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.

Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production

As an energy storage medium,hydrogen has drawn the attention of research institutions and industry over the past decade,motivated in part by developments in renewable energy,which have led to unused surplus wind and photovoltaic power.Hydrogen production from water electrolysis is a good option to make full use of the surplus renewable energy.Among various technologies for producing hydrogen,water electrolysis using electricity from renewable power sources shows greatpromise.To investigate the prospects of water electrolysis for hydrogen production,this review compares different water electrolysis processes,i.e.,alkaline water electrolysis,proton exchange membrane water electrolysis,solid oxide water electrolysis,and alkaline anion exchange membrane water electrolysis.The ion transfer mechanisms,operating characteristics,energy consumption,and industrial products of different water electrolysis apparatus are introduced in this review.Prospects for new water electrolysis technologies are discussed.

Probabilistic production simulation of a power system with wind power penetration based on improved UGF techniques

Universal Generating Function(UGF)techniques have been applied to Multi-State System(MSS)reliability analysis,such as long term reserve expansion of power systems with high wind power penetration.However,using simple steady-state distribution models for wind power and large generating units in reliability assessment can yield pessimistic appraisals.To more accurately assess the power system reliability,UGF techniques are extended to dynamic probabilistic simulation analysis on two aspects of modelling improvement.Firstly,a principal component analysis(PCA)combined with a hierarchal clustering algorithm is used to achieve the salient and time-varying patterns of wind power,then a sequential UGF equivalent model of wind power output is established by an apportioning method.Secondly,other than the traditional two-state models,the conventional generator UGF equivalent model is established as a four discrete-state continuous-time Markov model by Lztransform.In the construction process of such a UGF model,the state values are transformed into the integral multiples of one common factor by choosing proper common factors,thus effectively restraining the exponential growth of its state number and alleviating the explosion thereof.The method is suitable for reliability assessment with dynamic probabilistic distributed random variables.In addition,by acquiring the clustering information of wind power,the system reliability indices,such as fuel cost and CO_(2) emissions through different seasons and on different workdays,are calculated.Finally,the effectiveness of the method is verified by a modified IEEE-RTS 79 system integrated with several wind farms of historical hourly wind power data of Zhangbei wind farm in North China.

漂浮式海上风电离网制氢联合仿真实验平台

海上风电制氢有助于解决海上风电消纳和远海输电难题,但目前的仿真缺乏海上环境对制氢影响的模拟,限制了相关研究与教学发展,因此亟需开发充分考虑海洋环境载荷的海上风电离网制氢仿真实验平台。该文将风机一体化仿真工具FAST和MATLAB/Simulink电力系统工具箱相结合,实现海上风机与发电机的联合仿真,在MATLAB内部通过设计接口实现电力系统与数学模型的两工具箱的联合仿真,以此构建两软件三工具箱联合的海上风电离网制氢一体化仿真实验平台。仿真结果表明,该平台能实现漂浮式海上风电离网制氢联合仿真,可为海上风电制氢有关研究和实验教学提供有力支撑。

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。

基于8760h生产模拟的离网风光储氢系统规划方法

建设离网型风光可再生能源制氢系统,能够有效实现可再生能源的就地消纳,降低电网建设压力,是符合我国“双碳”目标、促进绿色工业发展的重要技术路径。在缺乏大电网支撑的离网园区规划中,实现基于全年8760h生产模拟的规划求解,合理配置碱液与质子交换膜两种类型制氢设备,是应对风光波动、高效经济制氢的重要技术问题。因此,该文针对离网风光储氢园区规划方法展开研究,提出基于8760h生产模拟的规划模型,并通过模型转化与改进Benders分解实现模型求解。首先,建立考虑不同电制氢设备动态特性差异的离网风光储氢系统运行规划一体化模型。进一步,对上层规划主问题模型引入公共运行变量,对运行层子问题进行逐月拆分,降低原始规划模型求解难度,基于改进Benders分解法实现模型求解。最后,通过山东潍坊地区实际算例,验证所提离网风光储氢系统规划方法能够实现基于8760h生产模拟的设备容量规划,合理配置具有不同运行性能的制氢设备,提高离网制氢系统的经济性。

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。

面向海上风电的碱性电解水制氢系统热力学分析与优化设计

[目的]为了最大化利用电能与海水资源,针对海上风电的碱性电解水(AWE)制氢系统进行热力学分析和优化设计,研究工作压力、工作温度、碱液流量等对系统运行特性的影响。[方法]基于热力学、电化学及质量平衡模型,通过Aspen Plus软件建立碱性电解水制氢的热力学平衡模型,并与实验结果进行对比验证。[结果]结果表明,此方案碱性电解水制氢系统最佳工作压力和工作温度分别为9 bar和70℃,最佳碱液流量为1600 t/h。系统能量损失和㶲损随输入电流密度的增加而增加。碱性电解输入电流密度为3000 A/m^(2)时,系统能量效率和㶲效率分别为63.58%和57.27%,系统能量损失占总能量投入的26%,其中电解槽㶲损最高,占系统总㶲损的93.39%。[结论]通过该参数优化方法,可以得到合适的工作参数范围,能够为海上风电制氢参数选择提供参考。

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。

基于经验挖掘与混合语言的海上风电制氢加氢港口选址研究

为辅助海上风电的加氢制氢港口选址决策问题,提出利用经验挖掘算法和混合语言型术语的多属性决策方法。首先,利用爬虫算法、TextRank算法、Word2Vec算法和Louvain算法对历史经验性文件进行挖掘、排序、构建词对和聚类,从而获取基于经验挖掘的属性集;其次,引入对偶自信语言,云模型和实数等语言术语兼顾定量和定性数据的表达,解决数据集转换失真问题;最后,引入标准化公式处理指标数据,获取综合排序结果,以海上风电的加氢制氢港口选址为案例,验证了方法的科学性和有效性。结果表明,考虑定性及定量评估,基于集中式制氢+液氢+购买/租赁船舶技术方案的选址方案A5综合最优,敏感性分析表明气氢储运技术搭配船舶运输是技术成熟度和经济性方面表现较好的技术方案。

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。

海上风电制氢专利技术分析

近年来,全球海上风电发展迅猛,海上风电储能成为各国风电企业研发的热点。制氢是清洁、高效的新能源利用模式,风电制氢一方面缓解风电“弃风”现象,有效解决新能源发电领域存在的“短板”,另一方面氢气能够与二氧化碳等反应生成甲烷,为早日实现“双碳”目标提供有力的助力。该文对海上风电制氢专利申请数据进行分析,对海上制氢技术的专利技术进行梳理。

风电制氢微网能量调度策略研究

随着国家“双碳”目标的提出,新能源产业备受社会各界重视。氢能作为1种清洁能源,更是得到广泛关注。结合工程实际经验,搭建了风电制氢微网的网络结构,针对风电出力特性和制氢设备运行特性,以平滑波动为目标,制定了详细的风电制氢微网能量调度策略。

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。

深远海原位电解海水制氢的战略及技术研究

在中国实现“双碳”战略目标的背景下,氢能将成为能源转型的关键。中国海上风电资源丰富,但面临并网难、输送难、成本高等挑战。直接电解海水制氢或可解决大规模制氢水源限制,同时解决深远海可再生能源输送难、制氢成本高的问题,具有巨大潜力。回顾电解海水制氢技术的发展历程,比较现有几种电解水制氢的方式,阐述目前技术所面临的挑战和机遇,并展望电解海水制氢产业的未来。以某海上油气公司为例,探讨能源型支柱企业在推动海上风电和电解海水制氢技术融合方面的产业化可能性。结合已有工程装备,针对如何降低成本、避免同质化竞争、发展特色技术等提出思考性建议,其中包括完善海上风电设施布局,推动发展电解海水制氢技术,提升氢气输送的保障能力,以及实现海上绿色能源岛协同发展等。

考虑氢储的风光氢综合能源系统多时间尺度随机生产模拟

风光发电出力的不确定性和电力存储困难制约着新能源的发展.氢能作为一种优质二次能源,具有绿色无污染和能量密度大的优点.为应对新能源出力的波动性与随机性,提出一种考虑氢储的风光氢综合能源系统多时间尺度随机生产模拟方法.首先,考虑在氢储系统模型中加入热能回收环节,构建包含电热氢多元储能的风光氢综合能源系统模型;其次,对风光氢综合能源系统进行多时间尺度随机生产模拟,通过中长期生产模拟得到系统检修安排与氢储季节分配方案,并将中长期模拟结果作为边界进行短期生产模拟,实现电氢热多元储能相互配合平抑风光随机波动性.最后,利用IEEE-RTS79节点算例验证所提方法能够提高系统运行的可靠性、灵活性、低碳性.

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。

多能互补发电系统电/热/氢储能容量协调优化配置

针对无常规电源支撑的风-光-热-储-氢多能互补发电行经济性和利用率具有重要意义。该文提出一种基于全年8760 h系统,协调优化配置电/热/氢各类储能容量,对提高系统运时序生产模拟的多能互补发电系统电/热/氢储能容量协调优化配置方法,建立以系统等年值收益最大为目标,考虑系统电/热/氢能量流平衡作用、新能源利用率、外送通道容量、各类电源和储能系统运行约束的电/热/氢储能容量优化配置模型,并提出新能源弃电状态与电/热/氢储能装置的耦合运行策略;以风/光全年8760 h理论出力序列为输入,通过求解模型得到兼顾系统经济、安全和清洁性的电/热/氢储能最优配置容量。算例基于我国西北某多能互补发电系统进行仿真测试,验证所提出的全年8760 h时序生产模拟方法的有效性,量化分析系统成本和电价、储能运行策略等因素对容量配置结果的影响。

风光耦合电解水制氢方案研究

在碳达峰、碳中和目标下,需找到一种可广泛应用的零碳排放终端能源。氢能不仅是无碳能源,而且是最环保的能源,采用电解水制氢技术,尤其是通过风电、光伏发电技术制氢,可以实现零碳排放。对可再生能源电解水制氢现状进行了介绍,并针对多种风光耦合电解水制氢方案进行了研究,展望了可再生能源电解水制氢的发展前景。研究结果显示:采用大规模以风电、光伏发电为主的耦合电解水制氢可以有效减少油气进口、化石能源应用,极大保障中国的能源安全。以期研究结果为合理搭建氢能生产系统提供借鉴。