制氢系统

随着国家“双碳”目标的推进，电解水制氢将迎来爆发式增长，其中电源的拓扑及控制对提升制氢系统效率具有重要意义。对DC/DC隔离型制氢电源的拓扑进行梳理及分析，针对不同的应用场景，分别从单级型、两级型、并联型和多端口型DC/DC隔离型制氢电源的结构及其优缺点进行分析，结果表明，全桥谐振变换器及考虑电解槽温度、压力及氢/氧交叉渗透反馈的控制方案，将成为适应宽范围、强波动的大功率规模化制氢电源发展趋势，且隔离型三端口DC/DC变换电源将成为分布式集成化电-氢耦合未来发展模式，为电解水制氢电源进一步研究提供参考。

为推进太阳能、氢能等清洁可再生能源的利用，并使之更好地与虚拟电厂技术融合，针对光伏电站与电解水制氢的耦合系统，进行了规模化聚合资源运行模式构建和计及资源初始投资的相关经济性分析。同时，结合对光伏电站实际工程项目年出力数据的分析，探讨了该类耦合资源作为虚拟电厂资源时，在实现支撑新型电力系统、促进新能源消纳的同时，可以维持并不断优化自身经济性，并指出了其中值得重点关注的运行模式优化要素、设备功能特点和市场条件，供相关研究参考。

综合能源系统有利于实现多能互济、能源高效利用。以含电、热、冷、氢负荷的园区综合能源系统为研究对象，分析了可再生能源制氢系统及掺氢燃气轮机运行中多种能源的耦合及梯级利用特性，考虑了掺氢比对燃气轮机效率以及热电比的影响，以系统运行成本最小为目标函数，建立了阶梯式碳交易机制下的园区综合能源系统优化调度模型。采用分段线性化和大M法将包含多个0–1变量和连续变量的非线性模型转化为混合整数规划模型，并调用Cplex求解器实现快速求解。算例分析表明，所提调度策略可有效提高园区能源系统运行经济性，合理调控燃气轮机掺氢比有利于降低园区系统的碳排放。

针对风电消纳和传统高压储氢方式存储成本较高等问题，提出了一种基于风−氢−甲醇−碳捕集一体化的综合能源系统经济运行模型，实现更为安全经济的储氢模式。首先，构建一体化综合能源系统（integrated energy system, IES）的结构模型，通过氢转甲醇和甲醇重整制氢系统替代传统储氢模式，并与碳捕集设备配合实现碳资源循环利用。其次，综合考虑系统运行经济成本、环境成本，建立了基于风−氢−甲醇−碳捕集一体化的综合能源系统多目标经济运行模型；最后，通过算例对比了4 种不同的经济运行方案，验证了所提模型的可行性。

离网型新能源发电制氢系统输电线路很可能因故障而造成系统崩溃，故障的快速检测与切除是保证其正常运行的关键。为实现离网型制氢系统线路全范围故障检测，同时实现后备保护与主保护的协调配合，提出一种以故障瞬时功率差分变化率为主保护、本地功率变化率构成后备保护的协同保护方法。首先，确立离网型制氢系统拓扑结构，建立离网制氢电网模型。其次，利用回路分析法推导短路故障电流、电压，计算故障瞬时功率差分变化率。最后，分析不同故障类型下正负极瞬时功率差分变化率特征。当系统通信正常时，利用其故障瞬时功率差分变化率与阈值进行比较以启动主保护，再利用故障后功率差分变化率构造选极坐标系，实现故障选极。当通信故障时，后备保护快速切除故障，避免故障范围进一步扩大。该协同保护方法具有良好的速动性、选择性和可靠性，且能应对通信故障的情况。

针对由于氢能生产经济性低，难以满足日益增长的氢能需求问题，提出基于斯塔克尔伯格(Stackelberg)博弈机制的光伏制氢系统能量优化管理策略。首先，在博弈模型中，氢能生产商作为上层领导者，以净收益最大为目标制定与下层用户交易的氢能价格；用户作为下层跟随者，以最大消费者剩余为目标，并兼顾上层氢能生产商制定的售氢价格，对自身用能策略进行调整，并将所需负荷量反馈上层，两者进行博弈，最终达到博弈均衡。其次，在考虑氢能生产商收益和用户用氢需求的基础上，建立光伏制氢系统能量管理模式以优化制氢系统各个设备出力，达到提高氢能生产商的经济性和满足用户氢能需求的目的。最后，通过分析氢能生产商与用户的博弈目标及策略，从理论上证明了博弈存在唯一均衡解，并调用Cplex求解器对模型进行求解。结果表明，所提出的基于Stackelberg博弈能量的优化管理策略可有效提高系统的经济性和满足用户需求，达到了博弈双方双赢的效果。

新能源制氢系统是提升风能、太阳能等新能源消纳的有效途径。目前国内外关于电解槽能量管理的研究以单电解槽为主。单电解槽能量管理未考虑电解槽非线性的工作特性，难以兼顾多个电解槽制氢效率，影响系统经济性。文中针对含有多电解槽的新能源制氢系统的能量管理问题进行了研究，以新能源消纳率、经济收益、制氢率为目标，考虑单个电解槽运行特性以及生产约束条件，建立包含风电、光伏、蓄电池、多电解槽的能量管理优化模型，并采用强度Pareto进化算法2（strength Pareto evolutionary algorithm 2，SPEA2）求解多目标优化问题。仿真研究表明，文中所提能量管理策略能够实现新能源发电的100%消纳，单位制氢收益可提升5.15%。因此，对多电解槽制氢系统进行有效的能量管理有助于提高制氢效率，可有效克服单电解槽运行及能量管理的不足。

天津市科技局发布天津市2024年度碳达峰碳中和科技重大专项申报指南，支持重点为低碳能源等4个专题，高效低成本绿色制氢系统关键技术研究与示范等7个方向。