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。

“双碳”目标背景下，海上风电等可再生能源发展的重要性逐渐提高，但风力发电的波动性会给系统运行带来安全性问题。结合多种储能技术提出计及气固两相储氢的海上风电-多元储能系统，通过配置储能容量满足海上风电系统安全运行要求。首先，构建海上风电-多元储能系统模型并对系统结构以及能流情况进行阐述。其次，介绍包含气态和固态两相储氢的储氢系统并解释固态储氢相关原理。再次，构建海上风电-多元储能系统配置优化模型。最后，结合典型周运行数据进行仿真分析。结果表明所提系统能提高海上风电系统的安全性和经济性。

电热氢系统作为一种高效的综合能源供用系统受到广泛关注。然而，氢气的燃爆特性导致了其面临着安全性挑战。为此，提出了考虑安全性风险的电热氢系统优化配置方法。首先，分析电热氢系统的安全性，对电解槽和燃料电池的工作范围和工作温度进行约束；然后，基于氢气的非理想气体压强公式对储氢罐压强进行更为准确地约束，并基于TNT当量法量化了储氢罐的安全性风险；最后，通过安全风险系数，将储氢罐的安全风险折算进目标函数中，建立了以系统投资成本、运行成本和安全性风险为优化目标的电热氢系统优化配置模型，并利用禁忌混沌量子粒子群算法进行求解。算例结果表明，在考虑安全性风险的情况下，通过合理的容量设计，可以在提高系统经济性的同时有效降低系统安全风险，进而验证了该优化设计方法的有效性。

本技术属于《国家重点支持的高新技术领域》第四类“新材料”中“金属及金属基复合新材料制备技术”的研究范畴。 我国建有世界最大的输电网络，运行总里程近150万公里，年电阻损耗高达2千亿kWh。我国领先开发硼化、稀土化技术，将铝导体导电率由59%IACS提升到61%IACS，但在低成本保证强度下进一步提高导电率遇到了困难，长期无法突破。主要存在以下技术难题：①没有掌握微合金元素匹配提高导电率的方法，缺少对应的配方；②工业纯铝熔液中2μm以下微杂质和微气孔不能有效去除，影响强度和导电率；③传统轧制和热处理工艺难以兼顾高强度和高导电率，且能源利用率低。针对以上问题，国网河北电科院牵头，通过产学研联合攻关，提出了富铁相析出提高导电率的新方法，发明了原料配方、铝液净化、导线制备工艺等专有技术，实现了低成本下铝导体导电率和强度同步提升。 本项目发明了高强度高导电率低成本铝导体材料制备技术。建立了微量元素存在状态与性能的关系模型，掌握了铁硅、硅锑等微合金化元素最佳配比，发明了用99.7%电工铝锭生产63%IACS高导电率硬铝导体的成分配方，首次提出富铁相析出提高导电率的新方法，突破了原料纯度要求高的技术瓶颈。发明了有效去除微缺陷的铝熔液净化系列技术。提出了Al2O3纳米刺球吸附微气泡和微杂质，惰性气体、离心、真空复合除氢，聚合气孔抑制组合技术，开发了米刺球制备装置、铝液除氢系统、旋压浇注装置，有效去除微缺陷，保留了原有合金成分，系统解决了气孔、杂质降低导线强度和导电率的技术难题。发明了节能型铝丝制备技术。提出了将温度控制和余热利用相结合，低温轧制、分段热处理的导线制备新工艺，通过富铁相沿晶界析出、晶粒径向细化和轴向延长，在保证强度的基础上提高了导电率，攻克了低成本稳定生产63%IACS高导电率硬铝导线的技术难关。 本项目授权发明专利8项，发表核心及以上论文6篇。单丝和导线均通过了国家权威机构检测。经中国电机工程学会成果鉴定，整体技术达到了国际领先水平。本技术还应用于其它铝导体制备，成功开发出铝包钢芯高导电率铝绞线、63%IACS高导电率铝导体，带动系列铝导体研究迈上了更高层级，极大提升了我国输电技术水平。

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。

为了降低海上风电场维护次数频繁所带来的高昂成本，提高海上风电的消纳率，提出一种考虑场间-场内风电机组疲劳载荷均衡的海上风氢系统灵活调度方法。首先，量化分析风电机组的疲劳载荷与风电出力、疲劳成本之间的关系，建立了场间-场内风电机组疲劳载荷均衡模型，协调风力发电与疲劳载荷之间的关系。然后，考虑海上天气因素的多变性，提出船舶自适应航行模型。进而，采用柔性直流输电，建立了电氢并举的能量流灵活外送模型。最后，以系统运行总成本最小为目标，提出考虑场间-场内风电机组疲劳载荷均衡的海上风氢系统灵活调度策略。仿真结果表明，相对于传统调度策略，所提的调度策略能够均衡场间疲劳载荷，同时有效地减小场内疲劳载荷差异，经济性提高了8.11%。

为了提升可再生能源利用率和分布式电热氢系统的经济性和环保性，从风光发电的强波动性和多类型电解槽的差异化特征出发，建立了多类型电解槽统一模型，提出了考虑多类型电解槽差异化特征的分布式电热氢系统优化设计方法，综合利用碱性电解槽、质子交换膜电解槽以及固体氧化物电解槽在经济性、灵活性和高效性方面的差异，分别消纳不同波动特征的可再生能源。算例结果表明，该方法能够综合利用多类型电解槽的差异化特征，使多类型电解槽的运行灵活性与风光出力波动相匹配，综合提升分布式电热氢系统的经济性和环保性。