同济大学沈小军、聂聪颖 等：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

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作者简介

沈小军，1979年出生，教授，博士生导师，研究方向为新能源高效利用与储能技术、电网实景三维重构及其数字孪生技术、状态感知与智能诊断等。E-mail：[e-mail]

聂聪颖，1996 年出生，硕士研究生，研究方向为新能源高效利用与节能技术。E-mail：[e-mail]

氢能已成为世界范围内广泛关注的战略性新兴产业，解决可再生能源耦合氢能规模化制取与应用是支撑未来氢能绿色健康发展的关键。碱性电解槽具有技术成熟，成本低等优势，是风、光发电制氢技术的关键装备，但碱性电解槽面临着提寿增效和波动工况适应性的挑战。

本文聚焦于离网型大规模风氢耦合系统中碱性电解槽阵列，通过对碱性电解槽运行特性的梳理分析，提出了一套碱性电解槽阵列轮值协调优化控制策略，有效提升了碱性电解槽阵列波动工况下的运行寿命及运行安全性。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。

研究背景

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。

电解槽是实现电-氢转换的关键设备，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强的适应性，但传统的碱性电解槽波动工况下存在动态调节性差、效率低和寿命短等不足。通过技术创新提升碱性电解槽波动工况下的适用性已经成为可再生能源制氢技术关注的焦点和热点。

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之一，但遗憾的是规模化碱性电解槽阵列的协调控制策略研究尚未引起足够的关注，少量的研究存在电解槽工况划分粗犷、工作特性考虑不足的问题。

论文所解决的问题及意义

针对既有电解槽阵列控制策略简单、落后的现状，本文在梳理碱性电解槽特性及工作约束的基础上，基于轮值思想，提出了一种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。

图1 试验平台

案例仿真结果表明，通过优化电解槽阵列工作状态，运行状态划分，实现了电解槽阵列单体工作时间的均衡，有效提升电解槽阵列的寿命，同时降低运行安全风险。研究成果可为规模化碱性电解槽阵列工程运行控制提供参考。

论文方法及创新点

本文基于碱性电解槽运行特性及基本约束，提出了一种规模化电解槽单体间的轮值协调控制策略，即电解槽阵列在设定的轮换周期时间内，遵守编排序号进行运行状态轮换，轮值概念如图2和图3所示。

提出的轮值协调控制策略，通过优化电解槽阵列工作状态，将电解槽运行状态划分为额定功率、波动功率和停机三种运行状态，实现了电解槽阵列单体工作时间的均衡，降低单一电解槽处于连续波动功率或低于产氢安全功率运行的的时间，有效提升电解槽阵列的均衡服役寿命和运行安全性。

图2 轮值概念及流程框图（a）

图3 轮值概念及流程框图（b）

结论

本文梳理了碱性电解槽电热特性和工作约束，基于轮值思想提出了一种大规模风电碱性电解水制氢电解槽阵列优化控制策略。

图4 开发的风-光-氢-储综合仿真系统

案例结果表明，提出的轮值优化控制策略是可行有效的，通过将电解槽运行状态划分为额定功率、波动功率和停机三种运行状态，实现了电解槽阵列单体工作时间的均衡，有效提升电解槽阵列的寿命；轮换策略从制氢安全角度考虑，将电解槽运行过程中可能会出现的安全风险降至最低，提高制氢的安全性和可靠性。

研究成果可为风氢耦合发电系统的优化运行提供参考。

引用本文

沈小军, 聂聪颖, 吕洪. 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[J]. 电工技术学报, 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.

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