背景
01
碱性电解水制氢技术（ALK）由于其规格、成本以及寿命等优势具有更加广泛的关注，近年来始终占据着较高的市场份额。然而，ALK技术也面临诸多挑战亟待解决，其中，研究相对落后的控制系统和配置优化是当前的研究热点，当ALK系统与和再生能源耦合时，有必要研究提高电解槽对可再生能源的消纳水平，提高可再生能源的总能效。
优化方式
02
2.1 多电解槽切换策略
研究提出了与风力发电机耦合的多电解槽切换等力策略与循环轮换策略[1]，假设每个电解槽的寿命是相等的，电解槽的编号从EI1，EI2直到EIN，切换策略流程图如图1所示，首先，控制器判断剩余功率Pa是否超过最小功率电解槽的额定功率Pelmin，如果答案是肯定的，则El1启动。当El1的功率达到额定功率水平后，控制器需要判断剩余功率是否仍超过Pelmin，当答案为是时，El2启动。然后继续进行下一个判断。两种切换策略示意图如图2所示，循环轮换策略相较于等力策略增添了电解槽顺序按最小循环旋转的条件，使每个电解槽在其使用寿命内都能拥有相同的寿命和性能。仿真结果表明循环轮换策略多个电解槽之间达到了理想的平衡，总工作时间的标准偏差是等力策略的0.0132倍，可以在一定程度上弥补风速波动带来的固有缺陷，使得电解槽的总工作时间和满负荷时间接近，提高能源效率。
图1 电解槽切换策略流程图
（a）等力策略示意图 （b）循环切换策略示意图
图2 两种切换策略示意图
2.2 单槽主动压力和碱液流量控制
文献[2]通过4KW碱性水电解系统试验研究压力、温度和碱液流量对氧中氢和电压的影响，同时分析氧中氢产生机理，建立带物理多孔分离器的碱性水电解系统的稳态和动态氧中氢模型，提出过渡运行的压力和碱液流量控制方法。为了在风电网络制氢的情况下充分利用风电且保证低负荷下的安全性，如图3所示，采用单槽主动压力和碱液流量控制方法可以将最小负载降至8.95%，对应电流密度为0.0196A/cm2，有效降低了碱性电解系统结构参数和风电功率值影响的最小负荷极限，提高了能量回收能力。
图3 碱性电解槽在压力和碱液流量控制中的最佳压力-电流密度变化趋势
总结
03
针对与可再生能源耦合的碱性电解系统，可以通过对单槽运行条件以及多电解槽混合系统切换方式等控制策略进行配置与优化，提高从风电系统到制氢系统的能量消纳水平。未来还需要进行温度特性影响，寿命退化验证以及功率布置等的研究，优化仿真的准确性与普适性。
参考文献
1. Li, Y., et al., Exploration of the configuration and operation rule of the multi-electrolyzers hybrid system of large-scale alkaline water hydrogen production system. Applied Energy, 2023. 331.
2. Li, Y., et al., Active pressure and flow rate control of alkaline water electrolyzer based on wind power prediction and 100% energy utilization in off-grid wind-hydrogen coupling system. Applied Energy, 2022. 328.