一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法与流程

本发明属于清洁能源供电与电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法。

背景技术：

铝电解负荷为一级负荷，电解车间的电解槽、多功能天车、空压站、变电整流所等负荷也均为一级负荷。铝电解厂的一级负荷占全厂负荷的95％。大型铝工业基地的电解系列电流也在向超大方向发展。电解铝厂的高负荷对电网的供电系统产生了较大负担。同时电解铝生产中发生的电解反应不可避免的产生了二氧化碳影响了环境。

电解铝现在有供电系统仅为电网供电，方式单一，而电解铝中电解槽向大容量、高电流密度、高技术的方向发展，且电解铝产业本身又是一个高耗能的行业，启动时也会对电网峰谷调节产生较大影响。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块；

所述光伏发电模块，用于为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电；

所述燃料电池储能模块，用于当光伏发电模块的最大输出功率大于电解铝电解槽所需功率时，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电；

所述电网供电模块，用于在光伏发电模块和燃料电池储能模块均不能为电解铝电解槽供电时，为电解铝电解槽供电；

所述时空异构耦合控制器，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s；实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s和电解铝电解槽的额定功率P₀的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U₀计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。

所述光伏发电模块，包括：多个光伏发电板、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；

所述燃料电池储能模块，包括：燃料电池和第三DC/DC变换器；

所述电网供电模块，包括：供电网和AC/DC变换器；

所述AC/DC变换器的输入端连接供电网，所述AC/DC变换器的输出端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端连接直流母线，所述电解铝电解槽的一端连接还连接时空异构耦合控制器，所述电解铝电解槽的另一端连接第一DC/DC变换器的输出端和第三DC/DC变换器的输出端，所述多个光伏发电板并联连接，所述多个光伏发电板的输出端均连接时空异构耦合控制器的输入端、第一DC/DC变换器的输入端和第二DC/DC变换器的输入端，所述第二DC/DC变换器的输出端连接燃料电池的输入端，所述燃料电池的输出端连接第三DC/DC变换器的输入端和时空异构耦合控制器的输入端，所述时空异构耦合控制器的输出端连接第一DC/DC变换器的控制端、第二DC/DC变换器的控制端、第三DC/DC变换器的控制端和AC/DC变换器的控制端，所述电解铝电解槽的气体传输至燃料电池。

所述时空异构耦合控制器为DSP，包括：最大功率跟踪模块，功率选择模块和DC/DC变换器控制模块；

所述最大功率跟踪模块，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s；

所述功率选择模块，用于实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s和电解铝电解槽的额定功率P₀的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；

所述DC/DC变换器控制模块，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U₀计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。

所述第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、第三DC/DC变换器结构相同，均为Buck-Boost变流器；

所述Buck-Boost变流器，包括第一IGBT管S₁、第二IGBT管S₂、第三IGBT管S₃、第四IGBT管S₄、谐振电感L_r、第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一续流二极管D₃、第二续流二极管D₄、第三续流二极管D₅、续流电感L；

所述第一IGBT管S₁的门极、第二IGBT管S₂的门极、第三IGBT管S₃的门极连接DSP的输出端，所述第一IGBT管S₁的发射极连接第一续流二极管D₃的负极和供电侧正极，所述第一IGBT管S₁的集电极连接第一续流二极管D₃的正极和谐振电感L_r的一端，所述谐振电感L_r的另一端连接第二IGBT管S₂的集电极、第二续流二极管D₄的正极、续流电感L的一端和第一二极管D₁的负极，所述第二IGBT管S₂的发射极连接第二续流二极管D₄的负极和第一电容C₁的一端，所述第一电容C₁的另一端连接供电侧负极和第四IGBT管S₄的发射极，所述第四IGBT管S₄的集电极连接第一二极管D₁的正极，所述续流电感L的另一端连接第三IGBT管S₃的集电极、第三续流二极管D₅的正极和第二二极管D₂的正极，所述第三IGBT管S₃的发射极连接第第三续流二极管D₅的负极、第二电容C₂的一端和电解铝电解槽的输入端，所述第二二极管D₂的负极连接第二电容C₂的另一端和电解铝电解槽的输入端。

所述根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s的具体过程如下所示：

根据当前时刻光伏发电板的输出电流I_t与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；

所述电流预测模型如下所示：

其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；

根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；

根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值I_t+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UI_t+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率P_max；

根据光伏发电板的最大输出功率P_max确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s＝nP_max，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。

采用用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过时空异构耦合控制器实时采集光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流，确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s；

步骤1.1：根据当前时刻光伏发电板的输出电流I_t与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型；

所述电流预测模型如下所示：

其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数；

步骤1.2：根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B；

步骤1.3：根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值I_t+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UI_t+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率P_max；

步骤1.4：根据光伏发电板的最大输出功率P_max确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s＝nP_max，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。

步骤2：通过时空异构耦合控制器实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η；

步骤3：通过时空异构耦合控制器比较光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s与电解铝电解槽的额定功率P₀的大小，若P_s＞P₀，则执行步骤4，若P_s＜P₀，则执行步骤7；

步骤4：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比上限阈值η₁，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6；

步骤5：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，同时控制光伏发电模块的第二DC/DC变换器导通，并且确定第二DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为燃料电池充电，返回步骤1；

步骤6：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，返回步骤1；

步骤7：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比下限阈值η₂，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤9；

步骤8：通过时空异构耦合控制器控制电网供电模块的AC/DC变换器导通，为电解铝电解槽供电，返回步骤1；

步骤9：通过时空异构耦合控制器控制燃料电池储能模块的第三DC/DC变换器导通并且确定第三DC/DC变换器的占空比，控制燃料电池为电解铝电解槽供电，返回步骤1。

本发明的有益效果：

本发明提出一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统及方法，该系统针对电解铝厂存在的能耗问题和二氧化碳排放问题提供了解决方案，其中能耗问题由文中所提及的光伏供电系统为电解铝供电，缓解了电网的供电压力和调峰压力，间接节约了化石能源的消耗。并针对所电解铝厂排放的二氧化碳进行就地消纳，减轻了对环境的影响，具体体现在通过燃料电池储能装置，将二氧化碳通过光伏电池产生的过剩的电能和水发生化学反应，转变成可以储存的无害气体甲烷和氧气，在需要时再进行放电为电解提供电能需求。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统的结构框图；

图2为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统的电路连接图；

图3为本发明具体实施方式中Buck-Boost变流器的电路连接图；

图4为本发明具体实施方式中用于电解铝电解生产的光伏直流供电方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细说明。

一种用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统，如图1所示，包括光伏发电模块、燃料电池储能模块、时空异构耦合控制器和电网供电模块。

光伏发电模块，用于为电解铝电解槽提供直流电能，并为燃料电池储能模块充电。

燃料电池储能模块，用于当光伏发电模块的最大输出功率大于电解铝电解槽所需功率时，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电。

电网供电模块，用于在光伏发电模块和燃料电池储能模块均不能为电解铝电解槽供电时，为电解铝电解槽供电。

时空异构耦合控制器，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s；实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s和电解铝电解槽的额定功率P₀的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧；根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U₀计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。

光伏发电模块，包括：多个光伏发电板、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器。

燃料电池储能模块，包括：燃料电池和第三DC/DC变换器。

本实施方式中，燃料电池采用甲烷燃料电池，将光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存，并在电解铝电解槽需要燃料电池储能模块供电时，采用储存的气体作为燃料得到电能向电解铝电解槽供电。

光伏发电模块的剩余电能通过电转气方式进行储存具体为：

电解铝过程产生的二氧化碳和水经过通电和催化剂生成甲烷和氧气，所用到的化学方程式为：C+2O^2--4e^-＝CO₂↑，电解铝生产时阳极产生二氧化碳，通过气体收集器来收集，并作为燃料电池的储能原料用来将光伏发出的过剩功率通过转化成燃料气体的形式储存起来；其中阳极化学反应方程式为C+2O^2--4e^-＝CO₂，充电反应燃料电池放电反应为CH₄+O₂＝H₂O+CO₂。

电网供电模块，包括：供电网和AC/DC变换器。

如图2所示，AC/DC变换器的输入端连接供电网，AC/DC变换器的输出端连接直流母线，电解铝电解槽的一端连接直流母线，电解铝电解槽的一端连接还连接时空异构耦合控制器，电解铝电解槽的另一端连接第一DC/DC变换器的输出端和第三DC/DC变换器的输出端，多个光伏发电板并联连接，多个光伏发电板的输出端均连接时空异构耦合控制器的输入端、第一DC/DC变换器的输入端和第二DC/DC变换器的输入端，第二DC/DC变换器的输出端连接燃料电池的输入端，燃料电池的输出端连接第三DC/DC变换器的输入端和时空异构耦合控制器的输入端，时空异构耦合控制器的输出端连接第一DC/DC变换器的控制端、第二DC/DC变换器的控制端、第三DC/DC变换器的控制端和AC/DC变换器的控制端，电解铝电解槽的气体传输至燃料电池。

本实施方式中，时空异构耦合控制器为DSP，包括：最大功率跟踪模块，功率选择模块和DC/DC变换器控制模块。

最大功率跟踪模块，用于根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s。

本实施方式中，根据实时采集的光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s的具体过程如下所示：

根据当前时刻光伏发电板的输出电流I_t与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型。

当光伏发电板的输出电压为U时，采集到的电流值为I_t，但当得I_t时，实际电流值和观测电流值之间已有延时τ时间，则输出电流预测值因此以当前时刻光伏发电板的输出电流I_t和下一时刻输出电流预测值构建非负双曲余弦函数，得到电流预测模型如式(1)所示：

其中，a、B为系数，f(x)＝chx为双曲余弦函数。

将公式(1)可以改写成如式(2)所示：

根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B。

根据对电流预测模型求偏导如式(3)和式(4)所示：

根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值I_t+τ，则得到光伏发电板的输出功率如式(5)，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率P_max。

P＝UI_t+τ (5)

根据光伏发电板的最大输出功率P_max确定光伏发电模块的光伏发电最大功率如式(6)所示：

P_s＝nP_max (6)

其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。

功率选择模块，用于实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η；根据光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s和电解铝电解槽的额定功率P₀的关系选择电解铝电解槽的电能输入侧。

DC/DC变换器控制模块，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U₀计算需要的占空比，控制电能输入侧的输出电压。

本实施方式中，根据不同输入侧电压和电解铝电解槽的额定电压U₀计算需要的占空比D的公式如式(7)所示：

其中，E为输入侧电压。

第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、第三DC/DC变换器结构相同，均为Buck-Boost变流器。

本实施方式中，Buck-Boost变流器如图3所示，包括第一IGBT管S₁、第二IGBT管S₂、第三IGBT管S₃、第四IGBT管S₄、谐振电感L_r、第一电容C₁、第二电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一续流二极管D₃、第二续流二极管D₄、第三续流二极管D₅、续流电感L。

第一IGBT管S₁的门极、第二IGBT管S₂的门极、第三IGBT管S₃的门极连接DSP的输出端，第一IGBT管S₁的发射极连接第一续流二极管D₃的负极和供电侧正极，第一IGBT管S₁的集电极连接第一续流二极管D₃的正极和谐振电感L_r的一端，谐振电感L_r的另一端连接第二IGBT管S₂的集电极、第二续流二极管D₄的正极、续流电感L的一端和第一二极管D₁的负极，第二IGBT管S₂的发射极连接第二续流二极管D₄的负极和第一电容C₁的一端，第一电容C₁的另一端连接供电侧负极和第四IGBT管S₄的发射极，第四IGBT管S₄的集电极连接第一二极管D₁的正极，续流电感L的另一端连接第三IGBT管S₃的集电极、第三续流二极管D₅的正极和第二二极管D₂的正极，第三IGBT管S₃的发射极连接第第三续流二极管D₅的负极、第二电容C₂的一端和电解铝电解槽的输入端，第二二极管D₂的负极连接第二电容C₂的另一端和电解铝电解槽的输入端。

本实施方式中，第四IGBT管S₄为工作模式控制开关，第一IGBT管S₁和第一续流二极管D₃组成降压控制开关，第三IGBT管S₃与第三续流二极管D₅组成升压控制开关，第二IGBT管S₂、第二续流二极管D₄、谐振电感L_r和第一电容C₁构成软开关；

当Buck-Boost变流器工作在Buck模式时，工作模式控制开关为导通状态，降压控制开关为导通状态，续流电感L为降压工作电感，此时软开关的工作时间控制降压比例；

当Buck-Boost变流器工作在Boost状态时，工作模式控制开关为断开状态，降压控制开关为导通状态，谐振电感L_r与续流电感L构成Boost电路的升压工作电感，升压控制开关控制升压比例。

采用用于电解铝电解生产的光伏直流供电系统进行光伏直流供电的方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：通过时空异构耦合控制器实时采集光伏发电模块的各个光伏发电板的输出电压和输出电流，确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s。

步骤1.1：根据当前时刻光伏发电板的输出电流I_t与下一时刻输出电流预测值建立电流预测模型如式(1)所示。

步骤1.2：根据对电流预测模型求偏导确定其系数a、B。

步骤1.3：根据实时采集的输出电流以及电流预测模型得到延时后的电流输出值I_t+τ，则得到光伏发电板的输出功率P＝UI_t+τ，从而确定光伏发电板的输出电压U和最大输出功率P_max。

步骤1.4：根据光伏发电板的最大输出功率P_max确定光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s＝nP_max，其中，n为光伏发电模块中光伏发电板的个数。

步骤2：通过时空异构耦合控制器实时采集电解铝电解槽的额定功率P₀和额定电压U₀，以及燃料电池当前电量百分比η。

步骤3：通过时空异构耦合控制器比较光伏发电模块的光伏发电最大功率P_s与电解铝电解槽的额定功率P₀的大小，若P_s＞P₀，则执行步骤4，若P_s＜P₀，则执行步骤7。

步骤4：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比上限阈值η₁，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6。

本实施方式中，燃料电池电量百分比上限阈值η₁为0.9。

步骤5：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，同时控制光伏发电模块的第二DC/DC变换器导通，并且确定第二DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为燃料电池充电，返回步骤1。

步骤6：通过时空异构耦合控制器控制光伏发电模块的第一DC/DC变换器导通并且确定第一DC/DC变换器的占空比，控制光伏发电模块为电解铝电解槽供电，返回步骤1。

步骤7：通过时空异构耦合控制器判断燃料电池当前电量百分比η是否小于燃料电池电量百分比下限阈值η₂，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤9。

本实施方式中，燃料电池电量百分比下限阈值η₂为0.1。

步骤8：通过时空异构耦合控制器控制电网供电模块的AC/DC变换器导通，为电解铝电解槽供电，返回步骤1。

步骤9：通过时空异构耦合控制器控制燃料电池储能模块的第三DC/DC变换器导通并且确定第三DC/DC变换器的占空比，控制燃料电池为电解铝电解槽供电，返回步骤1。