具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统及控制方法与流程

1.本发明涉及制氢电源技术领域，尤其涉及一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统及控制方法。


背景技术：

2.氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源和重要的工业原料。电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，其具有绿色环保、生产灵活、纯度高等特点，是理想的绿色制氢生产方式。制氢电源装置及制氢电解槽均为电解水制氢系统中的关键装置。制氢电源装置用于提供制氢电解槽电解水所需的直流电，是制氢系统运行的基本保障，而制氢电解槽是制氢系统中最为核心的部分，是影响制氢效率和安全的最关键环节，也是制氢系统中成本占比最大的部分，因而在制氢电源装置工作过程中对制氢电解槽状态的检测分析是保障制氢安全和提升电解槽使用寿命的必要措施。
3.现有技术中，电解水制氢电源装置仅能够实现电解直流电源输出功能，要实现对电解槽的状态检测和分析则需要额外设置检测设备，即电解槽的状态检测与制氢电源是独立执行的，该类方案会存在以下问题：
4.1、传统状态检测设备通常都是仅能够实现单一功能的检测，如单一的绝缘检测、阻抗检测等，因而往往需要为电解槽同时设置多个不同功能的检测设备，不仅实现成本高、整体系统体积重量大，且控制复杂程度高、效率低。另外，多个分散功能难以实现系统性的电解槽健康管理。
5.2、电解槽的部分重要状态通常需要在有外部电源激励的情况下才能体现和检测，例如电解槽的绝缘检测和阻抗检测就需要外部电源激励下才能进行测量和计算，因而为实现电解槽的状态检测还需要额外引入外部电源激励，进一步增加了实现成本以及控制复杂程度。
6.3、各类电解槽检测通常只能进行离线检测，不能在制氢生产过程中进行实时在线检测，离线检测意味着只能在电解槽的每次停机间歇进行“保养式”的健康检测，不仅耗时耗力，且难以及时发现电解槽的异常状态。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、成本低、体积重量小、能源利用率以及集成化程度高的具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统，及实现方法简单、控制效率高的控制方法，能够在制氢过程中实现电解槽状态的在线检测，使得能够及时、快速地发现电解槽的异常状态。
8.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
9.一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置，包括控制模块以及分别与所述控制模块连接的电源主电路模块、电源检测模块以及电解槽检测模块，所述电源主电路模块的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽以向电解槽提供所需的直流电，所述电源检测模块
还与所述电源主电路模块连接，以用于检测所述电源主电路模块在运行过程中的状态信息，所述电解槽检测模块还与电解槽连接以用于检测电解槽的状态信息，所述控制模块分别接收所述电源检测模块检测的状态信息、所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息，对所述电源主电路模块、电解槽进行控制。
10.进一步的，所述电源主电路模块在运行过程中的状态信息包括输入端电压/电流、中间环节电压/电流、输出端电压/电流、温度状态以及开关状态中任意一种或多种，所述温度状态包括所述电源主电路模块的温度和/或所述电源主电路模块中部件的温度。
11.进一步的，所述电源检测模块包括用于检测电压/电流的第一检测单元、用于检测温度状态的第二检测单元以及用于检测开关状态的第三检测单元。
12.进一步的，所述电解槽的状态信息包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压、气体浓度中任意一种或多种。
13.进一步的，所述控制模块包括相互连接的数据处理单元以及控制单元，所述数据处理单元用于根据所述电源检测模块检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态，将状态评估结果输出给所述控制单元，所述控制单元根据所述数据处理单元输出的制氢电源的状态评估结果，对所述电源主电路模块的状态进行控制，以及根据电解槽的状态评估结果对电解槽的状态进行控制。
14.进一步的，还包括分别与所述控制模块、电源主电路模块连接的绝缘检测控制模块，以用于对电解槽进行绝缘检测时，控制断开电解槽负极与地之间的连接，并控制将所述电源主电路模块输出的电压提供给电解槽正负极与地之间，以实现电解槽自动绝缘检测。
15.进一步的，所述绝缘检测控制模块包括双极切换开关k2、短接开关k3以及限流电阻r1，所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接所述电源主电路模块的的负极和所述限流电阻r1，所述限流电阻r1的另一端接地，所述短接开关k3的两端分别与电解槽的正负极连接。
16.进一步的，所述控制模块通过控制电解槽负极与地之间的接地开关k0以及所述双极切换开关k2、短接开关k3的开断，实现电解槽自动绝缘检测。
17.进一步的，所述绝缘检测控制模块还包括设置在所述限流电阻r1的接地回路的漏电流检测电路，以用于检测限流电阻r1所在回路的接地电流，得到电解槽主回路的对地漏电流。
18.一种制氢电源系统，包括：
19.如上述制氢电源装置；
20.电解槽；
21.所述制氢电源装置的输入端连接输入电源，输出端连接所述电解槽。
22.进一步的，还包括与所述制氢电源装置连接的控制交互装置，以用于接收所述制氢电源装置的输出数据以及发送控制指令给所述制氢电源装置。
23.一种用于上述制氢电源装置的控制方法，步骤包括：
24.分别接收所述电源检测模块检测的状态信息以及所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息；
25.根据所述电源检测模块检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态；
26.根据制氢电源的状态评估结果和电解槽的状态评估结果控制所述制氢电源装置，根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽。
27.进一步的，所述根据制氢电源的状态评估结果控制制氢电源装置包括进行输入保护、同步控制、闭环控制、过温保护、过压过流保护、预充电控制、逻辑控制和保护中任意一种或多种，其中，根据所述电源检测模块检测的所述电源主电路模块输入端的电压/电流，进行所述输入保护、同步控制、闭环控制中任意一种，所述输入保护包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护中任意一种，所述闭环控制包括用于消谐控制或逆变控制的闭环控制，根据所述电源检测模块检测的电源关键部件温度进行所述过温保护，根据检测到的中间环节电压/电流进行所述过压过流保护及预充电控制，根据检测到的开关状态进行所述逻辑控制和保护。
28.进一步的，根据所述电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压状态、气体浓度状态中任意一种或多种的状态，所述根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽包括控制电解槽的阀门分合和/或故障小室旁路，控制制氢电源包括控制输入开关柜跳闸和/或封锁脉冲和/或降功运行。
29.进一步的，当评估电解槽的阻抗状态时，所述控制模块具体执行步骤包括：
30.控制所述电源主电路模块输出的电压作为激励施加至电解槽的正负极之间；
31.检测电解槽的正负极之间产生的电解电流；
32.根据所述电源主电路模块输出的电压以及检测到的所述电解电流计算电解槽的阻抗值；
33.根据计算出的电解槽的阻抗值判断电解槽的阻抗状态。
34.进一步的，当评估电解槽的小室电压状态时，所述控制模块具体执行步骤包括：
35.控制检测电解槽中每个小室的电压；
36.根据各个小室的电压判断是否存在异常；
37.根据各个小室的电压的判断结果，如果存在小室电压异常时控制执行保护或预警。
38.一种用于上述制氢电源装置的控制方法，该方法包括通过控制模块执行电解槽绝缘检测控制步骤，具体步骤包括：
39.控制将电解槽的正负极短接以及断开电解槽负极与地之间的连接；
40.控制将所述电源主电路模块输出电能施加至电解槽正负极与地之间以作为外部激励；
41.检测电解槽主回路的对地漏电流；
42.根据检测到的漏电流判断电解槽的绝缘状态。
43.进一步的，所述通过控制模块控制对电解槽进行绝缘检测的步骤中，控制连接在电解槽正负极之间的短接开关k3闭合，以控制将电解槽的正负极短接，以及通过控制双极切换开关k2闭合使制氢电源输出加在电解槽电极和地之间；所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关
k2的负极的输入端、输出端分别连接制氢电源的负极和所述限流电阻r1连接，所述限流电阻r1的另一端接地；由所述电源主电路模块输出的电压作为外部激励施加至电解槽的正负极与地之间，检测所构建的测试回路电流以得到电解槽主回路的对地漏电流。
44.一种用于上述制氢电源装置的控制方法，步骤包括：
45.制氢电源装置开机启动时进行初始化以及系统自检；
46.系统自检完成后判断是否进行绝缘检测；
47.如果需要进行绝缘检测则控制按照上述控制方法执行绝缘检测；
48.等待中断触发条件，每一种电解槽检测类型设定一个中断触发条件，所述电解槽检测类型包括电解槽压强检测、电解槽阻抗检测、电解槽小室电压检测、以及电解槽气体浓度中任意一种；
49.当接收到中断触发条件时，按照上述控制方法执行中断触发条件对应的检测。
50.与现有技术相比，本发明的优点在于：
51.1、本发明通过将制氢电源的供电功能和电解槽状态检测功能进行融合，实现具有电解槽状态检测功能的制氢电源装置，使得由一套制氢电源装置可以同时实现制氢电源供电以及电解槽健康管理功能，不仅可以有效降低实现成本、系统整体体积重量，无需额外设置检测设备，且可以充分利用制氢电源供电功能作为作电解槽检测的外部激励，提高能源利用率以及控制效率，同时在制氢过程中实时即能够对电解槽进行状态检测，使得能够及时发现电解槽微小的损坏和异常，从而更好地保障制氢系统的安全稳定运行。
52.2、本发明进一步通过设置绝缘检测控制模块将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间，并检测回路电流，即可实现电解槽的绝缘状态的检测，能够将电解槽绝缘检测与制氢电源供电过程进行有效融合，形成具有自动绝缘检测功能的制氢电源装置，不需要再配置单独的电解槽绝缘检测装置，即可自动实现电解槽绝缘检测，能进一步保障制氢系统的安全运行，同时进一步降低实现成本，提高实现效率、智能化程度。
53.3、本发明进一步通过设置切换开关、短接开关、限流电阻及漏电流检测电路，可以自动切换将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间、检测回路电流，可以方便、快速的实现绝缘检测，进一步提高电解槽检测的效率以及智能化程度。
54.4、本发明进一步通过使得制氢电源装置具备绝缘检测、阻抗检测、小室电压检测、气体浓度检测、槽压检测等多种电解槽检测功能，可以构建出一套制氢电解槽的健康管理系统，形成对制氢电源装置以及电解槽的完善健康管理，从而最大限度的保障制氢电源装置的安全可靠性及提高电解槽的使用寿命；对各检测功能进一步以中断子程序的形式进行管理，能够提高控制系统cpu的使用效率并能方便的进行功能优先级管理和功能屏蔽。
附图说明
55.图1是本发明实施例1具有电解槽检测功能的制氢电源装置的结构示意图。
56.图2是本发明实施例2具有电解槽检测功能的制氢电源装置的结构示意图。
57.图3是本发明实施例3中制氢电源装置(具有绝缘检测功能)的结构示意图。
58.图4是本发明实施例3中控制对电解槽进行绝缘检测的实现流程示意图。
59.图5是本发明实施例3中控制对电解槽进行自动绝缘检测的详细实现流程示意图。
60.图6是本发明实施例4中对电解槽进行阻抗状态检测的控制方法的实现流程示意
图。
61.图7是本发明实施例5中对电解槽进行小室电压状态检测的控制方法的实现流程示意图。
62.图8是本发明实施例6中实现制氢电源装置的控制的详细实现流程示意图。
63.图例说明：1、控制模块；2、电源主电路模块；3、电源检测模块4、电解槽检测模块；5、绝缘检测控制模块。
具体实施方式
64.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
65.如本发明公开所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本发明公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
66.制氢电源供电功能和电解槽检测功能均为电气功能，两者具有强相关性。例如，电解槽检测功能各类检测项点需要在电解槽供电状态下进行，如阻抗检测、总电压流和电室电压的检测、气体浓度的检测、装置压力的检测等，而制氢电源的供电输出需要依据电解槽的状态进行调节，如电解槽出现绝缘故障、阻抗异常等异常情况下电源装置需直接停机甚至跳断高压开关。且制氢电源实现供电功能时需要采集电解槽的端电压和电流等参数用于控制和保护，而电解槽的状态检测功能也需要采集电解槽的端电压和电流等参数，例如采集端电压和电流进行电解槽阻抗计算，由此可见实现制氢电源供电功能与电解槽的状态检测功能具有相同的数据采集检测需求。另外，制氢电源供电功能和电解槽检测功能的实现都需要配置控制系统进行计算、显示、通讯等，因而相应的采集通道或传感设备以及控制系统可以共用以实现有机融合。
67.本发明考虑制氢电源供电与电解槽状态检测之间的上述特性，通过将制氢电源的供电功能和电解槽状态检测功能进行融合，实现具有电解槽状态检测功能的制氢电源装置，使得由一套制氢电源装置可以同时实现制氢电源供电以及电解槽健康管理功能，不仅可以有效降低实现成本、系统整体体积重量，无需额外设置检测设备，且可以充分利用制氢电源供电功能作为作电解槽检测的外部激励，提高能源利用率以及控制效率，同时在制氢过程中实时即能够对电解槽进行状态检测，使得能够及时发现电解槽微小的损坏和异常，从而更好地保障制氢系统的安全稳定运行及提高电解槽这一制氢系统最核心设备的使用寿命。
68.实施例1：
69.如图1所示，本实施例具有电解槽检测功能的制氢电源装置包括控制模块1以及分别与控制模块1连接的电源主电路模块2、电源检测模块3以及电解槽检测模块4，电源主电路模块2的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽以向电解槽提供所需的直流电，电源检测模块3还与电源主电路模块2连接，以用于检测电源主电路模块2在运行过程中的状态信
息，电解槽检测模块4还与电解槽连接以用于检测电解槽的状态信息，控制模块1分别接收电源检测模块3检测的状态信息、电解槽检测模块4检测到的电解槽的状态信息，对电源主电路模块2、电解槽进行控制。通过上述制氢电源装置，可以同时实现制氢电源供电功能以及电解槽的状态检测功能，使得制氢电源供电过程与电解槽的状态检测过程能够相互融合与协调。制氢电源供电功能可以用作电解槽检测的外部激励，且能够实现电解槽状态在线检测，而检测出的电解槽状态又能够作为制氢电源供电功能调节的依据，从而可以方便的实现制氢电解槽系统性的健康管理，有利于提高制氢系统的安全性和电解槽的使用寿命。
70.本实施例中，电源主电路模块2具体为装置的一次回路，包括滤波回路、电力电子开关电路、输入输出开关等，主要承担制氢电源装置的电能传输功能(供能)，即将电网或其他输入电源的电能通过交直(交流转直流)转换或直直(直流转直流)转换后送给电解槽。电源检测模块3具体为检测回路，负责检测电源主电路模块2及电解槽相关位置的各项状态参数，具体可采用采集器或传感器等。控制模块1用于执行相应控制功能，控制模块1具体可以为装置的二次系统，如包含控制器、hmi(人机交互界面)、通讯模块、继电系统等。
71.本实施例中，电源主电路模块2在运行过程中的状态信息具体包括输入端电压/电流、中间环节电压/电流、输出端电压/电流、温度状态以及开关状态等，温度状态包括电源主电路模块2中各关键部件(功率单元或电抗器等)的温度等。电源检测模块3通过检测电源主电路模块2在运行过程中的上述状态信息，发送给控制模块1以用于进行相应的控制与保护。可以理解的是，上述状态信息可以根据实际需求选取其中的部分或全部信息，甚至还可以引入其他的状态信息以满足不同需求。电压、电流信息即可以采集其中一种，也可以同时采集电压与电流两种信息。
72.本实施例中，电源检测模块3包括用于检测电压/电流的第一检测单元、用于检测温度状态的第二检测单元以及用于检测开关状态的第三检测单元，即电源检测模块3会进行以下三个环节的检测：
73.1)检测环节1(第一检测单元)
74.检测制氢电源装置输入端电压和电流，以用于装置的输入保护、同步参考及闭环控制。输入保护包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护等。闭环控制主要用于消谐控制或逆变控制用。
75.2)检测环节2(第二检测单元)
76.检测制氢电源装置功率单元功率模块温度、部件(如功率单元、电抗器等关键部件)温度、中间环节电压电流、开关状态等。模块温度和部件温度主要用于过温保护。中间环节电压主要用于过压过流保护及预充电控制。开关状态主要包括断路器状态、接触器状态、熔断器状态等，用于逻辑控制和保护。
77.3)检测环节3(第三检测单元)
78.检测制氢电源装置最终输出直流电压和电流，该电压电流同时也是电解槽的输入电压电流。该检测环节的电压电流数据主要用于过压过流保护、闭环控制及电解槽静态阻抗计算等。
79.可以理解的是，上述第一检测单元～第三检测单元可以根据实际需求仅设置其中一个或两个以上的单元，也可以进一步设置更多的检测单元以检测其他类型状态信息。
80.本实施例中，电解槽检测模块4检测的电解槽的状态信息包括电解槽的绝缘状态、
压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压、气体浓度等，以检测电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、小室电压、气体浓度等各类状态。其中绝缘状态检测是检测电解槽正负极对地绝缘情况，压强状态检测是通过实时检测电解槽内的压强，以用于评估电解槽是否存在结构故障。小室电压检测即是检测电解槽内各小室电压，制氢电解槽每个小室的电压正常值通常在一定范围(如1.8～1.95v)之间，通过实时检测小室的电压则可以评估小室的运行状况。气体浓度检测是分别检测电解槽分离出的氢气和氧气的纯度，当纯度过低时表征电解槽存在结构故障或隔膜损坏。可以理解的是，上述电解槽的各类状态可以根据实际选取，例如仅进行其中一种或几种类型的状态检测，当然也可以根据实际需求进行其他类型的状态检测。
81.本实施例中，控制模块1包括相互连接的数据处理单元以及控制单元，数据处理单元用于根据电源检测模块3检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据电解槽检测模块4检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态，将状态评估结果输出给控制单元，控制单元根据数据处理单元输出的制氢电源的状态评估结果，对电源主电路模块2的状态进行控制，以及根据电解槽的状态评估结果对电解槽的状态进行控制。
82.在具体应用实施例中，通过电源检测模块3、电解槽检测模块4的各个检测环节实时监控电源系统和电解槽的各项状态数据，将这些数据传输给控制模块1，由数据处理单元进行处理和分析，对电源状态和电解槽健康状况进行实时评估，控制单元根据评估结果控制输出，其中，对于电源主电路模块2进行控制时，控制包括启停、脉冲调节、故障保护等；对电解槽进行控制时，控制包括电解槽的阀门分合、故障小室旁路等。进一步还可以配置包括制氢电源装置输入侧的输入开关柜的保护跳闸动作及与上位机系统进行相应的保护逻辑联锁等的控制。进一步还可以配置控制模块1将状态数据检测结果以及处理结果上传给上位机系统，在hmi上进行显示、存储以及打印等。
83.本实施例还包括制氢电源系统包括：
84.如上述制氢电源装置；
85.电解槽；
86.制氢电源装置的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽。
87.本实施例中，还包括与制氢电源装置连接的控制交互装置，以用于接收制氢电源装置的输出数据以及发送控制指令给制氢电源装置。控制交互装置具体可以为上位机系统、远程服务器等设备。
88.本实施例用于上述制氢电源装置的控制方法的步骤包括：
89.s101.分别接收电源检测模块3检测的状态信息以及电解槽检测模块4检测到的电解槽的状态信息；
90.s102.根据电源检测模块3检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据电解槽检测模块4检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态；
91.s103.根据制氢电源的状态评估结果和电解槽的状态评估结果控制制氢电源装置，根据电解槽的状态评估结果控制电解槽。
92.上述步骤s103中，控制模块1根据制氢电源的状态评估结果控制制氢电源装置包括进行输入保护、同步控制、闭环控制、过温保护、过压过流保护、预充电控制、逻辑控制和保护等，其中，根据电源检测模块3检测的电源主电路模块2输入端的电压和电流，进行输入
保护、同步控制、闭环控制等，输入保护包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护等，闭环控制包括用于消谐控制或逆变控制的闭环控制，根据电源检测模块3检测的电源主电路模块2的部件(如功率模块、电抗器等)温度进行过温保护，根据检测到的中间环节电压/电流进行过压过流保护及预充电控制，根据检测到的开关状态进行逻辑控制和保护。
93.上述步骤s102中，根据电解槽检测模块4检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压状态、气体浓度状态等，控制模块1根据电解槽的状态评估结果控制电解槽包括控制电解槽的阀门分合、故障小室旁路等。
94.本实施例通过上述控制方法，实时检测制氢电源与电解槽的状态，并根据制氢电源的状态进行相应的控制与保护，以及根据电解槽的状态控制电解槽，能够实现高效、稳定的制氢电源供电，同时在制氢过程中实时在线进行电解槽状态检测，当检测到电解槽异常时能够及时进行相应的控制保护，确保制氢的安全可靠性。
95.实施例2：
96.本实施例与实施例基本相同，不同之处在于，如图2所示，本实施例中电源主电路模块2具体为功率单元(包括滤波回路、电力电子开关电路、输入输出开关等的一次回路)，电源检测模块3、电解槽检测模块4以及控制模块1统一由一个控制单元实现，即由控制单元共同实现功率单元的状态信息检测、电解槽的状态检测以及功率单元与电解槽的控制功能，可以进一步提高装置的集成化程度，减少实现成本以及装置重量体积。
97.具体的，控制单元具体包括控制器、hmi(人机交互)、传感回路、通讯模块、继电系统等的二次系统以及检测回路。功率单元通过输入开关柜接入电网，控制单元还与上位机系统通讯连接。
98.本实施例中，由控制单元同时进行功率单元的状态信息检测以及电解槽的状态信息检测，具体包含以下四个检测环节：
99.1)检测环节1
100.检测制氢电源装置输入端电压和电流，用于装置的输入保护、同步参考及闭环控制。输入保护主要包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护等。闭环控制主要用于消谐控制或逆变控制用。
101.2)检测环节2
102.检测制氢电源装置功率单元功率模块温度、电抗器温度、中间环节电压电流、开关状态等。模块温度和部件(如电抗器等关键部件)温度主要用于过温保护。中间环节电压电压主要用于过压过流保护及预充电控制。开关状态主要包括断路器状态、接触器状态、熔断器状态等，用于逻辑控制和保护。
103.3)检测环节3
104.检测制氢电源装置最终输出直流电压和电流，该电压电流同时也是电解槽的输入电压电流。该检测环节的电压电流数据主要用于过压过流保护、闭环控制及电解槽静态阻抗计算。
105.4)检测环节4
106.检测电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、小室电压、气体浓度等，绝缘状态检测用于检测电解槽正负极对地绝缘情况，压强状态用于评估电解槽是否存在结构故障，通
过实时检测小室的电压来评估小室的运行状况，检测气体浓度用于分别检测电解槽分离出的氢气和氧气的纯度，当纯度过低时表征电解槽存在结构故障或隔膜损坏。
107.本实施例中控制单元通过上述的各个检测环节，由一个控制单元同时实现制氢电源装置与电解槽各项状态数据的监测，以及对各类检测数据进行处理和分析，实现对功率单元状态和电解槽健康状况的实时评估，并根据评估结果对功率单元与电解槽进行控制。进一步还可以将检测到的数据在hmi上进行显示和存储并通过通讯传输给上位机系统。
108.实施例3：
109.传统制氢电源装置不具备电解槽绝缘检测功能，在制氢电源装置输出给电解槽供电前通常需要先对电解槽的绝缘状态进行检测，且电解槽的绝缘检测还需要外部电源激励下才能进行测量和计算。本实施例在实施例2的基础上，进一步使得制氢电源装置具备电解槽绝缘检测功能，由制氢电源本身的直流供电功能作为绝缘检测的外部激励，基于制氢电源本身的供电功能，将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极与地之间，再检测此时的回路电流即为得到电解槽主回路的对地漏电流，根据该漏电流便能判断出电解槽的绝缘状态的好坏。
110.如图3所示，本实施例制氢电源装置还包括分别与控制单元(对应实施例1中控制模块1以及电源检测模块3以及电解槽检测模块4)、功率单元(对应实施例1中电源主电路模块2)连接的绝缘检测控制模块5，以用于对电解槽进行绝缘检测时，控制断开电解槽负极与地之间的连接，并控制将功率单元输出的电压提供给电解槽正负极与地之间，以实现电解槽自动绝缘检测。本实施例通过在实施例2的制氢电源装置的基础上，进一步设置绝缘检测控制模块5，基于绝缘检测控制模块5将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间，检测绝缘检测控制模块5所在回路的接地电流，该电流即为电解槽主回路的对地漏电流，即可实现电解槽的绝缘状态的检测，能够将电解槽绝缘检测与制氢电源供电过程进行有效融合，不需要再配置单独的电解槽绝缘检测装置，即可自动实现电解槽绝缘检测，能够进一步降低实现成本，提高实现效率、智能化程度。
111.如图4所示，本实施例中通过绝缘检测控制模块5控制对电解槽进行绝缘检测的步骤包括：
112.s301.控制将电解槽的正负极短接以及断开电解槽负极与地之间的连接；
113.s302.控制将功率单元输出电能施加至电解槽正负极与地之间以作为外部激励；
114.s303.检测电解槽主回路的对地漏电流；
115.s304.根据检测到的漏电流判断电解槽的绝缘状态。
116.上述步骤s304中，如果检测到的电解槽主回路对地漏电流i小于参考漏电流i
ref
，则判定绝缘状态异常，否则判定为绝缘状态正常。参考漏电流i
ref
的大小与外部激励电压u与电解槽允许绝缘电阻最小值r0及绝缘检测回路限流电阻r1的阻值r相关，通常：i
ref
《u(r0+r)。漏电流i具体可以取一段时间内的平均漏电流。上述绝缘状态检测结果若为正常，则可正常开展制氢工艺；如果检测结果异常，则进行报警，以提示需对电解槽进行检查、维修。
117.本实施例中，如图3所示，绝缘检测控制模块5具体包括双极切换开关k2、短接开关k3以及限流电阻r1。双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与电源主电路模2的正极和电解槽的电极连接，双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接制氢电源的负极和所述限流电阻r1，限流电阻r1的另一端接地，短接开关k3的两端分别与电解槽的正负极连
接。通过开关倒换，将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间，检测回路电流得到电解槽主回路的对地漏电流，便可判断出电解槽的绝缘状态。控制模块1通过控制电解槽负极与地之间的接地开关k0以及切换开关k2、短接开关k3的开断，实现电解槽自动绝缘检测。上述短接开关k3具体采用单极开关。
118.本实施例中，绝缘检测控制模块5还包括设置在限流电阻r1接地回路的漏电流检测电路，以用于检测限流电阻r1所在回路的接地电流，该电流即为电解槽主回路的对地漏电流。电流检测电路具体可采用漏电流传感器bc1等。控制单元通过检测漏电流检测电路检测到的漏电流，即可根据漏电流的大小快速判断电解槽的绝缘状态。
119.本实施例通过在功率单元的直流输出侧增设双极切换开关k2、短接开关k3、限流电阻r1及漏电流检测电路，通过控制切换开关k2、短接开关k3即可自动实现将制氢电源输出的直流电加到电解槽的电极和地之间，构成绝缘检测回路，检测回路电流，可以方便、快速的实现绝缘检测，进一步提高电解槽检测的效率以及智能化程度。
120.本实施例通过控制单元控制对电解槽进行绝缘检测时，具体控制连接在电解槽正负极之间的短接开关k3闭合，以控制将电解槽的正负极短接，以及通过控制切换开关k2使制氢电源输出正极与电解槽连接并使制氢电源输出负极通过限流电阻r1与地连接。由功率单元输出的电压作为外部激励施加至电解槽的正负极与地之间，检测构建形成的绝缘检测回路的电流以判断电解槽的绝缘状态。
121.因电解槽负极通常会接地，因此对其进行绝缘检测，需要先把电解槽负极接地开关k0断开。在具体应用实施例中，如图5所示，制氢电源装置开机后先进行程序初始化并进行系统自检，自检通过后检查是否需要进行绝缘检测。如果没有绝缘检测要求则进行系统待机状态，等待工艺指令。如果要进行绝缘检测，先分断制氢电源直流输出隔离开关k1，再分断电解槽负极接地开关k0，然后依次合闸正负极短接开关k3和切换开关k2。当上述开关操作完成后，制氢电源装置按预定电压u稳压输出,电压便加在了电解槽正负极与地之间，检测此时的漏电流传感器bc1输出的电流采样电流i。如果i《iref，则说明电解槽系统绝缘状态良好，然后停止制氢电源输出，再依次分断k2、分断k3、合闸k0，然后进入系统待机状态，等待进一步的工艺指令。如果i≧iref，则说明电解槽系统绝缘状态异常，然后停止制氢电源输出，再依次分断k2、分断k3、合闸k0，然后进入系统待机状态，等待进一步的工艺指令。当检测到电解槽绝缘异常后，制氢电源装置应报出相应故障并禁止k1合闸和制氢电源装置输出。上述iref为绝缘状态判断阈值漏电流，该值具体与u、限流电值阻值r0及电解槽的允许绝缘电阻r1的阻值r相关。优选的，iref需满足iref《u/(r0+r)，其中u通常为数百伏、r通常为数兆欧姆，因此iref为毫安以下。
122.在具体选型上，限流电值r0的大小、电流传感器bc1的量程及k2与k3的额定电流可以综合考虑，使得当r＝0时(即电解槽电极接地)进行绝缘检测时流过k2和k3的电流在其开关额定电流以下，且该电流不宜超过电流传感器bc1的量程。
123.为确保制氢系统运行的安全性，可以将绝缘检测设定为制氢电源启动输出前的必需项，即在制氢电源装置运行前，先按照上述步骤进行绝缘检测，绝缘检测通过后再启动制氢电源装置。
124.电解槽绝缘检测是制氢电源给电解槽供电前的关键工序，本实施例通过将制氢电源供电与绝缘检测功能的融合，使得形成具有自动绝缘检测功能的制氢电源装置，使得制
氢电源装置能够同时具备制氢电源供电与电解槽绝缘检测功能，能更好的保障制氢系统的安全运行，同时大大降低系统的实现成本，提高自动化程度。
125.实施例4：
126.如图6所示，本实施例为在实施例1的基础上，通过控制模块1对电解槽进行阻抗状态检测，具体步骤包括：
127.s401.控制电源主电路模块2输出的电压作为激励施加至电解槽的正负极之间；
128.s402.检测电解槽的正负极之间产生的电解电流；
129.s403.根据电源主电路模块2输出的电压以及检测到的电解电流计算电解槽的阻抗值；
130.s404.根据计算出的电解槽的阻抗值判断电解槽的阻抗状态。
131.本实施例通过将制氢电源输出的直流电压u施加到电解槽的正负极之间就会产生相应的电解电流i，以将制氢电源的输出电能作为阻抗检测的激励，根据欧姆定理即可计算出电解槽此时的阻抗z，该阻抗值若在正常阻抗范围(zmin,zmax)则表示电解槽正常，否则电解槽为异常，可以充分融合制氢电源供电与电解槽阻抗状态检测功能，使得制氢电源装置在制氢电源供电过程中，还能够实现电解槽阻抗状态检测。图6中所述阻抗检测流程即为制氢电源一个阻抗检测中断程序执行周期的流程。由一个执行周期得出的阻抗异常结果判断电解槽阻抗状态精度不高，为提高控制精度，可以当多个中断周期内检测结果均指示阻抗异常，控制执行相应的保护动作，如停机、跳断高压开关等。
132.实施例5：
133.如图7所示，本实施例为在实施例1的基础上，通过控制模块1对电解槽进行小室电压状态检测，步骤包括：
134.s501.控制检测电解槽中每个小室的电压；
135.s502.根据各个小室的电压判断是否存在异常；
136.s503.根据各个小室的电压的判断结果，如果存在小室电压异常时控制执行保护或预警。
137.当电解槽电解工作时，每个小室的电压的最优状态理论是完全一致的。为引入一定的检测裕度，当任一小室的电压在标准理想电压一定偏差范围内，可判定为处于正常状态，当小室电压超出上述偏差范围而又在小室正常电压范围，则表征该小室存在隐患；当小室电压超出了小室正常电压范围，则表征该小室已损坏。
138.在具体应用实施例中，计小室的正常电压范围为(umin,umax),该小室电解时的电压超出此范围则说明该小室损坏。假设一个电解槽由b个回路并联组成，而每个回路由a个小室串联，即该电解槽共由a*b个小室组成。设电解槽工作时的端电压为u0，在不考虑回路其它压降的情况下，每个小室的平均电压为uavg＝uo/a。
139.为了提高电解槽的使用寿命，应力求每个小室在工作时的电压尽量一致，具体可控制在一定的偏差范围内，当某个小室电压超出该范围时提示风险，然后立即停机检查或等本次生产任务完成后再停机检查。简单的，如可以规定uavg的
±
z％范围内目标控制范围，umin《(1-z％)uavg且(1+z％)uavg《umax。为方便描述，计up＝(1-z％)uavg，uq＝(1+z％)uavg。图7中ux为任一小室的电压，即每个小室的电压均采集和进行相应的逻辑比较。
140.实施例6：
141.如图8所示，本实施例为用于实施例1所示的制氢电源装置的控制方法，步骤包括：
142.制氢电源装置开机启动时进行初始化以及系统自检；
143.系统自检完成后判断是否进行绝缘检测；
144.如果需要进行绝缘检测则控制按照实施例3所示的绝缘检测方法；
145.等待中断触发条件，每一种电解槽检测类型设定一个中断触发条件，电解槽检测类型包括电解槽压强检测、电解槽阻抗检测、电解槽小室电压检测、以及电解槽气体浓度等，阻抗检测、小室电压检测具体可采用如实施例5、6所示检测方法。
146.当接收到中断触发条件时，执行中断触发条件对应的检测。
147.本实施例制氢电源装置的各个主要功能均以中断子程序的形式进行管理，能够提高控制系统cpu的使用效率并能方便的进行功能优先级管理和功能屏蔽。
148.制氢电源装置开机后首先进行程序初始化，然后进行系统自检；因制氢电解槽负极通常是接地的，系统自检完成后可以选择是否进行绝缘检测；如果进行绝缘检测，首先将电解槽负极与地断开，通过检测后再恢复接地。电解槽绝缘检测具体可配置只在每次生产工艺开始前或例行检查时进行检测，具体可以根据实际需求配置。当上述检测均正常后，电源装置进入系统待机状态，等待各中断子功能执行的触发条件满足。中断触发条件通常采用定时触发、比较触发、事件触发或外部输入触发。
149.本实施例通过上述控制方法，使得制氢电源装置除了供电功能外，还具备了绝缘检测、阻抗检测、小室电压检测、气体浓度检测、槽压检测等相对完备的多种电解槽检测功能，可以构建出一套制氢电解槽的健康管理系统，形成对制氢电源装置以及电解槽的完善健康管理，从而最大限度的保障制氢电源装置的安全可靠性。
150.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，包括控制模块(1)以及分别与所述控制模块(1)连接的电源主电路模块(2)、电源检测模块(3)以及电解槽检测模块(4)，所述电源主电路模块(2)的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽以向电解槽提供所需的直流电，所述电源检测模块(3)还与所述电源主电路模块(2)连接，以用于检测所述电源主电路模块(2)在运行过程中的状态信息，所述电解槽检测模块(4)还与电解槽连接以用于检测电解槽的状态信息，所述控制模块(1)分别接收所述电源检测模块(3)检测的状态信息、所述电解槽检测模块(4)检测到的电解槽的状态信息，对所述电源主电路模块(2)、电解槽进行控制。2.根据权利要求1所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述电源主电路模块(2)在运行过程中的状态信息包括输入端电压/电流、中间环节电压/电流、输出端电压/电流、温度状态以及开关状态中任意一种或多种，所述温度状态包括所述电源主电路模块(2)的温度和/或所述电源主电路模块(2)中部件的温度。3.根据权利要求2所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述电源检测模块(3)包括用于检测电压/电流的第一检测单元、用于检测温度状态的第二检测单元以及用于检测开关状态的第三检测单元。4.根据权利要求1所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述电解槽的状态信息包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压、气体浓度中任意一种或多种。5.根据权利要求1所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述控制模块(1)包括相互连接的数据处理单元以及控制单元，所述数据处理单元用于根据所述电源检测模块(3)检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块(4)检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态，将状态评估结果输出给所述控制单元，所述控制单元根据所述数据处理单元输出的制氢电源的状态评估结果，对所述电源主电路模块(2)的状态进行控制，以及根据电解槽的状态评估结果对电解槽的状态进行控制。6.根据权利要求1～5中任意一项所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，还包括分别与所述控制模块(1)、电源主电路模块(2)连接的绝缘检测控制模块(5)，以用于对电解槽进行绝缘检测时，控制断开电解槽负极与地之间的连接，并控制将所述电源主电路模块(2)输出的电压提供给电解槽正负极与地之间，以实现电解槽自动绝缘检测。7.根据权利要求6所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述绝缘检测控制模块(5)包括双极切换开关k2、短接开关k3以及限流电阻r1，所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块(2)的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接所述电源主电路模块(2)的负极和所述限流电阻r1，所述限流电阻r1的另一端接地，所述短接开关k3的两端分别与电解槽的正负极连接。8.根据权利要求7所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述控制模块(1)通过控制电解槽负极与地之间的接地开关k0以及所述双极切换开关k2、短接开关k3的开断，实现电解槽自动绝缘检测。9.根据权利要求7所述的具有电解槽检测功能的制氢电源装置，其特征在于，所述绝缘检测控制模块(5)还包括设置在所述限流电阻r1的接地回路的漏电流检测电路，以用于检
测限流电阻r1所在回路的接地电流，得到电解槽主回路的对地漏电流。10.一种制氢电源系统，其特征在于，包括：如权利要求1～9中任意一项所述的制氢电源装置；电解槽；所述制氢电源装置的输入端连接输入电源，输出端连接所述电解槽。11.根据权利要求10所述的制氢电源系统，其特征在于，还包括与所述制氢电源装置连接的控制交互装置，以用于接收所述制氢电源装置的输出数据以及发送控制指令给所述制氢电源装置。12.一种用于权利要求1～9中任意一项所述的制氢电源装置的控制方法，其特征在于，步骤包括：分别接收所述电源检测模块(3)检测的状态信息以及所述电解槽检测模块(4)检测到的电解槽的状态信息；根据所述电源检测模块(3)检测的状态信息评估制氢电源的状态，以及根据所述电解槽检测模块(4)检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态；根据制氢电源的状态评估结果和电解槽的状态评估结果控制所述制氢电源装置，根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽。13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述根据制氢电源的状态评估结果控制制氢电源装置包括进行输入保护、同步控制、闭环控制、过温保护、过压过流保护、预充电控制、逻辑控制和保护中任意一种或多种，其中，根据所述电源检测模块(3)检测的所述电源主电路模块(2)输入端的电压/电流，进行所述输入保护、同步控制、闭环控制中任意一种，所述输入保护包括过压、欠压、过流、过频、欠频保护中任意一种，所述闭环控制包括用于消谐控制或逆变控制的闭环控制，根据所述电源检测模块(3)检测的电源关键部件温度进行所述过温保护，根据检测到的中间环节电压/电流进行所述过压过流保护及预充电控制，根据检测到的开关状态进行所述逻辑控制和保护。14.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，根据所述电解槽检测模块(4)检测到的电解槽的状态信息评估电解槽的状态包括电解槽的绝缘状态、压强状态、温度状态、阻抗状态、小室电压状态、气体浓度状态中任意一种或多种的状态，根据所述电解槽的状态评估结果控制电解槽包括控制电解槽的阀门分合和/或故障小室旁路，控制制氢电源包括控制输入开关柜跳闸和/或封锁脉冲有降功运行。15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，当评估电解槽的阻抗状态时，所述控制模块(1)具体执行步骤包括：控制所述电源主电路模块(2)输出的电压作为激励施加至电解槽的正负极之间；检测电解槽的正负极之间产生的电解电流；根据所述电源主电路模块(2)输出的电压以及检测到的所述电解电流计算电解槽的阻抗值；根据计算出的电解槽的阻抗值判断电解槽的阻抗状态。16.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，当评估电解槽的小室电压状态时，所述控制模块(1)具体执行步骤包括：控制检测电解槽中每个小室的电压；
根据各个小室的电压判断是否存在异常；根据各个小室的电压的判断结果，如果存在小室电压异常时控制执行保护或预警。17.一种用于权利要求1～9中任意一项所述的制氢电源装置的控制方法，其特征在于，该方法包括通过控制模块(1)执行电解槽绝缘检测控制步骤，具体步骤包括：控制将电解槽的正负极短接以及断开电解槽负极与地之间的连接；控制将所述电源主电路模块(2)输出电能施加至电解槽正负极与地之间以作为外部激励；检测电解槽主回路的对地漏电流；根据检测到的漏电流判断电解槽的绝缘状态。18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述通过控制模块(1)控制对电解槽进行绝缘检测的步骤中，控制连接在电解槽正负极之间的短接开关k3闭合，以控制将电解槽的正负极短接，以及通过控制双极切换开关k2闭合使制氢电源输出加在电解槽电极和地之间；所述双极切换开关k2的正极输入端、输出端分别与所述电源主电路模块(2)的正极和电解槽的电极连接，所述双极切换开关k2的负极的输入端、输出端分别连接制氢电源的负极和所述限流电阻r1连接，所述限流电阻r1的一端接地；由所述电源主电路模块(2)输出的电压作为外部激励施加至电解槽的正负极与地之间，检测构建的测试回路的对地电流以得到电解槽主回路的对地漏电流。19.一种用于权利要求1～9中任意一项所述制氢电源装置的控制方法，其特征在于，步骤包括：制氢电源装置开机启动时进行初始化以及系统自检；系统自检完成后判断是否进行绝缘检测；如果需要进行绝缘检测则控制按照权利要求17或18所述的控制方法执行绝缘检测；等待中断触发条件，每一种电解槽检测类型设置一个中断触发条件，所述电解槽检测类型包括电解槽压强检测、电解槽阻抗检测、电解槽小室电压检测、以及电解槽气体浓度中任意一种；当接收到中断触发条件时，按照权利要求12～16中任意一项所述的控制方法执行中断触发条件对应的检测。

技术总结
本发明公开一种具有电解槽检测功能的制氢电源装置、系统及控制方法，该装置包括控制模块以及分别与控制模块连接的电源主电路模块、电源检测模块以及电解槽检测模块，电源主电路模块的输入端连接输入电源，输出端连接电解槽以向电解槽提供所需的直流电，电源检测模块还与电源主电路模块连接，以用于检测电源主电路模块在运行过程中的状态信息，电解槽检测模块还与电解槽连接以用于检测电解槽的状态信息，控制模块分别接收电源检测模块检测的状态信息、电解槽检测模块检测到的电解槽的状态信息，对电源主电路模块、电解槽进行控制。本发明能够实现电解槽状态的在线检测，且具有结构简单、成本低、体积重量小、能源利用率以及安全可靠性高等优点。可靠性高等优点。可靠性高等优点。


技术研发人员：蔡宇峰 陈洁莲 王雄 吴雪峰 许汝波 谢凌峰 宁佳伟 刘永丰 刘永丽 陈岚
受保护的技术使用者：株洲中车时代电气股份有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/23