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基于功率温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化

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admin 发表于 2024-12-14 11:40 | 查看全部 阅读模式

文档名:基于功率温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化
摘要:随着可再生能源发电及电解制氢技术的发展,基于质子交换膜(PEM)技术的可再生能源制氢将成为氢能供应的主要手段之一.新能源发电具有随机性和波动性,现有多堆PEM电解制氢系统功率分配策略难以在功率波动场景下保证系统高效运行.对此,该文首先建立了包含主要能耗环节的制氢系统整体效率模型,探究了制氢效率与电流密度、温度的特性关系.然后,根据该效率特性提出了基于功率-温度自适应控制的多堆PEM电解制氢系统效率优化策略,包含离线优化与在线控制两部分:离线优化部分根据制氢系统效率模型预先制定不同电解总功率下的电解槽功率及温度设定方案;在线控制部分根据离线优化方案、制氢功率进行电解槽功率和温度调节.最后,采用实际风电功率进行算例分析,结果表明,相比于传统的功率平均分配策略和链式分配策略,该文提出的效率优化策略将产氢量分别提高了6.4%和5.7%.

Abstract:Withthegrowingfocusofhumansocietyonlow-carbonenergy,theproportionofhydrogenenergyinpowersystemsisincreasingandthehydrogenproductionsystemfromwaterelectrolysisisevolvingtowardsalargercapacityandmultiplestacks.Waterelectrolysisbasedontheprotonexchangemembrane(PEM)technologyusingrenewableenergyisapromisingmeansofpromotingtheconsumptionofrenewableenergyandbuildingalow-carbonpowersystem.However,therandomnessandvolatilityofrenewableenergyposechallengestotheefficientoperationofamulti-stackPEMelectrolytichydrogenproductionsystemunderfluctuatingpowerscenarios.Toenhancetheefficiencyofhydrogenproductionsystemswithmulti-stackPEMelectrolyzers,thisresearchproposesanefficiencyoptimizationstrategywithpower-temperatureadaptivecontrol.Theresearchworkisdescribedasfollows:Firstly,anoverallefficiencymodelofthehydrogenproductionsystemisestablished.Therelationshipbetweenoptimalsystemefficiencyandtheelectrolyticpowerandtemperatureisanalyzed.Itrevealsthattheoptimalelectrolyticefficiencymightnotbeachievedattheupperlimitsofelectrolytictemperature.Whenthecurrentdensityislow,theoptimalelectrolytictemperatureisrelativelylowduetothesignificantreductioninFaradayefficiencycausedbytemperaturerise.However,whenthecurrentdensityexceeds1.5A/cm2,theoptimalelectrolysistemperatureincreaseswiththeincreaseofcurrentdensity.Therefore,toimprovetheelectrolyticefficiencywhenthepowerofrenewableenergyfluctuates,itisnecessarytoproperlyadjusttheelectrolyticpowerandtemperatureoftheelectrolyzers.Secondly,offlineoptimizationandonlinecontrolareemployedtoenhanceelectrolyticefficiency.Theofflineoptimizationinvolvesatwo-stageoptimizationmodel,wherethefirststageoptimizesthestartupandshutdownstatus,electrolysispower,andtemperaturesettingsofdifferentelectrolyzerstomaximizehydrogenproductionefficiency.Inthesecondstage,aspecificpower-temperatureimplementationschemeisdeterminedfortheelectrolyzers,toachieverapidtemperatureadjustmentwhentherearemultiplesolutionsinthefirststage.Intheonlinecontrolsection,thedynamicmodelsofthepowerandtemperaturecontroloftheelectrolyzersareestablished,respectively.Basedonthecurrenttotalpowerofhydrogenproductionandthepower-temperaturesettingschemedeterminedintheofflineoptimizationstage,thePWMmodulationsignalandthevalveopeningsignalaregeneratedbythebuckandthevalvecontrollers,respectively.Finally,toverifytheeffectivenessoftheproposedefficiencyenhancementstrategy,acomparisonismadebetweentheproposedmethodandtheexistingaverageallocationstrategyandchainallocationstrategy.Theanalysisshowsthattheefficiencyofhydrogenproductionisaffectedbybothelectrolyticpowerandtemperature.Increasingtheelectrolysistemperaturedoesnotnecessarilyimprovethehydrogenproductionefficiency,anditsoptimalvalueshouldbedeterminedbasedontheelectrolysispower.Comparedwiththeaverageallocationstrategyandthechainallocationstrategy,thepower-temperatureadaptivecontrolstrategyproposedinthisresearchcanmakefulluseoflowrenewableenergyefficiently,whilemaintaininghighefficiencyoveralargepowerrange,makingitsuitableforhydrogenproductionwithpowerfluctuations.Inactualscenariosofhydrogenproductionfromwindpower,theproposedpower-temperatureadaptivecontrolstrategycanincreasehydrogenproductionby6.4%and5.7%,respectively,comparedwiththeaverageallocationstrategyandchainallocationstrategy.

作者:韩鹏飞  徐潇源  王晗  严正Author:HanPengfei  XuXiaoyuan  WangHan  YanZheng
作者单位:电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)上海200240;上海非碳基能源转换与利用研究院上海200240
刊名:电工技术学报
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(7)
分类号:TQ116.2TM73
关键词:质子交换膜电解槽  电解制氢  新能源发电  效率优化  自适应控制  
Keywords:Protonexchangemembraneelecrolyzers  powertohydrogen  renewableenergypowergeneration  efficiencyoptimization  adaptivecontrol  
机标分类号:TM614TM715X781.1
在线出版日期:2024年4月12日
基金项目:国家自然科学基金,国家自然科学基金基于功率-温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(7)韩鹏飞  徐潇源  王晗  严正随着可再生能源发电及电解制氢技术的发展,基于质子交换膜(PEM)技术的可再生能源制氢将成为氢能供应的主要手段之一.新能源发电具有随机性和波动性,现有多堆PEM电解制氢系统功率分配策略难以在功率波动场景下保证系统高...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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2024-12-14 11:40 上传
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