基于ALK/PEM电解技术的离网风光制氢系统动态协作调度——提升电解槽寿命平衡与产氢量
《International Journal of Hydrogen Energy》：Dynamic collaborative scheduling of off-grid wind-hydrogen systems with ALK/PEM for enhancing electrolyzer lifespan balance and hydrogen production
【字体：
大
中
小
】
时间：2026年10月06日
来源：International Journal of Hydrogen Energy 9.2
编辑推荐：
• 提出适用于离网碱性（ALK）/质子交换膜（PEM）电解槽的自适应冷/热启动控制策略。• 基于健康状态（SOH）的轮换机制可平衡同类电解槽的寿命衰减。• 氢气产量提高6.9%–9.2%，同时能耗降低1.5%–2.6%。• 弃风与待机损耗降低超过55%，平准化制氢成本（LCO
• 提出适用于离网碱性（ALK）/质子交换膜（PEM）电解槽的自适应冷/热启动控制策略。• 基于健康状态（SOH）的轮换机制可平衡同类电解槽的寿命衰减。• 氢气产量提高6.9%–9.2%，同时能耗降低1.5%–2.6%。• 弃风与待机损耗降低超过55%，平准化制氢成本（LCOH）降低3.8%。引言基于可再生能源的电解制氢被认为是迈向低碳能源转型的重要途径，已成为能源领域的关键研究焦点[1,2]。与并网系统不同，离网风力制氢系统在运行过程中缺乏电网缓冲支撑，意味着风电出力的大幅波动和突变将直接影响制氢侧[3]。一方面，电解槽集群必须具备足够的动态响应能力，以提升风电利用效率；另一方面，还需在合理管控启停损耗的同时，尽可能降低能耗并减缓寿命衰减。因此，针对电解槽集群的协调控制策略研究对于提升离网风制氢系统的整体性能具有重要意义。目前，碱性（ALK）和质子交换膜（PEM）电解槽是水电解制氢中广泛采用的两种技术。表1列出了两种电解技术的核心性能对比。如表所示，受限于固有的运行特性和经济性因素，单一电解技术无法同时满足离网风制氢系统多方面的运行需求。例如，ALK电解槽的冷启动和热启动时间分别是PEM电解槽的12倍和160倍，其功率运行区间也比PEM窄10%–30%。这表明ALK的动态灵活性较弱，更适合相对连续且稳定的功率输入场景。相比之下，PEM虽具备更快的启停循环和更优的功率跟踪能力，但其单位资本成本较ALK高出约28.57%至42.85%[4,5]。基于上述电解槽的特性，已有大量研究针对可再生制氢系统中的混合电解槽（HEC）功率分配与控制策略展开[7,8]。文献[9]针对ALK电解槽在波动风电下频繁循环导致效率与经济性受限的问题，利用鹈鹕优化算法（POA）开发了多电解槽切换调度策略。为缓解多电解槽衰减不平衡问题，文献[10]提出了一种融合电压衰减预测与热及杂质约束的功率调度策略，有效缩小了衰减差距，并将制氢效率提升至69%。文献[11]提出了一种具备"动态状态感知与时变调度"特征的多电解槽优化方法，长期仿真显示，该方法可使氢气产量增加约5.36%，利润提升约10.48%。为实现更高的可再生能源利用率与更低的制氢成本，文献[12]采用了一个整体模型，同时优化供能配置与电解槽运行，其中纳入的约束包括多机组ALK冷启动/待机/瞬态动态特性以及稳定的下游氢需求。文献[13]提出了一种考虑冷/热启动动态、热管理及衰减的滚动时域功率分配优化策略，该策略实现年产量311,297 kg，系统效率达61.3%，并将平准化制氢成本降低至3.89 �/kg。文献[14]通过一种先将负荷调节至使多电解槽维持在其最小功率限值之上，再在稳定运行时进行等功率分配的调度策略，实现了98.7465%的风电利用率和年弃风193,187.3 kWh。针对多PEM电解槽缺乏灵活可扩展的监管控制问题，文献[15]提出了一种两阶段非线性模型预测控制策略：首先，通过布尔代数松弛确定电解堆的启停决策，随后优化功率分配以提升制氢产量。在并网风制氢条件下，文献[16]提出了一种自适应调度策略，将电解槽三态切换与负荷波动及启停衰减相耦合。四种季节场景下的仿真结果表明，系统利润提升2.32%至5.26%。近年来，提升制氢系统对可再生能源的适应性已成为主要关注点，因此针对利用混合电解槽互补特性设计协调控制策略的研究兴趣日益浓厚。例如，文献[17]提出了一种基于混合电解槽的风光制氢源荷协调调度策略，融合了XGBoost预测、双层自适应轮换及RIME优化，该策略实现年产量237.1吨，同时将冷启动频率降低约24%。针对风电混合电解槽系统中热管理与状态切换管理未能同时兼顾的不足，文献[18]提出了一种融合电热建模与自适应状态跃迁的滚动时域优化策略，该策略使年产量增加12.2%–28.9%，并将弃风率降低至1.71%。文献[19]提出了一种面向可再生能源"盈余/短缺"场景的电解槽协调调度方法，利用改进K-means的CGAN进行场景生成，采用MILP进行优化，将可再生能源利用率提高>1.2%，运行成本降低7.4%–10.8%。文献[7]引入了VMD-BP功率预测方法，结合多目标加权滚动调度以协调管理ALK/PEM电解槽，该方法在三个月内实现制氢量318,516.76 kg，并将切换动作次数减少至2848次。文献[20]建立了一个包含混合电解槽、电池和储氢的"风–光–氢"系统一体化容量与调度协同优化模型，将非凸MIQCP问题通过分段线性化及大M法转化为MILP问题求解。与仅采用ALK或仅采用PEM相比，混合电解槽的平准化制氢成本（LCOH）分别降低了5.78%和10.66%。总体而言，上述研究通过预测、滚动优化、协调控制与电网服务，共同丰富了混合电解槽功率调度策略。然而，电解槽从停机状态过渡到运行状态通常涉及冷/热启动过程，并伴随温度、压力等状态变量的动态演化[20]。启动阶段的特性显著影响风电消纳能力与功率跟踪性能[21]。此外，电解槽的频繁启停及长期运行会加速关键部件衰减，导致寿命缩短、可靠性下降，并最终推高LCOH[22,23]。因此，不同控制策略中的启停模式、性能评估以及轮换机制的引入值得重点关注。相应地，表2对已有文献研究重点的差异进行了比较。如表2所总结，尽管电解槽集群协调控制研究已从同质系统发展到混合系统，但仍存在若干局限性。首先，建模的全面性有待提升。例如，多数研究主要关注电气与经济模型（如文献[9,12,13,14]），而对电解槽寿命衰减过程及热管理的表征不足。相比之下，仅有少数文献（如文献[14,15,16]）纳入了温度动态，但其对经济与老化性能的表征仍不够全面。一个关键局限在于，现有研究缺乏将电气、热学、老化及经济模型整合至单一框架的能力，导致评估无法平衡这些相互竞争的性能方面。其次，现有协调控制策略未能充分考虑电解槽的整个启动过程。虽然许多方法聚焦于正常运行下的功率分配或滚动时域/预测优化（如文献[7,15,20]），但它们往往忽视"可再生能源的初期消纳阶段"与"完全停机后的启动过渡阶段"，因此无法利用混合电解槽的动态特性在这些关键时期减轻弃风与待机损耗；部分文献（如文献[11,13,14,16,19]）虽考虑了启动模式，但混合电解槽的分阶段协同策略设计及其相关功率分配机制仍不够完善。第三，表中所列文献中仅少数纳入了轮换机制[13,14,17]，且大多依赖固定周期重排或按累计运行时间排序等经验规则，其余多数研究未采用任何轮换方案。即便关注寿命或平衡的研究，也通常未能将健康状态（SOH）或衰减状态的反馈信息纳入决策过程。针对上述问题，本文聚焦于离网风制氢场景，构建了多维度运行模型与评估框架，并提出了一种融合冷/热启动自适应动态与基于健康状态的轮换机制的混合电解槽协调控制策略。主要贡献总结如下：1) 建立了耦合电热衰减模型，整合了制氢速率、热动态、寿命衰减及经济性因素，为离网风制氢场景下的控制策略提供了统一的建模基础；2) 提出了一种混合电解槽协调控制策略，融合冷/热启动的自适应动态响应与基于SOH的轮换调度，以降低待机能耗损失并提升风电利用率；3) 针对同类电解槽设计了一种SOH驱动的实时轮换机制，可动态响应其实时健康状态，从而提高集群中衰减分布的均匀性并缓解"短板效应"风险；4) 建立了针对离网风制氢系统的多维评估框架，从制氢产量、能耗、弃风、启动时间、寿命均衡及LCOH等方面量化性能，以实现策略的综合性比较。片段结构：系统架构图1展示了一套离网混合电解槽风制氢系统的配置结构，包括风力发电单元、含电解槽集群的制氢单元以及热管理单元。该配置可实现对每条电解支路的独立控制，从而为动态功率分配、启停切换和轮换调度提供必要的执行能力。同时，离网运行缺乏电网支撑，意味着……一种考虑冷/热启动自适应动态响应的健康感知混合电解槽协调控制策略（S1）(1) 状态转移模式为描述停机、启动、运行和待机状态之间的转移，并避免同一时间步内多种状态并存，引入了三个状态变量{Hx,i,t, Cx,i,t, Kx,i,t}，用于描述第i台电解槽在时间t的运行状态与启动进度。其中，Kx,i,t∈{0,1,2,3,4}表示电解槽的状态指示器，Kx,i,t=0表示停机，Kx,i,t=1表示冷启动，Kx,i,t=2表示热启动，Kx,i,t=3表示……仿真案例设计(1) 仿真案例设计基于所提出的模型与控制策略，本节建立了一套离网风混合电解槽制氢系统的仿真案例，分析不同控制策略对碱性（ALK）和质子交换膜（PEM）电解槽运行性能的影响。表6总结了电解槽的关键参数，表7提供了热模型参数。仿真以1分钟的时间分辨率在……结论：在波动风况下，针对离网风制氢系统，本文建立了一套集成启动特性、制氢性能、经济成本及不同电解槽寿命衰减的综合运行模型，并提出了一种考虑冷/热启动自适应动态响应的健康感知混合电解槽协调控制策略。通过将所提方法与其他策略在……作者贡献声明苏亮·马：原稿撰写、方法论、概念设计；泽清·孟：原稿撰写、验证；明轩·陈：验证、方法论；杰·任：可视化、正式分析；宝平·张：审阅与编辑、正式分析；洋·梅：审阅与编辑。资助本研究由北京高等教育学会资助（项目编号：MS2025056）。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
