許子怡，孫立政，王 豐，卓 放

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)正在加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，然而我國(guó)電力系統(tǒng)存在對(duì)風(fēng)、光等新能源發(fā)電消納能力不足的問題，使得大量棄風(fēng)、棄光、棄電等現(xiàn)象頻發(fā)。而氫能作為一種新型的能源載體，具備清潔、可規(guī)?；L(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，利用可再生能源發(fā)電制氫，實(shí)現(xiàn)電-氫環(huán)節(jié)的相互耦合，能夠有效地解決新能源消納問題［1-2］。另一方面，氫能被廣泛地應(yīng)用于交通、供熱、化工等領(lǐng)域，尤其是化工領(lǐng)域的用氫需求最大［3］。為了減少制氫及化工行業(yè)的碳排放，滿足化工行業(yè)對(duì)氫原料的巨大需求，需要將氫儲(chǔ)能技術(shù)作為橋梁，建立可再生能源發(fā)電與下游化工之間的聯(lián)系［4］。因此，有必要對(duì)電力系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能與煤化工三者構(gòu)成的電-氫-化多能耦合系統(tǒng)的模型、控制等相關(guān)技術(shù)問題展開研究。

電-氫-化耦合系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)包括電解槽電源供電（電氣環(huán)節(jié)）、電解水制氫系統(tǒng)（制氫環(huán)節(jié)）、輔助設(shè)備（輸氫儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)）以及下游煤化工（用氫環(huán)節(jié)）。對(duì)電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行精確建模，是實(shí)現(xiàn)電-氫-化耦合系統(tǒng)性能評(píng)估、運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。堿性電解水制氫是當(dāng)前發(fā)展最為成熟的電解水制氫技術(shù)，具有單臺(tái)產(chǎn)品規(guī)模大、成本低、壽命長(zhǎng)、功率可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光伏、風(fēng)機(jī)的波動(dòng)性出力具有很強(qiáng)的適應(yīng)性［5］。已有眾多學(xué)者提出了不同類型的堿性電解槽建模方法。其中電化學(xué)模型是電解槽建模的核心，已提出的建模方法包括線性模型［6］、機(jī)理模型［7-8］、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?-10］、等效電路［11］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［12］等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪悄壳白畛Ｓ玫慕７椒?，其通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合處理得到模型參數(shù)方程。文獻(xiàn)［9］提出了一種最廣泛使用的描述電解槽電化學(xué)行為的模型，通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)極化曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)模型表達(dá)，包含6 個(gè)擬合參數(shù)。文獻(xiàn)［10］在此基礎(chǔ)上建立了包含8 個(gè)擬合參數(shù)的電解槽電壓-電流特性曲線。

同時(shí)，在電-氫-化耦合系統(tǒng)中，電解水制氫系統(tǒng)在消納風(fēng)、光等可再生能源或參與電網(wǎng)平衡調(diào)控的同時(shí)，其變負(fù)載運(yùn)行需滿足裝置自身的溫度、壓力約束以及下游煤化工用氫約束。目前，已有的國(guó)內(nèi)外研究較多地圍繞電-氫耦合系統(tǒng)開展研究［13-14］，但可再生能源電解水制氫與燃料電池組成的電-氫耦合系統(tǒng)存在能量轉(zhuǎn)化效率低的問題，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)氫能的有效利用，且對(duì)該類系統(tǒng)的研究常忽視了電解槽的溫度、壓力約束，或僅考慮了儲(chǔ)氫罐約束［15］。而針對(duì)電-氫-化耦合系統(tǒng)的研究正逐漸成為學(xué)者們的關(guān)注焦點(diǎn)［4，16］。文獻(xiàn)［17］對(duì)電-氫-化耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行建模，考慮電力系統(tǒng)與氫系統(tǒng)的運(yùn)行約束條件，提出了一種系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)［18］針對(duì)下游氫負(fù)荷波動(dòng)不確定的新能源制氫系統(tǒng)，提出了一種自適應(yīng)功率協(xié)調(diào)控制策略。但上述研究所提控制方法均未提及電解槽的溫度、壓力約束。文獻(xiàn)［19］提出了一種風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)的基本架構(gòu)，構(gòu)建了系統(tǒng)功率流和氫氣流的控制策略，但僅考慮了電解槽的壓力約束。文獻(xiàn)［20］探究了產(chǎn)氫與用氫之間的相互作用，同時(shí)考慮了儲(chǔ)氫罐及溫度的相關(guān)約束。上述研究所提控制方法大多僅考慮了單一約束條件，鮮少有研究考慮多約束條件下系統(tǒng)的控制方法，并給出詳細(xì)的控制框架。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)電-氫-化耦合系統(tǒng)的各核心環(huán)節(jié)模型與系統(tǒng)整體運(yùn)行控制策略進(jìn)行研究。首先，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)兆瓦級(jí)堿性電解槽進(jìn)行建模，并對(duì)輔助設(shè)備（如壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐）進(jìn)行建模，選用24 脈波晶閘管整流器作為制氫電源為電解槽提供直流電；然后，綜合考慮電解槽溫度、電解槽壓力、儲(chǔ)氫罐壓力、下游煤化工環(huán)節(jié)用氫等約束條件，提出電-氫-化耦合系統(tǒng)的控制策略，包括電解槽的功率控制、溫度控制、壓力控制；最后，通過對(duì)電-氫-化耦合系統(tǒng)的功率波動(dòng)、產(chǎn)氫速率、電解槽溫度、電解槽壓力、儲(chǔ)氫罐壓力等運(yùn)行特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證所提控制策略的可行性及正確性。

1 電-氫-化耦合系統(tǒng)描述

本文所提電-氫-化耦合系統(tǒng)的示意圖如圖1 所示，其由可再生能源（如風(fēng)電、光伏）、AC／DC 變換器（制氫電源）、電解水制氫系統(tǒng)、壓縮儲(chǔ)運(yùn)、化工合成組成。在并網(wǎng)方式下，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)由外部電網(wǎng)供能，消納可再生能源發(fā)電（如風(fēng)電、光伏發(fā)電）的不穩(wěn)定性，支撐電網(wǎng)為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰服務(wù)。本文的電解水制氫系統(tǒng)中采用堿性電解槽制取氫氣，包括電解槽、冷卻換熱、氣液分離、純化干燥等環(huán)節(jié)。本文重點(diǎn)關(guān)注電解槽、冷卻換熱、壓縮儲(chǔ)運(yùn)之間的傳質(zhì)和傳熱關(guān)系。在氫能儲(chǔ)運(yùn)方面，高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)已商業(yè)化，是最為廣泛的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式。在氫能利用方面，電解水制取綠氫可作為工業(yè)原料合成氨、甲烷、甲醇等。

圖1 電-氫-化耦合系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric-hydrogen-chemistry coupling system

2 堿性電解水制氫系統(tǒng)模型

堿性電解水制氫系統(tǒng)支撐新能源消納，在用電低谷時(shí)段通過電化學(xué)反應(yīng)將剩余電量轉(zhuǎn)化為氫氣并進(jìn)行存儲(chǔ)，為下游的煤化工供給氫氣。堿性電解水制氫系統(tǒng)是一個(gè)包含電、熱、化等多種能量形態(tài)耦合的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，因此電解槽的數(shù)學(xué)模型包含電化學(xué)模型、熱力學(xué)模型等相互關(guān)聯(lián)的部分。不同建模方法的對(duì)比如附錄A 表A1 所示。本文采用成熟的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)兆瓦級(jí)堿性電解槽進(jìn)行建模。同時(shí)，本文研究?jī)H針對(duì)電解水、壓縮、儲(chǔ)存過程，簡(jiǎn)化的堿性電解水制氫系統(tǒng)及輔助設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中：Uel為電解槽的總電壓；Iel為電解電流；Pel為電解槽的功率；Ucell為單個(gè)電解小室的電壓；Tel為電解槽的溫度；VH2為電解槽的產(chǎn)氫速率；VH2-out為電解槽的氫氣排出速率；pel為電解槽中的氫氣壓力；nH2為氫氣的積累量；ηe為電解槽的能效；psto為儲(chǔ)氫罐中的氫氣壓力；nsto為儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣的積累量；VH2-fc為煤化工等的耗氫速率；Pcomp為壓縮機(jī)的壓縮功率。

圖2 堿性電解水制氫系統(tǒng)及輔助設(shè)備的模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Model structure of alkaline electrolytic water hydrogen production system and auxiliary equipment

2.1 堿性電解槽模型

2.1.1 電化學(xué)模型

對(duì)于雙極式電解槽而言，電解槽的總電壓Uel為單個(gè)電解小室的電壓Ucell之和，如式（1）所示。

式中：Nel為電解小室的數(shù)量。

電化學(xué)模型可根據(jù)電解槽在不同溫度下的電壓-電流極化曲線得到［9］，單個(gè)電解小室的電壓Ucell的計(jì)算公式為：

式中：Urev為可逆過電壓，表示啟動(dòng)電解所需的最小電壓；Uohm為歐姆過電壓；Uact為活化過電壓；Ael為電極面積；r1、r2為電解液的歐姆電阻參數(shù)；s、t1、t2、t3為電極過電壓系數(shù)。

根據(jù)法拉第定律，電解槽的產(chǎn)氫速率VH2與電解電流成正比線性關(guān)系，且與電解小室的數(shù)量成正比，如式（3）所示。

式中：ηF為法拉第效率；z為反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)。

法拉第效率ηF隨著電流的變化而變化，其經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式如式（4）所示。

式中：f1、f2為法拉第效率的系數(shù)。

假設(shè)電解槽中氫氣泄漏忽略不計(jì)，則陰極的氫氣積累速率V′H2、制氫結(jié)束時(shí)刻的氫氣積累量nH2(t1)可分別表示為：

式中：t0、t1分別為制氫初始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻；nH2(t0)為制氫初始時(shí)刻的氫氣積累量。

此外，電解槽中的氫氣壓力pel可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求出，如式（7）所示。

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；Vel為陰極的體積。

電解槽能效ηe的計(jì)算公式為：

式中：Utn為熱中性電位。

2.1.2 熱力學(xué)模型

電解槽的溫度會(huì)影響制氫效率、功耗、氣體純度以及電解裝置的壽命和安全，對(duì)于整個(gè)電解槽的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。基于電解槽內(nèi)的熱平衡建立系統(tǒng)的熱力學(xué)模型［7］，如式（9）所示。

式中：Ct為總熱容；Qgen為電解槽內(nèi)部產(chǎn)生的熱量；Qloss為向周圍環(huán)境散發(fā)的總熱量損失；Qcool為輔助冷卻的熱量損失；Rt為電解槽的熱電阻；Ta為環(huán)境溫度；Ccw為冷卻水的比熱容；mcw為冷卻水的質(zhì)量流量；Tcw-i、Tcw-o分別為電解槽入口、出口的電解液溫度；UHX為熱交換機(jī)的熱交換系數(shù)；ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫度差，表示輔助冷卻的需求。

2.2 輔助系統(tǒng)模型

對(duì)于氫氣的物理存儲(chǔ)，本文選用高壓儲(chǔ)氫，壓縮機(jī)的壓縮功率Pcomp可根據(jù)式（14）計(jì)算。

式中：αcomp為壓縮機(jī)的效率；W為壓縮機(jī)的壓縮功，與電解槽中的氫氣壓力pel和儲(chǔ)氫罐中的氫氣壓力psto有關(guān)；K為多級(jí)效率。

忽略氫氣的泄漏速率，制氫結(jié)束時(shí)刻儲(chǔ)氫罐中的氫氣積累量nsto(t1)可表示為：

式中：nsto(t0)為制氫初始時(shí)刻儲(chǔ)氫罐中的氫氣積累量。

此外，儲(chǔ)氫罐中的氫氣壓力psto可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求出，如式（17）所示。

式中：Tsto為儲(chǔ)氫罐的工作溫度；Vsto為儲(chǔ)氫罐的體積。

3 制氫電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制策略

本文所提考慮多約束條件下的電-氫-化耦合系統(tǒng)的控制策略包括電解槽的功率控制、溫度控制、壓力控制，本文選用24 脈波晶閘管整流器作為制氫電源，通過控制晶閘管的觸發(fā)角來控制功率。

3.1 24脈波晶閘管整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略

24 脈波晶閘管整流器將電網(wǎng)側(cè)交流電變換為直流電，對(duì)堿性電解槽進(jìn)行供電，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄A 圖A1 所示，其由2 臺(tái)12 脈波整流變壓器和4 組三相橋式整流電路組成，輸出的整流電壓在每個(gè)周期內(nèi)脈動(dòng)24 次，每個(gè)波動(dòng)的間隔為15°。通過多重化整流，24 脈波晶閘管整流器的直流側(cè)紋波也得到減小，有利于電解槽的安全穩(wěn)定運(yùn)行。晶閘管整流器采用功率控制，根據(jù)功率指令值Pref與電解槽電壓Uel計(jì)算得到電解電流參考值Ielref，Ielref與Iel的差值經(jīng)過PI控制器得到晶閘管的觸發(fā)角α。

3.2 考慮多約束條件的控制策略

電-氫-化耦合系統(tǒng)中的堿性電解槽在滿足多約束條件下接收電網(wǎng)調(diào)度中心的功率指令Pgref進(jìn)行制氫，并通過壓縮存儲(chǔ)為下游煤化工供給氫氣，系統(tǒng)的控制框圖如圖3 所示，包括溫度控制環(huán)節(jié)、氫氣壓力和流量控制環(huán)節(jié)、儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量約束環(huán)節(jié)、多約束條件下的功率控制環(huán)節(jié)。圖中：VH2-out-ref為氫氣排出速率參考值；Pcomp-ref為壓縮機(jī)的壓縮功率參考值；pel-ref為電解槽中的氫氣壓力參考值；Tel-ref為電解槽的溫度參考值；Psref為考慮儲(chǔ)氫罐內(nèi)儲(chǔ)氫量約束的功率指令值。由于溫度和壓力都會(huì)對(duì)電解槽的產(chǎn)氫量、能耗、安全、壽命等造成影響，電解水制氫系統(tǒng)的變負(fù)載運(yùn)行需滿足其自身的約束條件以及下游煤化工用氫約束條件。下面主要介紹考慮多約束條件下電-氫-化耦合系統(tǒng)的控制策略。

圖3 系統(tǒng)模型及簡(jiǎn)化控制框圖Fig.3 System model and simplified control block diagram

3.2.1 考慮電解槽溫度約束

由2.1.2 節(jié)的熱力學(xué)模型可知，電解槽功率的變化會(huì)影響電解槽內(nèi)部產(chǎn)生的熱量Qgen，功率越大，電解槽的產(chǎn)熱量越多，從而會(huì)影響電解槽溫度的變化。由于溫度會(huì)影響電解槽的產(chǎn)氫量、安全、壽命等，電解槽的正常工作溫度存在一定的溫度閾值。因此，為了避免電解槽過熱，需通過冷卻系統(tǒng)為堿液降溫從而冷卻電解槽。具體而言，當(dāng)電解槽工作時(shí)，若其溫度Tel超過閾值Tth，則通過PI 控制器調(diào)節(jié)冷卻水流量，從而控制電解槽溫度保持在一定值，以抑制變負(fù)載工況下的溫度波動(dòng)。溫度控制框圖見圖4（a）。

圖4 詳細(xì)控制框圖Fig.4 Detailed control block diagrams

3.2.2 考慮電解槽壓力約束

為了保證電解槽的安全有效運(yùn)行，電解槽中的氫氣壓力應(yīng)保持在恒定值pel-ref，壓力控制框圖見圖4（b）。通過控制所需的氫氣排出速率來保證電解槽中的氫氣壓力恒定，并通過壓縮機(jī)將氫氣以參考排出速率VH2-out-ref輸出到儲(chǔ)氫罐內(nèi)。具體而言，采用PI控制器對(duì)實(shí)際電解槽中的氫氣壓力pel進(jìn)行控制，得到電解槽的氫氣排出速率參考值VH2-out-ref，同時(shí)通過流量控制，根據(jù)VH2-out-ref、儲(chǔ)氫罐的氫氣壓力psto、電解槽中的氫氣壓力pel計(jì)算得到壓縮機(jī)的壓縮功率參考值Pcomp-ref，并將Pcomp-ref輸入壓縮機(jī)模型中，從而保證電解槽中的氫氣壓力恒定。

3.2.3 考慮儲(chǔ)氫罐內(nèi)儲(chǔ)氫量約束的功率控制

儲(chǔ)氫罐作為電解槽與下游用氫環(huán)節(jié)之間的緩沖部分，其儲(chǔ)氫量與輸入儲(chǔ)氫罐的氫氣速率及下游煤化工環(huán)節(jié)的用氫速率有關(guān)。由3.2.2 節(jié)可知，輸出到儲(chǔ)氫罐的氫氣速率VH2-out由電解槽的產(chǎn)氫速率VH2、電解槽中的氫氣壓力pel決定，而電解槽的產(chǎn)氫速率與電解電流有關(guān)，電解槽功率越高，電流越大，產(chǎn)氫速率也越高。因此，電解槽、儲(chǔ)氫罐及下游煤化工之間存在相互影響，需要在電解槽快速響應(yīng)電網(wǎng)功率指令的同時(shí)，滿足儲(chǔ)氫罐及下游煤化工的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在任意時(shí)刻，儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量nsto(t)應(yīng)滿足如下約束：

由式（3）、（6）、（7）、（16）可以得到，儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量會(huì)對(duì)電解電流進(jìn)行約束，從而約束電解槽的功率。當(dāng)儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量達(dá)到其上限值n時(shí)，堿性電解槽被迫停機(jī)，此時(shí)考慮儲(chǔ)氫量約束的電解槽參考功率Psref= 0（即Pref=Psref= 0），然后儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量逐漸下降，直到儲(chǔ)氫罐留出充足的儲(chǔ)存空間Δn后，電解槽再重新跟隨電網(wǎng)功率指令值，Pref=Psref=Pgref。當(dāng)儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量達(dá)到其下限值n時(shí)，電解槽以最大功率運(yùn)行，此時(shí)電解槽的產(chǎn)氫速率最大，從而保證下游煤化工的氫氣穩(wěn)定供應(yīng)。此時(shí)電解槽的參考功率為Pmax（即Pref=Psref=Pmax），然后儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量逐漸上升，同樣，當(dāng)儲(chǔ)氫罐存儲(chǔ)充足的氫氣量Δn后，電解槽跟隨功率指令值，Pref=Psref=Pgref。當(dāng)儲(chǔ)氫罐內(nèi)儲(chǔ)氫量未超出其上限或下限約束值時(shí)，電解槽跟隨電網(wǎng)功率指令值（Pref=Psref=Pgref）正常工作。詳細(xì)功率控制框圖見圖4（c）。

4 半實(shí)物仿真分析

為了驗(yàn)證上述堿性電解槽模型及控制策略的有效性，在MATLAB／Simulink 平臺(tái)上搭建電-氫-化耦合系統(tǒng)的仿真模型，并在RT-LAB 半實(shí)物仿真平臺(tái)上驗(yàn)證所提控制策略的正確性。RT-LAB 半實(shí)物仿真平臺(tái)見附錄A 圖A2。仿真模型中各單元的關(guān)鍵參數(shù)見附錄A表A2。其中，制氫電源采用24脈波晶閘管整流器，堿性電解槽的額定功率為5 MW，電解槽的功率調(diào)節(jié)范圍為20 %～100 %，電網(wǎng)功率指令Pgref在1～5 MW內(nèi)變化。

首先，在不考慮多約束條件的情況下，在半實(shí)物仿真平臺(tái)上驗(yàn)證電解槽響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的能力，電網(wǎng)調(diào)度指令與電解槽功率跟蹤結(jié)果見附錄A 圖A3，以15 min 為一個(gè)調(diào)度周期，分別在1、4、11 min 時(shí)以1 MW／min 的速率向上爬坡，分別在7、14 min 時(shí)以1 MW／min 的速率向下滑坡。由仿真結(jié)果可知，電解槽功率能夠快速跟隨電網(wǎng)調(diào)度指令。

然后驗(yàn)證多約束條件下本文所提控制策略的有效性。設(shè)定電解槽的初始?jí)毫?.6×106Pa，初始溫度為90 ℃。儲(chǔ)氫罐內(nèi)的初始?jí)毫?×106Pa，初始儲(chǔ)氫量為4 034 mol，最小儲(chǔ)氫量n= 3 300 mol，儲(chǔ)氫罐的最大容量n= 4 700 mol。多約束條件下的功率跟蹤結(jié)果如圖5所示。

圖5 多約束條件下的功率跟蹤結(jié)果Fig.5 Power tracking results under multiple constraints

圖5（a）為儲(chǔ)氫量未超出上、下限值時(shí)的電解槽功率跟蹤結(jié)果。由圖可知，儲(chǔ)氫罐對(duì)電解槽功率無約束，150 s 時(shí)考慮儲(chǔ)氫量約束條件時(shí)的電網(wǎng)功率指令值Pref（Pref=Psref=Pgref）由5 MW 變?yōu)?.5 MW，電解槽功率能夠快速跟隨指令變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.1 s。圖5（b）為儲(chǔ)氫量超出上限值n時(shí)的電解槽功率跟蹤結(jié)果。由圖可知，359 s 時(shí)，由于儲(chǔ)氫量超出上限值（n= 4 700 mol），電解槽功率指令值Pref=Psref= 0，待儲(chǔ)氫罐留出充足的儲(chǔ)存空間（即nsto=n-Δn=4 200 mol）后，Pref=Psref=Pgref= 2 MW，且電解槽功率能夠快速跟隨電網(wǎng)功率指令變化。圖5（c）為儲(chǔ)氫量在625 s 時(shí)低于下限值n的電解槽功率變化結(jié)果。由于此時(shí)的儲(chǔ)氫量低于下限值（n= 3 300 mol），考慮儲(chǔ)氫量的電解槽功率指令變?yōu)镻sref=Pref=Pmax=5 MW。在806 s 時(shí)，儲(chǔ)氫罐存儲(chǔ)充足的氫氣（即nsto=n+Δn=3 800 mol）后，儲(chǔ)氫量不再約束電解槽功率，電解槽功率指令值Psref=Pref=Pgref= 4 MW，且電解槽功率能夠快速跟隨電網(wǎng)功率指令變化。

多約束條件下變負(fù)載運(yùn)行時(shí)電解槽及壓縮機(jī)的運(yùn)行特性如圖6 所示。從圖6（a）、（b）可以看出，當(dāng)電解槽處于工作狀態(tài)時(shí)，隨著電解槽功率的變化，電解槽溫度保持在恒定值90 ℃，即使電解槽停機(jī)導(dǎo)致電解槽溫度下降，當(dāng)電解槽重新啟動(dòng)后，溫度將重新穩(wěn)定在90 ℃。從圖6（a）、（c）—（e）可以看出，在電解槽功率變化的同時(shí)，電解槽壓力穩(wěn)定在恒定值1.6×106Pa，電解槽的產(chǎn)氫速率VH2等于輸出到儲(chǔ)氫罐的氫氣速率VH2-out，壓縮機(jī)壓縮功率Pcomp的變化趨勢(shì)與VH2-out的變化趨勢(shì)一致。

圖6 電解槽及輔助設(shè)備的運(yùn)行特性Fig.6 Operation characteristics of electrolyzer and auxiliary equipment

綜合上述分析結(jié)果可知，半實(shí)物仿真結(jié)果與理論研究的結(jié)論一致，這驗(yàn)證了本文所提控制策略的正確性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)電-氫-化耦合系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)存在的耦合作用關(guān)系，建立了電、氫、化各個(gè)核心環(huán)節(jié)的模型，并且提出了一種考慮多約束條件下的控制策略。首先，介紹了5 MW 堿性電解槽的詳細(xì)模型，包括電化學(xué)模型、熱力學(xué)模型等，同時(shí)建立了輔助設(shè)備壓縮機(jī)以及儲(chǔ)氫罐的模型；然后，提出了考慮電解槽壓力、電解槽溫度、儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量、下游用氫等多約束條件下電-氫-化耦合系統(tǒng)的控制策略；最后，基于MATLAB／Simulink 搭建電-氫-化耦合系統(tǒng)的仿真模型，并通過RT-LAB 平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)電解槽在不同功率下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其溫度、壓力保持恒定，輸出到儲(chǔ)氫罐的氫氣速率等于產(chǎn)氫速率，且壓縮機(jī)的壓縮功率與輸出到儲(chǔ)氫罐的氫氣速率變化趨勢(shì)保持一致，同時(shí)電解槽的實(shí)際參考功率受其自身、輔助設(shè)備、下游用氫的約束，驗(yàn)證了所提模型的可行性及控制策略的準(zhǔn)確性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。