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

邱一苇副研究员四川大学电气工程学院北京2024年12月 四川大学电气工程学院含混合能源的电力系统控制优化及信息处理研究团队 含混合能源电力系统调控优化及信息处理团队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 自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 团队现有教授3人副教授/副研究员9人、助理研究员/博土后4人硕/博土研究生40余人 目录 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4ReP2H系统有功-无功协调优化5多主体参与情况下的考量 研究背景 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、化工炼油和治炼等难以电气化的行业的脱碳减排 将口再生发电制氢继而合成氨甲醇，作为大宗化原料无碳替代燃然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》将可再生能源制氢氨、氢氨储能列为长周期储能的重点试点示范方向 研究背景 2020年我国氢气年消费量为3342万吨，其中37%用于合成复，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/硝酸产能及所有新增产能均须实现绿氢替代 保守假设我国合成氨现有产能其中10%由电制氧替代，则电能需求超过6,900亿干瓦时相当于6个三峡电站的年发电量 中国氢气来源、消费及利用概况（2020年） 研究背景 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 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。绿氢行业在技术方面仍有大量问题需要解决 整体看来 内像占白治区人民政府办公厅美户促进然能产业高质量发展的意见单 内蒙古要求一体化系统与电网的年电量交换不超过20% 部分被撤销项目的新闻报道 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4ReP2H系统有功-无功协调优化5多主体参与情况下的考量 电解水制氢装置动态运行建模 电解水制氧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、冷水机纯水机等组成。其动态运行受到电化学传热和传质过程的制约 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、完整系统等尺度建立了电化学，传热，传质模型，刻画新能源消纳应用中变负载运行工况下的复杂动态行为 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5kW25kW和5MW等不同功率等级的碱性制氢系统上进行了实验验证 诚性电解水制氢装置的详细状态空间 Oi R, et al Pressure control strategy to extend the loadmg range of an alkaline electrolysis system lnternatidnal Journal of Hydrogen Energy, 2027Qi R. et al. Themal modeling and controller design of an alkaline electrolysis system under dynamic opetating conditions. Applied Energy, 2023 电解水制氢装置动态运行建模 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。但在工业实践中，模型参数通常依赖于手动整定，结果可能不准确，且无法适应参数时变性质 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参数的在线自动调整 贝叶斯推断 状态空间模型 intarence and adaptive polynomial surrogaatemodels.Applied Energy2023 电解水制氧装置动态运行建模 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 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一一碱生电解水制氢系统。一一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 模型拓展 目录 1研究背景2电解水制氢装置动态运行建模mReP2H一体化能量管理4ReP2H系统有功-无功协调优化5多主体参与情况下的考量 ReP2H--体化能量管理 可再生能源发电制氢体化系统组成元件包括发电、制氧储氢以及后续的化工等用氢负荷，各元件调节时间尺度差异较大，耦合关系复杂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管理框架，协调发电、制氢和氢负荷 ReP2H一体化能量管理 大型制氢站和及其所在的一一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 ReP2H一-体化能量管理 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 考虑温度和HTO杂质动态的灵活调度结果 制氢机启-停-备状态切换 Qiu Y, et al. Extended load flexibility of utility scale P2H plantsi Optimal production scheduling consideringidynamic thermal and HTG impurity effects.Renewable Eneroy 2o23 ReP2H一体化能量管理 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，与储能协调分配分配调节功率，以消纳风光发电的快速波动 其中考虑储能电池的退化电芯更换成本 邱一笔，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，2024 ReP2H一体化能量管理 针对离网ReP2H应用进一步将储能构网控制N-1故障处理等集成入EMS中涵盖了包括电力系统暂态过程到日内调度长期平衡和应急处理的完整时间尺度 通过搜索算法，在离网应用中实现新能源发电、储能、制氢装置最优定容 ReP2H一-体化能量管理 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居确定了同时满足暂态频率，电压稳定和长期能量平衡要求的最小储能容量 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容量。且储能退化相对于网侧调频应用更甚极端情况下电芯需2至3年更换1次，成本极高 ReP2H一体化能量管理 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600Nm3/hPEM电解水制氢装置 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、储氢光伏预测、变电站子系统间的通信、监测、性能诊断排产优化和自动控制的一体化集成 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5多主体参与情况下的考量 ReP2H系统有功-无功协调优化 其有功和无功负荷之间存在非线性关系，且无法解耦 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/无功潮流。但是现有研究及工程应用中，上述问题通常被忽略 ReP2H系统有功-无功协调优化 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 高度非线性！ Tenewable P2H systems A coordinatede reactive power management method. IEEE Trans. Sustainable Energy, 2024 ReP2H系统有功-无功协调优化 提出有功-无功协调能量管理方法。其可动态协调ELZ、RES、BES、OLTC和无功补偿装置以提升电-氢综合能量转换效率，同时可降低网损、解决电压安全问题 通过分解算法实现实时在线优化控制 电力网络 制氢装置的电化学和温度模型 无功补偿及有载调压（OLTC）AO 基于分解的在线优化求解算法 ReP2H系统有功-无功协调优化 案例研究表明，与现有为考虑无功的优化策略相比协调有功-无功功率管理最多可提高氢气产量2.49%，同时降低网损3.12% ReP2H系统有功-无功协调优化 将所提出有功-无功协调管理方法应用于吉林松原绿色氢氨醇一体化项自的前期研究。该工程包含750MW风电、50MW光伏，制氢站包括60台5MW碱性电解水制氢装置 有功-无功协调调度后，网损可由2.353%降至1.84% 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4ReP2H系统有功-无功协调优化5多主体参与情况下的考量 多主体参与情况下的考量 可再生能源发电制复（ReP2A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 虽然政策允许多方投资，然而实践中存在一个或多个投资主体不愿参与项自的困境。为什么？ 三主体模式 多主体参与情况下的考量 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、运行和运营都视为非合作博奔 ，根据KKT条件，构建等效优化问题来确定均衡。随后，通过时间维度分解，并通过多割广义Benders分解（GBD）来求解以解决长期平衡问题 可再生发电制氧站和合成氨系统之的物理利正易互动 多主体参与情况下的考量 在多主体投资博奔中考虑可再生发电电力网络、氢/氨生产及储存的详细模型，以反映不同子系统间的灵活性差异 电化学储能 电力网络 ig.bes,d o+Qr +QQ 合成氨 ddpd 制氢 氢气运输与配送 F(Fmo2F20LPA-KE.+2A 储氢 储氨 Pphphtssphhirtpet Si- St 多主体投资均衡解处的运行模拟结果 多主体参与情况下的考量 探讨不同配置下的多主体参与ReP2A规划问题，结果表明博奔的均衡点并不能自然地平衡所有投资主体的利益。如条件允许，应鼓励一体化投资建设 对工无法避免多丰体投资的情况构建丰体之利润转让协议或能帮助走出该困境 相关发表情况 111Zeng y, Qiu y*, Zhu ,et al. Scheduling multiple industrial electrolyzers in renewable P2H systems: A coordinated active-reaet