由于其能量密度高、儲能規(guī)模大、儲能時間長，氫能在可再生能源領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。作為氫能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，電解槽和燃料電池存在動態(tài)響應(yīng)較慢、耐久性較差、成本較高等問題。因此，電解槽和燃料電池等氫儲能部件通常與超級電容、鋰離子電池等動態(tài)響應(yīng)較快的電儲能部件構(gòu)成氫電混合儲能系統(tǒng)。
近日，上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院智慧電氣科學(xué)中心(CiPES)楊恒昭課題組(儲能實(shí)驗(yàn)室)在制氫系統(tǒng)容量配置和能量管理領(lǐng)域取得兩項(xiàng)研究進(jìn)展。相關(guān)研究成果以上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位分別發(fā)表于可再生能源領(lǐng)域國際期刊IEEE Transactions on Sustainable Energy和Renewable Energy。
單一制氫系統(tǒng)的容量配置和能量管理
針對基于質(zhì)子交換膜電解槽的單一制氫系統(tǒng)，研究人員提出了一個優(yōu)化框架以解決系統(tǒng)的容量配置和能量管理問題。該系統(tǒng)以風(fēng)電為主要電源，質(zhì)子交換膜電解槽為主要負(fù)載，超級電容為輔助電源或輔助負(fù)載。所提出的優(yōu)化框架利用粒子群優(yōu)化算法，以最小化系統(tǒng)總成本為目標(biāo)，優(yōu)化了四個決策變量：電解槽容量、超級電容容量以及能量管理策略中的兩個關(guān)鍵參數(shù)。為合理分配風(fēng)電功率，能量管理策略引入了一個人工勢場并定義了一個基于超級電容荷電狀態(tài)的虛擬力。結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化框架在降低系統(tǒng)總成本、控制超級電容荷電狀態(tài)以及減緩電解槽退化等方面的有效性。
圖1. 單一制氫系統(tǒng)優(yōu)化框架
圖2. 單一制氫系統(tǒng)能量管理策略
圖3. 結(jié)果：(a) 部件功率；(b) 功率分配因子；(c) 濾波器截止頻率；(d) 超級電容荷電狀態(tài)
該成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management in Electric-Hydrogen Hybrid Energy Storage Systems”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Sustainable Energy。信息學(xué)院2024級博士研究生唐毓振為第一作者，楊恒昭教授為通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TSTE.2025.3547919
考慮電解槽物理特性的混合制氫系統(tǒng)
基于堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽在動態(tài)響應(yīng)特性、過載能力、成本等方面的互補(bǔ)性，研究人員提出了一種由兩者構(gòu)成的混合制氫系統(tǒng)。該系統(tǒng)以風(fēng)電和光伏為主要電源，堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽為主要負(fù)載，超級電容為輔助電源或輔助負(fù)載。為優(yōu)化該系統(tǒng)的容量配置和能量管理，考慮了兩種電解槽的靜態(tài)和動態(tài)物理特性。其中，堿性電解槽運(yùn)行功率的下限和上限分別根據(jù)其氧中氫閾值和過載能力等靜態(tài)特性來確定。根據(jù)堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽以及超級電容的動態(tài)響應(yīng)特性，定義了兩個反映風(fēng)電和光伏功率波動的仿射函數(shù)。結(jié)果表明相比基于堿性電解槽或質(zhì)子交換膜電解槽的單一制氫系統(tǒng)，混合制氫系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)收益和能量效率。
圖4. 混合制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖5. 混合制氫系統(tǒng)優(yōu)化框架
圖6. 結(jié)果：(a) 部件功率；(b) 超級電容荷電狀態(tài)
該成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management of Hybrid Electrolyzer Systems Considering Physical Characteristics of Alkaline Electrolyzers and Proton Exchange Membrane Electrolyzers”為題發(fā)表于Renewable Energy。信息學(xué)院2024級博士研究生唐毓振為第一作者，楊恒昭教授為通訊作者。
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