Capacity Optimization Configuration of Hydrogen Production System for Offshore Surplus Wind Power

To solve the problem of residual wind power in offshore wind farms,a hydrogen production system with a reasonable capacity was configured to enhance the local load of wind farms and promote the local consumption of residual wind power.By studying the mathematical model of wind power output and calculating surplus wind power,as well as considering the hydrogen production/storage characteristics of the electrolyzer and hydrogen storage tank,an innovative capacity optimization allocation model was established.The objective of the model was to achieve the lowest total net present value over the entire life cycle.The model took into account the cost-benefit breakdown of equipment end-of-life cost,replacement cost,residual value gain,wind abandonment penalty,hydrogen transportation,and environmental value.The MATLAB-based platform invoked the CPLEX commercial solver to solve the model.Combined with the analysis of the annual average wind speed data from an offshore wind farm in Guangdong Province,the optimal capacity configuration results and the actual operation of the hydrogen production system were obtained.Under the calculation scenario,this hydrogen production system could consume 3,800 MWh of residual electricity from offshore wind power each year.It could achieve complete consumption of residual electricity from wind power without incurring the penalty cost of wind power.Additionally,it could produce 66,500 kg of green hydrogen from wind power,resulting in hydrogen sales revenue of 3.63 million RMB.It would also reduce pollutant emissions from coal-based hydrogen production by 1.5 tons and realize an environmental value of 4.83 million RMB.The annual net operating income exceeded 6 million RMB and the whole life cycle NPV income exceeded 50 million RMB.These results verified the feasibility and rationality of the established capacity optimization allocation model.The model could help advance power system planning and operation research and assist offshore wind farm operators in improving economic and environmental benefits.

Generation of input spectrum for electrolysis stack degradation test applied to wind power PEM hydrogen production

Hydrogen production by proton exchange membrane electrolysis has good fluctuation adaptability,making it suitable for hydrogen production by electrolysis in fluctuating power sources such as wind power.However,current research on the durability of proton exchange membrane electrolyzers is insufficient.Studying the typical operating conditions of wind power electrolysis for hydrogen production can provide boundary conditions for performance and degradation tests of electrolysis stacks.In this study,the operating condition spectrum of an electrolysis stack degradation test cycle was proposed.Based on the rate of change of the wind farm output power and the time-averaged peak-valley difference,a fluctuation output power sample set was formed.The characteristic quantities that played an important role in the degradation of the electrolysis stack were selected.Dimensionality reduction of the operating data was performed using principal component analysis.Clustering analysis of the data segments was completed using an improved Gaussian mixture clustering algorithm.Taking the annual output power data of wind farms in Northwest China with a sampling rate of 1 min as an example,the cyclic operating condition spectrum of the proton-exchange membrane electrolysis stack degradation test was constructed.After preliminary simulation analysis,the typical operating condition proposed in this paper effectively reflects the impact of the original curve on the performance degradation of the electrolysis stack.This study provides a method for evaluating the degradation characteristics and system efficiency of an electrolysis stack due to fluctuations in renewable energy.

海上风电产业发展趋势与Power to X模式应用

文章对海上风电各国总体发展现状及未来发展趋势进行分析,表明各国都在加强对海上风电开发利用,但随着海上风电高速发展,有限的近海风电资源开发趋于饱和,深远海域风电成为海上风电未来发展的方向。然而水深离岸远,深远海风能开发困难,难于实现商业化。文章介绍了一种将新能源电力转换为其他能源载体的Power to X模式。氢作为1种可再生能源载体,可基于Power to X模式,通过将新能源电力电解水制氢的方式,有效降低深远海风电的成本。

European Offshore Wind Gravity Foundation

The development history of the offshore wind gravity foundation in Europe is briefly introduced.Sumnarized in which the equipment relates to offshore wind power installation,including ships and special equipment related to wind power installation.And the installation method and technology of gravity foundation are analyzed.The development trend of the offshore wind power gravity foundation is put forward.

海上平台集中式制氢技术研究进展

随着风电制氢技术的成熟,各国逐渐将目光聚焦在海上平台制氢。将风能与氢能相结合,是海上风电和氢能发展的双赢举措。本文通过对国内外海上集中式制氢平台发展现状的调查及对不同电解槽特点的比较,找出更适合海上集中式风电制氢的质子交换膜电解技术。针对管线系统、管线附属系统及储氢系统进行研究,分析了氢气对临氢设施的影响,总结了其研究现状,并为我国进一步发展该产业提出建议。

考虑制氢效率优化的氢-储-风直流微网功率协调控制

利用风电等新能源制氢是提高新能源消纳能力的一种有效技术手段。为适应风电及负荷功率的波动性并确保制氢电解槽高效运行,提出一种考虑制氢效率优化运行需求的氢-储-风直流微网功率协调控制方法。根据制氢电解槽优化运行区间和直流母线电压波动范围,将直流微网划分为正常运行模式(即制氢电解槽优化运行)和极端运行模式(即制氢电解槽非优化运行)。在正常运行模式下,通过电解槽的自适应下垂控制和电池储能含虚拟电容的变系数下垂控制,将电解槽运行点维持在优化运行区间内,保证电解槽高效安全运行;在极端运行模式下,通过氢/储控制策略灵活切换以确保直流微网电压安全。所提协调控制方法不但可快速抑制风电及负荷功率波动所引发的直流母线电压波动,而且可维持制氢效率处于较高水平。最后,通过PSCAD/EMTDC的仿真算例分析验证了所提方法的有效性和优越性。

风电制氢系统阻抗建模及振荡特性分析

由于风电机组与主网呈现远距离逆向分布特点,高度电力电子化的风电就地制氢系统与电网互联时将存在振荡失稳的风险。对此,通过建立风电制氢系统的阻抗模型分析了其与电网互联时的振荡特性。首先,建立了考虑电解槽动静态电气特性的阻抗模型,并在此基础上采用双傅里叶变换,建立了包含电力电子变换器在内的电解水制氢设备阻抗模型;随后,结合风电机组的阻抗特性,分析了电网短路比以及制氢设备运行工况对风电制氢系统稳定性的影响。接着,对制氢设备控制参数进行了灵敏度分析,为提升系统稳定性的参数优化方案提供了指导;最后,构建了时域仿真模型,对所得结论进行验证。

我国海上风电发展现状与趋势综述

近年来,在碳达峰目标与碳中和愿景下,海上风电在我国取得了长足的发展。分析了我国目前海上风电的发展现状与未来规划,对海上风电装机规模、新增机型以及采用的技术路线进行了汇总。重点介绍了海上风电基础型式、防腐技术和运维技术,其中,漂浮式海上风电是基础型式研究的重点,运维巡检和运维管理系统是风电运维技术研究的重点。通过分析海上风电的发展状况,整理了各项技术的主要技术路线和先进成果。最后,基于目前国内的技术发展现状及需求,对我国海上风电未来发展趋势进行展望。

基于5G技术的海上风电通信系统研究

[目的]海上风电项目众多设备位于海洋之上,交通不便导致运维检修难度大。海上设备信息的快速、无延迟、安全送达陆上显得格外重要。针对通信系统的特殊需求,文章提出了基于5G技术的海上风电场通信系统方案。[方法]首先建立信号覆盖面大、可靠性强的PTN+一体化小基站,再将5G一体化小基站和PTN网关融为一体,通过宽带PTN接入,实现快速、便捷的5G信号覆盖,并采用特定带宽的5G网络,提高通信系统的安全性。[结果]基于PTN+一体化小基站方式的5G通信系统建成后,实现了基于光传输的、支持多业务且利用特定带宽的IP传输。此系统可以帮助规划梳理各风机子系统,实现风机内部全方位信号覆盖,并可以将风机、海上升压站等设备运行状态及数据快速、安全的传输到陆上运维中心,解决风机多子系统、多业务实时安全传输困难的问题。[结论]研究的5G通信系统改善了海上风电通信,并利用特定带宽和新兴技术,实现了海上风电场的通信及时性和可靠性,提高了海上风电场海上运维人员的沟通效率,符合海上风电项目海上设备的通信需求,有望在工程中应用推广。

海上风电低频输电并网技术研究现状及展望

低频输电技术在中远海域的海上风电项目中具备竞争力,并有望在未来得到广泛应用。首先基于低频输电技术原理,对低频输电技术(LFAC)在海上风电应用的适应性进行了分析,表明低频输电方案在海上风电项目中不存在障碍,但仍需进一步优化低频风电机组、交交变频器等关键设备。其次,通过对比分析高压交流、柔性直流与低频输电3种方案在全生命周期成本方面的差异,发现当下低频输电因其适度的初始投入成本、运行成本与废弃成本,较高故障成本与低维护成本而在离岸距离75~300 km的中远海域具有明显经济优势。然后,参照工频交直流输电可靠性评估方法,低频输电方案可靠性需按不同模块分别进行评估,通过比较低频输电方案较其他方案在可靠性评估中的差异,表明风电机组、集电系统与输电线缆的可靠性差异来源于低频运行状态或低频设备的规格差异,而海上平台可靠性差异来源于电气设备链接方式与结构差异。最后,就低频输电技术在技术性、经济性、可靠性、风险性以及环境影响方面的未来研究提出展望。本研究旨在补充低频输电技术的理论研究基础,为低频输电技术在海上风电项目中广泛铺开做好理论准备。

基于混合电解槽自适应控制的光伏制绿氢系统研究

构建光伏阵列与混合电解槽耦合于交流母线的制氢系统。为提高光伏发电系统在环境变化下的能效,采用基于自适应步长扰动观测式的最大功率点追踪技术,光伏直流侧利用超级电容的快速响应和电荷平滑的特性稳定母线电压,网侧变流器采用虚拟同步机控制策略,实现快速响应电网变化需求,提供电网惯性和频率支撑,增强系统稳定性和可靠性;并针对传统单一电解槽制氢系统在固定工作模式下面临的能源浪费、适应性不足等问题,结合碱性电解槽和质子交换膜电解槽的优势,引入一种电解槽自适应控制系统,根据光伏输出功率和电解槽的状态实时调整工作模式,使系统在不同场景下保持较高的灵活性和稳定性。最后通过仿真验证所搭建模型与控制策略的正确性与有效性。

海上风电与电氢混合储能协同运行优化

在“双碳”目标下,海上风电不断发展,随之带来了风电消纳与应对出力不确定性的难题。针对该问题构建含储氢盐穴的氢储能系统与退役动力电池的电氢混合储能系统。通过基于数据驱动的Wasserstein距离构建风电出力模糊集的分布鲁棒优化模型研究海上风电与电氢混合储能的协同优化运行。模型在第1阶段制定日前运行计划,在第2阶段通过仿射策略分配功率调整任务。最后通过算例研究不同预测误差对系统运行情况、运行成本的影响,验证了电氢混合储能在消纳风电与减少实时功率偏差的有效性。

基于博弈论的含氢微网多主体能源系统优化配置

随着氢储能技术的不断发展,含氢微网中包含多个主体电源的容量合理配置问题将是今后推进电氢融合的重要方向之一。文中针对风光氢微网系统之间的合理配置问题展开研究。首先,考虑风光氢三方个体的收益模式,以风光出力为前提,氢储能实现电网剩余功率消纳,构建多主体收益模型;其次,针对氢储能制氢侧采用质子交换膜电解槽和碱性电解槽混合方法,以制氢收益与消纳率为目标,构建混合制氢配置模型;最后,采用NSGA-Ⅱ算法计算各主体纳什均衡点求解各主体配置结果。结合西北某地区典型月风速、光照场景数据进行计算,仿真结果表明,通过优化配置后多主体能源参与博弈后整体系统收益提升6.8%,实现了能源消纳;同时在采用混合制氢设备后,氢储能主体收益提升2.64%,负荷中断率相较单一制氢降低14%,改善了系统经济性和可靠性。

离网型风光氢储系统容量配置与控制优化

为进一步提高离网型风光制氢系统的经济性以及运行稳定性,提出离网型风光氢储系统容量配置与控制优化方法。首先,结合风力机、光伏组件、碱性电解槽和锂电池的运行特性建立容量配置模型;以系统收益最大为优化目标,采用灰狼优化算法(GWO)进行求解。其次,提出基于区间最值的灰狼算法优化长短期记忆网络(GWO-LSTM)组合预测模型,并以此为基础开展系统运行控制策略研究。最后,针对张家口崇礼风电制氢示范工程项目数据进行算例分析,结果表明采用灰狼优化算法对风光氢储系统进行容量配置能增加系统收益,同时验证了提出的系统控制策略能保证系统平稳运行。

风光互补发电制氢储能系统多目标优化研究

解决电力系统中可再生能源出力波动性和间断性是保证微电网正常运行的关键,文中提出一种经济与能源消纳相协调的风光互补发电制氢储能系统优化模型。考虑电解水制氢装置在能源系统中的应用,以系统运行成本和可再生能源消纳比作为优化目标,利用多目标优化算法验证模型的有效性,并通过控制系统中电制氢装置启停,对比分析了风光互补发电制氢装置对优化系统经济运行和提升风光消纳的重要作用,对有效解决“弃风弃光”问题提供新思路和解决办法。

考虑碱性电解槽状态转换的风电制-储氢系统优化调度

针对风电制—储氢系统的优化调度问题,提出了一种考虑碱性电解槽状态转换的日前出力优化调度模型。该模型以系统日收益最高为目标,结合分时电价,引入电解槽状态转换过程中的冷热启动成本和功率波动成本,满足各个设备动态运行约束及系统功率平衡约束条件,调用Gurobi求解器进行优化求解。采用实际的风电出力数据和电氢负荷数据,对3种典型日场景下的优化结果进行分析。算例表明:所建立的优化调度模型能够满足电氢负荷需求,合理调节电解槽的3种状态,显著降低电解槽功率波动幅度和系统总成本,验证了所提模型的有效性。

中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究

基于中国完善的装备制造体系与欧洲丰富的项目经验优势互补现状,首先,围绕漂浮式海上风电机组、浮式基础、系泊及锚固系统、动态海缆、勘察设计、施工运输与安装、运行维护等产业链和关键技术进行研究,建立了纵向深层剖析和横向拓展对比的产业链评价体系;然后,结合不同细分领域中欧对比结果提出了18项重点合作领域;最后,探讨了试验交流、合作建设、规模应用、全球推广的中欧合作路径,期望解决国内示范样机浮式基础形式单一、成本高昂、产业链不成熟的问题,并为中欧漂浮式海上风电合作提供一定思路和启发。

海上风电制氢技术及氢能产业发展现状与建议

利用海上风电制氢是未来重要的制氢方式,也是实现“双碳”目标的重要途径。对不同水电解制氢技术的优缺点、海上风电制氢装置的运行方式进行了介绍,从氢气的存储与运输、加氢站、氢能应用领域这3个方面对氢能产业发展现状进行了分析,并对氢能产业发展提出了建议。研究结果显示:1)碱性水电解制氢装置的整体造价低,单台装置的产氢量大,但难以快速启动和调节负荷,适用于输出功率波动较小的集中式风力发电电源。2)PEM水电解制氢装置可以更好地耦合输出功率波动较大的电源,未来其将向大功率、低成本制氢的方向发展,以适应大规模海上风电制氢项目的需求。3)从短期来看,高压气态储氢技术是发展重点;而从长期来看,低温液态储氢技术是未来重要发展方向。氨储氢、甲醇储氢和有机液态储氢等新型化合物储氢技术的发展为氢能存储提供了更多选择。4)目前中国日加注能力在200 kg的加氢站属于示范运营站,未来加氢站有望从500 kg的日加注量起步,大日加注量的加氢站将会成为未来1~2年内建设的主流加氢站。5)目前氢能在化工、交通、天然气掺氢等领域均有应用,且未来发展潜力巨大。

海上风电制氢合成绿色甲醇方案研究

在“碳达峰、碳中和”战略目标下,我国海上风电迅猛发展,装机容量已跃居世界第一,海上风电制氢是解决大规模并网消纳难、深远海电力送出成本高等问题的有效手段。同时在“双碳”目标下,对碳排放企业实行碳市场配额总量约束,CO_(2)捕集对企业降低碳排放、减少配额购买费用具有实际效益。海上风电制氢耦合CO_(2)捕集合成绿色甲醇是碳循环非常友好的途径,对推动化工、能源等行业绿色低碳转型,保障能源供应安全具有重要意义。探讨海上风电制氢合成绿色甲醇的工艺方案设计,以期为我国能源领域低碳技术创新和高质量发展提供参考。

海上风电装备产业基地生产设施设计

以某大型海上风电智能化装备产业园为例,概述风电产品的主要参数、风电机组和叶片的生产能力规划与特点,并据此分析其工艺流程和生产设施,拟定机组总装车间和叶片制作车间的工艺区划方案。在此基础上,基于工时计算确定工序工位数,结合工位尺寸形成车间的工艺布置,完成生产设施设计,为我国海上风电装备产业基地的规划建设提供参考。