用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統及其控制方法

2023-07-29 09:25:36 1

專利名稱：：用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統及其控制方法
技術領域：
：本發明屬於可再生能源領域，更具體地涉及用於控制發電站的功率輸出的制氫系統。本發明的主要目的是(提供)與一個或幾個基於不易控制的(不宜管理的，non-manageable)可再生資源的發電站連接的制氫系統,如風力田(風電場)和光伏發電站，目的在於提供功率輸出控制服務以避免能量損失以及使制氫系統的規模(size)最優化(optimise)。同樣地，本發明的另一個目的是(提供)一種用於控制電力輸送至電網的方法。
背景技術：
：風力發電系統目的在於將風動能轉化成電能，並且在電網與風力系統連接的情況·下，將電能加載至其中，以備後續在其中的運輸、分配與使用。在風力系統滲透水平較低的電網中，通常，所述電網的操作人員施加於發電機組(常規發電站)的其餘部分的控制系統足以補償通過風力田輸送到電網中的電力的波動。這些波動顯然是由風力資源固有的變化所產生的。然而，隨著電網中風力系統滲透水平的增長，電網的操作人員需要將所述系統加入到電網的控制操作中，正如常規的發電站的情況一樣。對依賴於不易控制控制的資源的任何可再生能源發電系統來說，如對光伏系統和太陽能資源情況，前面所提的內容同樣有效。儘管我們在本文中優先(prioritarily)談及風力系統，必須應該理解的是，在任何時候，本發明的範圍可以擴大至利用不易控制能源的可再生能源發電系統。目前的電網中，發電有功功率和消耗有功功率之間平衡的維持是通過將系統頻率維持在其標稱值(在歐洲是50Hz，在美國是60Hz)而實現的。當系統中發電功率超過消耗功率時，系統頻率相對於其標稱值上升，進而加速發電站中同步交流發電機的機械軸(的轉動)。與此相反，當發電功率小於消耗功率時，由於同步交流發電機軸減速，其速度降低，該頻率下降。為了補償這些頻率上的偏差，除了與有功功率相應的那些(措施)之外，可以根據不同的系統頻率控制過程，如初級控制、次級控制和三級控制，為常規發電站配備功率輸出控制器，該控制器可以對頻率值的變化作出響應。初級控制允許恢復由電網發電的有功功率和電網消耗的有功功率之間的平衡。互聯電網中所有發電機組的聯合操作使得快速補償該電網中任何位置上消耗功率和發電功率之間的相位差。在大多數電網中，立法要求(legislationobliges)常規發電站建立一種專門的初級控制能力。這種控制由以下構成為了相應地增加或減少發電站的功率輸出參考值而併入一種控制機構，以及相反方向的，基於一種所提及的特性如控制誤差(statism)對於電網頻率的變化。這種特性在坐標平面中表現為一條向下傾斜的直線，其中水平軸是由相對於其標稱值的頻率變化決定的，如該標稱值的百分比，而垂直軸是由功率輸出的變化決定的，其中發電站必須在給定的時間根據該輸出功率的變化，對相應的頻率變化作出響應，所述功率輸出的變化也可以用發電站的標稱功率輸出的百分比表示。以此方式，當操作人員除了在給定的時間點確定了必須作出響應的、相對於標稱功率輸出值而言最大輸出功率變化值之外，還確定了必須作出響應的最大頻率變化值時，控制誤差(statism)就確定了。初級控制必須發生在很短的響應時間內，為幾秒的數量級。次級控制允許將電網頻率恢復至其標稱值。利用所述控制，通常該控制是可選擇的和報償的(有償的，remunerated),在擁有發電站的電力公司預先商定的控制範圍(控制帶,controlbands)內，系統操作人員將新的發電值分配給發電站。以此方式,發電站修改其功率參考值直到系統頻率恢復到其在穩定條件(穩定狀態，stationaryregime)下的標稱值。與初級控制不同，次級控制發生的響應時間為幾分鐘的數量級。最後，三級控制，也稱作報償的(有償的，remunerated)(控制)，為了著手解決(addressing)預測的功率消耗和期望的電力產生之間可能的偏差，提供給電網操作人員或多或少的發電能力。在實踐中，三級控制是指在程控(可編程，progra_ed)發電站中功率輸出參考值的變化，以此方式，他們的操作時間範圍(operatinghorizon)達到接近一小時至幾小時。目前，風力發電的持續增長以及依靠具有不易控制資源的其它可再生資源發電的持續增長，對電網運行提出了重大挑戰，基於易處理的(易管理的，manageable)常規能源系統的操作方案(actionprotocols)已發展多年。然而,假設電力消耗存在不可避免的可變性，目前統計學方法能夠高度準確地預測每日所需及每小時所需。以此方式，通過不同的控制和操作服務，各操作(運行)方案已允許有效地管理由常規發電站(產生的)需求變化範圍。目前，基於不易控制資源(主要是風力田(風電場))的可再生發電站的大規模合併入電力需求範圍(powerdemandcoverage),給電網的操作(運行)帶來了額外的不確定性，如所述資源的不可預知的變化性。以實例說明，根據西班牙電網運營商負責的公司，西班牙紅色電網公司(RedElectricadeEspalia)提供的信息，我們必須指出以下事實2009年12月30日凌晨的西班牙，風力田發電量佔總發電量的54.1%，即，不易控制的可再生資源覆蓋了超過一半的電力需求。這一覆蓋度代表了風能滲透(penetration)的裡程碑，並且由於其中泵站的加入以及將熱電站的生產量減至技術上的最低值，成功地得到了電網運行的支持。儘管如此，當時的低需求量迫使操作人員發布了減少600MW的風力發電幾個小時的命令。在之前數月發生的類似情況下，已奉令進行了更大規模的縮減，特別是在液壓泵容量不足的情況下。前述的實例說明目前的操作(運行)方案，甚至與新的電網操作(運行)相關技術(建立可再生能源控制中心，建立與發電控制中心的連接與通訊，配置用於連接與通訊所需的技術要求，等)一樣，在可再生能源整合方面已達到它們的極限，隨著將更多的可再生能源發電站合併入電網中，為了確保電網的穩定性，這就需要功率輸出控制服務，甚至是對於基於不易控制的可再生能源的發電站，包括風力田(風電場)。關於初級控制服務以及用風力田(風電場)作為可再生能源發電站的典型例子，已經提出了僅利用風力田的風力渦輪機(風輪機)來提供此服務的不同技術。風電場的風力渦輪機為了提供初級控制服務，必須以最大功率值運行，該最大功率值等於在給定的時間能夠從風力獲得的最大功率以及依法(bylegislation)為初級控制制定的功率輸出的最大變化值(在西班牙是標稱輸出功率的I.5%)的差值。這保證了，如果電網功率下降至依法(bythelegislation)和/或依照操作人員的操作方案確定的最小值,風力潤輪機會具有必要的功率輸出能力以將其升高至上述的功率輸出的最大變化值。隨之而來的技術問題是這種處理意味著風能的持續損失(稱之為「放電」)，因為風力渦輪機幾乎總是在低於最大可引出(extractable)功率、在固定不變的條件下(permanentregime)運行，以確保功率輸出變化範圍滿足初級控制。已有專利文件披露了利用風能供能的制氫系統，如在這些專利案件中W02006097494、EP1596052、US20070216165、US20060125241和DE10055973。關於制氫，基本上有兩種類型的電解水技術鹼性技術和聚合物膜(PEM)技術。前者是工藝先進的並且可以達到非常高的功率輸出值。通過施加電能來電解分解水分子以生產氫和氧。對此系統的熱力學分析結果表明，最小能量供應的存在，可以使此電化學反應在一定時間段內以持續的方式進行。相應地，在電解單元中氫和氧的產生必須分離地進行，並且在內部形成通道(channelled),以免形成兩種氣體的潛在的爆炸混合物。在低生產值情況下，氣體產生速度變慢，因而增加了形成爆炸混合物的風險。另一方面，在眾多的因素中，所產生的氣體的純度取決於電解系統的工作點(operatingpoint),如果所述工作點低,貝U純度變差。相應地，目前的電解槽可以由一個或幾個電解單元形成。如果包括幾個單元，則其操作通常是聯合實施的。由於上述原因，目前的電解槽，不論是由一個或幾個電解單元形成，都具有一個下限，低於此下限廠商即不允許其運行。這一限度既確保電解系統的安全操作也保持所產生氣體的純度。儘管該限度因廠商而變化，但目前鹼性電解工藝的典型範圍可以確定該限度在電解系統標稱輸出功率的15%至40%。其中電解系統不能在其內運行的範圍對於該系統表現為「死帶(bandamuerta,deadband)」(BM或DB)。為了使風力田(風電場)的初級控制服務通過風電渦輪機和電解系統共同運行，後者的大小要由電網操作人員施加影響(制定，imposed)的初級服務範圍以及其可接受的操作範圍兩者決定，即高於電解系統的操作下限或死帶(bandamuerta,或deadband)的功率輸出範圍。這需要相當大的制氫系統的選擇參數的裕度(oversizing)，以實現初級控制服務的目的，並且避免風能損失，所述選擇參數的裕度伴隨著高經濟成本。這對於輸入到電網中的功率的變化施加影響的任何其他類型的控制服務都是同等有效的。
發明內容本發明通過提供與一個或幾個基於不易控制可再生資源的發電站(如風力田)連接的制氫系統來解決上述缺陷，利用此系統可以控制通過其輸送至電網的功率，以將電網頻率維持在其標稱值，優選的是初級控制服務，以避免所述發電站的能量損失並優化其性倉泛。所述制氫系統突出的是基本由獨立運行的、嵌套結構的電解單元組成，該制氫系統的主要特性是其死帶「BM(DB)」值顯著低於目前的制氫系統的死帶「BM(BD)」值。這種嵌套結構允許該制氫系統的操作(運行)範圍最優化,並且避免為了滿足每個國家依法制定的功率輸出的需求而使所述系統規模過大。為了這個目的，配置到該系統的電解單元具有根據特定的算法計算得出的運行功率值，通過調節制氫系統以適應於控制服務需求，使得該制氫系統的總體規模最小化，並且與現有的可替代系統相比，系統規模實現了顯著的縮減。在所提及的制氫系統中，構成它的每一個電解單元都是可以獨立控制的。通過對每個單元的控制和獨立調節，該制氫系統可以以此方式運行，而對於制(氫)系統所產生的死帶與尺寸較小的電解單元的死帶是相同的，實際上，根據上述算法所產生的死帶是可以忽略的並且持續貫穿該系統的運行範圍，即從系統的標稱功率輸出至其下限，接近零，與上述死帶相對應。風力田和制氫系統都合併了電力電子器件(電力電子設備,powerelectronics)以及控制和監視系統。對於風力田而言，電力電子器件主要用於風力渦輪機，而控制和監視是在這些系統和風力田自身之間，以一種協同方式實現的。對於電解單元而言，也為其裝配了電力電子器件和控制系統。所述控制和監視系統可以有多種實施方式，優選的是具有微控制器和用戶界面的可編程自動機型工業系統，該系統可以手動開啟或遙控開啟。此外，總體監視系統實現了風力渦輪機和電解單元的工作點的常量運算。其次，本發明的說明書集中在初級控制服務上，然而，除了有助於將與發電站連接的連接點的無功功率輸出控制在沒有被有功功率輸出控制使用的表觀功率輸出範圍內以夕卜，對於提供的其它控制服務，如次級和三級(控制服務)，本發明是同樣有效的。制氫系統，獨立地或者與風力田或聚集的風力田協同地，使其產出應用於控制輸送到可再生發電系統併網點的電力，以此方式能夠使風力田滿足初級控制對其的要求、以及其他要求。下面我們討論嵌套結構的概念以闡明這一術語。假設制氫系統最初是由單一電解單元組成的，該電解單元稱為E1(最初的電解單元)。下面，將E1分為兩個不同尺寸的單元，較大的單元稱為E2I(下標1，表示「大」)，較小的單元稱為E2s(下標S，表示「小」)。如果所選擇的較小單元具有與較大單元的死帶相同的功率輸出，則結果是得到一個沒有中斷的、貫穿整個運行範圍的、並且具有比E1情況下更低的死帶(BM)的制氫系統。因此，它是一種取決於所使用工藝的死帶值的最理想的電力分配。從這一點來說，具有較低功率輸出的電解單元(一般為Ens)，可以依次被分為具有相同電力分布的兩個單元，並且確保Ens(的死帶)總是等於或大於Enl的死帶，或者換一種說法，Ens總是等於或大於與死帶(作為通過Enl的標稱功率輸出選擇的工藝的百分比)的乘積(product)ο最終的系統是由η個電解單元構成的，即，連續分割的較大尺寸的單元(從E2I到Enl)和最後分割的最小單兀(Ens)。基於所選工藝的死帶(BM，這裡用小數表示)的連續分割而得的電解單元需滿足的功率輸出方程是17P麵#|2/—I+BM"**BMf1E為+.一￡*|、BM·Ev<E2lt￡■,-_■——g￡-—)-￡I+SMM(I+BMf4整個過程的結果是，通過電解單元尺寸的最小化降低系統的死帶(BMn)。利用這一電力分配策略，系統的死帶(BMn)的大小，基於分割數η和由所選的電解工藝確定的限度，以下面的方法計算權利要求1.一種用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它包括至少兩個具有遞減的功率輸出值的電解單元(5)，以這樣的方式，對於所述系統的任何單元，較小的電解單元(5)的功率輸出值的總和總是高於或等於所述單元的死帶，允許將所述制氫系統(4)的死帶減少至可忽略的水平，從而避免與可再生發電站相連的所述電網(3)中的損失、放電或產能。2.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，所述基於可再生能源的發電站由一個或多個風力田(2)組成，其中所述風力田(2)相互協同，且相應地由一組風力渦輪機(I)形成。3.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，所述基於可再生能源的發電站由一個或幾個光伏電站組成。4.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它還包括用於幫助所述制氫系統(4)控制功率輸出的電池系統(6)。5.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它還包括燃料電池系統，在電網頻率範圍低於標稱頻率時，所述燃料電池系統負責發電並將其輸送到所述電網中，同時所述制氫系統(4)負責在電網頻率範圍高於標稱頻率時消耗電能。6.根據權利要求5所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它還包括儲氫系統，以此方式，由所述制氫系統(4)產生的氫後續被所述燃料電池系統消耗。7.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它還包括由帶有耦接至其上的發電機的氫內燃機或由兩個系統的組合形成的系統。8.根據權利要求4所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它還包括儲能系統，所述儲能系統基於調速輪、或電容器組或者它們與所述電池系統(6)的組合。9.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，所述制氫系統(4)和所述發電站都併入電力電子器件，其調節在所述電網連接點處所產生的無功功率或消耗的無功功率。10.根據權利要求I所述的用於控制基於可再生能源的發電站的功率輸出的制氫系統(4)，其特徵在於，它由至少兩個獨立運行的電解單元(5)組成。11.一種利用如權利要求I至10中任意一項所述的制氫系統(4)用於控制電力輸送到電網(3)以控制電網(3)頻率在其標稱值的方法，其特徵在於，所述電網(3)頻率的控制僅通過所述制氫系統(4)進行。12.根據權利要求11所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當不需要初級控制服務時，風力田(2)的風力渦輪機(I)在給定時間持續以可用的最大功率運行，而所述電解單元(5)以其運行範圍的50%運行。13.根據權利要求11所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當需要輸送初級控制時，即必須輸送電力至所述電網(3)中，這種情況發生在所述頻率降至其參考值以下時，所述制氫系統(4)減少其功率輸出。14.根據權利要求11所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當需要收回初級控制時，即在必須減少輸送電力至所述電網(3)中時，這種情況發生在頻率升至其參考值以上時，所述制氫系統(4)增加其功率輸出。15.一種利用如權利要求2或9所述的制氫系統(4)用於控制電力輸送到電網(3)以控制電網(3)頻率在其標稱值的方法，其特徵在於，所述電網(3)頻率由所述風力田(2)和制氫系統(4)共同控制。16.根據權利要求15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當不需要初級控制服務時，所述風力田(2)的風力渦輪機(I)在給定時間持續以可用的最大功率運行，而所述電解單元(5)以其運行範圍的100%運行。17.根據權利要求15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當需要輸送初級控制時，所述制氫系統(4)修改其工作點，以減少消耗功率至其標稱值以下，從而釋放來自所述風力田(2)的電力，將其輸送到所述電網(3)中，而所述風力田(2)持續以最大功率運行。18.根據權利要求15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，當需要收回初級控制時，所述風力田(2)減少其功率輸出，而所述制氫系統(4)持續以其標稱功率運行。19.根據權利要求11或15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，所述電池系統(6)在接近所述系統標稱頻率的頻率沮圍內運彳丁，而所述制氣系統(4),以較慢的運動，以所述電池系統(6)運行範圍以外的頻率值運行，用於由初級控制調節所建立的總頻率控制帶。20.根據權利要求11或15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，所述制氫系統(4)在接近所述系統標稱頻率的頻率沮圍內運彳丁，而所述電池系統(6)以所述制氣系統(4)運行範圍以外的頻率值運行，用於由初級控制調節所建立的總頻率控制帶。21.根據權利要求11或15所述的功率輸出控制方法，其特徵在於，也可以提供次級控制服務和/或三級控制服務。22.一種用於控制基於可再生能源的發電站與電網(3)互相交換的有功功率的方法，其特徵在於，通過將電力電子器件用於權利要求I至10中任意一項所述的發電站以及制氫系統(4)來控制無功功率。全文摘要本發明涉及主要由嵌套結構的電解單元(5)組成的系統，所述電解單元獨立運行，其輸出功率值遞減，以此方式，對於系統的任何一個單元，較小電解單元(5)的功率的總和總是高於或等於所述單元的「死帶(bandamuerta，或deadband)」(BM或DB)，允許將所述制氫系統(4)的死帶減少至可忽略的水平，從而避免所述可再生發電站的能量損失或放電，優選的是一個或多個由一組風力渦輪機(1)形成的連接到電網(3)的風力田(2)，作為在其中執行初級控制服務的實施，或者，一般地，對其進行任何其他有功功率控制服務，從而使所獲得的總能量最優化。文檔編號C25B15/02GK102959131SQ201080066416公開日2013年3月6日申請日期2010年4月28日優先權日2010年4月28日發明者哈維爾·佩雷斯巴瓦查諾,歐亨尼奧·格爾文蘇米切萊納,巴勃羅·桑奇斯古爾皮德,阿爾弗雷多·烏蘇亞魯比奧,路易斯·馬羅約帕洛莫,伊斯雷爾·桑切斯馬亞約申請人:英格蒂姆能源科技公司,安訊能能源公司