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)的穩(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。

電解槽作為一種電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，是可再生能源電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵裝備，當(dāng)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)定功率輸出具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。堿性電解槽是當(dāng)前唯一滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的電解水制氫設(shè)備，具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢。

堿性電解槽作為一種特殊的用電設(shè)備，有其特殊性。堿性電解槽特性及工作約束可歸納如下：

1）起停特性

電解槽開始起動(dòng)時(shí)，由于電解槽的溫度不高，達(dá)不到產(chǎn)生氫氣的溫度條件，此時(shí)消耗的功率都用來產(chǎn)生熱量以此提升電解槽的溫度；當(dāng)電解槽的功率不斷提升至可以產(chǎn)生氫氣，此時(shí)的功率為電解槽的保溫功率。所以堿性電解槽第一次起動(dòng)時(shí)需要耗時(shí)較長，同時(shí)電解槽停機(jī)時(shí)，可以將功率瞬時(shí)降至零，作為一種可中斷負(fù)荷。

2）保溫特性

當(dāng)電解槽陣列退出運(yùn)行時(shí)，環(huán)控裝置發(fā)揮作用，電解槽可以在一定的時(shí)間T內(nèi)保持溫度不發(fā)生變化。此特性保證了電解槽在一定時(shí)間范圍的停機(jī)時(shí)間后能有立刻投入使用的能力。

3）調(diào)節(jié)特性

電解槽從高溫、大功率點(diǎn)往低溫、小功率點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)功率大范圍ms級(jí)時(shí)間的快速調(diào)節(jié)，從低溫、小功率點(diǎn)往高溫、大功率點(diǎn)調(diào)節(jié)則需經(jīng)過min級(jí)的時(shí)間。

4）氫氣安全運(yùn)行功率

在電解槽處于低功率運(yùn)行時(shí)，由于電解槽內(nèi)部材料的特性，電解槽的運(yùn)行功率不能低于某一限值，否則存在氫、氧互串發(fā)生超過爆炸極限的風(fēng)險(xiǎn)，其限值一般為電解槽額定功率的20%~25%。

同時(shí)由于電解槽裝置為電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，其反應(yīng)具有一定的緩沖時(shí)間，所以實(shí)際中電解槽可以短時(shí)間運(yùn)行于氫氣安全功率限值以下，其時(shí)長根據(jù)電解槽的容量大小為幾分鐘不等。

5）調(diào)節(jié)范圍（過載特性）

電解槽在工作時(shí)，其功率可以短時(shí)超過額定功率，達(dá)到額定功率的110%~ 130%，利用此特性可以降低電解槽的配置容量。

當(dāng)前，堿性電解槽單體的制造水平尚處于幾百千瓦到兆瓦級(jí)，大規(guī)模制氫工程應(yīng)用中一般需要多個(gè)單體電解槽并聯(lián)，形成電解槽陣列。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者主要從裝置制造與集成應(yīng)用控制策略兩個(gè)方面對(duì)堿性電解水制氫系統(tǒng)性能提升開展了深入的研究。

改進(jìn)堿性電解水制氫裝備的制造技術(shù)是一個(gè)長期的攻關(guān)過程，短期難于實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，而控制策略是貫穿始終的。先進(jìn)的能量管理與控制策略對(duì)提升堿性電解系統(tǒng)的等效服役壽命、功率調(diào)節(jié)特性已被證明具有可行性，值得研究。

本文摘編自2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“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”，作者為沈小軍、聶聰穎 等。