计及电热特性的离网型风电制氢碱性电解槽阵列优化控制策略.docx

计及电热特性的离网型风电制氢碱性电解槽阵列优化控制策略 摘要：可再生能源制氢对平抑可再生能源的波动性，实现氢能源绿色获取具有重要的价值。该文梳理了碱性电解槽电热特性，总结出电解槽功率调节特性、起停特性等约束条件，据此提出碱性电解槽阵列轮值协调控制策略。案例仿真结果表明，提出的阵列轮值优化控制策略是有效的，在保障消纳效果的同时，可有效提升电解槽阵列寿命和运行安全性并降低投资。研究成果可为基于碱性电解槽的波动性电源消纳工程应用提供参考。 0 引言风电、光伏等可再生能源的随机性和波动性给电网稳定性和安全性带来了巨大的挑战。大规模可再生能源耦合电解制氢不仅可有效提升可再生能源发电系统的能源利用效率，而且还可有效解决绿色氢能产业“氢从哪里来”的难题，具有重大战略意义，已成为诸多国家的能源战略电解槽作为一种电气转换设备，是可再生能源电解水制氢技术的关键装备，当其用于平抑可再生能源波动时，需对可再生能源的不稳定功率输出具有很强的适应性当前，国内外学者主要从装置制造与集成应用控制策略两个方面对碱性电解水制氢系统性能提升开展了深入的研究。笔者认为，改进碱性电解水制氢装备的制造技术是一个长期的攻关过程，短期难于实现质的突破，而控制策略是贯穿始终的。先进的能量管理与控制策略对提升碱性电解系统的等效服役寿命、功率调节特性已被证明具有可行性，值得研究。文献[4]讨论了风电波动对电解槽制氢的效率、安全等方面的影响，并结合超级电容形成混合储能系统，提出了碱性电解槽的自适应控制策略。文献[5]基于热量交换利用，提出了一种电解槽新型模块化结构和优化控制策略，实现了碱性电解槽能源综合利用率、功率调节速度及调节特性的优化提升；文献[6]构建了风光氢综合能源系统拓扑结构，提出一种风光氢综合能源系统在线能量调控策略，通过实验验证了在线能量调控策略和所开发的在线监控系统的有效性和稳定性；文献[7-9]针对风电制氢相关领域开展了系统储能容量配置及经济性评价、能量管理控制策略等研究；文献[10]针对风电-氢储能与煤化工多能耦合系统（Wind Power-Hydrogen Energy Storage and Coal Chemical Multi-Functional Coupling System,WP-HES&CCMFCS）的经济性评估问题，提出了一种多能耦合系统全寿命经济性评估的方法，分析了不同风电并网比例与风电非电形态消纳比例条件下系统资金回收期与全寿命周期净利润的变化规律。当前，碱性电解槽单体的制造水平尚处于几百千瓦到兆瓦级，大规模制氢工程应用中一般需要多个单体电解槽并联，形成电解槽阵列。理论研究表明，电解槽的控制策略是影响电解槽阵列使用寿命的重要因素。当前针对可再生能源与电解槽制氢系统的控制策略研究大多是从电解槽阵列整体的角度进行考虑和设计，将电解槽阵列与其他传统储能设备相结合对可再生能源在并网状态下进行波动性平抑或者在离网状态下直接进行消纳，并未从电解槽阵列各个单体出发来充分挖掘电解槽装置的特性。而如果电解槽单体之间的协调控制策略过于简单，会使得各个电解槽单体的起停次数过多同时连续运行于波动功率的时间过长。起停次数等指标是直接影响电解槽寿命的因素，将这些约束融入控制策略中可以极大地提高系统的使用寿命和产氢效率鉴于碱性电解槽群体协调控制策略具有的理论可行性和现有研究工作的不足，本文在梳理碱性电解槽特性及工作约束的基础上，提出了一种碱性电解槽阵列轮值优化控制策略，并通过案例仿真验证了提出的轮值优化控制策略的可行性及效果。本研究对电解槽的运行控制具有一定参考价值。1 离网风氢系统拓扑与碱性电解槽电热特性1.1 离网风氢系统拓扑当前，单体碱性电解槽的电功率多为几百千瓦到兆瓦级，离网风氢耦合系统为充分消纳风电功率，往往需要数台电解槽并联运行。离网情况或者需要大规模制氢的情况下，电解槽阵列是吸收功率的主要设备，此时风电等可再生能源通过变换器接入母线，电解槽阵列也通过电力电子电源分别接入母线，一种离网型风氢耦合系统拓扑结构如图1所示。图1中超级电容器阵列主要用于弥补碱性电解槽的动态调节功率不足的部分，本文后续讨论中暂不考虑其存在。1.2 电解槽特性碱性电解槽作为一种特殊的用电设备，有其特殊性。基于作者前期研究成果和文献资料，碱性电解槽特性及工作约束可归纳如下1）起停特性。电解槽开始起动时，由于电解槽的温度不高，达不到产生氢气的温度条件，此时消耗的功率都用来产生热量以此提升电解槽的温度；当电解槽的功率不断提升至可以产生氢气，此时的功率为电解槽的保温功率。所以碱性电解槽第一次起动时需要耗时较长，同时电解槽停机时，可以将功率瞬时降至零，作为一种可中断负荷。2）保温特性。当电解槽阵列退出运行时，环控装置发挥作用，电解槽可以在一定