【四川大学】2024可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践报告_35页_4mb

可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践总结

核心内容

可再生能源发电制氢一体化系统（ReP2H）是实现绿氢规模化制备和消纳的重要途径，其研究涵盖电解水制氢装置建模、能量管理、有功-无功协调优化以及多主体参与下的投资与运营问题。该系统涉及多个技术领域，包括电气工程、化学工程和信息处理，需解决动态运行、多时间尺度协调、系统稳定性、经济性与多主体博弈等复杂问题。

主要观点

1. 绿氢的重要性

   • 绿氢可实现可再生能源的规模化消纳，并有助于脱碳减排。
   • 《“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方向。
   • 全球2050年目标要求29%的合成氨/硝酸产能和所有新增产能实现绿氢替代。

2. 电解水制氢装置动态运行建模

   • 电解水制氢系统包含多个子系统，其动态行为受电化学、传热、传质过程影响。
   • 提出详细状态空间模型，用于刻画新能源消纳应用中的变负载运行工况。
   • 开发模型预测控制器 (MPC)，以提升能量转换效率和安全性。
   • 引入贝叶斯推断和自适应多项式代理模型，实现模型参数的在线自动调整。

3. ReP2H一体化能量管理

   • 构建分层能量管理框架，协调发电、制氢和氢负荷。
   • 针对离网应用，集成储能构网控制、N-1故障处理等功能。
   • 开发实时控制算法，实现制氢机启-停-备状态切换与负载分配的优化。
   • 案例研究显示，协调有功-无功功率管理可提高氢气产量2.49%，同时降低网损3.12%。

4. 有功-无功协调优化

   • 电解槽由晶闸管整流器供电，其有功和无功负荷存在非线性关系，无法解耦。
   • 提出有功-无功协调调度方法，结合无功补偿和有载调压 (OLTC) 控制，以提升系统效率并解决电压安全问题。
   • 通过分解算法实现在线优化求解，满足不同时间尺度下的调控需求。

5. 多主体参与下的考量

   • ReP2H系统涉及多个投资主体，存在协调与利益分配问题。
   • 采用非合作博弈模型，结合KKT条件和多割广义Benders分解 (GBD) 解决多主体定容均衡 (MSSE) 问题。
   • 建立详细的物理和交易模型，反映各子系统间的灵活性差异。

关键信息

• 绿氢消费现状：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。
• 政策支持：内蒙古自治区提出风光制氢一体化项目需满足年净上网电量不超过新能源总发电量的20%。
• 欧盟标准：要求制氢需使用100%可再生能源，并对时间与空间相关性提出具体要求。
• 技术挑战：目前一体化项目多依赖电网支撑，存在电网让利问题，且部分项目因技术不成熟被撤销或搁置。
• 系统组成：包括发电、制氢、储氢及化工用氢负荷，各子系统调节时间尺度差异大，耦合关系复杂。
• 参数估计与建模：提出结合贝叶斯推断和自适应多项式代理模型的参数估计方法，实现模型参数的实时调整。
• 控制策略：开发PID-1控制器与变参数MPC控制器，提升系统控制精度与响应速度。
• 经济性与可持续性：储能退化成本显著，需合理规划储能容量，以降低运行成本。
• 多主体博弈：通过建模与优化算法解决多主体投资与运营的均衡问题，提升系统整体效率。

实践案例

• 吉林长春光伏制氢加氢一体站：部署能量管理系统，实现日前调度与实时平衡控制。
• 吉林松原绿色氢氨醇一体化项目：包含750MW风电、50MW光伏和60台5MW碱性电解水制氢装置，协调有功-无功调度后网损降低至1.84%。
• 蒙西工程测算：确定离网ReP2H系统所需储能容量，结果显示制氢负荷调节频率和深度对储能需求有显著影响。

总结

ReP2H系统是实现绿氢规模化应用的重要路径，其发展需兼顾技术、经济与政策多方面考量。当前研究已覆盖从电解水制氢装置建模到多主体投资博弈的多个方面，但仍面临储能成本高、参数估计不准确、多时间尺度协调困难等挑战。未来需进一步提升系统灵活性、优化控制策略，并推动政策与技术的协同发展，以实现绿氢的可持续利用与可再生能源的高效消纳。