风光互补发电制氢系统仿真研究进展

对风光互补发电制氢系统的仿真研究进展做以归纳和总结,针对离网型和并网型两种风光互补制氢系统,分析了国内外的研究手段和方法。其中,考虑到氢气的去向和储能系统的组成特点,离网型制氢系统又细分为直接制氢系统、燃料电池/电解槽复合制氢系统和燃料电池/电解池/超级电容复合制氢系统等多种类型。总结了风光互补发电制氢系统的优化目标及算法。     

绿色氢能综合利用技术

氢气是一种清洁的能源媒介,燃烧时不产生温室气体和有害污染物。通过可再生能源电解水制取的氢气称为绿氢,绿氢制取过程中几乎没有碳排放,是未来节能减碳、能源转型的重要途径。电力系统与氢能产业相耦合是行业发展的关键环节,利用新能源风光互补发电制氢,不仅实现了能源的长期储存和利用,还提高了可再生能源消纳效率。为了深化绿氢综合利用成效,研究新能源制氢相关技术、电氢耦合技术、含氢能源的综合能源系统规划及运行调度技术等具有重要意义。     

基于模型预测控制的离网电氢耦合系统功率调控

能源低碳化转型是目前能源改革必由之路,而氢能在能源去碳化进程中扮演着越来越重要的地位,由风、光与氢能构成的离网电氢耦合典型低碳能源系统,具有显著低碳、绿色的特点。针对离网风光发电不稳定及供能系统低碳化需求问题,该文提出基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的离网电氢耦合系统功率调控方法。氢作为能源低碳化变革中重要能源载体,为风电光伏离网供能系统提供主要的中间稳定环节。该文构建典型离网电氢耦合能源供给系统架构,其中氢储能系统包括碱性电解槽-储氢罐-质子交换膜燃料电池,建立电氢耦合系统线性离散状态空间模型,基于具有较好在线优化动态控制性能的MPC方法,对系统进行功率平衡优化调控。通过典型日算例仿真分析,验证所提系统架构的合理性及系统功率调控的鲁棒性与有效性。     

电解制氢与高温燃料电池在电力行业的应用与发展

制氢和燃料电池技术是实现氢能和电能相互转换的关键技术,我国将氢能和燃料电池列为战略性能源技术,大型的能源电力企业也正在推动氢能和燃料电池技术的应用和发展。电解制氢能够将不稳定的可再生能源转化为氢能,实现大规模、季节性储能,在一定的范围内具有经济效益,是解决我国当前可再生能源消纳的途径之一。碱性电解水制氢是目前最成熟的电解制氢技术,发展的主要方向是降低制氢能耗、提高单台出力以及负荷深度调节。高温燃料电池具有小型高效、近零排放的突出优点,在冷热电三联供分布式发电和固定式发电领域具有广阔的应用前景,国外已初步实现高温燃料电池的商业化应用,国内的高温燃料电池市场需求也已显现,我国已掌握高温燃料电池发电的核心技术,具备应用示范推广的技术基础。     

基于氢储能的直流微电网系统功率分配策略研究

基于光伏发电、锂电池-超级电容混合储能、电解水制氢和燃氢微型燃气轮机耦合的直流微电网系统,提出了一种综合考虑锂电池荷电状态（SOC）和储氢罐氢状态（LOH）的功率分配策略。构建了光伏-制氢-微型燃气轮机直流微电网系统模型;设计了协调控制层功率判断模块的分配逻辑,给出了直流网内存在剩余功率时的3种运行模式。使用MATLAB/SIMULINK软件对该功率分配策略进行仿真验证,结果表明,基于氢储能的直流微电网系统功率分配策略能够使得锂电池荷电状态逐渐趋于合理存储区间,可以提升锂电池的使用寿命。     

电网氢储能场景下的固态储氢系统及储氢材料的技术指标研究

目前固态储氢技术和储氢材料的研究大多以氢燃料电池汽车为应用导向,而电网氢储能应用场景与氢燃料电池汽车应用场景相差较大,电网氢储能亟需出台有关固态储氢技术及储氢材料的技术指标和发展目标。以电网氢储能场景下的固态储氢技术及储氢材料的技术指标为研究对象,首先通过分析电网氢储能系统上游电解水制氢和下游燃料电池的技术特点获得电网氢储能系统对氢气存储和释放的特性要求。在此基础上,结合固态储氢技术和储氢材料的技术发展现状,分析并确定了以电网氢储能为应用导向的固态储氢系统和储氢材料的技术指标和发展目标,从而指导未来以电网氢储能为应用导向的固态储氢技术及储氢材料的研究和开发。     

基于氢负荷需求的氢能系统容量规划

在未来能源社会中,氢能将作为能源电力系统的关键环节来实现各种能源的相互转化。为此,提出了一种基于不同氢负荷水平的新能源制-储氢系统容量规划方法,以合理推动风、光等可再生能源在电网中的应用与发展。该方法能够在满足区域氢负荷需求的同时,获得最大程度的经济收益,并确定了不同运行模式下的最佳制氢规模。此外,该方法还考虑了氢能短缺及弃风、弃光的惩罚成本和系统环境效益。结果表明,与采用风光联网不购电制氢模式相比,采用风光联网购电制氢模式更为合理和经济,避免了大容量制-储氢设备的冗余配置。     

多组合虚拟电厂中氢储能低碳经济配置与优化

提出蓄电池-氢混合储能虚拟电厂优化运行方案,首先分析各运行单元的特性并建立协同运行优化模型,然后在虚拟电厂应用蓄电池的基础上,增加由电解槽、储氢罐和燃料电池组成的氢能系统,以实现蓄电池与氢能系统混合储能。考虑电价型需求响应和阶梯型碳交易理论,较分析5种不同方案的虚拟电厂的优化运行成本及收益,实例证明蓄电池-氢混合储能的风光虚拟电厂方案具有更好的经济性和低碳性。     

计及高阶方程分段线性化的港口电-氢综合能源系统优化调度

现有电-氢综合能源系统模型存在制氢、储氢装置模型不准确的问题，影响了系统运行调度的安全性。考虑储氢装置内氢气在高压状态下温度-压强的动态特性，建立港口电-氢综合能源系统优化调度模型。通过电解水制氢技术储存风光发电多余的电能，在此基础上协调电力和氢气的负荷需求，有效地提高了新能源利用率并保证了系统的安全稳定运行。对高压储气罐的温度-压强高阶非线性模型进行分段线性化处理，在保障较高精度的同时大幅提高了求解效率。典型港口综合能源系统算例验证了所提方法的有效性。     

面向统一能源系统的氢能规划框架

统一能源系统该如何考虑新能源随机性对供能可靠性的影响,利用多能互补与季节性储能技术,提高能源利用率,确保中长时间尺度上电/热/气/油化产品的可靠供应。首先,提出氢能系统的基本结构(电制氢–储氢–氢转X)及其支撑统一能源系统的运行模式。其次,提出季节性氢储能规划框架,根据季节性氢储能的关键特征,建立其运行分析与能量调控模型;考虑统一能源系统对储能功能的不同需求,建立储能互补机制,以短时储能调节时间的上限作为季节性储能能量调节的时间分辨率,基于此提出季节性氢储能的配置方法,确保季节性氢储能配置后系统无长时能量缺失;再对季节性氢储能规划方案进行综合评估。最后,在统一能源系统背景下,验证所提氢能规划框架的有效性。     

基于电解槽状态识别的风光制氢系统能量管理优化

针对碱性电解槽备用状态的选取问题,提出了一种基于碱性电解槽状态识别的风光制氢系统能量管理优化策略。文章确定制氢系统组成,建立系统模块模型,包括风电、光电、储能电池、碱性电解槽模块;确定系统风光消纳率、售氢收益比为目标,确定系统运行约束条件,采用SPEA2、GA结合算法求解多目标、多决策变量;之后结合天气预测数据、电网数据,以能量管理优化策略确定电解槽冷、热备用状态;最后利用实际算例论证优化策略可行性。算例结果显示能量管理优化策略能准确识别碱性电解槽冷、热备用状态,能够利用冷备用状态节约系统电能,合理分配系统内功率,提高系统收益。     

面向智能电网能量调控应用的超导磁储能技术：理论模型、装置特性、研究现状和应用展望

超导磁储能技术在未来智能电网的快速、高效、智能化能量调控中具有重要的应用前景。为推进此技术的实用化研究,构建了基于电路-磁场-超导体耦合分析原理的能量交互仿真模型,开发了能量交互实验测试平台,在超导磁储能系统中友好地桥接了应用超导领域和电气工程领域。在总结超导磁储能技术研究现状的基础上,提出了面向低温液氢燃料电池汽车应用、低压直流微型电网应用及未来智能电网应用的新的实用系统方案设计及可行性分析,展望了超导磁储能系统在未来智能电网的发、输、配、用电环节中的核心应用模式和重要应用前景。     

面向平稳氢气需求的综合制氢系统鲁棒优化配置方法

为解决可再生能源高不确定性与平稳氢气需求间的冲突,提出一种耦合光伏电解水、生物质气化、天然气重整技术的综合制氢系统鲁棒优化配置方法。该方法同时考虑了光伏出力和生物质含水量不确定性,并利用不同制氢技术间物质和能量双重耦合提高系统运行能效。所提两阶段鲁棒优化模型在第一阶段确定各种制氢装置和储电、储氧、储气装置投资决策,第二阶段确定满足运行约束的综合制氢系统优化调度方案,并得到最差场景。针对鲁棒优化模型特点,采用适用于内层含整数变量的嵌套列和约束生成算法求解所提模型。通过算例验证了所提配置方法可以在保证平稳、绿色氢气的同时显著提升经济效益,具有较好鲁棒性,为综合制氢系统的元件选择和规划提供理论参考。     

氢能在综合能源系统中的应用前景

氢能的开发利用是应对全球气候变化,保障国家能源安全,实现低碳转型的重要途径之一。对比了氢储能技术与当前主要储能技术的关键性参数,结果显示氢储能技术具有整体性系统优势;探讨了氢能在未来综合能源系统中工业用户、交通运输、建筑热电联供、能源企业潜在的应用途径及未来关键技术节点;给出了对中国氢能发展的启示。为氢能在综合能源系统中的应用提供参考。     

Theoretical Concept of Hydrogen Redox Electric Power Generation

This paper demonstrates the electric power generator with both zero energy input and zero matter input and emission without violating the laws of thermodynamics. The hydrogen redox power generation system is a combined energy cycle consisting of the H₂O reduction by the electrostatic induction hydrogen electrolytic cell for the synthesis of pure stoichiometric H₂‐O₂ fuel and the H₂ oxidation to H₂O by the fuel cell. The electrostatic induction potential superposed hydrogen electrolytic cell works on the mechanism in which, on the theoretical base, power used is 17% of the total electrical energy required, while the remaining 83% can be provided by the electrostatic energy free of power. Part of the power delivered by the fuel cell is returned to the electrolytic cell, and the remainder represents the net power output. For high‐power applications, the cycle power efficiency defined as the ratio of net power output outside the generator to power delivered by the H₂‐O₂ fuel cell is of primary interest. According to calculations using the operational data of alkaline water electrolysis in industries, the cycle power efficiencies exceed 70%.     

风电氢储能混合系统的容量配置

将风电和氢能两种绿色能源耦合在一起,针对风氢耦合发电系统的燃料电池和电解槽出力响应延迟问题,采用燃料电池和超级电容器减少延迟。考虑到储能系统不仅要尽可能减少能源的浪费,还要最大限度地消除风电波动性的影响,最小目标函数为风电弃风量、负荷缺电率和风电波动量,对风氢混合储能系统进行容量优化配置。在求取最优解集中,基于决策变量的搜索范围,采用不同的变异策略,使带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)的全局寻优能力更强。通过算例分析,验证该方法的有效性。     

电-氢-混氢天然气耦合的城市综合能源系统低碳优化调度

混氢天然气(HCNG)技术可有效解决大规模电制氢面临的纯氢运输成本高的问题。针对大规模风光消纳与城市综合能源系统(UIES)低碳优化调度问题，在源-网-荷-氢协同优化框架下，提出考虑电-氢-HCNG耦合与需求响应的UIES低碳优化调度方法。对电-氢-HCNG耦合单元运行特性进行建模，并引入用户单元需求响应机制，以系统运行成本最小为目标，建立UIES低碳优化调度模型。通过算例分析对所提模型进行验证，结果表明电-氢-HCNG耦合单元与用户单元需求响应机制的引入能够有效促进风光消纳，提高UIES低碳性。     

考虑热能动态平衡的含氢储能的综合能源系统热电优化

在综合能源系统中,电力系统和热力系统通过热电联产机组、电锅炉等装置耦合,对系统内电能和热能进行协调管理,可提高系统的运行灵活性,为系统消纳可再生能源提供新途径。为此,提出了一种考虑热能动态平衡的含氢储能的综合能源系统热电优化模型。首先,建立氢能系统模型,对系统内电解槽、氢燃料电池等设备进行精细化建模,挖掘氢能的利用潜力,提高了系统的运行经济性。然后,基于用户对室温要求的模糊性,引入热功率松弛项使热能保持动态平衡,提高了系统设备出力的灵活性。最后,以综合能源系统运行成本最低为目标函数,以能量平衡、网络安全为约束条件,建立综合能源系统热电优化模型。仿真结果表明,所提模型可在满足用户用能需要的同时降低系统的运行成本,提高风电消纳水平。     

风光储智能应急电源系统研究

应急电源系统（emergency power system,EPS）作为一种各类一级和特别重要负荷的交流应急电源得到广泛应用,风光互补发电系统是新能源利用的最佳匹配,其中,整合了储能系统的风光储联合发电系统具有极佳的应用前景。研制了一套风光储智能应急电源系统,利用静态开关（static transfer switch,STS）作为投切装置,进行以风光互补发电为平台的应急电源系统的研究,实现了储能系统的充放电控制及系统输出的智能判断和快速切换。     

试评小功率氢-空气燃料电池

根据储氢系统可能达到的比能量和燃料电池堆在常温常压下的比功率讨论了小功率氢 空气燃料电池系统的比能量 ,在连续工作时间不长时难以与常规二次电池竞争。在常温下如何排除电池反应生成的水也存在一些问题。据此讨论了小功率氢 空气燃料电池的可能适用范围及进一步发展时应解决的问题