2024年可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践报告

第四届能源转换与经济年度论坛可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践四川大学电气工程学院北京2024年12月>含混合能源电力系统调控优化及信息处理团队隶属于四川大学电气工程学院，传承自滕福生先生，是我国最早开始进行电力系统调度自动化领域研究的团队之一。>目前在周步祥教授的带领下，长期持续地开展电力(能源)系统规划、调控、运营及信息处理领域研究，引领电力(能源)调控EMS技术的发展邱晓燕教授李华强教授周步祥教授陈实副教授臧天磊副教授邱晓燕教授李华强教授周步祥教授邱一苇副研究员魏震波副教授罗欢副教授刘力舟副研究员周毅助理研究员邱一苇副研究员魏震波副教授罗欢副教授目录12电解水制氢装置动态运行建模3ReP2H一体化能量管理4ReP2H系统有功-无功协调优化多主体参与情况下的考量>绿氢作为新兴产业，可实现可再生能源的规模化消纳，并可促进交通运输、化工、炼油和冶>将可再生发电制氢继而合成氨、甲醇，作为大宗化工原料、无碳替代燃料、长周期储能媒介，已公认为成为绿氢的主要消纳途径之一。《“十四五”新型储能发展实施方案》将可再生能绿氢氢气需求工业领域的脱碳途径工业领域的脱碳途径研究背景>2020年我国氢气年消费量为3342万吨，其中37%用于合成氨，19%用于合成甲醇>据测算，为实现2050年全球气温升幅控制在2.0℃以内的全球目标，全球29%的合成氨/硝酸>保守假设我国合成氨现有产能其中10%由电制氢替代，则电能需求超过6,900亿千瓦时，相当煤煤制氢天然气制氢灰氢氢工业原料合成氨合成甲醇炼油直接燃烧工业副产氢涮产氨其他应用绿氢电解水制氢绿氢中国氢气来源、消费及利用概况(2020年)氨炼油源网协同源网协同电网源网氢氨互动多联产灵活调控机制储电源氢协同邱一苇，吉旭，朱文聪，等.面向新能源规模化消纳的绿氢化工技术研究现状与关键支撑技术展望.中国电机工程学报，2023,43(18),6934-6954>风光发电制氢一体化工程是绿氢规模化制备和消纳的重要和主流途径>为实现绿氢的大规模工业应用，需建立完整的研究体系。需要覆盖的研究领域包括：电解水制氢设备的设计和控制、大型制氢场站的集群控制、绿氢化工系统、风光制氢一体化系统，以及不同形式(离网/弱并网)的电网接入大规模制氢站大规模制氢站集群规划、运行及控制优化邱一苇，吉旭，朱文聪，等.面向新能源规模化消纳的绿氢化工技术研究现状与关键支撑技术展望.中国电机工程学报，2023,43(18),6934-6954研究背景>可再生能源制氢产业正在从理论向实践转变，国内外已有多个一体化项目获批、开工及投运>现有一体化工程大多依赖电网提供支撑和调节，相当于电网让利，无法长期持续>然而在大量项目获批的同时，同样有大量项目被撤销，或是在开工前长期搁置。整体看来，内蒙古自治区人民政府办公厅关于促进氢能产业高质量发展的意见内欧办发(2022115号各豆行政公暑。市人民政府，自治区各委，办、方，局，各大企(二)鼓励风光制氢一体化发展。对纳入示范的风光制氢一体化项甘，按照制氮量所需电董的1.2倍配置斩能潭规模。风光新氧一体生项冒年净上河电量不胡过年新能萍总发电世约20%.上网电价按照国家，自治区出份的电价政策执行，按用结算、接年植算，如国家电价改策馏整，按照国家最新约电价改策执行。风光封氢一体化项算内部轮变电工程可雨氧氢企业建设，能氢站至主网的线悠由电河公司建设。或者经协商后出制氢企业先行投年电量交换不超过20%欧盟对可再生氢生产的最终规则crsenaFrcposGreenhousegemissionsEissinsthiethoksst330kiogtamsotCO-ineuffoent.ThethreshoisdmayaspthresholdequvalertpH)800s9emoecue'shitooyoe.0wortboecthieeproEecrolyz4opeialbyfoe2028canpepaiepermnngenes短wndandsuandrognpodclon.Pnr2030,montrom0ss4ueBloombergNEFmhng8pied.Howee,QographiccorrelationGnideiecnotycnzcne.Ehoctiktybomnogtboeng欧盟要求制氢需使用100%可再生能源撤销备案!Horo00球乐罐coO人所过和改革要员会风光制氯融合光制氢融合甲8月4日完成备经公司申请，融合甲解一伴R在看留在关于同意触的一体化示范项源有限公司中体化示范项目1目摸资主体发中国电力通江内家古又出手了，这一次废止召个风死制露一体化项目，废止无法推进的新顷源项目，释放新能诉规模。土地等资源已有7个又一风光制每项目撒销备案1薛屈氡师第一第腿与部1目录1研究背景电解水制氢装置动态运行建模3ReP2H一体化能量管理4ReP2H系统有功-无功协调优化多主体参与情况下的考量>电解水制氢装置同时涉及电气工程、化学工程等多个学科，与典型电力负荷存在明显不同>完整的电解水制氢系统系统由电堆(电解槽)、分离器、碱液循环、纯化、压缩机、冷水机、压缩机氢气纯化装置电解槽/电堆碱液处理框架含分离、换热、循环泵difn电解水制氢装置动态运行建模>建立电解水制氢装置的详细状态空间模型。针对电解小室、单槽内流道、完整系统等尺度，开发模型预测控制器(MPC),提升动态工况下电解水制氢装置的能量转换效率和安全性，在5kW、25kW和5MW等不同功率等级的碱性制氢系统上进行了实验验证eNaNmNbj碱性电解水制氢装置的详细状态空间11LowPassFilterk,+koPIDcontrollerwithcurrentf1120变参数MPC控制器>制氢机模型中的参数(如极化曲线参数、电解槽和气液分离器的热容、隔膜的厚度和渗透性等)系统性能有重大影响。面向动态运行的安全校验和控制器设计依赖准确的参数。但在工>提出一种结合贝叶斯推推断和自适应多项式代理模型的参数估计方法，该方法可以实现模型状态空间模型贝叶斯推断TheproposedASPA-MCMCEnsureNoBiasDifferentialEquations(2"Notime-domiansimulationisn建立数据驱动的自适应多项式代理模型，替代重复时域仿真，实现参数的实时在线估计电解水制氢装置动态运行建模>与不同类型的Kalman滤波器(EKF和UKF)相比，尽管电解水制氢系统的动态过程存在强时滞和强非线性，参数估计误差以RMSE和NRMSE量化，至多可降低71.1%>此外，可基于所提参数估计方法实现在线故障诊断功能CCRC参数的概率估计结果参数摄动后的仿真结果---ExperimentaldataofHTO—SimulationofHTOwithby+5%by-5%基于估计所得参数的仿真的结果准确估计HTO杂质积累过程相关参数诊断出冷水阀存在漏液T,dataofExperiment2与温度动态相关的故障诊断实例电解水制氢装置动态运行建模>将建模扩展至面向大规模工业应用的多对一碱性电解水制氢系统。一套系统包含多台电解槽，共用气液分离、碱液循环、热管理和控制系统>针对多对一系统，开发状态空间模型和非线性模型预测控制器槽间电流分配动态功率跟踪碱液循环流量控制槽间电流分配动态功率跟踪碱液循环流量控制时间(5二2碱液录合评后0 冷水阀开度栖后温a区名区名0冷却水流量温度镇定控制效果目录12345研究背景电解水制氢装置动态运行建模ReP2H一体化能量管理ReP2H系统有功-无功协调优化多主体参与情况下的考量>可再生能源发电制氢一体化系统组成元件包括发电、制氢、储氢，以及后续的化工等用氢负>针对可再生能源制氢系统的多时间尺度，参照电力系统能量管理的设计思路，构建分层能量氢负荷储氢制氢站氢负荷储氢光伏制氢功率光伏三次控制风机启停组合储能计划经济调度电压优化辅机纯化辅机电网>大型制氢站和及其所在的一体化系统可包含多达数十至上百台电解槽、辅机设备，以及后续的化工合成流程>动态工艺约束极大增加了制氢站集群控制的难度>计及电制氢系统启停及温度、HTO约束，提出制氢集群的日前及日内滚动调度方法>根据日前风/光发电和氢气需求预测，系统优化制氢机启-停-备计划以及负载分配，以最大限度地提高集群系统灵活性，充分消纳可再生发电>提出基于电解槽的分解算法，保证复杂集群调度问题求解的实时性wholesystemtunedoff642考虑温度和HTO杂质动态的灵活调度结果>开发了类似于电力系统AGC和AVC的实时控制>其通过向制氢装置实时下发负荷调节信号，根据制氢装置的可调容量比例，与储能协调分配其中考虑储能电池的退化、电芯更换成本伴随电解槽调节工况下的储能退化成本建模微网中央微网中央控制器电解槽1风机光伏PK,跟网型控制(MPPT).K基于可调度容量分配的实时负荷控制制氢负荷和储能系统的协调控制邱一苇，孙清洁，吴晨旭，等.计及风功率不确定性的离网风储制氢日内-实时双层有功平衡优化控制.电网技术，2024LoadFolloningbasedonEqn.(21)abasedonEqn.(21)aEmergencyHandlling10(ntergratedinlocalcontolloopsoftheBES-ofg>在蒙西某工程测算中，根据全年8760小时的实际风电和光伏发电数据，确定了同时满足暂>模拟结果表明，在离网ReP2H应用中，制氢机的负荷调节频率和深度显著影响所需的储能新能源装机场景制氢附加功率控制光伏装机风电装机制氢装机调度周期储能PV25%PV25%>为吉林长春某光伏制氢加氢一体站开发、部署能量管理系统。该系统包含4MW屋顶光伏、>在其中嵌入日前调度、实时平衡控制模块，以覆盖完整的时间尺度，完成制氢、纯化、储氢、中韩示范区“可再生能源+PEM制氢+加氢”一体化示范项目总平面布置图目录1研究背景2电解水制氢装置动态运行建模3ReP2H一体化能量管理ReP2H系统有功-无功协调优化多主体参与情况下的考量>ReP2H系统通常包含数十台制氢机，其中相当数量的工程项目中由晶闸管整流器(TR)供电，>制氢机的启-停状态切换及负载分配将同时影响电-氢能量转换效率以及电力网络中的有功/tVarcompensatorsReP2H一体化系统示意图RatodvoltigePrimarywinding:38.5±2制氢站典型构型>然而，我们发现电-氢能量转换效率和无功负荷之间存在矛盾，继而影响网损和电压安全>例如，对于3台制氢机，当电解负荷均匀分配时，能量转换效率更高，但总无功负荷增加。相反，将所有负载集中在1台制氢机时，电-氢能量转换效率降低，但无功负荷亦降至最低效率较高效率较高高度非线性!效率较低PofPofELZ1PofELZ23台制氢机之间4种负荷分配方式下的无功功率及电-氢能量转换效率zengy,QiuY,zhuJetal>提出有功-无功协调能量管理方法。其可动态协调ELZ、RES、BES、OLTC和无功补偿装置，>通过分解算法实现实时在线优化控制制氢装置的电化学和温度模型F=(1/A)²/h+(1/A)²]×1₂电力网络P-rm∑与Pj=Pje+ZP-rm,,p,=P+PP+pgksdpghese-pgellp_pllas,p=pm-pvpan,无功补偿及有载调压(OLTC)NYNYNY基于分解的在线优化求解算法气产量2.49%,同时降低网损3.12%提高效率zengy,oiuY,zhuJ,etalsthedulingmultipeindustilelectrolyzersinrenewabeP2Hsytems:Acoor>有功-无功协调调度后，网损可由2.353%降至1.84%降压站升压站降压站目录1研究背景2电解水制氢装置动态运行建模3ReP2H一体化能量管理ReP2H系统有功-无功协调优化多主体参与情况下的考量多主体参与情况下的考量>可再生能源发电制氨(ReP2A)一体化系统可能涉及多个主体，分别对可再生能源、制氢站和化工合成系统的投资单一主体模式：大部分新建工程双主体模式：部分改扩建工程采用TO三主体模式->为了回答上述问题，我们研究ReP2A系统多主体定容均衡(MSSE)问题。将容量规划、运ASN可再生发电、制氢站和合成氨系统之间的物理和交易互动gg主体定容均衡(MSSE)模型>在多主体投资博弈中考虑可再生发