可再生能源大规模制氢系统最优效率控制方法.pdf
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1、:/可再生能源大规模制氢系统最优效率控制方法孟鑫 陈茂林 王雄正 杨浩冉(四川大学电气工程学院 四川 成都)摘 要:利用可再生能源大规模制取氢气是实现可再生能源消纳和平抑波动的重要技术手段 针对大规模具有间歇性可再生能源制氢系统的优化运行问题 提出了一种并联制氢装置的效率优化控制方法 首先建立了制氢装置的效率模型 其次通过构建多并联制氢装置的效率优化目标函数和约束条件 采用穷举算法优化不同输入功率时各并联制氢装置的最优功率分配值 最后通过 仿真验证该策略的有效性和可行性 并与功率均分、分级投切方式下的运行效率比较 结果表明 提出的效率优化控制可有效提高波动功率下并联系统的运行效率关键词:电解制
2、氢 并联 制氢效率 优化控制 功率分配中图分类号:.文献标志码:文章编号:()基金项目:国家自然科学基金项目()收稿日期:修回日期:():.:引言在碳达峰、碳中和工作目标下 风力、光伏等可再生能源发电得到了大规模开发利用 然而可再生能源发电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 传统的储能技术可以有效平衡电力波动 但需配置大量储能设备 成本高 氢能是一种清洁高效的二次能源 利用可第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月再生能源发电大规模电解制氢不仅可有效提升能源利用率 还可有效解决绿氢来源问题 具有重大战略意义电解槽作为可再生能源电解制氢系统的核心设备 包括 有 碱 性 电 解 槽、
3、质 子 交 换 膜()电解槽和高温固体氧化物电解槽 其中高温固体氧化物电解槽目前仍处于实验室阶段 未推广商业化使用 碱性电解槽虽然技术成熟 但存在动态调节性差、效率低和寿命短等问题 电解槽具有动态响应快、电流密度大、调节范围宽等优点 在可再生能源制氢系统中得到广泛应用目前 电解槽单体的制造水平尚处于几百千瓦到兆瓦级 大规模制氢时需要多个单体电解槽通过整流器并联到交流母线上 可再生能源的波动性会引起电解槽频繁启停和负荷变动等问题严重影响设备使用寿命和制氢效率 当前针对可再生能源电解制氢系统的性能提升 主要从控制策略与优化运行两方面开展研究 文献 将并联电解槽控制成功率均分模式运行 平均制氢功率远
4、低于额定功率的 在产氢量较小时效率极低文献 根据不同工作点将并联电解槽按编号顺序投切 设定启停功率区间 减小了电解槽的启停次数 文献 通过轮值的方式平均不同电解槽的工作时间 以延长电解槽的使用寿命 但以上文献仅从电解槽的运行状态角度出发 并未考虑效率特性文献 研究了可再生能源波动对电解槽的制氢效率、安全等方面的影响 并结合储能系统 提出了电解槽的自适应功率控制策略 文献 构建了风光氢储综合能源系统 并将各模块的能量转化效率设置为固定效率 提出了整体效益最优的调度优化策略 文献 从电氢混合储能系统各模块的运行特性切入 构建了计及系统实时效率的微电网成本函数 提出了一种经济下垂控制策略 使运行成本
5、最小化并提高系统效率 文献 利用粒子群算法优化并联电解槽的功率分配 提升可再生能源制氢系统的整体效率 但该算法计算压力较大 针对可再生能源制氢系统中并联电解槽的优化运行问题 现有研究只将电转气的能量转换效率假设为固定值或者只考虑到单个电解槽运行特性和效率特性的优化调度 没有考虑不同功率下电解槽效率变化的动态特性 此外 在分析效率特性的现有工作中 并未考虑到制氢整流器效率的影响鉴于以上研究工作的不足 本文考虑整流器的效率特性 提出一种多制氢装置并联运行的效率优化控制方法 构建制氢装置的精细化效率功率模型 通过离线优化、在线查找方式 采用穷举优化算法优化可再生能源波动时各制氢装置的投切和功率分配
6、使系统运行在最大效率点 最后通过 仿真验证该方法的有效性和可行性 可再生能源制氢系统效率特性 系统拓扑可再生能源电解制氢系统如图 所示 包括风电、光伏电源、电解槽和制氢整流器 此时可再生能源通过变换器接入交流母线 每台电解槽连接一台整流器构成一台制氢装置 接入交流母线 其中多台制氢装置并联运行 以最大化消纳可再生能源制氢 平衡上网电力波动图 可再生能源电解制氢系统 整流器的效率特性假设交流母线电压和整流器输出电压稳定 对单台整流器效率特性建模 可将整流器的损耗分为 类:与电流平方成正比的损耗 即电阻性损耗与电压电流积成正比的损耗 如开关损耗等 固定损耗 如控制单元损耗、采样电阻损耗等 因此功率
7、损耗可表示为:()式中 为电解槽工作电流、为整流器的可变损耗系数 为整流器的固定损耗因此对于任意整流器 效率可表示为:()式中、分别为整流器的输出功率和输入功率 为电解槽的工作电压第 卷第 期 孟鑫等:可再生能源大规模制氢系统最优效率控制方法 年 月 电解槽的效率特性 电解槽工作时需外加热源保持反应温度单位时间内所需能量为电能 与热能 之和 即:()式中 为电解槽的工作温度 为该温度下的熵值电解槽工作电压可表示为:()式中 为可逆电压 为欧姆极化过电压为浓度极化过电压 为活化过电压 可分别表示为:()/()()()()()()()式中 为阴极极板面积、为经验系数根据法拉第第一定律 可计算出单位
8、时间内电解槽制氢速率为:()式中 为摩尔数/为电解水的速率 为法拉第常数 等于 /由此可得单位时间内产出的氢气所蕴含的能量为:()式中 为氢气的热值 等于 /由于电解槽的内阻会产生热能 则单位时间产生的热能为:()()结合式()()可得电解槽能量转化效率为:()(/)()式中 是环境温度结合式()和式()可得制氢装置的电氢转化效率为:()制氢装置具体参数见表 根据式()和表 的参数绘制的制氢装置效率曲线和输入功率电流曲线如图 所示 从图中可看出 电氢能量转换效率随输入功率的增大迅速增大 然后缓慢下降 实际工作点对其运行效率影响较大 因此 并联制氢装置可以根据系统的实际工况 优化各个电解槽的功率
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