作者簡介

沈小軍，1979年出生，教授，博士生導師，研究方向為新能源高效利用與儲能技術、電網實景三維重構及其數字孿生技術、狀態感知與智能診斷等。

聶聰穎，1996 年出生，碩士研究生，研究方向為新能源高效利用與節能技術。

氫能已成為世界范圍內廣泛關注的戰略性新興產業，解決可再生能源耦合氫能規模化制取與應用是支撐未來氫能綠色健康發展的關鍵。堿性電解槽具有技術成熟，成本低等優勢，是風、光發電制氫技術的關鍵裝備，但堿性電解槽面臨著提壽增效和波動工況適應性的挑戰。

本文聚焦于離網型大規模風氫耦合系統中堿性電解槽陣列，通過對堿性電解槽運行特性的梳理分析，提出了一套堿性電解槽陣列輪值協調優化控制策略，有效提升了堿性電解槽陣列波動工況下的運行壽命及運行安全性。研究成果可為基于堿性電解槽的波動性電源消納工程應用提供參考。

研究背景

風電、光伏等可再生能源的隨機性和波動性給電網穩定性和安全性帶來了巨大的挑戰。大規模可再生能源耦合電解制氫不僅可有效提升可再生能源發電系統的能源利用效率，而且還可有效解決綠色氫能產業“氫從哪里來”的難題，具有重大戰略意義，已成為諸多國家的能源戰略。

電解槽是實現電-氫轉換的關鍵設備，其用于平抑可再生能源波動時，需對可再生能源的不穩定功率輸出具有強的適應性，但傳統的堿性電解槽波動工況下存在動態調節性差、效率低和壽命短等不足。通過技術創新提升堿性電解槽波動工況下的適用性已經成為可再生能源制氫技術關注的焦點和熱點。

理論研究表明，電解槽的控制策略是影響電解槽陣列使用壽命的重要因素之一，但遺憾的是規模化堿性電解槽陣列的協調控制策略研究尚未引起足夠的關注，少量的研究存在電解槽工況劃分粗獷、工作特性考慮不足的問題。

論文所解決的問題及意義

針對既有電解槽陣列控制策略簡單、落后的現狀，本文在梳理堿性電解槽特性及工作約束的基礎上，基于輪值思想，提出了一種計及電熱特性的離網型風電制氫堿性電解槽陣列優化控制策略。

圖1 試驗平臺

案例仿真結果表明，通過優化電解槽陣列工作狀態，運行狀態劃分，實現了電解槽陣列單體工作時間的均衡，有效提升電解槽陣列的壽命，同時降低運行安全風險。研究成果可為規模化堿性電解槽陣列工程運行控制提供參考。

論文方法及創新點

本文基于堿性電解槽運行特性及基本約束，提出了一種規模化電解槽單體間的輪值協調控制策略，即電解槽陣列在設定的輪換周期時間內，遵守編排序號進行運行狀態輪換，輪值概念如圖2和圖3所示。

提出的輪值協調控制策略，通過優化電解槽陣列工作狀態，將電解槽運行狀態劃分為額定功率、波動功率和停機三種運行狀態，實現了電解槽陣列單體工作時間的均衡，降低單一電解槽處于連續波動功率或低于產氫安全功率運行的的時間，有效提升電解槽陣列的均衡服役壽命和運行安全性。

圖2 輪值概念及流程框圖（a）

圖3 輪值概念及流程框圖（b）

結論

本文梳理了堿性電解槽電熱特性和工作約束，基于輪值思想提出了一種大規模風電堿性電解水制氫電解槽陣列優化控制策略。

圖4 開發的風-光-氫-儲綜合仿真系統

案例結果表明，提出的輪值優化控制策略是可行有效的，通過將電解槽運行狀態劃分為額定功率、波動功率和停機三種運行狀態，實現了電解槽陣列單體工作時間的均衡，有效提升電解槽陣列的壽命；輪換策略從制氫安全角度考慮，將電解槽運行過程中可能會出現的安全風險降至最低，提高制氫的安全性和可靠性。

研究成果可為風氫耦合發電系統的優化運行提供參考。

引用本文

沈小軍， 聶聰穎， 呂洪. 計及電熱特性的離網型風電制氫堿性電解槽陣列優化控制策略[J]. 電工技術學報， 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.