本发明属于氢气制备和电网调峰储能技术领域，具体涉及一种用于波动性电源的电解水制氢系统及其控制策略。
背景技术：
氢气作为一种绿色清洁的能量载体，可以真正做到使用过程无污染排放。氢气的规模化、平价化、可持续化的制备和使用是实现碳中和目标的重要发展方向。氢气除了可以通过化石能源重整、工业副产气纯化等方式制备外，也可以利用电解水的方法制取。
太阳能、风能等可再生能源具有较大的间歇性与波动性，这些电站的大规模并网会对电力系统的调度控制、运行品质以及系统安全稳定性产生诸多不利影响。因此发展推广储能技术迫在眉睫。氢气作为一种新型的储能介质，相较于锂电池、蓄电池等具有更高的能量密度和不显著的泄漏率。
将水电解制氢技术与可再生能源发电技术相结合，既可以实现对可再生能源发电站的调峰储能，同时经可再生能源制得的氢气可优化我国的能源结构，提高能源安全。同时随着可再生能源发电平价上网，电解水制氢成本将持续下降。
但如何安全有效的耦合可再生能源发出的波动性电源和水电解制氢系统仍然是摆在我们面前的难题。尤其是针对碱性水电解制氢技术，其相对于纯水电解制氢技术，技术更为成熟，成本也更为低廉，但因为制氢量的频发波动会导致氢气穿过隔膜进入到氧气侧，进而导致严重的安全隐患，因此其不能直接适用于波动性电源。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于波动性电源的电解水制氢系统及其控制策略，解决现有的电解水制氢系统，尤其是碱性水电解制氢系统对稳定输入电源的必要要求，同时有助于可再生能源发电站的调峰储能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于波动性电源的电解水制氢系统，包括波动性电源、整流/逆变单元、共直流母线、储能电池单元、监测控制单元、显示单元、电解水制氢单元；其中，波动性电源发出的交流或直流电经整流/逆变单元转换为直流电后传输至共直流母线输入端；储能电池单元既与共直流母线输入端也与共直流母线输出端相连；储能电池单元还连接监测控制单元、显示单元；波动性电源、电解水制氢单元的信号输出端连接监测控制单元的信号输入端；监测控制单元的信号输出端连接储能电池单元、电解水制氢单元和显示单元。
优选地，所述波动性电源为光伏、风电、水电或有调峰储能需求的火电中的一种或几种。
优选地，所述整流/逆变单元为单向整流器、单向逆变器的一种或几种。
优选地，所述储能电池单元包括电池模块和双向dc/dc变换器模块，其中所述电池模块为蓄电池组或锂电池组等可充电储能电池组，其为监测控制单元、显示单元以及电解水制氢单元中的电控元件（如压力变送器、温度传感器、循环水泵等）供能，同时也可通过自身充电的方式吸收波动性电源的多余电量或通过参与电解的方式补充波动性电源的缺额能量；所述双向dc/dc变换器的输入输出功率可调。
优选地，所述监测控制单元具有信号接收模块、判断模块和控制模块，其中，信号接收模块接收波动性电源的输出电流值、电压值，并将通过计算得到的实时输出功率（pinput）传输至判断模块，判断模块将波动性电源的实时输出功率与预先设定的电解槽电解功率进行由小到大逐一比对，得到大于且最接近于波动性电源实时输出功率的设定电解槽电解功率（pn）；信号接收模块同时接收储能电池单元中储能电池组的荷电状态（soc），并将该荷电状态传输至判断模块，判断模块将该荷电状态与预先设定的储能电池荷电状态的最大值、最小值（socmax、socmin）进行比较，并将对比结果传输到控制模块，控制模块发出后续运行状态指令（电池参与电解过程、电池慢充过程、电池快充过程）；为防止当储能电池组的荷电状态接近设定储能电池荷电状态的最大值或最小值时，引起后续运行状态指令的频繁切换，引入soc滞回控制。依据后续运行状态指令，控制模块分别向储能电池单元发出放电或慢充或快充指令，向电解水制氢单元发出电解槽电解功率指令。信号接收模块还接收电解水制氢的进行情况（如负荷、氢气压力、槽温等），并将接收到的信息传输至显示单元。
优选地，所述显示单元接收监测控制单元传输的电解水制氢单元的进行情况信息，并通过触摸液晶屏实时显示。
优选地，所述电解水制氢单元包括原料水模块、电解槽、气水分离模块、干燥纯化模块以及起监测控制作用的电控元件（如压力变送器，温度传感器，循环水泵等）；其中电解槽为碱性水电解槽、固体聚合物电解槽和固体氧化物电解槽中的一种或几种。
一种适用于波动性电源的电解水制氢控制策略，基于所述的一种适用于波动性电源的电解水制氢系统，其包括步骤如下：
通过波动性电源的信号输出端向监测控制单元传递其实时输出功率，监测控制单元将波动性电源的实时输出功率与预先设定的电解槽电解功率进行比对，得到合适的设定电解槽电解功率（pn）；监测控制单元接收储能电池单元中储能电池组的荷电状态（soc）信息，并将该荷电状态与预先设定的储能电池荷电状态的最大值和最小值（socmax和socmin）进行比对，确定后续运行状态；监测控制单元依据后续运行状态指令，控制储能电池单元中储能电池组的充放电功率和电解水制氢单元中电解槽的电解功率。
优选地，预先设定的电解槽电解功率参数依据由小到大的原则设定，且参数设置数量不低于2个，分别记为p1，p2，…pn。
优选地，监测控制单元根据波动性电源的实时输出功率和预先设定的电解槽电解功率，确定合适的设定电解槽电解功率，具体方法是：
设定初始n值为1，判断波动性电源的实时输出功率pinput与pn的关系，如果pinput大于pn，设定n=n 1，再次判定pinput与pn的关系，循环判定，直至pinput小于pn，得到确定的n值。
优选地，监测控制单元根据储能电池组的荷电状态和预先设定的储能电池荷电状态，确定后续运行状态，具体方法是：
若储能电池组的荷电状态（soc）大于预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），后续运行状态为电池参与电解过程；
若储能电池组的荷电状态（soc）小于预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），但大于预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin），后续运行状态为电池慢充过程；
若储能电池组的荷电状态（soc）小于预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin），后续运行状态为电池快充过程；
优选地，引入soc滞回控制，防止后续运行状态指令频繁切换，具体控制方法为：
当储能电池组的荷电状态（soc）逐步减小至预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），或者逐步增大至预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin）时，监测控制单元不会立即确定后续运行状态为电池慢充过程，而是低于socmaxl或高于socminl时才确定；
优选地，监测控制单元依据后续运行状态指令，控制电解槽电解功率和储能电池组充放电功率，具体方法是：
若后续运行状态指令为电池参与电解过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn、向储能电池组发出放电功率为pn-pinput的指令。
若后续运行状态指令为电池慢充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-1、向储能电池组发出放电功率为pinput-pn-1的指令，其中，p0为0。
若后续运行状态指令为电池快充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-2、向储能电池组发出放电功率为pinput-pn-2的指令，其中，p0、p-1均为0。；
本发明的有益效果是：
（1）将水电解制氢技术与可再生能源发电技术相结合，一方面可制备出真正绿色环保的氢气，一方面可对可再生能源发出的波动性电源进行调峰储能。
（2）增加储能电池单元，并根据储能电池组的荷电状态，确定电解槽电解功率，使得电解槽电解功率仅在预先设定的几个功率间变化，降低了电解槽电解功率的波动，尤其使原本不可适用于波动性电源的碱水制氢技术与可再生电源发电的联用成为可能，而碱水制氢技术的高制氢产量，低生产成本的优点降低了可再生能源电解水制氢技术的工业化应用门槛。
附图说明
图1为本发明一种适用于波动性电源的电解水制氢系统的机构示意图；
图2为本发明一种适用于波动性电源的电解水制氢控制策略的逻辑流程图；
图3为本发明一种适用于波动性电源的电解水制氢控制策略中电池参与电解过程时的逻辑流程图；
图4为本发明一种适用于波动性电源的电解水制氢控制策略中电池慢充过程时的逻辑流程图；
图5为本发明一种适用于波动性电源的电解水制氢控制策略中电池快充过程时的逻辑流程图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种适用于波动性电源电解水制氢系统，包括波动性电源1，整流/逆变单元2，共直流母线3，储能电池单元4，监测控制单元5，显示单元6，电解水制氢单元7。其中，波动性电源1发出的交流或直流电经整流/逆变单元2转换为直流电后传输至共直流母线3输入端；储能电池单元4既与共直流母线3输入端也与共直流母线3输出端相连；储能电池单元4还连接监测控制单元5、显示单元6；波动性电源1、电解水制氢单元7的信号输出端连接监测控制单元5的信号输入端；监测控制单元5的信号输出端连接储能电池单元4，电解水制氢单元7和显示单元6。
所述波动性电源1在本实例中为由风机发出的交流电和光伏发出的直流电组成的协同电源，风光互补，可以显著提高制氢设备的利用率。
所述整流/逆变单元2在本实例中由连接风电的单向整流器和连接光伏的单向逆变器组成。
所述储能电池单元4包括电池模块和双向dc/dc变换器模块，在本实例中储能电池为锂电池组，其为监测控制单元5、显示单元6以及电解水制氢单元7中的电控元件（如压力变送器，温度传感器，循环水泵等）供能，同时也可通过自身充电的方式吸收波动性电源1的多余电量或通过参与电解的方式补充波动性电源1的缺额能量；所述双向dc/dc变换器的输入输出功率可调。
所述监测控制单元5具有信号接收模块、判断模块和控制模块，同时结合图2所示，信号接收模块接收波动性电源1的输出电流值、电压值，并将通过计算得到的实时输出功率（pinput）传输至判断模块，判断模块将波动性电源1的实时输出功率与预先设定的电解槽电解功率进行由小到大逐一比对，得到大于且最接近于波动性电源的实时输出功率的设定电解槽电解功率（pn）；具体方法为：预先设定的电解槽电解功率参数依据由小到大的原则设定，且参数设置数量不低于2个，分别记为p1，p2，…pn。初始设定n=1，判断波动性电源的实时输出功率pinput与pn的关系，如果pinput大于pn，设定n=n 1，再次判定pinput与pn的关系，循环判定，直至pinput小于pn，得到确定的n值。
所述监测控制单元5中的信号接收模块同时接收储能电池单元4中储能电池组的荷电状态（soc），并将该荷电状态传输至判断模块，判断模块将该荷电状态与预先设定的储能电池荷电状态的最大值、最小值（socmax、socmin）进行比较，并将对比结果传输到控制模块，控制模块发出后续运行状态指令（电池参与电解过程、电池慢充过程、电池快充过程），具体方法为：若储能电池组的荷电状态（soc）大于预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），后续运行状态为电池参与电解过程；若储能电池组的荷电状态（soc）小于预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），但大于预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin），后续运行状态为电池慢充过程；若储能电池组的荷电状态（soc）小于预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin），后续运行状态为电池快充过程。引入soc滞回控制，防止后续运行状态指令频繁切换，具体控制方法为：当储能电池组的荷电状态（soc）逐步减小至预先设定的储能电池荷电状态的最大值（socmax），或者逐步增大至预先设定的储能电池荷电状态的最小值（socmin）时，监测控制单元不会立即确定后续运行状态为电池慢充过程，而是低于socmaxl或高于socminl时才确定；
依据后续运行状态指令，所述监测控制单元5中的控制模块分别向储能电池单元4发出放电或慢充或快充指令，向电解水制氢单元7发出电解槽电解功率指令。电池参与电解过程、电池慢充过程、电池快充过程时的逻辑流程图分别为图3、图4、图5所示。具体方法是：若后续运行状态指令为电池参与电解过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn、向储能电池发出放电功率为pn-pinput的指令。若后续运行状态指令为电池慢充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-1、向储能电池发出放电功率为pinput-pn-1的指令，其中，p0为0。若后续运行状态指令为电池快充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-2、向储能电池发出放电功率为pinput-pn-2的指令，其中，p0、p-1均为0。
所述监测控制单元5中的信号接收模块还接收电解水制氢单元7的进行情况（如负荷，氢气压力，槽温等），并将接收到的信息传输至显示单元6。
所述显示单元6接收监测控制单元5传输的电解水制氢单元7的进行情况信息，并通过触摸液晶屏实时显示。
所述电解水制氢单元7包括原料水模块，电解槽，气水分离模块，干燥纯化模块以及起监测控制作用的电控元件（如压力变送器，温度传感器，循环水泵等），在本实例中，电解槽选为碱性水电解槽，因为其价格更为便宜，制氢成本显著下降。
1.一种用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，包括波动性电源（1）、整流/逆变单元（2）、共直流母线（3）、储能电池单元（4）、监测控制单元（5）、显示单元（6）、电解水制氢单元（7）；其中，波动性电源（1）发出的交流或直流电经整流/逆变单元（2）转换为直流电后，传输至共直流母线（3）输入端；储能电池单元（4）既与共直流母线（3）输入端相连，也与共直流母线（3）输出端相连，同时，储能电池单元（4）还连接监测控制单元（5）和显示单元（6）；波动性电源（1）、电解水制氢单元（7）的信号输出端连接监测控制单元（5）的信号输入端；监测控制单元（5）的信号输出端连接储能电池单元（4），电解水制氢单元（7）和显示单元（6）。
2.根据权利要求1所述的用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，所述波动性电源为光伏、风电、水电或有调峰储能需求的火电中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，所述整流/逆变单元为单向整流器、单向逆变器的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，所述储能电池单元（4）包括电池模块和双向dc/dc变换器模块，其中所述电池模块为可充电储能电池组，为监测控制单元、显示单元以及电解水制氢单元中的电控元件供能，同时通过自身充电的方式吸收波动性电源（1）的多余电量或通过参与电解的方式补充波动性电源（1）的缺额能量；所述双向dc/dc变换器的输入输出功率可调。
5.根据权利要求1所述的用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，所述监测控制单元（5）具有信号接收模块、判断模块和控制模块，其中，信号接收模块接收波动性电源（1）的输出电流值、电压值，并将通过计算得到的实时输出功率pinput传输至判断模块，判断模块将波动性电源（1）的实时输出功率与预先设定的电解槽电解功率进行由小到大逐一比对，得到大于且最接近于波动性电源（1）实时输出功率的设定电解槽电解功率pn；信号接收模块同时接收储能电池单元中（4）储能电池组的荷电状态soc，并将该荷电状态传输至判断模块，判断模块将该荷电状态与预先设定的储能电池荷电状态的最大值socmax、最小值socmin进行比较，并将对比结果传输到控制模块，控制模块发出后续运行状态指令；为防止当储能电池组的荷电状态接近设定储能电池荷电状态的最大值或最小值时，引起后续运行状态指令的频繁切换，引入soc滞回控制；依据后续运行状态指令，控制模块分别向储能电池单元发出放电或慢充或快充指令，向电解水制氢单元发出电解槽电解功率指令；信号接收模块还接收电解水制氢的进行情况，并将接收到的信息传输至显示单元；所述显示单元（6）接收监测控制单元（5）传输的电解水制氢单元的进行情况信息，并通过触摸液晶屏实时显示。
6.根据权利要求1所述的用于波动性电源的电解水制氢系统，其特征在于，所述电解水制氢单元（7）包括原料水模块、电解槽、气水分离模块、干燥纯化模块以及起监测控制作用的电控元件，其中电解槽为碱性水电解槽、固体聚合物电解槽和固体氧化物电解槽中的一种或几种。
7.如权利要求1-7中任一项所述的用于波动性电源的电解水制氢系统的控制策略，其特征在于，包括步骤如下：
通过波动性电源（1）的信号输出端向监测控制单元（5）传递其实时输出功率，监测控制单元（5）将波动性电源（1）的实时输出功率与预先设定的电解槽电解功率进行比对，得到合适的设定电解槽电解功率pn；监测控制单元（5）接收储能电池单元（4）中储能电池组的荷电状态soc信息，并将该荷电状态与预先设定的储能电池荷电状态的最大值socmax和最小值socmin进行比对，确定后续运行状态；监测控制单元（5）依据后续运行状态指令，控制储能电池单元（4）中储能电池组的充放电功率和电解水制氢单元（7）中电解槽的电解功率。
8.根据权利要求8所述的用于波动性电源的电解水制氢系统的控制策略，其特征在于，预先设定的电解槽电解功率参数依据由小到大的原则设定，且参数设置数量不低于2个，分别记为p1，p2，…pn，监测控制单元根据波动性电源的实时输出功率和预先设定的电解槽电解功率，确定合适的设定电解槽电解功率，具体为：
设定初始n值为1，判断波动性电源的实时输出功率pinput与pn的关系，如果pinput大于pn，设定n=n 1，再次判定pinput与pn的关系，循环判定，直至pinput小于pn，得到确定的n值。
9.根据权利要求8所述的用于波动性电源的电解水制氢系统的控制策略，其特征在于，监测控制单元（5）根据储能电池组的荷电状态和预先设定的储能电池荷电状态，确定后续运行状态，具体为：
若储能电池组的荷电状态soc大于预先设定的储能电池荷电状态的最大值socmax，后续运行状态为电池参与电解过程；
若储能电池组的荷电状态soc小于预先设定的储能电池荷电状态的最大值socmax，但大于预先设定的储能电池荷电状态的最小值socmin，后续运行状态为电池慢充过程；
若储能电池组的荷电状态soc小于预先设定的储能电池荷电状态的最小值socmin，后续运行状态为电池快充过程；
同时，引入soc滞回控制，防止后续运行状态指令频繁切换，滞回控制方法为：
当储能电池组的荷电状态soc逐步减小至预先设定的储能电池荷电状态的最大值socmax，或者逐步增大至预先设定的储能电池荷电状态的最小值socmin时，监测控制单元不会立即确定后续运行状态为电池慢充过程，而是低于socmaxl或高于socminl时才确定。
10.根据权利要求8所述的用于波动性电源的电解水制氢系统的控制策略，其特征在于，监测控制单元依据后续运行状态指令，控制电解槽电解功率和储能电池充放电功率，具体方法是：
若后续运行状态指令为电池参与电解过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn、向储能电池组发出放电功率为pn-pinput的指令；
若后续运行状态指令为电池慢充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-1、向储能电池组发出放电功率为pinput-pn-1的指令，其中，p0为0；
若后续运行状态指令为电池快充过程，监测控制单元发出电解槽电解功率为pn-2、向储能电池组发出放电功率为pinput-pn-2的指令，其中，p0、p-1均为0。
技术总结