計(jì)及電熱特性的離網(wǎng)型風(fēng)電制氫堿性電解槽陣列優(yōu)化控制策略

沈小軍 聶聰穎 呂 洪

（1. 同濟(jì)大學(xué)電氣工程系 上海 201804 2. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海 201804）

0 引言

風(fēng)電、光伏等可再生能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。大規(guī)?？稍偕茉瘩詈想娊庵茪洳粌H可有效提升可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的能源利用效率，而且還可有效解決綠色氫能產(chǎn)業(yè)“氫從哪里來”的難題，具有重大戰(zhàn)略意義，已成為諸多國(guó)家的能源戰(zhàn)略[1-2]。

電解槽作為一種電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，是可再生能源電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵裝備，當(dāng)其用于平抑可再生能源波動(dòng)時(shí)，需對(duì)可再生能源的不穩(wěn)定功率輸出具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[3]。堿性電解槽是當(dāng)前唯一滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的電解水制氫設(shè)備，具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的堿性電解水制氫系統(tǒng)波動(dòng)工況下存在的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性差、效率低和壽命短等不足[3-4]。通過技術(shù)創(chuàng)新提升堿性電解水制氫系統(tǒng)波動(dòng)工況下的適用性已經(jīng)成為可再生能源制氫技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從裝置制造與集成應(yīng)用控制策略兩個(gè)方面對(duì)堿性電解水制氫系統(tǒng)性能提升開展了深入的研究。筆者認(rèn)為，改進(jìn)堿性電解水制氫裝備的制造技術(shù)是一個(gè)長(zhǎng)期的攻關(guān)過程，短期難于實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，而控制策略是貫穿始終的。先進(jìn)的能量管理與控制策略對(duì)提升堿性電解系統(tǒng)的等效服役壽命、功率調(diào)節(jié)特性已被證明具有可行性，值得研究。文獻(xiàn)[4]討論了風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電解槽制氫的效率、安全等方面的影響，并結(jié)合超級(jí)電容形成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了堿性電解槽的自適應(yīng)控制策略。文獻(xiàn)[5]基于熱量交換利用，提出了一種電解槽新型模塊化結(jié)構(gòu)和優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了堿性電解槽能源綜合利用率、功率調(diào)節(jié)速度及調(diào)節(jié)特性的優(yōu)化提升；文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了風(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種風(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)在線能量調(diào)控策略，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線能量調(diào)控策略和所開發(fā)的在線監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)風(fēng)電制氫相關(guān)領(lǐng)域開展了系統(tǒng)儲(chǔ)能容量配置及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、能量管理控制策略等研究；文獻(xiàn)[10]針對(duì)風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)（Wind Power-Hydrogen Energy Storage and Coal Chemical Multi-Functional Coupling System, WP-HES&CCMFCS）的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估問題，提出了一種多能耦合系統(tǒng)全壽命經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的方法，分析了不同風(fēng)電并網(wǎng)比例與風(fēng)電非電形態(tài)消納比例條件下系統(tǒng)資金回收期與全壽命周期凈利潤(rùn)的變化規(guī)律。

當(dāng)前，堿性電解槽單體的制造水平尚處于幾百千瓦到兆瓦級(jí)，大規(guī)模制氫工程應(yīng)用中一般需要多個(gè)單體電解槽并聯(lián)，形成電解槽陣列。理論研究表明，電解槽的控制策略是影響電解槽陣列使用壽命的重要因素。當(dāng)前針對(duì)可再生能源與電解槽制氫系統(tǒng)的控制策略研究大多是從電解槽陣列整體的角度進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)，將電解槽陣列與其他傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合對(duì)可再生能源在并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行波動(dòng)性平抑或者在離網(wǎng)狀態(tài)下直接進(jìn)行消納，并未從電解槽陣列各個(gè)單體出發(fā)來充分挖掘電解槽裝置的特性。而如果電解槽單體之間的協(xié)調(diào)控制策略過于簡(jiǎn)單，會(huì)使得各個(gè)電解槽單體的起停次數(shù)過多同時(shí)連續(xù)運(yùn)行于波動(dòng)功率的時(shí)間過長(zhǎng)。起停次數(shù)等指標(biāo)是直接影響電解槽壽命的因素，將這些約束融入控制策略中可以極大地提高系統(tǒng)的使用壽命和產(chǎn)氫效率[11]。以上相關(guān)工作已引起了關(guān)注，比如文獻(xiàn)[12]雖采用輪換策略平均不同電解槽單元的工作時(shí)間，將電解槽的工作狀態(tài)定為兩種：額定功率運(yùn)行與停機(jī)，一定程度上緩解了“工作不均”的現(xiàn)象，但對(duì)堿性電解槽的特性處理較為粗放，工況劃分簡(jiǎn)單，對(duì)堿性電解槽的調(diào)節(jié)特性、起停次數(shù)、產(chǎn)氫安全性等約束均考慮得不足。

鑒于堿性電解槽群體協(xié)調(diào)控制策略具有的理論可行性和現(xiàn)有研究工作的不足，本文在梳理堿性電解槽特性及工作約束的基礎(chǔ)上，提出了一種堿性電解槽陣列輪值優(yōu)化控制策略，并通過案例仿真驗(yàn)證了提出的輪值優(yōu)化控制策略的可行性及效果。本研究對(duì)電解槽的運(yùn)行控制具有一定參考價(jià)值。

1 離網(wǎng)風(fēng)氫系統(tǒng)拓?fù)渑c堿性電解槽電熱特性

1.1 離網(wǎng)風(fēng)氫系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

當(dāng)前，單體堿性電解槽的電功率多為幾百千瓦到兆瓦級(jí)，離網(wǎng)風(fēng)氫耦合系統(tǒng)為充分消納風(fēng)電功率，往往需要數(shù)臺(tái)電解槽并聯(lián)運(yùn)行。離網(wǎng)情況或者需要大規(guī)模制氫的情況下，電解槽陣列是吸收功率的主要設(shè)備，此時(shí)風(fēng)電等可再生能源通過變換器接入母線，電解槽陣列也通過電力電子電源分別接入母線，一種離網(wǎng)型風(fēng)氫耦合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中超級(jí)電容器陣列主要用于彌補(bǔ)堿性電解槽的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率不足的部分，本文后續(xù)討論中暫不考慮其存在。

圖1 一種離網(wǎng)型風(fēng)氫耦合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意Fig.1 Topological structure of an off grid wind hydrogen coupling system

1.2 電解槽特性

堿性電解槽作為一種特殊的用電設(shè)備，有其特殊性?；谧髡咔捌谘芯砍晒臀墨I(xiàn)資料，堿性電解槽特性及工作約束可歸納如下[13-15]：

1）起停特性。電解槽開始起動(dòng)時(shí)，由于電解槽的溫度不高，達(dá)不到產(chǎn)生氫氣的溫度條件，此時(shí)消耗的功率都用來產(chǎn)生熱量以此提升電解槽的溫度；當(dāng)電解槽的功率不斷提升至可以產(chǎn)生氫氣，此時(shí)的功率為電解槽的保溫功率。所以堿性電解槽第一次起動(dòng)時(shí)需要耗時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)電解槽停機(jī)時(shí)，可以將功率瞬時(shí)降至零，作為一種可中斷負(fù)荷。

2）保溫特性。當(dāng)電解槽陣列退出運(yùn)行時(shí)，環(huán)控裝置發(fā)揮作用，電解槽可以在一定的時(shí)間T內(nèi)保持溫度不發(fā)生變化。此特性保證了電解槽在一定時(shí)間范圍的停機(jī)時(shí)間后能有立刻投入使用的能力。

3）調(diào)節(jié)特性。電解槽從高溫、大功率點(diǎn)往低溫、小功率點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)功率大范圍ms級(jí)時(shí)間的快速調(diào)節(jié)，從低溫、小功率點(diǎn)往高溫、大功率點(diǎn)調(diào)節(jié)則需經(jīng)過min級(jí)的時(shí)間。

4）氫氣安全運(yùn)行功率。在電解槽處于低功率運(yùn)行時(shí)，由于電解槽內(nèi)部材料的特性，電解槽的運(yùn)行功率不能低于某一限值，否則存在氫、氧互串發(fā)生超過爆炸極限的風(fēng)險(xiǎn)，其限值一般為電解槽額定功率的20%～25%。同時(shí)由于電解槽裝置為電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，其反應(yīng)具有一定的緩沖時(shí)間，所以實(shí)際中電解槽可以短時(shí)間運(yùn)行于氫氣安全功率限值以下，其時(shí)長(zhǎng)根據(jù)電解槽的容量大小為幾分鐘不等。

5）調(diào)節(jié)范圍（過載特性）。電解槽在工作時(shí)，其功率可以短時(shí)超過額定功率，達(dá)到額定功率的110%～130%，利用此特性可以降低電解槽的配置容量。

2 堿性電解槽陣列輪值優(yōu)化控制策略

2.1 輪值的概念

本文采用的輪值控制策略，是在對(duì)電解槽進(jìn)行編號(hào)以后的功率分配策略，根據(jù)風(fēng)功率的實(shí)時(shí)數(shù)值安排相應(yīng)編號(hào)的電解槽進(jìn)行功率的消納。設(shè)置一定的輪換時(shí)間Tmin，輪換時(shí)間的設(shè)定原則根據(jù)前述電解槽特性來確定， 即控制輪換時(shí)間不超過電解槽允許的停機(jī)時(shí)間、允許的連續(xù)波動(dòng)功率運(yùn)行時(shí)間和允許的連續(xù)低于產(chǎn)氫安全功率運(yùn)行時(shí)間三者之中的最小值來確定。將處于額定功率、波動(dòng)功率和停機(jī)狀態(tài)這三種運(yùn)行狀態(tài)的電解槽按照一定的策略進(jìn)行輪換，如圖2所示。

圖2 輪值策略示意圖Fig.2 Rotation strategy diagram

按圖2中所示輪換不僅可均衡各電解槽單體在不同狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)整體系統(tǒng)的服役壽命，而且在低功率情況下，相比簡(jiǎn)單的“均分”策略可通過將功率集中于小部分電解槽，避免電解槽的功率低于氫氣安全運(yùn)行功率而影響制氫質(zhì)量，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 輪值優(yōu)化控制策略

本文基于電解槽特性和風(fēng)電功率制定多工況輪值優(yōu)化控制策略。假設(shè)有n個(gè)電解槽進(jìn)行輪值，每個(gè)電解槽的額定功率為Pe，實(shí)際功率為Peln，其中n為電解槽的編號(hào)。電解槽陣列的總額定功率為Pel，需要消納的風(fēng)功率為Pwind。電解槽工作工況可分為以下三種。

2.2.1 情景1：未過載高功率工況

此種工況下，Pwind＜Pel且工作于額定功率的電解槽個(gè)數(shù)為n-1，另一個(gè)電解槽工作于波動(dòng)性功率工況，電解槽陣列工作于未過載高功率工況。

本文采取改進(jìn)“輪值”的電解槽的優(yōu)化控制策略，即使用單個(gè)電解槽作為吸收波動(dòng)功率的設(shè)備，其余電解槽運(yùn)行在額定狀態(tài)下，再經(jīng)過一定時(shí)間Tmin以后，將兩種狀態(tài)下的電解槽進(jìn)行輪換，使得電解槽工作在功率波動(dòng)情況下的時(shí)間有效均攤，從而整體提高電解槽的使用壽命。

假設(shè)第n個(gè)電解槽的工作時(shí)長(zhǎng)為T，輪換周期為Tmin，波動(dòng)性功率為Pb。在高功率工況下，只有一個(gè)電解槽工作于波動(dòng)性功率，其余電解槽都處于額定功率運(yùn)行狀態(tài)。首先令

當(dāng)運(yùn)行于波動(dòng)性功率的電解槽運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)到輪換周期，即T=Tmin時(shí)，按照循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行工作狀態(tài)的輪換，則

同理，按照此策略一直輪換就可以平均各個(gè)電解槽單元運(yùn)行于波動(dòng)功率的時(shí)間。

2.2.2 情景2：未過載低功率工況

此種工況下，Pwind＜Pel且工作于額定功率的電解槽個(gè)數(shù)小于n-1，除了一個(gè)電解槽工作于波動(dòng)性功率工況以外，其余電解槽處于停機(jī)狀態(tài)，電解槽陣列工作于未過載低功率工況。

假設(shè)第n個(gè)電解槽的工作時(shí)長(zhǎng)為T，輪換周期為Tmin，波動(dòng)性功率為Pb。在低功率工況下，有一個(gè)電解槽工作于波動(dòng)性功率，m個(gè)電解槽處于停機(jī)狀態(tài)，其余電解槽工作于額定功率。首先令

此時(shí)，需要考慮波動(dòng)性功率和停機(jī)保溫兩種狀態(tài)的輪換。為了簡(jiǎn)化輪換機(jī)制，在滿足兩者要求的情況下，選擇合適的輪換周期Tmin，使得在此輪換周期下處于波動(dòng)性功率運(yùn)行的電解槽運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不超過限值，同時(shí)處于停機(jī)狀態(tài)的電解槽溫度也不下降至限值。當(dāng)電解槽運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)到輪換周期時(shí)，即T=Tmin時(shí)，兩者同時(shí)按照循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行工作狀態(tài)的輪換，則

同理，按照此策略一直輪換就可以平均各個(gè)電解槽單元運(yùn)行于波動(dòng)功率的時(shí)間，同時(shí)也可以使得電解槽停機(jī)時(shí)間不會(huì)過長(zhǎng)而出現(xiàn)溫度下降過多的現(xiàn)象，保持了電解槽功率快速調(diào)節(jié)的能力。

2.2.3 情景3：過載工況

該工況Pwind＞Pel下，電解槽陣列工作于過載狀態(tài)。此時(shí)即使系統(tǒng)內(nèi)所有電解槽都運(yùn)行于額定功率，也不能完全消納風(fēng)功率，則將電解槽置于過載工況。根據(jù)電解槽特性，提出針對(duì)過載情況的輪值優(yōu)化策略，即先將循環(huán)隊(duì)列中 1號(hào)電解槽的功率Pel1提高到額定功率Pe的φ（過載系數(shù)）倍，使其處于過載運(yùn)行狀態(tài)，如果此時(shí)Pwind＞Pel，則將2號(hào)電解槽也置于過載狀態(tài)，以此類推直到所有電解槽都處于過載狀態(tài)，根據(jù)容量配置的方案，此時(shí)必能夠消納全部風(fēng)功率。假設(shè)處于過載狀態(tài)的電解槽個(gè)數(shù)為k，則

確定處于過載狀態(tài)的電解槽個(gè)數(shù)以后，再根據(jù)輪換策略，當(dāng)電解槽運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)到輪換周期，即T=Tmin時(shí)，進(jìn)行過載狀態(tài)的輪換。

綜上所述，提出的堿性電解槽陣列輪值優(yōu)化控制策略如圖3所示。

圖3 電解槽陣列輪值流程Fig.3 Electrolyzer bank rotational flow chart

3 案例仿真

3.1 風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)功率與電解槽陣列配置

圖4 張北某風(fēng)場(chǎng)12∶00后110min內(nèi)一2.5MW風(fēng)功率曲線Fig.4 A 2.5MW wind power curve within 110 minutes after 12 o'clock in a wind farm in Zhangbei

如圖4為張北某風(fēng)場(chǎng)某日12∶00～13∶50的一臺(tái)2.5MW風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率曲線及風(fēng)功率降序排列圖。根據(jù)電解槽的過載特性，同時(shí)考慮實(shí)際情況中電解槽的容量等級(jí)，設(shè)定電解槽陣列的過載系數(shù)為128%，由此得到配置的電解槽容量為

根據(jù)實(shí)際情況中電解槽的容量等級(jí)，選取四個(gè)容量為500kW的電解槽組成電解槽陣列。

3.2 輪值優(yōu)化控制策略

采用循環(huán)隊(duì)列的方式對(duì)編號(hào)的電解槽進(jìn)行輪換，如圖5所示。假設(shè)初始狀態(tài)下各個(gè)編號(hào)的電解槽處于一定的工況，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)T時(shí)，各個(gè)工況對(duì)應(yīng)的電解槽編號(hào)加 1，特別地，當(dāng)工況對(duì)應(yīng)的電解槽編號(hào)為4時(shí)則變?yōu)?。

圖5 電解槽陣列循環(huán)示意圖Fig.5 Schematic diagram of electrolyzer bank cycle

圖6所示為高功率工況電解槽陣列輪值策略示意圖。

圖6 高功率工況電解槽陣列輪值策略示意圖Fig.6 Schematic diagram of electrolyzer bank rotation strategy under high power condition

首先，讓編號(hào)1、2、3的電解槽以額定功率運(yùn)行，編號(hào)4的電解槽吸收剩余的波動(dòng)功率；經(jīng)過一定的時(shí)間以后，讓編號(hào)4、1、2的電解槽以額定功率運(yùn)行，編號(hào)3的電解槽吸收剩余的波動(dòng)功率。這樣的輪值策略可以很好地平均每個(gè)電解槽的工作時(shí)間，以提高整體系統(tǒng)的壽命。

低功率工況電解槽陣列輪值策略示意圖如圖 7所示。陣列中需要工作的電解槽大概率只需要 2～3臺(tái)設(shè)備，其余設(shè)備處于停機(jī)狀態(tài)導(dǎo)致其溫度不斷下降。為了保證其功率的快速響應(yīng)能力，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電解槽的溫度，當(dāng)其溫度降至最低溫度限值時(shí)，通過輪換機(jī)制使其開始工作并關(guān)閉另一臺(tái)正在工作的電解槽，實(shí)際情況中也可以通過一定的時(shí)間進(jìn)行輪換達(dá)到相同的效果，這樣與前述控制方法相同，簡(jiǎn)化了控制策略。

圖7 低功率工況電解槽陣列輪值策略示意圖Fig.7 Schematic diagram of electrolyzer bank rotation strategy under low power condition

為了更好地分析輪值優(yōu)化控制策略，截取圖4功率曲線中功率高的部分和功率低的部分如圖8所示。

圖8 處于高低水平的風(fēng)功率波動(dòng)曲線Fig.8 Wind power fluctuation curve at high and low levels

首先，分別對(duì)功率高時(shí)段和功率低時(shí)段進(jìn)行分析，根據(jù)風(fēng)功率的實(shí)時(shí)大小和電解槽的容量進(jìn)行計(jì)算，得到各自時(shí)段不同時(shí)刻運(yùn)行在額定功率的電解槽個(gè)數(shù)，如圖9所示。

圖9 運(yùn)行于額定功率狀態(tài)的電解槽數(shù)量Fig.9 Number of electrolytic cells operating at rated power

高功率工況電解槽陣列全部處于運(yùn)行狀態(tài)，但是部分運(yùn)行于穩(wěn)定的額定功率，部分運(yùn)行于時(shí)刻波動(dòng)的功率。為提高電解槽陣列的運(yùn)行壽命，使用輪值優(yōu)化策略將兩種狀態(tài)的電解槽進(jìn)行周期性的輪換，輪換周期Tmin1=5min。當(dāng)運(yùn)行在波動(dòng)功率條件下的電解槽運(yùn)行時(shí)間超過5min，將其與運(yùn)行在額定功率條件下的電解槽進(jìn)行輪換。另外，當(dāng)高功率工況待吸收電功率超過四個(gè)電解槽額定功率之和，甚至需五個(gè)電解槽額定功率時(shí)，表明需利用電解槽過載特性滿足風(fēng)功率的消納需求，根據(jù)過載工況的控制策略，將循環(huán)隊(duì)列中處于額定工況下的電解槽功率提升為過載狀態(tài)下的功率。

低功率工況同時(shí)運(yùn)行的電解槽數(shù)量少于 4，若是不采取輪換機(jī)制，則必定有電解槽處于長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)狀態(tài)，時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致其溫度下降至限值以下。為了保證電解槽功率快速變化的能力，必須控制使電解槽停機(jī)的時(shí)間不能過長(zhǎng)。利用電解槽的輪換機(jī)制，設(shè)定一定的輪換周期Tmin2=5min，當(dāng)電解槽停機(jī)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到5min時(shí)，將其投入運(yùn)行并將另一臺(tái)電解槽停機(jī)，以此使得各電解槽的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)不超過限值。

根據(jù)前述策略并結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置切換時(shí)間為5min，即每經(jīng)過5min，電解槽運(yùn)行狀態(tài)按照循環(huán)隊(duì)列形式輪換一次，據(jù)此得到整個(gè)電解槽陣列四個(gè)單體電解槽的功率波動(dòng)情況如圖10和圖11所示。

圖10 輪值優(yōu)化策略下高功率情況電解槽功率曲線Fig.10 The electrolysis cell power curve at high power under the rotation optimization strategy

由圖10可得，輪值優(yōu)化策略下，高功率工況中電解槽基本工作于額定功率和波動(dòng)功率狀態(tài)，很少處于停機(jī)狀態(tài)。同時(shí)，工作于波動(dòng)功率的時(shí)長(zhǎng)不超過5min，整個(gè)周期內(nèi)各電解槽運(yùn)行于波動(dòng)功率情況下的時(shí)間比較均勻。圖10中圈中部分表示各個(gè)電解槽的過載狀態(tài)，其功率值穩(wěn)定于過載功率640 kW，通過調(diào)節(jié)處于過載狀態(tài)的電解槽個(gè)數(shù)，保證電解槽陣列吸收的功率滿足系統(tǒng)要求。

圖11 輪值優(yōu)化策略下低功率情況電解槽功率曲線Fig.11 The electrolysis cell power curve at low power under the rotation optimization strategy

低功率工況中電解槽的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)不超過 5min，保證了電解槽的溫度不會(huì)下降至溫度最低限值以下，即保證了電解槽的功率快速響應(yīng)能力，能滿足后續(xù)從零功率到額定功率狀態(tài)的跳變。

圖12 原始風(fēng)功率與電解槽陣列消納功率Fig.12 Raw wind power and electrolytic cell system to dissipate power

圖12為風(fēng)功率與電解槽陣列消納的功率波形，可以看出無論在高功率還是低功率情況下，電解槽陣列都可以很好地跟隨風(fēng)功率的曲線，極大地提高了可再生能源的利用率。但在實(shí)際情況中，由于電解槽設(shè)備是電-氣轉(zhuǎn)換設(shè)備，相比于電相關(guān)量的快速變化，氣相關(guān)量的變化速率則小很多，所以電解槽相比于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備是一種具有延時(shí)性的可調(diào)負(fù)荷。為了達(dá)到功率快速跟蹤的目的，實(shí)際中常常將電解槽與其他儲(chǔ)能設(shè)備，例如超級(jí)電容等高功率密度的儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合，以此更好地消納風(fēng)功率[16]。

3.3 有效性對(duì)比分析

為了體現(xiàn)輪值優(yōu)化控制策略的有效性，在與3.2節(jié)仿真其他條件相同的情況下，使用非輪值優(yōu)化控制策略對(duì)電解槽陣列進(jìn)行控制，得到相應(yīng)的高低功率下四個(gè)電解槽的功率曲線，如圖13和圖14所示。

圖13 非輪值優(yōu)化策略下高功率情況下電解槽功率曲線Fig.13 The electrolysis cell power curve at high power without the rotation optimization strategy

圖14 非輪值優(yōu)化策略下低功率情況電解槽功率曲線Fig.14 The electrolysis cell power curve at low power without the rotation optimization strategy

由圖13和圖14可得，無輪值優(yōu)化策略時(shí)，高功率工況中4號(hào)電解槽的功率曲線超過其額定功率，即使考慮電解槽的過載特性也不能完全消納，必然導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生或增加電解槽陣列的容量來全部吸收風(fēng)功率。輪值優(yōu)化策略下，充分利用每個(gè)電解槽單元的過載能力，使得每個(gè)電解槽的功率都不會(huì)超過過載功率同時(shí)又能滿足系統(tǒng)風(fēng)功率消納的目標(biāo)。低功率工況中不同編號(hào)電解槽的功率曲線具有很大的差別，編號(hào)靠前的電解槽全周期運(yùn)行于額定功率，編號(hào)靠后的電解槽全周期處于停機(jī)狀態(tài)。在這種工況下，不同編號(hào)的電解槽損耗程度會(huì)有很大的差別，長(zhǎng)此以往系統(tǒng)整體服役壽命縮短。

為了更直觀地比較兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)電解槽的功率曲線提出相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)，在電解槽的運(yùn)行周期內(nèi)，定義其功率處于額定功率至過載功率之間（包括兩邊界）的時(shí)間占比為Ye，功率處于0至額定功率之間（不包括兩邊界）的工作時(shí)間占比為Ys；處于停機(jī)狀態(tài)的時(shí)間占比為Yt；處于運(yùn)行功率低于氫氣安全功率非停機(jī)狀態(tài)的時(shí)間占比為Yq。不同策略不同功率下電解槽運(yùn)行狀況，見表1。

表1 不同策略不同功率下電解槽運(yùn)行狀況Tab.1 Operation status of electrolyzer under different strategies and different powers

由表1可得，高功率工況下非輪值控制策略，1號(hào)、2號(hào)電解槽處于額定功率工況下時(shí)間占比為100%，處于波動(dòng)功率和停機(jī)狀態(tài)下時(shí)間占比為0%；3號(hào)電解槽處于額定功率工況下時(shí)間占比為61.42%，處于波動(dòng)功率為38.58%，停機(jī)狀態(tài)下時(shí)間占比為0；4號(hào)電解槽各狀態(tài)時(shí)間占比相對(duì)均勻。協(xié)調(diào)輪值優(yōu)化策略下，各個(gè)電解槽運(yùn)行于額定功率的時(shí)間占比分布于55%～85%，波動(dòng)功率時(shí)間占比分布于10%～35%之間，停機(jī)狀態(tài)時(shí)間占比低于20%。

低功率工況下非輪值控制策略，1號(hào)電解槽處于穩(wěn)定功率工況下時(shí)間占比為100%，處于波動(dòng)功率和停機(jī)狀態(tài)下時(shí)間占比為0；2號(hào)電解槽處于穩(wěn)定額定功率與處于波動(dòng)功率時(shí)間占比分別為 58.42%和41.58%，停機(jī)狀態(tài)下時(shí)間占比為0；3號(hào)電解槽處于波動(dòng)功率與處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)間占比分別為 58.83%和41.17%，額定功率下時(shí)間占比為0；4號(hào)電解槽處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)間占比為100%，處于額定功率和波動(dòng)功率時(shí)間占比為 0。數(shù)據(jù)顯示出極強(qiáng)的兩極分化性。協(xié)調(diào)輪值優(yōu)化策略下，各個(gè)電解槽運(yùn)行于額定功率的時(shí)間占比分布于25%～50%，波動(dòng)功率時(shí)間占比分布于10%～50%之間，停機(jī)狀態(tài)時(shí)間占比低于50%。

另外，針對(duì)產(chǎn)氫安全方面，非輪值策略容易發(fā)生氫氣安全問題的低功率運(yùn)行段集中于某一個(gè)電解槽，其時(shí)長(zhǎng)最多占據(jù)整個(gè)運(yùn)行周期的 9.33%，容易發(fā)生氫氧混合達(dá)到爆炸極限的風(fēng)險(xiǎn)；輪值優(yōu)化控制策略可將上述時(shí)間均分至各個(gè)電解槽單體（表中數(shù)據(jù)4號(hào)電解槽數(shù)據(jù)為零是因?yàn)榉抡嬷辉O(shè)置了一個(gè)周期，按照輪換策略，其分?jǐn)偟臅r(shí)間段出現(xiàn)在下一周期內(nèi)），單個(gè)電解槽功率低于氫氣安全功率的時(shí)間段占比最大為 4.83%，相比非輪值策略，其時(shí)間占比下降近50%，可顯著提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

由此可知，非輪值控制策略下電解槽單體全周期內(nèi)的工作狀態(tài)時(shí)間占比相差較大，編號(hào)靠前的電解槽大部分時(shí)間處于額定功率運(yùn)行，編號(hào)靠后的電解槽大部分時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)，反映了不同電解槽長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后折損壽命不同而使得整個(gè)系統(tǒng)的壽命下降；輪值協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略可實(shí)現(xiàn)各電解槽單體的工作狀態(tài)時(shí)間占比相對(duì)均衡化，不同電解槽的老化速度相仿，整體壽命得到綜合提高。

4 結(jié)論

本文梳理了堿性電解槽電熱特性和工作約束，基于輪值思想提出了一種大規(guī)模風(fēng)電堿性電解水制氫電解槽陣列優(yōu)化控制策略。案例結(jié)果表明，提出的改進(jìn)型輪值優(yōu)化控制策略是可行有效的，通過優(yōu)化電解槽陣列工作狀態(tài)，將電解槽運(yùn)行狀態(tài)劃分為額定功率、波動(dòng)功率和停機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了電解槽陣列單體工作時(shí)間的均衡，有效提升電解槽陣列的壽命；輪換策略從制氫安全角度考慮，將電解槽運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，提高制氫的安全性和可靠性。研究成果可為風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。