摘 要：提出綠電-綠氫一體化能量管理策略，以實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度下系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行。基于層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算堿性電解槽（AEL）和質(zhì)子交換膜電解槽（PEMEL）混合電解槽最優(yōu)容量配比方案，以期提升綠氫系統(tǒng)的承載能力。考慮AEL和PEMEL工作特性建立包含風(fēng)電-制氫-儲(chǔ)氫單元的精細(xì)化仿真模型，采用分層控制方法提高系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行能力，同時(shí)提出余電制氫、負(fù)荷功率補(bǔ)償及源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行等7種復(fù)雜工況能量管理策略，促進(jìn)風(fēng)電資源的高效利用，有效改善綠電-綠氫一體化系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系。

關(guān)鍵詞：清潔能源；氫能；能量管理；綠電-綠氫；層次分析法；熵權(quán)法；混合電解槽

中圖分類號(hào)：TK89 """"""" """ """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

生態(tài)文明建設(shè)和綠色可持續(xù)發(fā)展是能源高速增長階段的基本特征之一，改善綠色能源利用效率，提升可再生能源消納水平以及促進(jìn)環(huán)境健康發(fā)展已成為全球的共識(shí)［1］。風(fēng)力發(fā)電作為技術(shù)最成熟、規(guī)?；蜕虡I(yè)化發(fā)展最好的綠色可再生能源發(fā)電模式，已成為國際認(rèn)可的可再生能源發(fā)展對(duì)象［2-4］。隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電的消納問題也日益凸顯，如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的多元化消納成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)。氫能作為一種理想的清潔儲(chǔ)能介質(zhì)，同時(shí)具備物質(zhì)屬性和能量屬性，在全球能源發(fā)展中具有較高的潛在價(jià)值［5］。在風(fēng)力發(fā)電中引入制氫單元、儲(chǔ)氫單元及氫燃料發(fā)電單元組成綠電-綠氫一體化系統(tǒng)，通過電解水制取氫氣將多余的電能轉(zhuǎn)換為氫能，氫能可經(jīng)燃料電池發(fā)電彌補(bǔ)風(fēng)電輸出波動(dòng)，也可用于其他化工行業(yè)，實(shí)現(xiàn)氫能的多途徑高效利用，提高電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力［6］。然而，風(fēng)電輸出與負(fù)荷需求的不匹配會(huì)造成系統(tǒng)效率低下、供需不平穩(wěn)等影響，如何實(shí)現(xiàn)綠電-綠氫系統(tǒng)能量平衡仍是一個(gè)技術(shù)性問題。因此，建立科學(xué)的綠電-綠氫能量管理體系對(duì)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

混合電解槽作為綠電-綠氫能量耦合環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備，合理配置電解槽可有效提高風(fēng)電資源的利用效率，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活運(yùn)行能力［7］?？紤]混合電解槽冷態(tài)啟動(dòng)和瞬態(tài)響應(yīng)特性，文獻(xiàn)［8］采用非劣分層遺傳算法優(yōu)化混合電解槽容量以提升混合電解槽協(xié)調(diào)調(diào)控能力。計(jì)及電解槽最小運(yùn)行時(shí)間及功率值等6個(gè)約束條件，文獻(xiàn)［9］建立了多目標(biāo)混合電解槽優(yōu)化模型。針對(duì)分布式海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)容量優(yōu)化問題，文獻(xiàn)［10］基于機(jī)組協(xié)同控制方法建立單一電解槽容量優(yōu)化模型，盡可能提高年制氫量?？紤]電解槽過載效率特性，文獻(xiàn)［11］建立了多電解槽雙層輪值容量配置模型，以提高系統(tǒng)整體效益。電解槽關(guān)鍵性能參數(shù)會(huì)直接影響綠氫系統(tǒng)工作效率及運(yùn)行模式，考慮電解槽性能參數(shù)越多，所構(gòu)建的混合電解槽容量配比越能滿足綠氫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。

風(fēng)電單元、制氫單元以及儲(chǔ)氫單元的協(xié)調(diào)配合是確保綠電-綠氫系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。考慮電解槽啟停特性及功率調(diào)節(jié)特性，文獻(xiàn)［12］提出堿性電解槽（alkaline electrolyzer，AEL）輪值優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)多運(yùn)行工況下堿性電解槽工作狀態(tài)的精準(zhǔn)控制?；陲L(fēng)功率預(yù)測優(yōu)化方法，文獻(xiàn)［13］研究了離網(wǎng)型風(fēng)氫耦合系統(tǒng)電解槽陣列的功率分配方法，通過平衡各電解槽的工作狀態(tài)提升電解槽使用壽命?？紤]電解槽電力輸入和水輸入因素，文獻(xiàn)［14］提出相應(yīng)電解槽運(yùn)行策略，建立了風(fēng)-氫-水電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模型?；诔唐陲L(fēng)電功率預(yù)測結(jié)合布谷鳥算法，文獻(xiàn)［15］制定風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)策略，有效增強(qiáng)了風(fēng)電跟蹤能力和出力可靠性。相較傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制穩(wěn)定性弱、控制過程復(fù)雜等問題，分層控制能根據(jù)各單元功能精準(zhǔn)控制變流器，有利于整體系統(tǒng)的靈活運(yùn)行與協(xié)調(diào)互動(dòng)。

綠電-綠氫一體化系統(tǒng)能量管理策略可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各單元的協(xié)調(diào)調(diào)度與優(yōu)化管理。針對(duì)風(fēng)氫耦合系統(tǒng)的多種運(yùn)行模式，文獻(xiàn)［16］設(shè)計(jì)了風(fēng)氫耦合系統(tǒng)能量管理策略，使系統(tǒng)出力可控且平滑上網(wǎng)功率。為增強(qiáng)微電網(wǎng)各級(jí)主體合作潛力并改善能源供需關(guān)系，文獻(xiàn)［17］提出基于納什議價(jià)的能量管理優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)利益合理分配并提升各主體經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［18］設(shè)計(jì)并網(wǎng)風(fēng)氫耦合系統(tǒng)的控制策略，將系統(tǒng)分為出力單元、長期慢儲(chǔ)單元和短暫快儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)能量在系統(tǒng)的合理分配?；谛〔ò纸夥?，文獻(xiàn)［19］設(shè)計(jì)并搭建了能源管理與優(yōu)化系統(tǒng)，確定了目標(biāo)并網(wǎng)風(fēng)電功率、所需電動(dòng)汽車功率和超級(jí)電容器功率。面對(duì)源-荷連續(xù)波動(dòng)等復(fù)雜工況時(shí)，單一類型電解槽對(duì)變動(dòng)負(fù)荷的響應(yīng)能力較差，無法兼顧風(fēng)能高效區(qū)域的產(chǎn)氫需求。而采用混合類型電解槽配置方式能有效提升系統(tǒng)負(fù)荷適應(yīng)性和靈活性，實(shí)現(xiàn)綠電-綠氫系統(tǒng)全功率范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合考慮上述文獻(xiàn)思路方法和理論依據(jù)，本文考慮堿性電解槽（AEL）和質(zhì)子交換膜電解槽（proton exchange membrane electrolyzer，PEMEL）關(guān)鍵性能參數(shù)及約束條件，利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）和熵權(quán)法（entropy weight method，EWM）求取混合電解槽最優(yōu)容量配比，改善綠氫系統(tǒng)靈活協(xié)調(diào)運(yùn)行能力?；诜謱涌刂评碚摌?gòu)建綠電-綠氫-儲(chǔ)氫精細(xì)化仿真模型，并提出余電制氫、負(fù)荷功率補(bǔ)償及源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行等7種能量管理策略，以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行與優(yōu)化管理。

1 混合電解槽選型評(píng)估

目前，以AEL和PEMEL為主的兩種電解水制氫技術(shù)成為綠氫市場發(fā)展的主流。其中，AEL具有低成本、低壓力、高單堆功率的特點(diǎn)，而PEMEL具有寬范圍、高能效、快響應(yīng)的優(yōu)勢，兩種電解槽在不同場合中各具優(yōu)勢［20］。如何在多種復(fù)雜工況下選擇合適的電解槽以改善綠氫系統(tǒng)靈活響應(yīng)能力，提高綠氫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建高性價(jià)比混合制氫系統(tǒng)成為亟需解決的問題。本文綜合考慮AEL和PEMEL兩種電解槽關(guān)鍵性能參數(shù)，結(jié)合AHP和EWM兩種方法建立混合電解槽最優(yōu)配比方案，實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)綠氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。兩種電解槽性能參數(shù)如表1所示。

1.1 判斷矩陣建立

本文評(píng)估目標(biāo)為混合電解槽最優(yōu)選型，綜合考慮混合電解槽不同容量配比對(duì)產(chǎn)氫量（B1）、額定電流密度（B2）、單位投資成本（B3）、電解槽使用壽命（B4）、熱啟動(dòng)時(shí)間（B5）、冷啟動(dòng)時(shí)間（B6）、電解槽電解效率（B7）、電解槽能耗（B8）、電解槽工作壓力（B9）、負(fù)載范圍（B10）這10個(gè)指標(biāo)的影響。混合電解槽不同容量配比選取AEL與PEMEL容量比為1∶1（F1）、1∶2（F2）、 1∶3（F3）、2∶1（F4）、3∶1（F5）共5種方案。

構(gòu)造判斷矩陣[A=aij10×10，i， j=1，2，3…，10]，其中[aij]表示對(duì)于混合電解槽最優(yōu)選型目標(biāo)，第[i]個(gè)指標(biāo)比第[j]個(gè)指標(biāo)的重要程度；方案層共有5個(gè)方案待選，對(duì)于第[i]個(gè)指標(biāo)，構(gòu)造

各方案之間的判斷矩陣[Bi=bpq5×5，p，q=1，2，3，…，5]，其中[bpq]表示第[p]個(gè)方案與第[q]個(gè)方案對(duì)于第[i]個(gè)指標(biāo)的優(yōu)越度。[αij]和[bpq]取值參考表2。本文共有3組判斷矩陣數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，僅展示其中1組，如表3所示。

1.2 評(píng)估矩陣構(gòu)建

求取判斷矩陣[AX]的特征值[λmax（AX）]及對(duì)應(yīng)的特征向量，將特征向量標(biāo)準(zhǔn)化后求得判斷矩陣[AX]的權(quán)向量[?x=wx1，wx2，wx3，…，wx10T]，[?xi]為第[x]個(gè)專家賦予第[i]個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值，同理求得判斷矩陣[Bxi]的權(quán)向量[ax=ax1i，ax2i，ax3iT]，之后計(jì)算判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率[CR]，如式（1）所示。[CRlt;0.1]時(shí)，表示判斷矩陣滿足一致性，不滿足要求時(shí)，修改參數(shù)直至滿足要求。綜上求得評(píng)估矩陣，3位專家對(duì)10個(gè)指標(biāo)評(píng)估數(shù)據(jù)如表4所示，表4中[CR]均小于0."故評(píng)估數(shù)據(jù)有效。

[CR=CIRICI=λmax-ww-1] （1）

式中：[CI]——判斷矩陣不一致度的參數(shù)；[λmax]——判斷矩陣中絕對(duì)值最大的特征值；[w]——指標(biāo)數(shù)；[RI]——平均隨機(jī)一致性參數(shù)。

1.3 熵權(quán)計(jì)算

首先將評(píng)估矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求得標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估矩陣，計(jì)算式為：

[zij=xiji=1nx2ij] （2）

式中：[zij]——標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估矩陣中元素；[xij]——各指標(biāo)評(píng)估數(shù)據(jù)表中參數(shù)。

通過標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估矩陣[Z]。之后由標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估矩陣求得各指標(biāo)的信息熵，進(jìn)而計(jì)算出各指標(biāo)熵權(quán)，形成熵權(quán)向量[E=[e1，e2，e3，…，e10]T]。同理，利用熵權(quán)法對(duì)評(píng)估矩陣[Di]進(jìn)行處理，最終形成i個(gè)熵權(quán)向量[Gi=[g1i，g2i，g3i]T]，其計(jì)算式如式（3）所示，求得熵權(quán)向量如表5所示。

[pij=ziji=1nzijej=-1lnni=1npijlnpij] （3）

1.4 最優(yōu)方案選取

專家評(píng)分計(jì)算方法如式（4）所示，其中[Jp]為方案評(píng)分，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。本文基于AHP和EWM兩種方法構(gòu)建AEL和PEMEL容量比為2∶1的混合電解槽綠氫系統(tǒng)。

[Jp=e1×gp1+e2×gp2+…+e10×gp10] （4）

2 綠電-綠氫系統(tǒng)各單元精細(xì)化建模

綠電-綠氫系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中直驅(qū)風(fēng)力機(jī)、AEL、PEMEL、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）通過電力電子設(shè)備與直流母線相連，鑒于風(fēng)力發(fā)電的間歇性與不確定性，通過綠氫系統(tǒng)平衡風(fēng)電系統(tǒng)功率波動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，提高系統(tǒng)整體可靠性。

2.1 電解槽模型

2.1.1 PEM電解槽模型

PEM電解槽的主要組成部分包含陽極、陰極和聚合物質(zhì)子交換膜層，PEM電解槽陽極、陰極化學(xué)方程式為：

[陽極： H2O→2H++12O2+2e-陰極： 2H++2e-→H2總反應(yīng)式： H2O→H2+12O2] （5）

開路電壓[E]、活化極化電壓[Vel，act]和歐姆電壓[Vel，ohm]分別為：

[Vel=E+Vel，act+Vel.ohmE=E0+RTel2FlnpH2p1/2O2aH2OVel，act=RTel2αFlnii0Vel，ohm=iRel，ohm] （6）

[Rel，ohm=tmσmσm=-（0.00627-0.00879λm）exp15671303-1Tel]

（7）

式中：[Rel，ohm]——質(zhì)子交換膜內(nèi)的電阻，[Ω]；[Tel]——電池工作溫度，℃；[R]——?dú)怏w常量；[E0]——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；[α]——系統(tǒng)內(nèi)的傳遞函數(shù)；[σm]——質(zhì)子交換膜交換率；[λm]——膜含水量。

電解槽效率為：

[ηVel=E0Vel?100%] （8）

式中：[E0]——標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢，V；[Vel]——電解槽實(shí)際電壓，V。

2.1.2 堿性電解槽模型

堿性電解槽（AEL）電壓為：

[Uel=Nel×Ucell.el=Nel×Urev+r1+r2TelAcellIel+ """""""""（s1+s2Tel+s3T2el）lgt1+t2Tel+t3T2elAcellIel+1] （9）

式中：[Ucell.el]——電解槽單電池電壓，V；[r1]、[r2]——電解液歐姆電阻參數(shù)；[Tel]——電解槽溫度，°C；[Acell]——電極面積；[Sn]——電極過電壓系數(shù)，[n=""3]；[tn]——電解液過電壓系數(shù)，[n=""3]。

AEL產(chǎn)氫量[ninH2]為：

[ninH2=ηFNelIelzF] （10）

式中：[ηF]——法拉第效率；[Nel]——單電池串聯(lián)模塊數(shù)量；[z]——?dú)怏w壓縮系數(shù)。

2.2 儲(chǔ)氫罐模型

儲(chǔ)氫量和儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)為：

[nH2=t1t2（ninH2-noutH2）dtpb-pbi=nH2RTbVb] （11）

式中：[ninH2]——電解槽產(chǎn)生的氫氣量，m3；[noutH2]——燃料電池消耗的氫氣量，m3；[nH2]——?dú)錃饫鄯e量，m3；[pb]——實(shí)際罐壓，MPa；[pbi]——初始罐壓，MPa；[Tb]——工作溫度，℃；[Vb]——儲(chǔ)氫罐體積，m3。

2.3 燃料電池模型

質(zhì)子交換膜燃料電池電壓為：

[Ucell，fc=Enernst-ηact-ηohm-ηconUfc=NfcUcell] （12）

式中：[Ucell，fc]——單電池電壓，V；[Enernst]——熱力學(xué)電動(dòng)勢，V；[ηact]——活化過電壓，V；[ηohm]——?dú)W姆過電壓，V；[ηcon]——濃差過電壓，V；[Nfc]——單電池?cái)?shù)量，個(gè)；[Ufc]——電堆電壓，V。

熱力學(xué)電動(dòng)勢[Enernst]、活化過電壓[ηact]、歐姆過電壓[ηohm]、濃差過電壓[ηcon]表達(dá)式分別為：

[Enernst=ΔG2F+ΔS2F（Tfc-Tref）+RTfc2FlnpH2+12lnpO2ηact=ξ1+ξ2Tfc+ξ3TfclnCO2+ξ4TfclnIfcηohm=Ifc（Rm+Rc）=IfcrmlA+Rcηcon=-Bln1-JJmax] （13）

式中：[ΔG]——吉布斯自由能的變化值；[ΔS]——熵的變化值；[Tfc]——電池溫度，℃；[Tref]——參考溫度，℃；[pH2]——?dú)錃夥謮海琈Pa；[pO2]——氧氣分壓，MPa；[ξi]——經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；[CO2]——陰極氣液面氧氣濃度，%；[Rm]——質(zhì)子交換膜等效阻抗，[Ω]；[Rc]——阻礙質(zhì)子通過膜阻抗，[Ω]；[l]——質(zhì)子交換膜厚度；[A]——膜有效面積，m2；[rm]——質(zhì)子交換膜電阻率；[B]——電池運(yùn)行系數(shù)；[J]——電池電流密度，A/m2。

3 綠電-綠氫系統(tǒng)多工況能量管理策略

綠電-綠氫系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜高階系統(tǒng)，構(gòu)建科學(xué)合理的控制框架是實(shí)現(xiàn)可再生能源協(xié)調(diào)運(yùn)行和綠色友好并網(wǎng)的重要支撐。本文采用分層控制方式將系統(tǒng)分為能量管理層和本地設(shè)備層，以期提升綠電-綠氫系統(tǒng)的靈活性和可拓展性，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 能量管理層

能量管理層以各設(shè)備額定功率輸出為約束，將儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)上下限作為安全約束條件，考慮負(fù)荷供給需求，實(shí)時(shí)切換系統(tǒng)工作模式，合理調(diào)整發(fā)電功率，最大程度上保證綠電-綠氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

模式1：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（14），此時(shí)AEL與PEMEL以額定功率運(yùn)行，燃料電池不運(yùn)行。

[Pwindgt;PloadPtankminlt;Ptanklt;PtankmaxPwind-Ploadgt;PaelN+PpemelN] （14）

模式2：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（15），此時(shí)AEL消納2/3剩余功率，PEMEL消納1/3富裕功率，燃料電池不運(yùn)行。

[Pwindgt;PloadPtankminlt;Ptanklt;PtankmaxPaelN+PpemelNgt;Pwind-Ploadgt;0.15?PaelN] （15）

模式3：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（16），此時(shí)PEMEL消納全部功率，燃料電池不運(yùn)行。

[Pwindgt;PloadPtankminlt;Ptanklt;PtankmaxPwind-Ploadlt;0.15?PaelN] （16）

模式4：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（17），此時(shí)電解槽和燃料電池均不運(yùn)行。

[Pwindgt;PloadPtankgt;Ptankmax或Ptanklt;Ptankmin] （17）

模式5：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（18），此時(shí)電解槽不運(yùn)行，燃料電池以額定功率發(fā)電，功率差額由電網(wǎng)提供。

[Pwindlt;PloadPtankminlt;Ptanklt;PtankmaxPwind-Ploadgt;PfcNPgrid=Pload-Pwind-PfcN] （18）

模式6：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（19），此時(shí)電解槽不運(yùn)行，燃料電池按功率差額發(fā)電。

[Pwindlt;PloadPtankminlt;Ptanklt;PtankmaxPwind-Ploadlt;PfcN] （19）

模式7：當(dāng)系統(tǒng)滿足式（20），此時(shí)電解槽和燃料電池均不運(yùn)行，功率差額由電網(wǎng)提供。

[Pwindlt;PloadPtank≥Ptankmax或Ptank≤PtankminPgrid=Pload-Pwind] （20）

3.2 本地設(shè)備層

3.2.1 機(jī)側(cè)變換器控制策略

機(jī)側(cè)變換器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，機(jī)側(cè)控制框圖如圖4所示。

3.2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)控制框圖如圖5所示。風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制策略此處不再贅述。

3.2.3 電解槽控制策略

電解槽（EL）參考輸出功率[P*el]與EL端電壓[Uel]相除，產(chǎn)生電流參考值[I*el]，[I*el]與實(shí)時(shí)測量值[Iel]作差后經(jīng)PI控制與三角波比較后產(chǎn)生Buck變流器脈沖信號(hào)[Del]作用于開關(guān)管，控制框圖如圖6所示。

3.2.4 氫燃料電池控制策略

氫燃料電池參考輸出功率[P*fc]與FC端電壓[Ufc]相除，產(chǎn)生電流參考值[I*fc]，[I*fc]與實(shí)時(shí)測量值[Ifc]作差后經(jīng)PI控制與三角波比較后產(chǎn)生Boost變流器脈沖信號(hào)[Dfc]作用于開關(guān)管，控制框圖如圖7所示。

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提控制策略的合理性及適用性，本文選取內(nèi)蒙古某地區(qū)實(shí)際分散式風(fēng)力機(jī)-負(fù)荷兩個(gè)典型日數(shù)據(jù)并在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)中進(jìn)行研究驗(yàn)證，綠電-綠氫系統(tǒng)各單元參數(shù)如表6所示。

永磁同步發(fā)電機(jī)（permanent magnet synchronous generator，PMSG）額定風(fēng)速為13 m/s，實(shí)際風(fēng)速始終在9～13 m/s波動(dòng)，典型日1和典型日2風(fēng)電機(jī)組功率輸出曲線如圖8所示。圖8中，典型日1在00：00—04：36與16：01—24：00時(shí)段及典型日2在00：00—05：30和15：19—24：00時(shí)段，

風(fēng)力機(jī)輸出功率滿足日常負(fù)荷供電需求；在保證負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，利用剩余電量電解水的方式制取儲(chǔ)能氫氣，既實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電資源的高效利用，又提供了清潔氫氣源，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

本文采用1 MW堿性電解槽和0.5 MW質(zhì)子交換膜電解槽的混合電解槽組合方式以適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)性，典型日１和典型日2混合電解槽的功率曲線如圖9所示，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率大于負(fù)荷需求時(shí)，將剩余電量制取氫氣，圖9a中，電解槽在00：00—04：36、16：01—24：00時(shí)段處于運(yùn)行狀態(tài)，并于20：19—21：18時(shí)段以額定功率運(yùn)行。AEL在額定功率運(yùn)行期間最大電流為1891 A，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氫速率為2.481 mol/s，PEMEL在額定功率運(yùn)行期間最大電流為810 A，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氫速率為0.805 mol/s。圖9b中，電解槽在00：00—05：30時(shí)段因儲(chǔ)氫罐壓力達(dá)到上限停止運(yùn)行，電解槽在15：19—24：00時(shí)段處于運(yùn)行狀態(tài)，AEL在運(yùn)行期間最大功率為0.487 MW，最大電流為833.35 A，最大產(chǎn)氫速率為1.105 mol/s，PEMEL在運(yùn)行期間最大功率為0.244 MW，最大電流為406 A，最大產(chǎn)氫速率為0.401 mol/s。除上述時(shí)間外，風(fēng)力機(jī)輸出功率小于負(fù)荷需求功率，AEL和PEMEL均停止工作，以保證氫燃料電池正常運(yùn)行。

氫燃料電池單元仿真運(yùn)行結(jié)果如圖10所示。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率小于負(fù)荷時(shí)，氫燃料電池快速啟動(dòng)并將氫氣轉(zhuǎn)換為電能以補(bǔ)充系統(tǒng)缺額，本文中選用1 MW質(zhì)子交換膜燃料電池，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。典型日1系統(tǒng)燃料電池運(yùn)行狀態(tài)如圖10a所示，PEMFC在04：37—10：00時(shí)段處于運(yùn)行狀態(tài)，其最大輸出功率為0.9984 MW，對(duì)應(yīng)電流為1865 A，所對(duì)應(yīng)氫氣消耗速率為8.930 mol/s，PEMFC消耗氫氣流速、工作電流變化趨勢與輸出功率保持一致，其圖不再贅述。圖10b為典型日2燃料電池運(yùn)行狀態(tài)，PEMFC在05：31—15：18時(shí)段釋放電能，并于07：01—09：18時(shí)段以額定功率運(yùn)行，運(yùn)行期間最大功率為1 MW、對(duì)應(yīng)電流為1867 A，對(duì)應(yīng)氫氣消耗速率為8.928 mol/s。

儲(chǔ)氫罐將電解槽制取的氫氣進(jìn)行存儲(chǔ)，用于PEMFC取能及其他工業(yè)用途，隨著氫燃料電池持續(xù)運(yùn)行，儲(chǔ)氫罐中氫氣壓強(qiáng)逐漸減小。典型日1儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)的變化曲線如圖11a所示，在00：00—04：36時(shí)段，混合電解槽正常運(yùn)行，儲(chǔ)氫罐壓力隨之增大；在04：37—10：00時(shí)段，風(fēng)電輸出功率小于負(fù)荷需求，混合電解槽停止運(yùn)行，氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)氫罐壓力隨之減??；在10：01—16：00時(shí)段，儲(chǔ)氫罐壓力達(dá)到最小值2.7 MPa，燃料電池停止運(yùn)行，電網(wǎng)為負(fù)荷供電；在16：01—24：00時(shí)段，混合電解槽開始制氫，儲(chǔ)氫罐壓力逐漸上升。典型日2儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)的變化曲線如圖11b所示，00：00—05：30時(shí)段，儲(chǔ)氫罐壓力達(dá)到最大值2.72 MPa，混合電解槽停止運(yùn)行；05：31—15：18時(shí)段，系統(tǒng)負(fù)荷需求增加，燃料電池開始運(yùn)行，儲(chǔ)氫罐壓力下降；15：19—24：00時(shí)段，風(fēng)力機(jī)輸出功率逐漸增加，并將富余的電能進(jìn)行利用，混合電解槽開始運(yùn)行，儲(chǔ)氫罐壓力也隨之上升。

為詳細(xì)闡述典型日1和典型日2綠電-綠氫系統(tǒng)能量管理工作狀態(tài)，將風(fēng)電-制氫-儲(chǔ)氫-負(fù)荷-氫燃料多個(gè)單元模塊進(jìn)行整體描述。在典型日1中，在00：00—04：36、16：00—16：30時(shí)段，風(fēng)電機(jī)組輸出功率大于負(fù)荷需求且差值小于AEL啟動(dòng)功率，儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)未達(dá)到上限，PEMEL消納富余功率，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式3；在04：37—10：00時(shí)段，負(fù)荷需求大于風(fēng)電機(jī)組輸出功率，需氫燃料電池釋放電能以維持系統(tǒng)電量平衡，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式6；在10：01—16：00時(shí)段，儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)達(dá)到下限，燃料電池停止工作，電網(wǎng)為負(fù)荷供電，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式7；在16：01—20：18時(shí)段、21：19—24：00時(shí)段，儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)未達(dá)到上限，AEL與PEMEL混合電解槽以2：1容量配置消納富余電量，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式2；在20：19—21：18時(shí)段，AEL與PEMEL均處于額定運(yùn)行狀態(tài)，滿載運(yùn)行吸收風(fēng)電制取氫氣，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式1。在典型日2中，在00：00—05：30時(shí)段，儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)達(dá)到上限，電解槽停止工作，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式4；在05：31—07：00、09：19—15：18時(shí)段，風(fēng)電輸出功率持續(xù)減小未能滿足負(fù)荷用電，氫燃料電池以負(fù)荷需求與風(fēng)電功率差額為功率參考值進(jìn)行發(fā)電，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式6；在07：01—09：18時(shí)段，燃料電池以額定功率1 MW發(fā)電，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式5；在15：19—17：30時(shí)段，風(fēng)電機(jī)組輸出功率與負(fù)荷需求差值小于AEL啟動(dòng)功率，儲(chǔ)氫罐壓強(qiáng)未達(dá)到上限，PEMEL消納富余功率，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式3；在17：31—24：00時(shí)段，混合電解槽開始吸收富余電量進(jìn)行制氫，此時(shí)系統(tǒng)處于工作模式2。

5 結(jié) 論

本文采用AHP和EWM對(duì)混合電解槽容量配比進(jìn)行選取，搭建了將永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組、堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、質(zhì)子交換膜燃料電池、儲(chǔ)氫罐耦合于直流母線的綠電-綠氫系統(tǒng)模型，考慮出力限制與儲(chǔ)氫罐壓力安全約束，提出含有7種運(yùn)行工況的能量管理策略，通過仿真分析得到以下主要結(jié)論：

1）利用AHP綜合分析電解槽多項(xiàng)性能指標(biāo)，并基于EWM確定各項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重，計(jì)算求得混合電解槽最優(yōu)容量配置方案，以期提高綠氫系統(tǒng)靈活性。

2）采用能量管理層和本地設(shè)備層的分層控制方法可有效改善綠電-綠氫一體化系統(tǒng)的靈活運(yùn)行，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多時(shí)間尺度下協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

3）提出余電制氫、負(fù)荷功率補(bǔ)償及源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行等7種能量管理策略，根據(jù)不同工作狀態(tài)制定多種運(yùn)行策略，有效實(shí)現(xiàn)綠電-綠氫系統(tǒng)日內(nèi)電量平衡。

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RESEARCH ON ENERGY MANAGEMENT STRATEGY OF GREEN ELECTRICITY-GREEN HYDROGEN SYSTEM WITH

MIXED ELECTROLYZER

Pan Yu"Ren Yongfeng"Xue Yu"Yun Pingping3，He Bin1

（1. School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010080， China；

2. School of Vehicle and Transportation， Tsinghua University， Beijing 100084， China；

3. Inner Mongolia Guotian New Energy Technology Co.， Ltd.， Hohhot 010020， China）

Abstract：This paper proposes an integrated energy management strategy of green electric-green hydrogen to achieve coordinated and stable operation of the system under multiple time scales. Based on analytic hierarchy process（AHP） and entropy weight method， the optimal capacity ratio scheme of alkaline electrolzser（AEL） and proton exchange membrane electrolyzer（PEMEL） was calculated to improve the carrying capacity of green hydrogen system. Considering the working characteristics of AEL and PEMEL， a refined simulation model is established that includes wind power hydrogen production hydrogen storage units. A hierarchical control method is adopted to improve the coordinated operation ability of the system. At the same time， nine complex energy management strategies are proposed， including residual electricity hydrogen production， load power compensation， and source load coordinated operation， to promote the efficient utilization of wind power resources and effectively improve the power balance relationship of the green power green hydrogen integrated system.

Keywords：clean energy； hydrogen energy； energy management； green electricity green hydrogen； analytic hierarchy process； entropy weight method； mixed electrolytic cell