电-氢互动的电制氢系统建模技术-袁铁江

电-氢互动电解水制氢系统建模技术2024年12月合肥2024年12月合肥大连理工大学“氢能与储能技术研究团队”()——面向国家能源领域重大战略需求科研定位：立足学科前沿!突破关键技术!服务重大需求!规划方法备技术论与方法主“氢能与储能技术”研究团队——概况“氢能与储能技术”研究团队——概况理论与方法科研平台阶段性成果理论与方法科研平台阶段性成果冯新星，博导，教授级高工，重点关注氢能系统的新材料技术。研究制氢系统并研究电-氢网络研究电-氢协同不确研究电-氢耦合系研究可逆燃料电池研究电解槽性能优研究电-氢耦合系难点分析难点分析制氢效率偏低、储输基础设施缺口大、终端用氢成本高制氢效率偏低、储输基础设施缺口大、终端用氢成本高制储-用氢各环节能流交互复杂，边际影响因素多燃料电池燃氧轮机内燃机储运气体|藏车液态|管道固体|载体绿氢生产潜力分析多时空尺度氢能需求预测然解决思路解决思路面向电-氢耦合的“制储-输-用”全产业链发展决策分析系统难点分析难点分析功率-效率特性无法反应电解槽内部运行机制行:世入习)多物理场模型控制方程复杂两子4J-5化U-BoP运行参数繁多，设备耦合运行特性不明晰电堆海供应海供应ONK级也概基于多物理场模型的数据集生成基于多物理场模型的数据集生成边界条件高保真数字电制氢系统基于瞬态特性的并网运行控制G解决思路目标函数*难点分析难点分析新能源预测精确性不足，电力系统规划结果可信度低新能源大量并网导致不确定性加剧，基于时序运行模拟的规划方法成为主流，结果可靠性与求解效率面临挑战a以如行亚突破现有规划框架，提出电夹点分析法由低6突破现有规划框架，提出电夹点分析法由低6两堂监0列分%B个年列重构石计第，飘夹血定位.阱匹配规避了生产过程设计的局部最优缺陷，从完全能量目标的规划与分析平台解决思路电力系统系统设源、辩分解工制氢系统动态建模与控制制氢系统动态建模与控制制氢站多尺度并网仿真分析程序制氢站多尺度并网仿真分析程序引入热非平衡理论处理暂态耦合建模问题电解槽质热耦合机制刻画难引入热非平衡理论处理暂态耦合建模问题资登千热吧介解决思路难点分析解决思路难点分析离子相泊松方程固相热传导方程离子相泊松方程固相热传导方程流相热传导方程一次一次难点分析难点分析电解槽变工况运行暂态局部热点极易失控热损坏解决思路解决思路建立质热耦合阵列变工况并网控制模型,0.,0.二次调频传感器PoQ0一次调级单元控制器电堆热、气w难点分析难点分析新能源-制氢灵活匹配难多能耦合机理不明确集成工艺复杂、过程控制难高灵活性氢-高灵活性氢-火耦合电站解决思路解决思路集成设计支撑运行控制·系统过程工艺设计集成设计支撑运行控制·性能指标评价体系辅区-流道气体分布不均阳极多孔传输层逆流传质问题流道气体分布不均难点分析难点分析真空掩膜技术精准调控电解槽多孔传输层结构流道的形状位置调整优化一先进电解水制氢系统基于传质特性分析的淌湿性调控先进电解水制氢系统解决思路解决思路优化流场，提高反应均匀性郊湛于流道结构分析的传输优化调控sW民光-风储隐煤治综合能源实验系统地料电池流体计算结构设计●结构动力学顺态模优化顺态模优化经济成本分析工2013,省级杰青，风电-氢储能与煤化工多能耦合系统集成(50万)2014,国基面上(第一个),氢储能耦合分散式风电消纳研究(51577163,73万)2023,国重研发，十兆瓦级碱性-质子交换膜混合制氢系统关键技术与示范(子课题负责)2024,省重研发，规模化制氢氨转化关键技术研发及示范(子课题负责)2021,国网总部，高比例新能源区域电同消纳受阻因素智能辨识及辅助决策技术研究2021。国网总部，面向电力系统多时间尺度调节需求的电-热-氢匹配模式及运行策略研究2022,国网总部，电解水制氢-储氢-供氢系统联合规划仿真及电-氢协同互动模式研究2022,国网总部，氢能在新型电力系统中发展路径研究2022,国网总部，面向电网互动调节的柔性电氢制充注一体站规划设计关键技术研究及应用2022,国网总部，支撑电网互动调节的规模化电制氢集群协同规划设计关键技术研究及应用2022。国网总部，兆瓦级电氢融合能源枢纽灵活高效运行及主动支撑关键技术研究与示范2023,国网总部，基于电氢可逆转换的电力应急保供技术研究及示范验证2022,国网辽宁，基于氢能的风-火耦合多能系统关键技术与研究2023,国网辽宁，光伏直流耦合制氢技术研究及装置研发2018,国网甘肃，通过氢能综合利用实践能源互联网甘肃模式实现长时空尺度下新能源消纳的适应性研究2022,国网甘肃，大规模风光互补制氢关键技术研究2023,国网甘肃，提升新能源消纳能力的甘肃电网电氢协同规划方法研究2022,国网新疆，基于氢能的综合能源系统研究2023,国网新疆，电制氢虚拟储能补偿系统转动惯量VSG控制技术2023,国网新疆，双碳目标下面向终端燃料清洁替代的分布式新能源制-储氢能技术研究(一)能源系统演进路径终极目标：人类社会能源系统演变的总体目标与方向是“脱碳”演化路径：重碳能源系统→大规模新能源系统→新型能源电力系统主要特征：化石能源为主→新旧能源并驾齐驱→可再生能源为主体关键挑战：高耗能高污染→消纳受限降碳困难→随机性强不确定性脱碳思路：节能减排技术→脱碳思路：节能减排技术→以氢为桥组合优化→电氢融合源荷互动→大规模新能源→电力—电网级长时氢储能关键技术交通石油能源其它可再生能源重碳传统能源煤炭→11研究背景国家战略需求："2030年前碳达峰、2060年前碳中和"能源清洁持续供给化石能源加氢原料化清洁利用新能源制氢-储能化石能源加氢原料化清洁利用(三)氢能需求量化评估到2060年，我国可再生能源发电量将达到13.44万亿千瓦时，电解水制氢亿干瓦时，绿氢产量达到9380万吨；我国电力、工业、交通、市政(建筑)四大领域氢气需求将增至134亿吨左右，电力领域用氢量达到2000万吨，可填补约7000亿干瓦时电力缺失，在能源电力系统源-荷两侧作用凸显。建筑领域536建筑领域536炼化3045甩解水制笔9380其E工业1600客车：5293交通领过315其它制复方式1340d莱22总体思路——原理模型技术难点：①制氢工艺过程对电制氢系统电、热、气运行机制不明晰，电池或电堆的外特性难以准确反应电制氢系统内部运行特性。②电制氢系统中的制氢工艺过程跨越了从宏观到微观的多个尺度，各设备模型耦合运行过程难刻画。创新策略：①建立电池+电堆+BoP的电制氢系统，实现电制氢系统从设备级到系统级建模；②采用3维多物理场电堆模型+0维BoP模型，建立高维与低维数据交互接口，实现电堆与BoP多尺度分层耦合。电解槽安全水封洗涤器洗涤器洗涤器洗涤器贮气柜安全水封电化场●温度场●两相流场加压泵氧气高压电堆室宝◎爱用户加压泵氢气中压压增机氢气高压用户加压泵氢气中压压增机氢气高压装置00室aa(8822总体思路——经济运行特性技术难点：①非原位性电堆性能测量方法不具备连续动态测试能力，难以刻画不同操作条件下电堆性能动态衰减过程：②电解槽电堆性能衰减数据主要通过加速应力方式获取，难以评估随机变工况下寿命衰减对系统经济运行特性影响。创新策略；①建立电解槽电堆数字孪生模型，模拟不同操作条件下电堆运行状态，获取电堆在不同影响因素下衰减数据集；②基于衰减数据集建立随机变工况下电堆寿命衰减累积效应模型，开展计及寿命衰减的经济运行特性评估与分析。电堆散字变生系统架构.电堆散字变生系统架构.1数据生成几何模型败学模型场技术不生数赋公积智臣交互识别二三路技术立撑数部采集技术校琰集成技术仿真;字生系统生回池映射I------电解槽电堆退化机理----------阿极权低丑极失里类地化测量迟延功率计算Af测量迟延功率计算惯量控制虚拟励磁惯量控制虚拟励磁调节控制电解槽热电特性耦合方程同步电机电磁特性耦合方程PQUp.T新能源p.T电压电流双环控制22总体思路——电磁暂态模型等效电路模型、三三网a可霞交直流变换nn→常规参数022L0自适应参数mw22aSSa常规参数高电盗出度常规参数高电盗出度衡入衡入模型搭建基于有限元法，搭建电解槽三维多物理场耦合模型。建立包含极板、流道、扩散层、催化层、隔膜的电解槽几何模型，明确各计算域中电化学场、流场、温度场守恒方程，求解不同运行工况下的多模型搭建运行工况口电压口温度口压力口流速口浓度扩散层催化层膜守恒方程守恒方程电化学流场温度场离子电子V(-oVpm)=S电荷守恒方程v(-Vp_)=S输出间s气液两相动量守恒方程模型验证从仿真结果和经验模型的极化曲线对比图中可知，模型拟合结果在误差范围内；氢气生成量约为氧气生成量的2倍，与电解水化学反应相符。且随着工作电压、电解质浓度的升高，产气量也逐渐升高。模型验证不同电压下氢、氧摩尔浓度V_cell=2.4VV_cell=2.5VV氢、氧摩尔浓度H₂出口出口入口模型搭建基于电堆组件退化机理，构建PEMWE电堆数字孪生模型，模拟电堆在不同影响因素作用下的退化行为，获取电堆性能衰减趋势数据集；建立随机变工况下电堆寿命衰减累积效应模型，计算不同工况下的电堆寿命衰减量，进而开展考虑衰减的全寿命周期经济特性分析。模型搭建13221322rn2ence工作电压：I=I+1(1)+1(波动库行m波动库行mK0K。口，口3口，口3忍度场气两相浓场度变化电化学场：,=k+V_(1)+V(1)+V(1)+V(1)FR扩败FR质子传导场N-LC=DC125C电堆数字孪生系统能够有效刻画电解槽变功率运行过程中退化率变化的随机波动性与累积增长特性，生系统的可靠性，相比于传统加速应力测试方法和非原位性测量方法，寿命预测精度更高。电化食唐Am)电化食唐Am)2时间生22时间生22狗要他2时同/h这碗数病预测值○登数码时22uu场景电流密度退化量/(A/cm)1组2组3组电解槽实测电流密度衰减量为0.35A/cm²3建板数据预测值对比方法一所就方法时间电堆性能衰减仿真结果界，提出多时间尺度电氢协同规划框架，构建氢储能与短时储能协同的经济运行模型。数拒处理数拒处理中长时间R能发电量占比约束等B标：电源、储能适行或本H中长时间尺度运行根型短时回行模型及其协领型短时间及其协花;年回花;年回时间尺度;国时月只度，小时上层容量配置模型minHa=H+A-NEa1=E,+7Pa电量平衡源氢储荷电量平衡ZP,+8r7yHmr+Σ⁸7ePu=ZP,燃料电池衰减成本仿真结果电氢储能协同运行过程中，火电机组与电池储能承担周内调峰，氢储能承担跨季节能量调节。单周运行曲线单周储能运行单周运行曲线单周储能运行状态全车卷思负荷-R电-光伏——火电机组电池储能结L401w长时储能对提升新能源消纳率效果显著考虑长时储能不考虑长时储能经控制框架控制框架基于制氢系统的并网需求，提出了考虑电解槽状态的VSG参数自适应调节策略，并设计了电解槽附加响应控制方法。VSG控制的外环实现了有功调频和无功调压，内环则负责生成调制信号。电解槽附加响应控制能够充分挖掘电解槽的调节潜力，并增强系统的稳定性。开开mY怀运行候=TPr控制中心r控制中心001Tx1T<<CEY湘Yuu本行哄=DA4该行候433研究进展——控制系统建模交流控制交流控制VSG控制结构控制参数范围电解格约束(变动)!约束逆变器井网约束：电解槽约束：逆变器井网约束：AP=(6)≥AP_阻尼比约束：截止频率约束：调整时间约束：截止频率约束：电解槽温度影响阻尼比约束