作者簡介

沈小軍，1979年出生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉锤咝Ю门c儲(chǔ)能技術(shù)、電網(wǎng)實(shí)景三維重構(gòu)及其數(shù)字孿生技術(shù)、狀態(tài)感知與智能診斷等。

聶聰穎，1996 年出生，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉锤咝Ю门c節(jié)能技術(shù)。

氫能已成為世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，解決可再生能源耦合氫能規(guī)?；迫∨c應(yīng)用是支撐未來氫能綠色健康發(fā)展的關(guān)鍵。堿性電解槽具有技術(shù)成熟，成本低等優(yōu)勢，是風(fēng)、光發(fā)電制氫技術(shù)的關(guān)鍵裝備，但堿性電解槽面臨著提壽增效和波動(dòng)工況適應(yīng)性的挑戰(zhàn)。

本文聚焦于離網(wǎng)型大規(guī)模風(fēng)氫耦合系統(tǒng)中堿性電解槽陣列，通過對(duì)堿性電解槽運(yùn)行特性的梳理分析，提出了一套堿性電解槽陣列輪值協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，有效提升了堿性電解槽陣列波動(dòng)工況下的運(yùn)行壽命及運(yùn)行安全性。研究成果可為基于堿性電解槽的波動(dòng)性電源消納工程應(yīng)用提供參考。

研究背景

風(fēng)電、光伏等可再生能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。大規(guī)?？稍偕茉瘩詈想娊庵茪洳粌H可有效提升可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的能源利用效率，而且還可有效解決綠色氫能產(chǎn)業(yè)“氫從哪里來”的難題，具有重大戰(zhàn)略意義，已成為諸多國家的能源戰(zhàn)略。

電解槽是實(shí)現(xiàn)電-氫轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，其用于平抑可再生能源波動(dòng)時(shí)，需對(duì)可再生能源的不穩(wěn)定功率輸出具有強(qiáng)的適應(yīng)性，但傳統(tǒng)的堿性電解槽波動(dòng)工況下存在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性差、效率低和壽命短等不足。通過技術(shù)創(chuàng)新提升堿性電解槽波動(dòng)工況下的適用性已經(jīng)成為可再生能源制氫技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。

理論研究表明，電解槽的控制策略是影響電解槽陣列使用壽命的重要因素之一，但遺憾的是規(guī)模化堿性電解槽陣列的協(xié)調(diào)控制策略研究尚未引起足夠的關(guān)注，少量的研究存在電解槽工況劃分粗獷、工作特性考慮不足的問題。

論文所解決的問題及意義

針對(duì)既有電解槽陣列控制策略簡單、落后的現(xiàn)狀，本文在梳理堿性電解槽特性及工作約束的基礎(chǔ)上，基于輪值思想，提出了一種計(jì)及電熱特性的離網(wǎng)型風(fēng)電制氫堿性電解槽陣列優(yōu)化控制策略。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

案例仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化電解槽陣列工作狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)劃分，實(shí)現(xiàn)了電解槽陣列單體工作時(shí)間的均衡，有效提升電解槽陣列的壽命，同時(shí)降低運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。研究成果可為規(guī)?；瘔A性電解槽陣列工程運(yùn)行控制提供參考。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文基于堿性電解槽運(yùn)行特性及基本約束，提出了一種規(guī)?；娊獠蹎误w間的輪值協(xié)調(diào)控制策略，即電解槽陣列在設(shè)定的輪換周期時(shí)間內(nèi)，遵守編排序號(hào)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)輪換，輪值概念如圖2和圖3所示。

提出的輪值協(xié)調(diào)控制策略，通過優(yōu)化電解槽陣列工作狀態(tài)，將電解槽運(yùn)行狀態(tài)劃分為額定功率、波動(dòng)功率和停機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電解槽陣列單體工作時(shí)間的均衡，降低單一電解槽處于連續(xù)波動(dòng)功率或低于產(chǎn)氫安全功率運(yùn)行的的時(shí)間，有效提升電解槽陣列的均衡服役壽命和運(yùn)行安全性。

圖2 輪值概念及流程框圖（a）

圖3 輪值概念及流程框圖（b）

結(jié)論

本文梳理了堿性電解槽電熱特性和工作約束，基于輪值思想提出了一種大規(guī)模風(fēng)電堿性電解水制氫電解槽陣列優(yōu)化控制策略。

圖4 開發(fā)的風(fēng)-光-氫-儲(chǔ)綜合仿真系統(tǒng)

案例結(jié)果表明，提出的輪值優(yōu)化控制策略是可行有效的，通過將電解槽運(yùn)行狀態(tài)劃分為額定功率、波動(dòng)功率和停機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電解槽陣列單體工作時(shí)間的均衡，有效提升電解槽陣列的壽命；輪換策略從制氫安全角度考慮，將電解槽運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，提高制氫的安全性和可靠性。

研究成果可為風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

引用本文

沈小軍， 聶聰穎， 呂洪. 計(jì)及電熱特性的離網(wǎng)型風(fēng)電制氫堿性電解槽陣列優(yōu)化控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(3): 463-472. Shen Xiaojun, Nie Congying, Lü Hong. Coordination Control Strategy of Wind Power-Hydrogen Alkaline Electrolyzer Bank Considering Electrothermal Characteristics. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 463-472.