本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種制氫技術(shù)，尤其是一種耦合制氫技術(shù)。

背景技術(shù)：

氫氣作為一種能源載體，極易燃燒，具備高效、無污染等特點，在一定程度上可替代傳統(tǒng)化石能源，用于氫燃料電池汽車、備用基站電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)等新能領(lǐng)域。同時，氫作為一種化工原料，又可以用于煉油、化工、合成氨等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，具有極廣闊的用途。

當(dāng)前，主要的氫氣來源主要來自于化石能源，包括水煤氣制氫、天然氣重整制氫、甲醇重整制氫等。此外，水電解制氫技術(shù)也很成熟，但由于其電價成本相對化石能源制氫成本高而未能大規(guī)模的應(yīng)用；如果采用清潔能源如風(fēng)、光發(fā)電來進(jìn)行電解水制備氫氣，則可以實現(xiàn)從氫氣制備到使用全過程零碳排放，這種能源轉(zhuǎn)換與利用方式可減少大氣污染，改善空氣質(zhì)量，同時也解決了棄風(fēng)棄光的問題。但是，由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電具有典型的波動性、隨機性和間歇性，造成電能輸出不穩(wěn)定，從而對電解制氫設(shè)備的氫氣純度達(dá)不到要求，并且對制氫設(shè)備的安全和穩(wěn)定使用造成極大的危害。

申請?zhí)枮?01010538149.7的中國專利描述了一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)，主要是針對并網(wǎng)風(fēng)電的利用和制氫后燃料電池發(fā)電反饋給電網(wǎng)的控制。申請?zhí)枮?01210057067.X的中國專利描述了一種非并網(wǎng)風(fēng)電制氫裝置，主要采用配置大容量蓄電池，作為功率平衡系統(tǒng)，解決電能波動性和間歇性的問題。上述現(xiàn)有技術(shù)雖然采用并網(wǎng)或配置大容量蓄電池的方法，解決電源的間歇性難題；但是，并網(wǎng)需要在大型風(fēng)場才具備條件，配置蓄電池受到儲存電量的制約，只能維持一小段時間的功率穩(wěn)定，如果要配置和制氫功率完全匹配的蓄電池，成本非常昂貴。

因此，通用性強，成本低，能夠在不使用蓄電池的情況下，解決商業(yè)化電解水制氫設(shè)備在寬功率波動的間歇性電源條件下的氫氣純度難題，且安全性和穩(wěn)定性高的制氫系統(tǒng)具有極強的研究意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種制氫技術(shù)，以低成本的方式在不使用蓄電池的情況下，解決商業(yè)化制氫設(shè)備在寬功率波動的間歇性電源條件下的氫氣純度低的難題，且該過程安全性和穩(wěn)定性高。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種耦合制氫系統(tǒng)，包括控制單元，以及與所述控制單元均連接且相互之間依次連接的發(fā)電單元、能量管理單元、制氫單元和儲氣補氣單元，以由所述控制單元檢測所述發(fā)電單元和所述制氫單元的所有工作參數(shù)并進(jìn)行分析，控制所述能量管理單元和所述儲氣補氣單元的動作；所述發(fā)電單元包括至少兩種能量來源類型不同的發(fā)電裝置；能量管理單元包括均與所述控制單元連接的開關(guān)切換部分和整流部分，通過所述開關(guān)切換部分連接所述發(fā)電單元和所述整流部分，以在控制單元的控制下通過所述開關(guān)切換部分的連接變換調(diào)整所述整流部分的工作配合關(guān)系，得到制氫所需的電能；所述制氫單元產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入所述儲氣補氣單元中儲存，所述控制單元控制所述儲氣補氣單元在必要的情況下向所述制氫單元反補氫氣。

所述制氫單元為電解水制氫單元，包括電解水制氫裝置和氫氣純化裝置；所述制氫裝置包括電解槽；所述必要的情況指的是所述純化裝置中的氫氣含量低于設(shè)定值的情況。

所述發(fā)電單元包括風(fēng)力發(fā)電裝置，和/或光伏發(fā)電裝置，和/或市電，和/或潮汐發(fā)電裝置。

所述整流部分包括AC/DC整流模塊、和/或DC/DC整流模塊、和/或電壓串并聯(lián)模塊，和/或整流變換電源模塊。

所述發(fā)電單元包括市電、第一風(fēng)力發(fā)電裝置、第二風(fēng)力發(fā)電裝置以及光伏發(fā)電裝置；所述市電通過第一AC/DC整流模塊連接第一整流變換電源模塊，以由第一AC/DC整流模塊將市電轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第一整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求；第一風(fēng)力發(fā)電裝置通過第二AC/DC整流模塊連接電壓串并聯(lián)模塊，第二風(fēng)力發(fā)電裝置通過第三AC/DC整流模塊連接所述電壓串并聯(lián)模塊，所述電壓串并聯(lián)模塊連接第二整流變換電源模塊，以由第二AC/DC整流模塊和第三AC/DC整流模塊分別將第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓和過濾雜波，再由所述電壓串并聯(lián)模塊進(jìn)行串并聯(lián)組合后，由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求；所述光伏發(fā)電裝置通過DC/DC整流模塊連接第三整流變換模塊，以由DC/DC整流模塊對所述光伏發(fā)電裝置的輸出電壓進(jìn)行直流變換，之后由第三整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求。

優(yōu)選地，市電和第一AC/DC整流模塊之間設(shè)置第一開關(guān)，第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二AC/DC整流模塊之間設(shè)置第二開關(guān)，第二風(fēng)力發(fā)電裝置和第三AC/DC整流模塊之間設(shè)置第三開關(guān)，光伏發(fā)電裝置和DC/DC整流模塊之間設(shè)置第四開關(guān)。

優(yōu)選地，第一整流變換電源模塊和第二整流變換電源模塊在輸入端之間通過第五開關(guān)串聯(lián)連接，第二整流變換電源模塊和第三整流變換電源模塊在輸入端之間通過第六開關(guān)串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊和第三整流變換電源模塊在輸出端并聯(lián)連接。

優(yōu)選地，第一風(fēng)力發(fā)電裝置到第二AC/DC整流模塊的線路為第一風(fēng)力發(fā)電線路，第二風(fēng)力發(fā)電裝置到第三AC/DC模塊的線路為第二發(fā)電線路；所述電壓串并聯(lián)模塊包括從第一風(fēng)力發(fā)電線路的正極通過第七開關(guān)連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路的正極的線路，從第一風(fēng)力發(fā)電線路的負(fù)極通過第八開關(guān)連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路的負(fù)極的線路，以及從第一風(fēng)力發(fā)電線路與第七開關(guān)之間的電路結(jié)點通過第九開關(guān)連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路與第二開關(guān)之間的電路結(jié)點的線路。

所述電壓串并聯(lián)模塊的一輸出端為第七開關(guān)與第二風(fēng)力發(fā)電線路之間線路的電路結(jié)點，另一輸出端為第八開關(guān)和第一風(fēng)力發(fā)電線路之間線路的電路結(jié)點。

優(yōu)選地，第七開關(guān)、第八開關(guān)、第九開關(guān)均為絕緣柵雙極型晶體管。

優(yōu)選地，第七開關(guān)、第八開關(guān)、第九開關(guān)均與所述控制單元連接，以在所述控制單元的控制下導(dǎo)通或關(guān)斷，以控制第一風(fēng)力發(fā)電線路和第二風(fēng)力發(fā)電線路的串聯(lián)或并聯(lián)連接。

或者，所述發(fā)電單元包括市電、第一風(fēng)力發(fā)電裝置、第二風(fēng)力發(fā)電裝置以及光伏發(fā)電裝置；所述市電通過第一AC/DC整流模塊連接第一整流變換電源模塊，以由第一AC/DC整流模塊將市電轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第一整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求；第一風(fēng)力發(fā)電裝置通過第二AC/DC整流模塊連接第二整流變換電源模塊，以由第二AC/DC整流模塊將第一風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求；第二風(fēng)力發(fā)電裝置通過第三AC/DC整流模塊連接第三整流變換電源模塊，以由第三AC/DC整流模塊將第二風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求；所述光伏發(fā)電裝置通過DC/DC整流模塊連接第四整流變換電源模塊，以由DC/DC整流模塊對所述光伏發(fā)電裝置的輸出電壓進(jìn)行直流變換，之后由第四整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述電解槽的用電要求。

優(yōu)選地，市電和第一AC/DC整流模塊之間設(shè)置開關(guān)，第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二AC/DC整流模塊之間設(shè)置開關(guān)，第二風(fēng)力發(fā)電裝置和第三AC/DC整流模塊之間設(shè)置開關(guān)，光伏發(fā)電裝置和DC/DC整流模塊之間設(shè)置開關(guān)。

優(yōu)選地，第一整流變換電源模塊與第二整流變換電源模塊之間、第二整流變換電源模塊與第三整流變換電源模塊之間，第三整流變換電源模塊與第四整流變換電源模塊之間均設(shè)置開關(guān)。

優(yōu)選地，第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊、第三整流變換電源模塊和第四整流變換電源模塊在輸出端并聯(lián)連接。

當(dāng)所述儲氣補氣單元的儲氫壓力小于設(shè)定值時，在所述制氫單元和所述儲氣補氣單元之間布置氫氣增壓裝置，以使得所述制氫單元產(chǎn)生的氫氣由所述氫氣增壓裝置增壓后再進(jìn)入所述儲氣補氣單元。

優(yōu)選地，所述氫氣增壓裝置為氫氣隔膜壓縮機，或氫氣增壓器。

所述儲氣補氣單元包括儲氫瓶，以及在從儲氫瓶指向制氫單元的方向上依次布置的：第一壓力傳感器，以檢測所述儲氫瓶中的氫氣壓力，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓閥，以調(diào)整反補氫氣的壓力，安全泄壓閥，以在所述穩(wěn)態(tài)調(diào)壓閥故障時自動開啟以泄放氫氣，氣體質(zhì)量流量控制器，以控制反補氫氣的流量，氫氣自動閥門開關(guān)，以根據(jù)所述控制單元的指令，打開或關(guān)閉從所述儲氣補氣單元到所述制氫單元之間的氫氣補氣，以及第二壓力傳感器，以檢測所述反補氫氣的氫氣壓力。

優(yōu)選地，連接所述制氫單元和所述儲氣補氣單元的氫氣通道至少包括兩條，一條為氫氣流向為從所述制氫單元到所述儲氣補氣單元的儲氣通道，另一條為氫氣流向為從所述儲氣補氣單元到所述制氫單元的補氣通道。

進(jìn)一步優(yōu)選地，第一壓力傳感器、所述穩(wěn)態(tài)調(diào)壓閥、所述安全泄壓閥、所述氣體質(zhì)量流量控制閥、所述氫氣自動閥門開關(guān)和第二壓力傳感器均位于所述補氣通道上。

發(fā)電單元包括市電、風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置時，所述制氫系統(tǒng)包括三種運行模式：

第一種運行模式為切斷市電，由風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置供電；

第二種運行模式為市電獨立供電，切斷風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置；

第三種運行模式為市電、風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置同時供電。

第三種運行模式中，風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置發(fā)電的優(yōu)先級高于市電。

優(yōu)選地，通過檢測和計算得到制氫單元的需求功率，并與風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率進(jìn)行比較；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率大于或等于所述需求功率時，僅由風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置發(fā)電供制氫單元使用；否則，風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率全部用于制氫單元，不足部分再由市電補充。

進(jìn)一步優(yōu)選地，制氫單元包括電解制氫裝置，電解制氫裝置包括電解槽，通過采集電解槽的工作溫度和工作電壓計算制氫單元的需求功率，采用以下公式進(jìn)行計算：

P＝U²/R(T)

其中：P為電解槽的需求功率，U為電解槽的工作電壓，R為電解槽的電阻，T為電解槽的工作溫度，R(T)表示R關(guān)于T的函數(shù)。

由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通用性強，成本低，能夠在不使用蓄電池的情況下，解決商業(yè)化制氫設(shè)備，尤其是電解水制氫設(shè)備在寬功率波動的間歇性電源條件下的氫氣純度難題；同時，本發(fā)明安全性強，穩(wěn)定性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中耦合制氫系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為該耦合制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為該實施例中電壓串并聯(lián)模塊和兩個風(fēng)力發(fā)電線路的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中：1、第一AC/DC整流模塊；2、第二AC/DC整流模塊；3、第三AC/DC整流模塊；4、DC/DC整流模塊；5、電壓串并聯(lián)模塊；6、氫氣自動閥門開關(guān)；7、第一風(fēng)力發(fā)電線路；8、第二風(fēng)力發(fā)電線路。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明提出了一種耦合制氫系統(tǒng)，這里的耦合指的是兩種或多種能源的耦合；圖1所示為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2為本實施例中該耦合制氫系統(tǒng)較為細(xì)致的結(jié)構(gòu)示意圖。該耦合制氫系統(tǒng)包括依次連接的發(fā)電單元、能量管理單元、制氫單元和儲氣補氣單元以及與前述這些單元均連接的控制單元，以由控制單元檢測發(fā)電單元和制氫單元的所有工作參數(shù)并進(jìn)行分析，據(jù)此控制能量管理單元和儲氣補氣單元的動作。

發(fā)電單元包括至少兩種能量來源類型不同的發(fā)電裝置，例如其能夠包括風(fēng)力發(fā)電裝置，和/或光伏發(fā)電裝置，和/或市電，和/或潮汐發(fā)電裝置等等。本實施例中，如圖2所示，該發(fā)電單元包括市電、第一風(fēng)力發(fā)電裝置、第二風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置。

能量管理單元包括均與控制單元連接的開關(guān)切換部分和整流部分，通過開關(guān)切換部分連接發(fā)電單元和整流部分，以在控制單元的控制下通過開關(guān)切換部分的連接變換調(diào)整整流部分的工作配合關(guān)系，得到制氫所需的電能。該整流部分根據(jù)與發(fā)電單元的匹配，能夠包括AC/DC整流模塊、和/或DC/DC整流模塊、和/或電壓串并聯(lián)模塊，和/或整流變換電源模塊。

如圖2所示，本實施例中，該整流部分包括第一AC/DC整流模塊1、第二AC/DC整流模塊2、第三AC/DC整流模塊3、DC/DC整流模塊4、電壓串并聯(lián)模塊5、第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊和第三整流變換電源模塊；開關(guān)切換部分包括第一開關(guān)KM1、第二開關(guān)KM2、第三開關(guān)KM3、第四開關(guān)KM4、第五開關(guān)KM5和第六開關(guān)KM6。

其中，市電通過第一AC/DC整流模塊1連接第一整流變換電源模塊，以由第一AC/DC整流模塊1將市電轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第一整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽(如后文所述制氫單元包括電解槽)的用電要求。第一風(fēng)力發(fā)電裝置通過第二AC/DC整流模塊2連接電壓串并聯(lián)模塊5，第二風(fēng)力發(fā)電裝置通過第三AC/DC整流模塊3連接電壓串并聯(lián)模塊5，電壓串并聯(lián)模塊5連接第二整流變換電源模塊，以由第二AC/DC整流模塊2和第三AC/DC整流模塊3分別將第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓和過濾雜波，再由電壓串并聯(lián)模塊5進(jìn)行串并聯(lián)組合后，由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配所述制氫單元中電解槽的用電要求。光伏發(fā)電裝置通過DC/DC整流模塊4連接第三整流變換電源模塊，以由DC/DC整流模塊4對光伏發(fā)電裝置的輸出電壓進(jìn)行直流變換，之后由第三整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽的用電要求。

第一開關(guān)KM1設(shè)置在市電和第一AC/DC整流模塊1之間，第二開關(guān)KM2設(shè)置在第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二AC/DC整流模塊2之間，第三開關(guān)KM3設(shè)置在第二風(fēng)力發(fā)電裝置和第三AC/DC整流模塊3之間，第四開關(guān)KM4設(shè)置在光伏發(fā)電裝置和DC/DC整流模塊4之間；第五開關(guān)KM5串聯(lián)連接在第一整流變換電源模塊的輸入端和第二整流變換電源模塊的輸入端之間，第六開關(guān)KM6串聯(lián)連接在第二整流變換電源模塊的輸入端和第三整流變換電源模塊的輸入端之間。第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊和第三整流變換電源模塊在輸出端并聯(lián)連接。

上述電壓串并聯(lián)模塊5是針對多臺風(fēng)力發(fā)電裝置而設(shè)置，當(dāng)單臺風(fēng)力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓達(dá)到有效輸出值時，電壓串并聯(lián)模塊5將各臺風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行并聯(lián)輸出電壓；當(dāng)單臺風(fēng)力發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓低于有效輸出值時，電壓串并聯(lián)模塊5將多臺風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行串聯(lián)，提升電壓，直至達(dá)到有效輸出值。

本實施例中，令第一風(fēng)力發(fā)電裝置到第二AC/DC整流模塊的線路為第一風(fēng)力發(fā)電線路7，第二風(fēng)力發(fā)電裝置到第三AC/DC模塊的線路為第二發(fā)電線路8。電壓串并聯(lián)模塊包括從第一風(fēng)力發(fā)電線路7的正極通過第七開關(guān)S1連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路8的正極的線路，從第一風(fēng)力發(fā)電線路7的負(fù)極通過第八開關(guān)S2連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路8的負(fù)極的線路，以及從第一風(fēng)力發(fā)電線路7與第七開關(guān)S2之間的電路結(jié)點通過第九開關(guān)S3連接到第二風(fēng)力發(fā)電線路8與第八開關(guān)S2之間的電路結(jié)點的線路。該電壓串并聯(lián)模塊5的一輸出端為第七開關(guān)S1與第二風(fēng)力發(fā)電線路8之間線路的電路結(jié)點，另一輸出端為第八開關(guān)S2和第一風(fēng)力發(fā)電線路7之間線路的電路結(jié)點；該電壓串并聯(lián)模塊5通過兩輸出端串聯(lián)連接在第二整流變換電源模塊上。圖3所示為該電壓串并聯(lián)模塊和兩個風(fēng)力發(fā)電線路連接后的結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖3中所示的電壓串并聯(lián)模塊5中，第七開關(guān)S1、第八開關(guān)S2、第九開關(guān)S3均為即絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其導(dǎo)通與關(guān)斷由控制單元進(jìn)行控制。當(dāng)控制單元控制第七開關(guān)S1和第八開關(guān)S2導(dǎo)通，第九開關(guān)S3關(guān)斷時，第一風(fēng)力發(fā)電線路和第二風(fēng)力發(fā)電線路并聯(lián)；當(dāng)控制單元控制第九開關(guān)S3導(dǎo)通，第七開關(guān)S1和第八開關(guān)S2關(guān)斷時，第一風(fēng)力發(fā)電線路和第二風(fēng)力發(fā)電線路串聯(lián)。

本發(fā)明中，也可不設(shè)置上述實施例中的電壓串并聯(lián)模塊，而將各風(fēng)力發(fā)電裝置到制氫單元之間的線路布置均類似于上述實施例中市電到制氫單元之間的線路布置而設(shè)置。具體地，發(fā)電單元與上述實施例相同，而此時能量管理單元的具體布置為：

市電通過第一AC/DC整流模塊連接第一整流變換電源模塊，以由第一AC/DC整流模塊將市電轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第一整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽的用電要求；第一風(fēng)力發(fā)電裝置通過第二AC/DC整流模塊連接第二整流變換電源模塊，以由第二AC/DC整流模塊將第一風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽的用電要求；第二風(fēng)力發(fā)電裝置通過第三AC/DC整流模塊連接第三整流變換電源模塊，以由第三AC/DC整流模塊將第二風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電，之后由第二整流變換電源模塊繼續(xù)進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽的用電要求；光伏發(fā)電裝置通過DC/DC整流模塊連接第四整流變換電源模塊，以由DC/DC整流模塊對光伏發(fā)電裝置的輸出電壓進(jìn)行直流變換，之后由第四整流變換電源模塊進(jìn)行整流和變壓，以匹配制氫單元中電解槽的用電要求。其中，市電和第一AC/DC整流模塊之間串聯(lián)設(shè)置開關(guān)，第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二AC/DC整流模塊之間串聯(lián)設(shè)置開關(guān)，第二風(fēng)力發(fā)電裝置和第三AC/DC整流模塊之間串聯(lián)設(shè)置開關(guān)，光伏發(fā)電裝置和DC/DC整流模塊之間串聯(lián)設(shè)置開關(guān)；第一整流變換電源模塊與第二整流變換電源模塊之間，第二整流變換電源模塊與第三整流變換電源模塊之間，第三整流變換電源模塊和第四整流變換電源模塊之間均設(shè)置開關(guān)，并且第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊、第三整流變換電源模塊和第四整流變換電源模塊在輸出端并聯(lián)連接。

制氫單元為電解制氫單元，本實施例中其為電解水制氫單元，包括電解水制氫裝置和氫氣純化裝置，電解水制氫裝置包括電解槽。其中，電解水制氫裝置包括但不限于常規(guī)堿性電解水裝置或固態(tài)聚合物電解制氫裝置。當(dāng)儲氣補氣單元的儲氫壓力小于設(shè)定值時，在制氫單元和儲氣補氣單元之間布置氫氣增壓裝置，以使得制氫單元產(chǎn)生的氫氣經(jīng)由該氫氣增壓裝置增壓后再進(jìn)入儲氣補氣單元。上述氫氣增壓裝置可以是氫氣隔膜壓縮機或者氫氣增壓器。

儲氣補氣單元的作用一方面在于儲存制氫單元產(chǎn)生的氫氣，另一方面在于在必要的情況下向制氫單元的純化裝置反補氫氣，該必要的情況指的是純化裝置中的氫氣含量低于設(shè)定值的情況，即當(dāng)制氫單元在低功率運行的情況下產(chǎn)生的氫氣量不能滿足純化裝置的再生要求的情況。制氫單元與儲氣補氣單元通過氫氣管道連接，儲氣補氣單元包括儲氫瓶組，以及在從儲氫瓶組指向制氫單元的方向上依次設(shè)置的第一壓力傳感器、穩(wěn)壓調(diào)壓閥、安全泄壓閥、氣體質(zhì)量流量控制器、氫氣自動閥門開關(guān)6和第二壓力傳感器。其中，儲氫瓶組包括至少一個儲氫瓶，儲存壓力為3～20MPa，每個儲氫瓶的出口安裝有球閥，以允許手動關(guān)閉氫氣；第一壓力傳感器的作用為檢測儲氫瓶組內(nèi)的氫氣壓力；穩(wěn)壓調(diào)壓閥的作用在于調(diào)節(jié)反補的氫氣壓力，使得從儲氫瓶組出來的反補的氫氣的壓力調(diào)節(jié)到與制氫單元中純化裝置所需要的氫氣壓力，即1.0～3MPa；安全泄壓閥的作用在于當(dāng)穩(wěn)壓調(diào)壓閥發(fā)生故障時，該安全泄壓閥自動開啟，將氫氣泄放到排空管道中，避免下游設(shè)備受到損害；氣體質(zhì)量流量控制器的作用是控制反補的再生氫氣的流量，以滿足制氫單元對再生氫氣的流量要求；氫氣自動閥門開關(guān)6連接控制單元，以根據(jù)控制單元的控制指令打開，使得儲氣瓶組內(nèi)的再生氫氣反補到制氫單元的純化裝置中，或者根據(jù)控制單元的控制指令關(guān)閉，以停止反補再生氫氣；第二壓力傳感器的作用在于檢測反補的再生氫氣的壓力。第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、氣體質(zhì)量流量控制器和氫氣自動閥門開關(guān)6均連接控制系統(tǒng)，向控制系統(tǒng)反饋信號。上述氫氣自動閥門開關(guān)6為氣動閥或電磁閥；儲氫瓶為鋼質(zhì)儲氫瓶或碳纖維纏繞儲氫瓶。

連接制氫單元和儲氣補氣單元的氫氣通道至少包括兩條，一條為氫氣流向為從制氫單元到儲氣補氣單元的儲氣通道，另一條為氫氣流向為從儲氣補氣單元到制氫單元的補氣通道。上述第一壓力傳感器、穩(wěn)態(tài)調(diào)壓閥、安全泄壓閥、氣體質(zhì)量流量控制閥、氫氣自動閥門開關(guān)和第二壓力傳感器均位于補氣通道上。

控制系統(tǒng)采用PLC控制模塊，通過采集發(fā)電單元、能量管理單元、制氫單元和儲氣補氣單元的所有信號并處理分析，來實現(xiàn)對風(fēng)力和光伏耦合電解制氫的控制。

本實施例中，第一風(fēng)力發(fā)電裝置和第二風(fēng)力發(fā)電裝置均為發(fā)電功率為100KW的風(fēng)力發(fā)電機；光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率為100KW；電解水制氫單元的產(chǎn)能為50Nm³/h，額定功率為250KW；儲氣補氣系統(tǒng)的儲氫容積為600Nm³。

根據(jù)電解水制氫單元的特性，能量管理系統(tǒng)的整流變化電源模塊采用IGBT高頻開關(guān)電源，主要技術(shù)參數(shù)為：工作頻率：50kHz，輸入電壓：380V/AC，輸出電壓：150V/DC。IGBT高頻開關(guān)電源采用PWM調(diào)節(jié)輸出電壓模塊，每個IGBT高頻開關(guān)電源的功率為100kW，總的功率達(dá)到300kW。通過控制系統(tǒng)，控制第五開關(guān)和第六開關(guān)的閉合和斷開，可以實現(xiàn)100kW，200kW，300kW的功率輸出?？刂葡到y(tǒng)為西門子300的PLC控制系統(tǒng)。

本發(fā)明還提出了一種上述耦合制氫系統(tǒng)的控制方法，由此對上述耦合制氫系統(tǒng)的工作規(guī)定三種運行模式。第一種運行模式為切斷市電，由風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置供電；在圖2中，通過斷開第一開關(guān)，閉合第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)實現(xiàn)第一種運行模式。第二種運行模式為市電獨立供電，切斷風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置；在圖2中，通過閉合第一開關(guān)，斷開第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)實現(xiàn)第二種運行模式。第三種運行模式為市電、風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置同時供電；在圖2中，通過閉合第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)實現(xiàn)第三種運行模式。

在第三種運行模式中，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的優(yōu)先級高于市電供電。對于電解水制氫單元來說，電解槽的負(fù)荷特性滿足下式：

P＝U²/R(T)

其中，P為電解制氫單元所需的功率，U為電解槽的工作電壓，R為電解槽的電阻，T為電解槽的工作溫度，R(T)表示R關(guān)于T的函數(shù)。

因此，通過檢測電解槽的工作電壓和工作溫度，得到電解制氫單元所需的功率，即其需求功率。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率大于或等于電解制氫單元的需求功率時，僅由風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置發(fā)電；否則，風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置的發(fā)電功率全部用于電解制氫單元，不足部分再由市電補充。該過程通過調(diào)節(jié)市電的第一AC/DC整流模塊、兩個風(fēng)力發(fā)電裝置的第二AC/DC整流模塊和第三AC/DC整流模塊以及光伏發(fā)電裝置的DC/DC整流模塊的輸出電壓，使得其總輸出功率滿足制氫單元的需求功率，并優(yōu)先考慮風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電實現(xiàn)。

此外，在能量管理單元的整流變換電源模塊之間，能夠通過整流變換電源模塊之間的電氣開關(guān)，組合成不同功率大小的整流電源。例如，在圖2所示的能量管理單元中，當(dāng)閉合第五開關(guān)、斷開第六開關(guān)時，第一整流變換電源模塊和第二整流變換電源模塊組合使用；當(dāng)?shù)谖彘_關(guān)和第六開關(guān)均閉合時，則第一整流變換電源模塊、第二整流變換電源模塊和第三整流變換電源模塊組合使用。

本發(fā)明通用性強，成本低，能夠在不使用蓄電池的情況下，解決商業(yè)化制氫設(shè)備，尤其是電解水制氫設(shè)備在寬功率波動的間歇性電源條件下的氫氣純度難題；同時，本發(fā)明安全性強，穩(wěn)定性高。

上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。