本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域中的氫電耦合系統(tǒng)運行，尤其涉及一種堿液電解制氫多模態(tài)磁場誘導調(diào)控裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著太陽能和風能等可再生能源的發(fā)展，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)面臨著系統(tǒng)慣性降低和靈活資源短缺等挑戰(zhàn)。為了減輕電力系統(tǒng)的壓力，有必要利用大規(guī)模儲能系統(tǒng)來應對風能和太陽能的波動。近年來，氫能儲能引起了廣泛關(guān)注，利用可再生能源制氫可以緩解電力系統(tǒng)的消納壓力，并作為一種靈活資源與電網(wǎng)友好互動。一方面，水電解制氫不會產(chǎn)生任何污染物；另一方面，它能夠長時間儲存而不發(fā)生泄漏，這一點優(yōu)于電池儲能。與其他類型的電解槽相比，堿性水電解槽制氫因其成熟和成本低而被認為是工業(yè)應用中最可行的解決方案。在未來，堿性水電解槽最有希望被用于可再生能源的大規(guī)模制氫。

2、在電解水析氫過程中添加磁場，可有效減小電極表面氣泡臨界尺寸，降低電極表面氣泡覆蓋率，提高電解水析氫效率。有研究表明，引入外加磁場可以增強電解池中的傳質(zhì)，使電解水過程中電極間的歐姆壓降減小，特別是在堿性溶液中和高電流密度下，電解池電壓降低明顯。而這一變化實際上是洛倫茲力驅(qū)動的電解質(zhì)對流作用所致，電流與磁場的相互作用產(chǎn)生定向的洛倫茲力，從而推動氣泡周圍的渦流，產(chǎn)生磁流體動力學對流。這種電解質(zhì)上存在的附加對流，能有效減少氣泡積聚對電極表面的有害影響，從而促進電解水析氫。但是，一方面，目前對于外加磁場在電解水制氫方面的研究僅僅停留在實驗室研究方面，具體的工程實施沒有明確的解決方案；另一方面，電磁場嵌入工業(yè)堿液電解槽的研究沒有考慮高頻磁場對于極板渦流效應的影響。事實上，目前學術(shù)界對于高頻磁場導致的電解效率提高方面的研究在工業(yè)制氫方面可能會導致渦流效應，進而導致電磁功率白白消耗在電解槽加熱上，這對磁場在工業(yè)應用上帶來了不利的影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種堿液電解制氫多模態(tài)磁場誘導調(diào)控裝置及控制方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)交變磁場參與電解制氫在工業(yè)電解槽上應用難度大的問題，使得電磁場在工業(yè)電解槽上的低成本和高效應用成為了可能。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：本發(fā)明實施例第一方面提供了一種堿液電解制氫多模態(tài)磁場誘導調(diào)控裝置，包括：

3、堿液電解槽，其內(nèi)部填充有堿液；

4、多個鏤空極板，設(shè)置在堿液電解槽的內(nèi)部，每個所述鏤空極板包括極板外殼，所述鏤空極板的中間呈鏤空狀，并與極板外殼的底部共同構(gòu)成鏤空空間；

5、多個電磁鐵，設(shè)置在所述鏤空極板的鏤空空間中，所述電磁鐵纏繞有線圈；和

6、外部電源，分別與所述線圈和所述鏤空極板相連接，所述外部電源與所述線圈相連接以構(gòu)成電磁場供電系統(tǒng)，所述外部電源與所述鏤空極板相連接以構(gòu)成電解供電系統(tǒng)；

7、其中，所述電磁場供電系統(tǒng)用于為電磁鐵供電，以輸出任意波形和幅值的電磁場；所述電解供電系統(tǒng)用于為多個鏤空極板構(gòu)成的電解槽電堆供電，以實現(xiàn)電解制氫。

8、進一步地，所述極板外殼包括外層電解層和內(nèi)層導磁層，所述外層電解層的材料為鉑鎳合金，所述內(nèi)層導磁層的材料為硅鋼材料，所述內(nèi)層導磁層與鏤空空間之間覆蓋有絕緣材料。

9、進一步地，所述電磁鐵為微電磁鐵；多個所述電磁鐵的磁芯相互平行，且磁芯垂直于鏤空極板；多個所述電磁鐵在鏤空空間中放置的并不均勻，在鏤空空間中，自頂部向下，所述電磁鐵的密度逐漸增大。

10、進一步地，所述電磁鐵的勵磁電源是并聯(lián)的，即多個所述電磁鐵上纏繞的線圈并聯(lián)后與外部電源相連接。

11、進一步地，所述堿液電解槽上還安裝有溫度傳感器，所述溫度傳感器用于實時測量堿液電解槽的溫度。

12、本發(fā)明實施例第二方面提供了一種上述的堿液電解制氫多模態(tài)磁場誘導調(diào)控裝置的控制方法，包括如下步驟：

13、（1）實時采集堿液電解槽的溫度；

14、（2）基于堿液電解槽的溫度判斷電磁鐵的運行模態(tài)，具體為：當堿液電解槽的溫度小于等于堿液電解槽允許電解反應的溫度閾值，則電磁鐵的運行模態(tài)為冷啟動模態(tài)，基于冷啟動模態(tài)時的控制策略，將外界輸入功率全部作為勵磁功率用于電磁鐵產(chǎn)生電磁場；當堿液電解槽的溫度大于堿液電解槽允許電解反應的溫度閾值，則電磁鐵的運行模態(tài)為熱運行模態(tài)，基于熱運行模態(tài)時的控制策略，將外界輸入功率中的一部分作為電解功率用于電解制氫，另一部分功率作為勵磁功率用于電磁鐵產(chǎn)生電磁場。

15、進一步地，所述冷啟動模態(tài)具體為：電磁鐵的運行模態(tài)為冷啟動模態(tài)時，電磁場供電系統(tǒng)輸出的電流波形是正弦波，電磁鐵在正弦波的勵磁電流作用下產(chǎn)生交變磁場，通過交變磁場在鏤空極板上產(chǎn)生渦流，以促進堿液電解槽的冷啟動；

16、所述熱運行模態(tài)具體為：電磁鐵的運行模態(tài)為熱運行模態(tài)時，電磁場供電系統(tǒng)輸出的電流波形是直流波，電磁鐵在直流波的作用下產(chǎn)生恒定磁場，通過恒定磁場的作用改變堿液電解槽的電場變化，以使堿液中的離子匯聚在鏤空極板附近，促進電解制氫。

17、進一步地，所述冷啟動模態(tài)時的控制策略具體包括：先對電磁場供電系統(tǒng)輸出的正弦電壓和正弦電流進行派克變換，得到正弦電壓和正弦電流中的有功分量和無功分量；再基于正弦電壓和正弦電流中的有功分量和無功分量確定勵磁功率中的有功功率分量和無功功率分量；然后基于有功功率分量和無功功率分量實現(xiàn)功率外環(huán)的控制，得到內(nèi)環(huán)d軸參考電流和q軸參考電流；其次基于內(nèi)環(huán)d軸參考電流和q軸參考電流實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的控制，得到逆變器調(diào)制波的d軸分量和q軸分量；再通過派克反變換將逆變器調(diào)制波的d軸分量和q軸分量轉(zhuǎn)換為逆變器調(diào)制波；最后將逆變器調(diào)制波輸出給電磁場供電系統(tǒng)的控制電路，以控制電磁鐵的勵磁電流；

18、所述熱運行模態(tài)時的控制策略具體包括：通過控制外界輸入功率中的電解功率和勵磁功率以控制電解供電系統(tǒng)和電磁場供電系統(tǒng)同時工作，電磁場供電系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生恒定磁場，電解供電系統(tǒng)工作過程中在恒定磁場的作用下電解制氫。

19、進一步地，所述勵磁功率中的有功功率分量和無功功率分量的計算公式分別為：

20、

21、

22、其中，表示勵磁功率中的有功功率分量，表示勵磁功率中的無功功率分量，和分別表示正弦電壓中的有功分量和無功分量，和分別表示正弦電流中的有功分量和無功分量；

23、所述功率外環(huán)的控制律為：

24、

25、

26、其中，和分別表示內(nèi)環(huán)d軸參考電流和q軸參考電流，d軸和q軸分別表示有功和無功；表示有功功率的pi控制器，s為拉普拉斯算子，表示有功功率的pi控制器的比例系數(shù)，表示有功功率的pi控制器的積分系數(shù)；表示無功功率的pi控制器，表示無功功率的pi控制器的比例系數(shù)，表示無功功率的pi控制器的積分系數(shù)；和分別表示勵磁功率中有功功率分量和無功功率分量的參考值；

27、所述電流內(nèi)環(huán)的控制律為：

28、

29、

30、其中，和分別表示逆變器調(diào)制波的d軸分量和q軸分量；表示內(nèi)環(huán)d軸電流的pi控制器，表示內(nèi)環(huán)d軸電流的pi控制器的比例系數(shù)，表示內(nèi)環(huán)d軸電流的pi控制器的積分系數(shù)；表示內(nèi)環(huán)q軸電流的pi控制器，表示內(nèi)環(huán)q軸電流的pi控制器的比例系數(shù)，表示內(nèi)環(huán)q軸電流的pi控制器的積分系數(shù)；和分別表示勵磁電流的d軸分量和q軸分量。

31、進一步地，所述電解供電系統(tǒng)是一個buck變流電路，該buck變流電路包括電感、極性電容、快恢復二極管和場效應管，該buck變流電路的控制律為：

32、

33、其中，表示buck變流電路的調(diào)制波；表示buck變流電路的pi控制器，表示buck變流電路的pi控制器的比例系數(shù)，表示buck變流電路的pi控制器的積分系數(shù)；表示電解功率的參考值，表示電解功率的實時值；

34、所述電磁場供電系統(tǒng)的控制律為：

35、

36、其中，表示電磁場供電系統(tǒng)的調(diào)制波；表示電磁場供電系統(tǒng)的pi控制器，表示電磁場供電系統(tǒng)的pi控制器的比例系數(shù)，表示電磁場供電系統(tǒng)的pi控制器的積分系數(shù)；表示勵磁功率的參考值，表示勵磁功率的實時值。

37、本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明在堿液電解槽冷啟動時采用交變磁場，利用渦流促進極板發(fā)熱的原理形成交變磁場；本發(fā)明在制氫過程中采用恒定磁場，運用磁場可以提升電解制氫的效率；運用本發(fā)明，一方面可以實現(xiàn)堿液電解槽的快速冷啟動和熱啟動，有助于維持槽體溫度，另一方面可以提高堿液電解槽的制氫效率；本發(fā)明利用電磁場促進堿液電解制氫，通過控制交變電磁場，促進冷啟動模態(tài)下堿液電解槽升溫；通過控制恒定電磁場強度，提高熱運行模態(tài)下堿液電解制氫效率；本發(fā)明針對槽體進行了改進，所需工藝的成本和技術(shù)要求不高，易于實現(xiàn)，適合大規(guī)模應用。