一种用于快速电解功率分配的平均场控制方法，以生产绿色氢气

《IEEE Transactions on Sustainable Energy》：A Mean Field Control Method for Rapid Electrolysis Power Allocation of Green Hydrogen Production

提出平均场控制方法优化大规模电解槽阵列电力分配，提升可再生能源制氢系统绿氢效率。通过动态超盒粒子分区模型简化控制复杂性，结合HJB-FPK方程求解处理随机波动和设备故障，采用CNN加速的混合有限差分解算法实现高效求解，并严格证明算法稳定性和收敛性。案例验证了该方法在快速电力分配和绿氢生产效率上的优越性。

　　

摘要：

本文提出了一种平均场控制（MFC）方法，用于快速分配电解功率，以提高大规模电解槽（EZ）阵列的绿色氢气生产效率，同时提升以可再生能源为主导的氢气生产系统（RHPSs）中的可再生能源利用率。首先，构建了一个考虑安全电解功率波动范围和氢气生产效率的超盒动态均匀粒子划分模型，以降低控制复杂性。其次，为EZ阵列设计了一种MFC策略，通过线性-二次哈密顿-雅可比-贝尔曼（HJB-FPK）和福克-普朗克-柯尔莫哥洛夫（Fokker-Planck-Kolmogorov）偏微分方程以及泊松跳跃过程，有效地将电解功率指令分配给大量的EZ堆栈，从而应对随机功率波动和电池故障带来的不确定性。此外，还开发了一种结合卷积神经网络（CNN）加速的混合有限差分求解算法，用于数值搜索平均场控制平衡点（MFCE），该方法能够提高求解的高阶精度和计算效率。最后，通过截断误差分析规则和拉克斯等价定理严格证明了该求解算法的稳定性、一致性和收敛性。对比案例研究验证了所提出方法在快速电解功率分配和大规模EZ阵列绿色氢气生产效率方面的优越性。

引言

在发电侧建立以可再生能源为主导的氢气生产系统（RHPSs）是实现能源转型的关键策略[1]。随着风能和光伏发电的普及，可再生能源输出的波动性以及有限的吸收能力导致了日益严重的弃电问题[2]。在这样的RHPSs中，由众多电解槽（EZs）组成的大规模氢气生产阵列可以有效缓解风能和太阳能的间歇性，同时提高可再生能源的利用率[1]、[2]、[3]。由于单个EZ电池的容量通常受到单电池产氢限制，因此通常将多个电池串联连接形成一个额定容量为1-5 MW的EZ堆栈，作为阵列中的最小运行单元[3]。此外，这些EZ堆栈可以并联连接，并且通常在同一RHPS中物理上保持最小间距，从而实现对每个堆栈的独立控制。实际上，全球范围内已经部署了大规模的EZ阵列，用于千吨到兆吨级别的以可再生能源为主的氢气生产示范项目，包括中国新疆的库卡绿色氢气试点项目[4]、中国的宁夏可再生能源氢气和碳减排试点项目[5]、德国的林根绿色氢气项目[6]。这些项目支持模块化运行，并通过DC/DC转换器实现动态的EZ堆栈切换，使得阵列内的堆栈能够独立且并行运行[7]。此外，风能和太阳能的不确定性会导致供给EZ阵列的电解功率出现快速、频繁且显著的波动。这些波动可能导致局部温度升高、电位增加以及EZ阵列内部应力增大，从而对电极、交换膜和双极板等关键部件造成不可逆的损坏[8]。这对RHPSs的安全高效运行构成了巨大挑战。