2024年可再生能源發(fā)電制氫一體化系統(tǒng)的若干考量及實踐報告

第四屆能源轉(zhuǎn)換與經(jīng)濟年度論壇可再生能源發(fā)電制氫一體化系統(tǒng)的若干考量及實踐四川大學(xué)電氣工程學(xué)院北京2024年12月>含混合能源電力系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化及信息處理團隊隸屬于四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，傳承自滕福生先生，是我國最早開始進行電力系統(tǒng)調(diào)度自動化領(lǐng)域研究的團隊之一。>目前在周步祥教授的帶領(lǐng)下，長期持續(xù)地開展電力(能源)系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)控、運營及信息處理領(lǐng)域研究，引領(lǐng)電力(能源)調(diào)控EMS技術(shù)的發(fā)展邱曉燕教授李華強教授周步祥教授陳實副教授臧天磊副教授邱曉燕教授李華強教授周步祥教授邱一葦副研究員魏震波副教授羅歡副教授劉力舟副研究員周毅助理研究員邱一葦副研究員魏震波副教授羅歡副教授目錄12電解水制氫裝置動態(tài)運行建模3ReP2H一體化能量管理4ReP2H系統(tǒng)有功-無功協(xié)調(diào)優(yōu)化多主體參與情況下的考量>綠氫作為新興產(chǎn)業(yè)，可實現(xiàn)可再生能源的規(guī)模化消納，并可促進交通運輸、化工、煉油和冶>將可再生發(fā)電制氫繼而合成氨、甲醇，作為大宗化工原料、無碳替代燃料、長周期儲能媒介，已公認為成為綠氫的主要消納途徑之一?！丁笆奈濉毙滦蛢δ馨l(fā)展實施方案》將可再生能綠氫氫氣需求工業(yè)領(lǐng)域的脫碳途徑工業(yè)領(lǐng)域的脫碳途徑研究背景>2020年我國氫氣年消費量為3342萬噸，其中37%用于合成氨，19%用于合成甲醇>據(jù)測算，為實現(xiàn)2050年全球氣溫升幅控制在2.0℃以內(nèi)的全球目標(biāo)，全球29%的合成氨/硝酸>保守假設(shè)我國合成氨現(xiàn)有產(chǎn)能其中10%由電制氫替代，則電能需求超過6,900億千瓦時，相當(dāng)煤煤制氫天然氣制氫灰氫氫工業(yè)原料合成氨合成甲醇煉油直接燃燒工業(yè)副產(chǎn)氫涮產(chǎn)氨其他應(yīng)用綠氫電解水制氫綠氫中國氫氣來源、消費及利用概況(2020年)氨煉油源網(wǎng)協(xié)同源網(wǎng)協(xié)同電網(wǎng)源網(wǎng)氫氨互動多聯(lián)產(chǎn)靈活調(diào)控機制儲電源氫協(xié)同邱一葦，吉旭，朱文聰，等.面向新能源規(guī)模化消納的綠氫化工技術(shù)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵支撐技術(shù)展望.中國電機工程學(xué)報，2023,43(18),6934-6954>風(fēng)光發(fā)電制氫一體化工程是綠氫規(guī)模化制備和消納的重要和主流途徑>為實現(xiàn)綠氫的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，需建立完整的研究體系。需要覆蓋的研究領(lǐng)域包括：電解水制氫設(shè)備的設(shè)計和控制、大型制氫場站的集群控制、綠氫化工系統(tǒng)、風(fēng)光制氫一體化系統(tǒng)，以及不同形式(離網(wǎng)/弱并網(wǎng))的電網(wǎng)接入大規(guī)模制氫站大規(guī)模制氫站集群規(guī)劃、運行及控制優(yōu)化邱一葦，吉旭，朱文聰，等.面向新能源規(guī)?；{的綠氫化工技術(shù)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵支撐技術(shù)展望.中國電機工程學(xué)報，2023,43(18),6934-6954研究背景>可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)正在從理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變，國內(nèi)外已有多個一體化項目獲批、開工及投運>現(xiàn)有一體化工程大多依賴電網(wǎng)提供支撐和調(diào)節(jié)，相當(dāng)于電網(wǎng)讓利，無法長期持續(xù)>然而在大量項目獲批的同時，同樣有大量項目被撤銷，或是在開工前長期擱置。整體看來，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府辦公廳關(guān)于促進氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見內(nèi)歐辦發(fā)(2022115號各豆行政公暑。市人民政府，自治區(qū)各委，辦、方，局，各大企(二)鼓勵風(fēng)光制氫一體化發(fā)展。對納入示范的風(fēng)光制氫一體化項甘，按照制氮量所需電董的1.2倍配置斬能潭規(guī)模。風(fēng)光新氧一體生項冒年凈上河電量不胡過年新能萍總發(fā)電世約20%.上網(wǎng)電價按照國家，自治區(qū)出份的電價政策執(zhí)行，按用結(jié)算、接年植算，如國家電價改策餾整，按照國家最新約電價改策執(zhí)行。風(fēng)光封氫一體化項算內(nèi)部輪變電工程可雨氧氫企業(yè)建設(shè)，能氫站至主網(wǎng)的線悠由電河公司建設(shè)?；蛘呓?jīng)協(xié)商后出制氫企業(yè)先行投年電量交換不超過20%歐盟對可再生氫生產(chǎn)的最終規(guī)則crsenaFrcposGreenhousegemissionsEissinsthiethoksst330kiogtamsotCO-ineuffoent.ThethreshoisdmayaspthresholdequvalertpH)800s9emoecue'shitooyoe.0wortboecthieeproEecrolyz4opeialbyfoe2028canpepaiepermnngenes短wndandsuandrognpodclon.Pnr2030,montrom0ss4ueBloombergNEFmhng8pied.Howee,QographiccorrelationGnideiecnotycnzcne.Ehoctiktybomnogtboeng歐盟要求制氫需使用100%可再生能源撤銷備案!Horo00球樂罐coO人所過和改革要員會風(fēng)光制氯融合光制氫融合甲8月4日完成備經(jīng)公司申請，融合甲解一伴R在看留在關(guān)于同意觸的一體化示范項源有限公司中體化示范項目1目摸資主體發(fā)中國電力通江內(nèi)家古又出手了，這一次廢止召個風(fēng)死制露一體化項目，廢止無法推進的新頃源項目，釋放新能訴規(guī)模。土地等資源已有7個又一風(fēng)光制每項目撒銷備案1薛屈氡師第一第腿與部1目錄1研究背景電解水制氫裝置動態(tài)運行建模3ReP2H一體化能量管理4ReP2H系統(tǒng)有功-無功協(xié)調(diào)優(yōu)化多主體參與情況下的考量>電解水制氫裝置同時涉及電氣工程、化學(xué)工程等多個學(xué)科，與典型電力負荷存在明顯不同>完整的電解水制氫系統(tǒng)系統(tǒng)由電堆(電解槽)、分離器、堿液循環(huán)、純化、壓縮機、冷水機、壓縮機氫氣純化裝置電解槽/電堆堿液處理框架含分離、換熱、循環(huán)泵difn電解水制氫裝置動態(tài)運行建模>建立電解水制氫裝置的詳細狀態(tài)空間模型。針對電解小室、單槽內(nèi)流道、完整系統(tǒng)等尺度，開發(fā)模型預(yù)測控制器(MPC),提升動態(tài)工況下電解水制氫裝置的能量轉(zhuǎn)換效率和安全性，在5kW、25kW和5MW等不同功率等級的堿性制氫系統(tǒng)上進行了實驗驗證eNaNmNbj堿性電解水制氫裝置的詳細狀態(tài)空間11LowPassFilterk,+koPIDcontrollerwithcurrentf1120變參數(shù)MPC控制器>制氫機模型中的參數(shù)(如極化曲線參數(shù)、電解槽和氣液分離器的熱容、隔膜的厚度和滲透性等)系統(tǒng)性能有重大影響。面向動態(tài)運行的安全校驗和控制器設(shè)計依賴準(zhǔn)確的參數(shù)。但在工>提出一種結(jié)合貝葉斯推推斷和自適應(yīng)多項式代理模型的參數(shù)估計方法，該方法可以實現(xiàn)模型狀態(tài)空間模型貝葉斯推斷TheproposedASPA-MCMCEnsureNoBiasDifferentialEquations(2"Notime-domiansimulationisn建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)多項式代理模型，替代重復(fù)時域仿真，實現(xiàn)參數(shù)的實時在線估計電解水制氫裝置動態(tài)運行建模>與不同類型的Kalman濾波器(EKF和UKF)相比，盡管電解水制氫系統(tǒng)的動態(tài)過程存在強時滯和強非線性，參數(shù)估計誤差以RMSE和NRMSE量化，至多可降低71.1%>此外，可基于所提參數(shù)估計方法實現(xiàn)在線故障診斷功能CCRC參數(shù)的概率估計結(jié)果參數(shù)攝動后的仿真結(jié)果---ExperimentaldataofHTO—SimulationofHTOwithby+5%by-5%基于估計所得參數(shù)的仿真的結(jié)果準(zhǔn)確估計HTO雜質(zhì)積累過程相關(guān)參數(shù)診斷出冷水閥存在漏液T,dataofExperiment2與溫度動態(tài)相關(guān)的故障診斷實例電解水制氫裝置動態(tài)運行建模>將建模擴展至面向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的多對一堿性電解水制氫系統(tǒng)。一套系統(tǒng)包含多臺電解槽，共用氣液分離、堿液循環(huán)、熱管理和控制系統(tǒng)>針對多對一系統(tǒng)，開發(fā)狀態(tài)空間模型和非線性模型預(yù)測控制器槽間電流分配動態(tài)功率跟蹤堿液循環(huán)流量控制槽間電流分配動態(tài)功率跟蹤堿液循環(huán)流量控制時間(5二2堿液錄合評后0 冷水閥開度棲后溫a區(qū)名區(qū)名0冷卻水流量溫度鎮(zhèn)定控制效果目錄12345研究背景電解水制氫裝置動態(tài)運行建模ReP2H一體化能量管理ReP2H系統(tǒng)有功-無功協(xié)調(diào)優(yōu)化多主體參與情況下的考量>可再生能源發(fā)電制氫一體化系統(tǒng)組成元件包括發(fā)電、制氫、儲氫，以及后續(xù)的化工等用氫負>針對可再生能源制氫系統(tǒng)的多時間尺度，參照電力系統(tǒng)能量管理的設(shè)計思路，構(gòu)建分層能量氫負荷儲氫制氫站氫負荷儲氫光伏制氫功率光伏三次控制風(fēng)機啟停組合儲能計劃經(jīng)濟調(diào)度電壓優(yōu)化輔機純化輔機電網(wǎng)>大型制氫站和及其所在的一體化系統(tǒng)可包含多達數(shù)十至上百臺電解槽、輔機設(shè)備，以及后續(xù)的化工合成流程>動態(tài)工藝約束極大增加了制氫站集群控制的難度>計及電制氫系統(tǒng)啟停及溫度、HTO約束，提出制氫集群的日前及日內(nèi)滾動調(diào)度方法>根據(jù)日前風(fēng)/光發(fā)電和氫氣需求預(yù)測，系統(tǒng)優(yōu)化制氫機啟-停-備計劃以及負載分配，以最大限度地提高集群系統(tǒng)靈活性，充分消納可再生發(fā)電>提出基于電解槽的分解算法，保證復(fù)雜集群調(diào)度問題求解的實時性wholesystemtunedoff642考慮溫度和HTO雜質(zhì)動態(tài)的靈活調(diào)度結(jié)果>開發(fā)了類似于電力系統(tǒng)AGC和AVC的實時控制>其通過向制氫裝置實時下發(fā)負荷調(diào)節(jié)信號，根據(jù)制氫裝置的可調(diào)容量比例，與儲能協(xié)調(diào)分配其中考慮儲能電池的退化、電芯更換成本伴隨電解槽調(diào)節(jié)工況下的儲能退化成本建模微網(wǎng)中央微網(wǎng)中央控制器電解槽1風(fēng)機光伏PK,跟網(wǎng)型控制(MPPT).K基于可調(diào)度容量分配的實時負荷控制制氫負荷和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制邱一葦，孫清潔，吳晨旭，等.計及風(fēng)功率不確定性的離網(wǎng)風(fēng)儲制氫日內(nèi)-實時雙層有功平衡優(yōu)化控制.電網(wǎng)技術(shù)，2024LoadFolloningbasedonEqn.(21)abasedonEqn.(21)aEmergencyHandlling10(ntergratedinlocalcontolloopsoftheBES-ofg>在蒙西某工程測算中，根據(jù)全年8760小時的實際風(fēng)電和光伏發(fā)電數(shù)據(jù)，確定了同時滿足暫>模擬結(jié)果表明，在離網(wǎng)ReP2H應(yīng)用中，制氫機的負荷調(diào)節(jié)頻率和深度顯著影響所需的儲能新能源裝機場景制氫附加功率控制光伏裝機風(fēng)電裝機制氫裝機調(diào)度周期儲能PV25%PV25%>為吉林長春某光伏制氫加氫一體站開發(fā)、部署能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含4MW屋頂光伏、>在其中嵌入日前調(diào)度、實時平衡控制模塊，以覆蓋完整的時間尺度，完成制氫、純化、儲氫、中韓示范區(qū)“可再生能源+PEM制氫+加氫”一體化示范項目總平面布置圖目錄1研究背景2電解水制氫裝置動態(tài)運行建模3ReP2H一體化能量管理ReP2H系統(tǒng)有功-無功協(xié)調(diào)優(yōu)化多主體參與情況下的考量>ReP2H系統(tǒng)通常包含數(shù)十臺制氫機，其中相當(dāng)數(shù)量的工程項目中由晶閘管整流器(TR)供電，>制氫機的啟-停狀態(tài)切換及負載分配將同時影響電-氫能量轉(zhuǎn)換效率以及電力網(wǎng)絡(luò)中的有功/tVarcompensatorsReP2H一體化系統(tǒng)示意圖RatodvoltigePrimarywinding:38.5±2制氫站典型構(gòu)型>然而，我們發(fā)現(xiàn)電-氫能量轉(zhuǎn)換效率和無功負荷之間存在矛盾，繼而影響網(wǎng)損和電壓安全>例如，對于3臺制氫機，當(dāng)電解負荷均勻分配時，能量轉(zhuǎn)換效率更高，但總無功負荷增加。相反，將所有負載集中在1臺制氫機時，電-氫能量轉(zhuǎn)換效率降低，但無功負荷亦降至最低效率較高效率較高高度非線性!效率較低PofPofELZ1PofELZ23臺制氫機之間4種負荷分配方式下的無功功率及電-氫能量轉(zhuǎn)換效率zengy,QiuY,zhuJetal>提出有功-無功協(xié)調(diào)能量管理方法。其可動態(tài)協(xié)調(diào)ELZ、RES、BES、OLTC和無功補償裝置，>通過分解算法實現(xiàn)實時在線優(yōu)化控制制氫裝置的電化學(xué)和溫度模型F=(1/A)2/h+(1/A)2]×1?電力網(wǎng)絡(luò)P-rm∑與Pj=Pje+ZP-rm,,p,=P+PP+pgksdpghese-pgellp_pllas,p=pm-pvpan,無功補償及有載調(diào)壓(OLTC)NYNYNY基于分解的在線優(yōu)化求解算法氣產(chǎn)量2.49%,同時降低網(wǎng)損3.12%提高效率zengy,oiuY,zhuJ,etalsthedulingmultipeindustilelectrolyzersinrenewabeP2Hsytems:Acoor>有功-無功協(xié)調(diào)調(diào)度后，網(wǎng)損可由2.353%降至1.84%降壓站升壓站降壓站目錄1研究背景2電解水制氫裝置動態(tài)運行建模3ReP2H一體化能量管理ReP2H系統(tǒng)有功-無功協(xié)調(diào)優(yōu)化多主體參與情況下的考量多主體參與情況下的考量>可再生能源發(fā)電制氨(ReP2A)一體化系統(tǒng)可能涉及多個主體，分別對可再生能源、制氫站和化工合成系統(tǒng)的投資單一主體模式：大部分新建工程雙主體模式：部分改擴建工程采用TO三主體模式->為了回答上述問題，我們研究ReP2A系統(tǒng)多主體定容均衡(MSSE)問題。將容量規(guī)劃、運ASN可再生發(fā)電、制氫站和合成氨系統(tǒng)之間的物理和交易互動gg主體定容均衡(MSSE)模型>在多主體投資博弈中考慮可再生發(fā)