考虑制氢效率特性的风氢系统容量优化.doc
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1、考虑制氢效率特性的风氢系统容量优化摘要:针对利用风电制氢导致电解槽间歇式运行的问题,提出了考虑制氢效率特性的风氢系统容量配置优化方法。首先研究了电解槽的制氢效率特性,评估电解槽的最优工作区间;在此基础上,采取电网辅助购电策略,维持电解槽的最优运行;考虑售电收益、售氢收益、投资运维成本和弃风成本,以风氢系统联合收益最大化为目标,计及风氢系统稳定运行约束和风电出力爬坡约束,合理地分配风电上网功率和制氢功率。文章联合风电外送输电工程进行了风氢系统容量配置优化,为风氢系统的容量优化提供新思路。引言随着煤、石油等化石能源的大规模开采和过度使用,带来环境污染、能源短缺和温室效应问题,全球能源重心开始转向清
2、洁能源,以风电和太阳能为代表的可再生能源发展迅猛1。由于风电的间歇性和随机性,其大规模并网对电网安全稳定运行造成了重要的影响2。针对风电的大规模并网消纳问题,一些学者提出将风电与氢系统结合构成风氢系统,通过电解槽制氢吸纳过剩风电,制成的氢气可直接出售,也可在风电出力不足时通过燃料电池发电3。文献4利用氢储能消纳过剩风电,以风电外送容量限制450MW为基础,进行氢系统的容量配置和经济性分析。文献5,6考虑风氢系统参与电力市场,从风电场获取更多利益的角度出发,以时间套利、提供辅助服务等方式配置氢系统。文献7研究了风-氢-燃并网系统功率平滑输出过程中的电解槽、燃料电池容量优化及系统经济性评估问题,针
3、对风电输出功率与估计值的波动进行容量优化。风电的随机性、波动性以及氢系统吸纳过剩风电的方式,不可避免地会出现电解槽间歇式运行的情况。风电的间歇性和随机性会对电解槽的效率、寿命及制成的氢气纯度产生一定的负面影响8。文献9指出,电解槽间歇式运行会出现两种不利情况:电解槽负荷很小时,其电解产生的氧气和氢气会在电解质中混合形成易燃气体,产生安全隐患;电解槽将工作温度提高到额定运行温度需要一定的时间,而间歇式运行导致电解槽长时间运行在低于额定温度的工作环境下,将降低电解效率。因此,应尽可能避免或不允许电解槽出现间歇式运行情况,确保其能够高效稳定制氢。文献10为实现制氢效率在风电出力波动和温度变化的情况下
4、最大化,提出了一种电网辅助风电制氢系统的控制策略,即在风电出力不足时向电网购电,确保电解槽的稳定运行。文献11针对电网辅助下的风氢系统的制氢能力进行了评估,尚未考虑风氢系统的容量配置。文献12对电网辅助下的风电制氢系统进行了容量优化,仅考虑电解槽额定运行的工作状态。文献13提出了一种考虑制氢效率特性的煤-风-氢能源网调度优化策略,在分析制氢设备效率特性时指出,输入功率达到额定功率并不一定是最好的运行策略,应跟随负荷需求和风电出力的动态变化,追求能源网全局的经济性最优。本文在以上研究的基础上,提出了考虑制氢效率特性的风氢系统容量配置优化方法;研究了电解槽的制氢效率特性;以电解槽高效运行和制取高纯
5、度氢气为目标,获取其最优工作区间;采取电网辅助购电策略,在风电出力不足时向电网购电,维持电解槽的最优运行;在保证风氢系统联合经济性最优的条件下,跟随风电出力的动态变化,合理地分配风电上网与风电制氢;结合风电外送输电工程进行风氢系统容量优化配置。1电解槽制氢特性建模1.1电解水制氢原理当前电解槽主要包括碱式(AEL)、质子交换膜式(PEM)和高温固体氧化物式(SOEC)3种类型14。以PEM电解槽为例,水在阳极导入并分解出H+;氢离子通过薄膜进入阴极产生氢气,在阳极产生氧气(图1)。电解槽的效率随输入功率(标幺值)的变化关系如图2所示。由图2可知,随着输入功率的增加,电解槽效率迅速提高,在0.3
6、1附近达到效率的峰值,此时电解槽效率为83.42%;然后电解槽效率缓慢下降。当输入功率为电解槽的额定功率时,电解槽效率为71%;当电解槽处于020%的低负载率时,电解效率低,氢气产量少;当电解槽负载率为20%50%时,电解槽的效率高,但制氢量少;当负载率大于50%时,虽然电解槽效率逐步降低,但其电解效率仍较高,且制氢量增加,制氢边际成本减少。通过上述分析可知,综合考虑电解槽效率、制氢量及制氢纯度,电解槽的最优工作区间为额定功率的50%100%。2联合优化系统模型构建图3为风氢系统的结构示意图。风电场出力可通过输电工程并入电网,也可通过电解水制成氢气。氢气经压缩储存在高压储氢设备中,可运送到加氢
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