[发明专利]一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法

说明书

本发明公开了一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，涉及制氢和储能领域。包括以下步骤：S1：基于电化学与传热机理构建以波动的可再生能源电力作为唯一的能量源的高温固体氧化物电解槽的动态模型；S2：构建高温固体氧化物电解制氢系统各辅机部件的动态模型并对电解制氢过程进行仿真；S3：对高温固体氧化物电解水制氢系统机理模型进行双输入双输出传递函数模型辨识；S4：基于所建立的辨识模型进行模型预测控制(MPC)设计。本发明提出了面向波动电能消纳的高温固体氧化物电解水制氢系统的动态仿真模型，并通过系统辨识和控制设计，为电解系统定量供应符合反应要求的反应原料，实现反应温度的精确控制，提高制氢系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及氢气制备和储能技术领域，具体的说是一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法。

背景技术

随着可再生能源发电价格的逐步降低，清洁能源有望成为电力供给的重要来源。在综合能源微网中，通过电解水制氢，储氢模块可起到平抑可再生能源电力和抑制能量波动、改善系统运行稳定性、实现能源资源的多元化利用等的作用，尤其在中长时间尺度的电力平衡过程中，较电化学储能具有明显优势。

目前，电解水制氢技术主要包括三种：碱性电解水制氢(AWE)系统，质子交换膜电解水制氢(PEMEC)系统和高温固体氧化物电解水制氢(SOEC)系统。其中 AWE一直被用于化肥和氯气工业的氢生产，电解槽操作范围从最小负荷10％到最大设计容量110％。与其他电解槽技术相比，碱性水电解避免了因使用贵重材料而带来的成本负担。其商业应用最广泛，但存在制氢效率低、电解槽能量密度低的缺点，难以做到高密度设计。PEMEC由于质子交换膜的引入，克服了AWE 的能量密度底、制氢效率低的缺点，同时也存在材料寿命短、造价昂贵的缺点。由于采用了高温电解环境，SOEC具备最高的理论制氢效率。

SOEC常用的有管式和板式设计，板式电解槽结构简单、易于加工，且加工成本低，便于高电流密度设计，但由于暴露面积多，封装较为困难，且反应热应力大，尤其是在消纳波动的可再生能源时。目前固体氧化物电解槽在三种电解槽中效率最高，且反应废热可以利用，系统总效率可达到90％。但1000℃的高温工作条件使其在材料等方面存在较大挑战。

新能源电力技术具备清洁低碳的特点，但其波动性和间歇性也为电解水制氢系统带来了挑战，因此，例如中国专利文献CN111663150A公开了一种波动型功率输入的电解水制氢方法及其装置；中国专利文献CN113862696A公开了一种基于固体氧化物电解水的制氢方法：上述两篇文献均在研究电解水制氢方法，但对于固体氧化物电解制氢系统的在面对波动型功率输入时，合理的控制设计的引入对于提高电解槽工作的稳定行具有重要意义，保证蒸汽流量满足反应需求，抑制反应温度随电能输入的变化而波动，可以提高产氢的稳定性、延长材料寿命。

发明内容

为了解决面对具有波动性的可再生能源电力输入时的控制设计问题，本发明提供了一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，可以实现对SOEC电解水制氢系统的动态建模和仿真分析，实现应对非稳态的电能输入时的系统控制。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，包括以下步骤：

S1：基于电化学与传热机理构建以波动的可再生能源电力作为唯一的能量源的高温固体氧化物电解槽的动态模型；

S2：构建高温固体氧化物电解制氢系统各辅机部件的动态模型并对电解制氢过程进行仿真；

S3：对高温固体氧化物电解水制氢系统机理模型进行双输入双输出传递函数模型辨识；

S4：基于辨识的传递函数模型进行模型预测控制。

本发明的进一步改进在于：S1的具体步骤为：