路电流以得到电解槽主回路的对地漏电流。

38、一种用于上述制氢电源装置的控制方法，步骤包括：

39、制氢电源装置开机启动时进行初始化以及系统自检；

40、系统自检完成后判断是否进行绝缘检测；

41、如果需要进行绝缘检测则控制按照上述控制方法执行绝缘检测；

42、等待中断触发条件，每一种电解槽检测类型设定一个中断触发条件，所述电解槽检测类型包括电解槽压强检测、电解槽阻抗检测、电解槽小室电压检测、以及电解槽气体浓度中任意一种；

43、当接收到中断触发条件时，按照上述控制方法执行中断触发条件对应的检测。

44、与现有技术相比，本发明的优点在于：

45、1、本发明通过将制氢电源的供电功能和电解槽状态检测功能进行融合，实现具有电解槽状态检测功能的制氢电源装置，使得由一套制氢电源装置可以同时实现制氢电源供电以及电解槽健康管理功能，不仅可以有效降低实现成本、系统整体体积重量，无需额外设置检测设备，且可以充分利用制氢电源供电功能作为作电解槽检测的外部激励，提高能源利用率以及控制效率，同时在制氢过程中实时即能够对电解槽进行状态检测，使得能够及时发现电解槽微小的损坏和异常，从而更好地保障制氢系统的安全稳定运行。

46、2、本发明进一步通过设置绝缘检测控制模块将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间，并检测回路电流，即可实现电解槽的绝缘状态的检测，能够将电解槽绝缘检测与制氢电源供电过程进行有效融合，形成具有自动绝缘检测功能的制氢电源装置，不需要再配置单独的电解槽绝缘检测装置，即可自动实现电解槽绝缘检测，能进一步保障制氢系统的安全运行，同时进一步降低实现成本，提高实现效率、智能化程度。

47、3、本发明进一步通过设置切换开关、短接开关、限流电阻及漏电流检测电路，可以自动切换将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间、检测回路电流，可以方便、快速的实现绝缘检测，进一步提高电解槽检测的效率以及智能化程度。

48、4、本发明进一步通过使得制氢电源装置具备绝缘检测、阻抗检测、小室电压检测、气体浓度检测、槽压检测等多种电解槽检测功能，可以构建出一套制氢电解槽的健康管理系统，形成对制氢电源装置以及电解槽的完善健康管理，从而最大限度的保障制氢电源装置的安全可靠性及提高电解槽的使用寿命；对各检测功能进一步以中断子程序的形式进行管理，能够提高控制系统cpu的使用效率并能方便的进行功能优先级管理和功能屏蔽。