[发明专利]一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能系统及控制方法

说明书

本发明提供一种电化学电池‑电解水制氢‑储氢‑氢燃料电池耦合储能系统及控制方法，通过技术耦合拓展系统的应用场景和效率；通过电化学电池耦合实现波动性电力的功率平滑和短期存储；通过电解水制氢‑储氢‑氢燃料电池耦合实现波动性电力的主动消纳和长期存储；通过电化学电池‑制氢系统联合运行，提高制氢系统供电和运行稳定性，延长使用寿命；同时电化学电池系统可为制氢和氢燃料电池装置提供离网条件下启动电源，该耦合系统适用于配合可再生能源发电场区应用，最大化可再生能源开发能力。

技术领域

本发明属于可再生能源技术领域，尤其是涉及一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能系统及控制方法。

背景技术

风电、光伏等可再生能源电力因其绿色环保、无枯竭危机、安全可靠、建设周期短等优势，成为我国能源转型的重要发展方向。然而可再生能源电力具有随机性、间歇性特征，造成其并网、调节、消纳、储存困难；同时可再生能源资源分布不均，电力外送通道建设滞后等因素，为可再生能源电力的进一步开发利用形成阻碍。

储能是改善大规模可再生能源出力特性、提升需求侧响应、削峰填谷和可再生能源电力消纳的有效途径。目前发展最快的两种储能技术包括电化学储能和氢储能。其中，电化学储能具有灵活配置、响应迅速和便于集成优点，然而其只能满足短期电能存储，并且不能主动消纳可再生能源电力。氢储能是基于电能和氢能之间通过电解水制氢技术和燃料电池技术实现清洁相互转换，制备氢气可以气、液、固形式稳定存储，被认为是实现电力的跨时段、跨区域、大规模存储的有效途径。

然而，可再生能源电力的波动性和间歇性，将对制氢系统稳定运行造成冲击，碱性电解水制氢因运行机制限制仅在50%~100%额定功率范围内运行，在过高或过低功率下运行均存在风险。在功率波动情况下，碱性电解水制氢系统响应时间在分钟以上；而对于质子交换膜电解水制氢，输入功率波动性对制氢系统的催化剂和隔膜使用寿命造成影响，损害系统运行稳定性。另一方面，氢燃料电池的相较于电化学电池启动时间和响应时间较慢，在系统调频、提升电能质量等场景应用存在限制。因此需要提升耦合可再生能源电解水制氢系统稳定性，同时拓展氢储能系统应用场景。

发明内容

本发明第一个目的在于，针对现有技术中存在的缺陷，提供一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能系统。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种电化学电池-电解水制氢-储氢-氢燃料电池耦合储能系统，包括电化学电池系统、电解水制氢装置、氢气储存装置、氢燃料电池发电装置、AC/DC装置、DC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器、能量管理系统；

所述电化学电池系统通过AC/DC装置、变压器与场区AC母线双向连接，输出端通过DC/DC装置与电解水制氢输入端连接；

所述电解水制氢装置输入端同时通过AC/DC装置、变压器与外部输入AC母线连接；

所述氢气储存装置通过管道与电解水制氢装置和氢燃料电池发电装置连接；

所述氢燃料电池发电装置能够利用氢气储存装置输入氢气和环境输入空气产生直流电，并通过DC/AC装置、变压器与场区AC母线连接。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述电化学电池系统可接受能量管理系统调度选择性输出功率到场区AC母线或通过DC/DC装置输出功率到电解水制氢装置。

作为本发明的优选技术方案：所述电解水制氢装置能够独立或同时利用电化学电池系统通过DC/DC装置变换输入功率以及外部AC母线通过变压器和AC/DC装置变化后输入功率工作，并将电能转换为氢气。

作为本发明的优选技术方案：所述能量管理系统在并网条件下能够根据接入发电系统功率，并网限制功率和系统运行状态，实时对耦合储能系统运行状态进行调节：