新能源-质子交换膜电解槽电制氢容量双层规划模型研究

新能源电制氢是实现“2060碳中和”的关键技术之一。然而,新能源出力具有随机性,且制氢关键设备——质子交换膜（PEM）电解槽投资成本与运行成本高,因此如何为出力功率随机的新能源电站配置兼顾新能源弃电率与制氢系统经济性的PEM制氢系统具有重要意义。以风电制氢为例,首先提出随机波动输入下PEM电制氢系统全寿命周期的成本与收入模型,并以总收入、投资回收期与内部收益率为评估指标支撑系统的经济分析;基于此,针对“风电+PEM电制氢”系统,提出3种双层规划模型,上层模型分别以PEM电制氢系统全寿命周期总成本最小、总收入最大与内部收益率最大作为上层优化模型的目标函数,下层的优化目标为风电场的弃电率最小,并采用MATLAB遗传算法工具箱求解优化模型;最后,以某实际风力发电场为例,验证所提双层规划模型与风电制氢的有效性与经济可行性。     

远海风电输电和制氢经济可行性分析

远海风资源丰富,可用于发展更大装机容量的风电场,具备发展氢储能应用的潜力.输电工程和制氢工程是远海风电开发利用的2种途径.首先建立了远海风电输电工程的全寿命周期成本模型.其次,推导了质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解槽能量效率的计算过程,基于PEM电解槽的"功率-效率"特性模型,...     

考虑平抑风光波动的ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型

(新疆大学电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047) 摘要：为提高风光资源的利用率,电解水制氢受到了广泛关注,但氢能在生产过程中易受到风光波动性的影响。由此,提出考虑平抑风光波动的碱性-质子交换膜(alkaline-proton exchange membrane, ALK-PEM)电解制氢系统容量优化模型。首先,为降低风光瞬时功率波动对电解制氢系统安全稳定运行的影响,采用EMD算法分析原始风电和光伏功率的瞬时波动特性,并经超级电容(supercapacitor, SC)进行平抑,构建了基于EMD的SC容量配置模型。其次,考虑不同电解槽运行特性因素,将质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解槽和碱性(alkaline, ALK)电解槽相组合替代单类型电解槽的制氢系统,提出了ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型,以提高制氢系统经济效益。最后,以某风电场和光伏电站数据为例,通过仿真计算得到系统的容量规划结果,验证所提模型在平抑波动和提高可再生能源利用率方面的有效性,并提高了制氢系统的经济性。     

基于粒子群算法的制氢电解槽运行控制策略

新能源制氢系统的优化调度、经济性与制氢效率密切相关,针对现有新能源制氢系统制氢效率低的问题,提出一种基于粒子群算法的新能源制氢系统控制策略。首先,基于质子交换膜电解槽模型,分析电解槽工作特点与制氢效率的关系,提出一种基于粒子群算法的制氢系统运行控制策略,提高制氢效率;然后,建立了考虑系统制氢效率的新能源制氢系统优化调度模型,并采用粒子群算法求解最佳制氢功率;最后通过电网实际运行数据的仿真分析,证明所提出制氢系统控制策略相较于传统的启停控制策略能够有效提高系统制氢量,提高系统收益。这为制氢系统在电网中的大规模应用提供了理论依据。     

质子交换膜电解制氢系统建模研究综述

质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解制氢技术因其快速响应、宽功率范围动态可调优势和良好的波动适应性,可作为灵活调节资源,支撑电网供需双侧动态匹配,提高新能源利用率。从单电解池/槽模型入手,涵盖配套辅机,基于水、热、电、气四个方面,总结分析了国内外电解制氢系统的建模方法及研究进展,阐述各模型的适用条件及参数的选取依据,并对PEM制氢系统的改进方向进行展望。通过建模仿真可以明晰电解制氢系统动静态性能规律与行为特性,有效地支撑系统的设计、运行及控制优化。所进行的研究综述对PEM电解制氢系统的模型建立、开发研究及仿真分析有一定的理论价值与指导意义。     

差压式质子交换膜电解制氢技术研究进展

差压式质子交换膜(PEM)电解制氢技术是国际上电解制氢的研究热点,是适合可再生能源制氢的先进技术.综述了差压式制氢与常压制氢以及均压式制氢相比所具有的优势.以差压式制氢结合机械压缩的模式对外高压供氢,从综合效率最优角度,综述了差压式制氢最优压力的选择.针对差压式制氢存在氢气渗透影响运行安全与效率的问题,从质子交换膜抑制...     

风氢耦合发电系统建模与分析

通过分析风氢耦合发电系统和各关键设备的工作原理，建立了风力发电模型、碱式电解槽模型、压缩机储氢罐模型以及质子交换膜燃料电池模型。研究了碱式电解槽工作温度对其输出电压、电流和功率的影响，质子交换膜燃料电池工作温度和阴阳两极气体压力对其输出电压和功率的影响，从而分析了制氢模块和发电模块的工作性能对风氢耦合发电系统性能的影响。通过模拟仿真研究风速、碱式电解槽工作温度和质子交换膜燃料电池工作温度对系统发电量的影响。结果表明:适当提高碱式电解槽的工作温度可增大其工作电流，从而提高制氢模块的制氢量；提高质子交换膜燃料电池的工作温度和阴阳两极气体压力可提高其输出电压和输出功率，从而增加发电模块的发电量，进而提升风氢耦合发电系统的工作性能。     

考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行优化EI北大核心CSCD

随着对减碳需求的持续关注,氢经济迅速发展。氢气管网运输能够解决氢气规模化利用的难题,氢网运行的理论研究将为其应用奠定坚实基础。为此,该文对氢网及相关设备运行展开研究。首先,为弥补现有电解制氢效率理论研究的不足,对电解槽动态制氢效率进行精细化建模,该模型同时考虑制氢功率和老化对制氢效率的影响。在此基础上,以满足氢网负荷需求、氢网络及相关设备运行约束为前提,以实现氢网一天的购电成本最小为优化目标,构建考虑电解槽制氢效率特性的氢网运行优化模型,并进一步将其转化成线性化模型以便于求解。最后,基于某工业园区20节点氢气网络,详细分析氢网潮流分布、电解槽运行策略以及储氢罐容量对氢网运行成本的影响。结果表明:考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行策略会降低氢网实际运行成本,合理配置储氢罐容量有利于氢网效益的最大化。     

太阳能制氢直接耦合连接技术能量传递研究

氢能是21世纪最具潜力的清洁能源。现今大量的能量消耗和较低的产氢效率成为限制氢能大规模生产的关键问题。研究了太阳能制氢系统中,对光伏阵列与质子交换膜(PEM)电解槽进行合理的串并联结构配置,使它们通过直接耦合连接而达到最大能量传递效率的可行性。通过理论计算各种不同配置方式的能量传递效率,得出最佳配置方式为由3块并联的光伏电池组成的光伏阵列与由12个PEM电解池组成的PEM电解槽直接连接,并得出其一天的能量平均传递效率高达99.02%。理论上验证了直接耦合连接技术在太阳能制氢系统中的优越性。     

基于改进海鸥优化算法的新能源制氢调度研究

针对含风、光、储的新能源制氢系统能量管理及优化运行问题，提出了一种兼顾经济性与供电可靠性的多目标优化调度方法。分析并建立了包括风机、光伏、质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解槽、碱性电解槽和储能装置的新能源制氢系统的数学模型，以综合日运行成本和可靠性成本作为优化目标，其中将售氢收益纳入系统日运行成本，制定运行控制策略，并采用改进的海鸥优化算法(seagull optimization algorithm, SOA)，求解得出不同电解槽及储能装置的调度计划。算例分析表明了改进的海鸥优化算法具有全局搜索能力强、不易陷入局部最优、收敛精度高、鲁棒性强等特点，能够有效提高系统运行的经济性和可靠性。对比实验表明了所提方案的有效性。     

基于碱性电解槽和质子交换膜电解槽协同制氢的风光互补制氢系统优化

工程应用中碱性电解槽(AEL)和质子交换膜电解槽(PEMEL)在制氢效率和经济性上各有优劣。对此，提出AEL和PEMEL协同的复合电解槽制氢方案。利用网络层次分析法确定2类电解槽的最优容量比，将复合电解槽应用在风光互补制氢系统中，对单一AEL制氢、单一PEMEL制氢、复合电解槽制氢3种方案的多项指标进行对比分析。结果表明：在相同容量下，复合电解槽制氢设备成本是单一PEMEL制氢设备成本的52.26 %，制氢量可达单一PEMEL制氢量的97.69 %，比单一AEL制氢量多46.13 %，显著优化了系统的经济性和制氢效率，验证了所提复合电解槽协同制氢方案的有效性。     

基于全寿命周期理论的微电网优化配置

本文基于全寿命周期理论,提出了微电网项目全寿命周期框架下的优化配置模型。综合考虑微电网初始投资、运行维护及故障、折旧成本,以及供能、节能环保收益,建立了微电网全寿命周期内的净现值收入计算模型。以全寿命周期内的净现值收入为目标函数,计及分布式电源出力、储能充放电、运行电压和频率、供电可靠性、与主网交换功率等约束条件,建立优化配置模型,并采用粒子群算法进行求解。结果表明:与传统的优化配置方法相比,该方法得到的优化配置方案,能够实现微电网在全寿命周期内的净收益最优,确保投资的最佳经济性,为微电网工程规划和建设提供指导,促进其市场化、产业化发展。     

太阳能驱动的氢-冷-热-电综合能源系统性能分析

基于可再生能源的综合能源系统具有清洁低碳与安全高效的特点。提出一种以抛物面槽式太阳能集热器驱动的综合能源系统,该系统包括质子交换膜电解池、有机朗肯循环和吸收式制冷子系统。根据能量梯级利用原理和热力学分析理论,建立综合能源系统的稳态数学模型,分析热力参数变化对系统性能的影响规律。结果表明,在设计条件下,质子交换膜电解槽制氢效率、有机朗肯循环发电效率和吸收式制冷效率分别为58.65%、12.20%、36.93%,制氢功冷联供总效率为55.58%。系统总效率随着涡轮机入口温度升高先增加后减少;随着发生器出口温度升高而增加。另外,增加工作压力和膜厚度会导致电解槽电压升高和电解槽效率下降。研究结果可为以抛物面槽式太阳能集热器驱动的多联供系统的建立和评价提供参考。     

海上风能岸上制氢的经济可行性分析

我国沿海地区经济发达,能源需求量大,探索海上风电制氢为其他行业供能具有现实意义。比较了海上风电输电上岸后的两种利用模式：1)风电售电模式;2)风电制氢模式。首先通过比较碱性(alkaline, ALK)电解槽和质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解槽的工作特性,建立了制氢系统产氢量模型。其次,建立两种模式的经济分析模型;最后,结合净现值和平准化制氢成本比较了不同风能利用模式的经济性。结果表明在当前技术情景下,氢价取46.93元/kg、风电上网电价取0.531 8元/(kW·h)时,风电制氢模式比风电售电模式更具有经济性,氢价是影响制氢模式经济性的最大因素,而氢价取决于未来氢市场的供需关系,不确定性较大。     

基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究

随着多能源混合储能技术的快速发展，氢电混合储能系统将成为解决可再生能源并网发电间歇性、波动性问题的重要途径。运用热力学原理推导了质子交换膜（protonexchangemembrane,PEM）电解制氢的输出电压，建立了符合制氢电压输出特性的电化学模型；然后，分析了氢电混合储能微网的典型架构，提出了考虑蓄电池荷电状态（state of charge,SOC）的指数型下垂控制策略，在维持微网母线电压稳定的同时，解决了蓄电池并联充放电的SOC均衡问题；最后，结合光伏和电解制氢单元的适应性控制方法，根据蓄电池充放电状态将微网划分为4种工作模式，并进行了仿真分析。结果表明考虑蓄电池SOC的指数型下垂控制策略能够控制微网实现工作模式之间平滑过渡，当光伏发电供能产生变化时，可进行适应性功率分配，有效提升了系统经济性与能源利用效率。     

基于等效能折算的储能电站广义成本研究

储能技术是应对高比例新能源电力系统安全问题的关键技术之一。现阶段,成本因素制约了储能规模化商业应用。为此,针对不同类型储能电站广义成本问题,考虑不同类型储能效率、寿命的差异,以等效能折算为前提,分析储能全寿命周期进程中建设与运行特性的差异,构建基于等效能折算的储能全寿命周期成本模型与平准化电力成本模型;比较分析近年来投运/规划的抽水蓄能、锂离子电池储能、铅炭电池储能、全钒液流电池储能项目建设周期、征地成本等参量;对4种类型储能广义成本进行纵向、横向评估,讨论储能电站年充放电循环次数、充电电价、投资成本的变化对广义成本的影响。研究结果可为储能系统的选型规划提供参考。     

基于全寿命周期的变压器成本风险评估

根据变压器全寿命周期的周期划分,将变压器全寿命周期成本划分为初始、运行、检修、故障及报废5个部分成本并建立其对应的模型。通过分析建立初始成本与全寿命周期成本的关系并优化得到最优的初始投资成本。通过分析变压器全寿命周期成本中的风险因素,利用模糊层次分析法建立了变压器全寿命周期成本风险评估体系。     

基于全寿命周期的电网工程项目成本分析

针对传统电网经济评价只考虑初期成本的投入,提出基于全寿命周期的成本分析方法,对电网建设项目投资时机进行量化评价。从项目投资的长期经济效益出发,使全寿命周期相对成本最小,其核心问题是全寿命周期成本(LCC)模型的建立。按寿命周期将成本模型的建立分为3个阶段:建设期成本、运行期成本、期末残值,并且重点考虑不同方案之间建设期成本对应的技术和设备选择差异导致相应运行期成本之间的差异。同时,采用敏感性分析法寻找出对全寿命周期成本最大的不确定性因素为负荷预测值及投资建设时间的选取,对今后电网工程项目投资建设具有一定的指导意义。     

质子交换膜水电解器技术进展

总结了PEM电解器的技术现状,综述了催化剂、膜电极、极板和电解器设计等关键技术的研究进展。认为目前PEM电解水技术商业化、规模化应用的主要障碍在于其过高的材料成本,开发低成本材料和高压力运行技术将是PEM电解器今后的主要发展方向。     

基于杜鹃算法的变压器全寿命周期成本优化研究

变压器运维方式影响其运行可靠性和检修费用,进而影响全寿命周期成本。因此,优化运维策略对降低全生命周期成本具有重要的意义。采用威布尔分布的故障概率模型,提出了寿命效率指数概念并建立寿命效率指数模型来定量衡量检修延长变压器运行寿命的作用。分析了变压器从设计、购置、维修直到退役的全寿命周期成本。以全寿命周期年均成本最低为目标函数,在运行可靠性、检修程度和寿命效率指数等约束条件下,将杜鹃算法用于运维策略中检修时间、检修程度和运行寿命参数寻优,并将优化结果与粒子群算法(PSO)、遗传算法(GA)进行比较。结果表明杜鹃算法得出的结果更好,能进一步降低年均费用和提高寿命效率指数,可以为变压器实际运行与维护提供一定的参考依据。