【儀表網 研發快訊】由于其能量密度高、儲能規模大、儲能時間長，氫能在可再生能源領域應用前景廣闊。作為氫能系統的關鍵部件，電解槽和燃料電池存在動態響應較慢、耐久性較差、成本較高等問題。因此，電解槽和燃料電池等氫儲能部件通常與超級電容、鋰離子電池等動態響應較快的電儲能部件構成氫電混合儲能系統。
 

　　近日，上海科技大學信息科學與技術學院智慧電氣科學中心(CiPES)楊恒昭課題組(儲能實驗室)在制氫系統容量配置和能量管理領域取得兩項研究進展。相關研究成果以上海科技大學為第一完成單位分別發表于可再生能源領域國際期刊IEEE Transactions on Sustainable Energy和Renewable Energy。
 

　　單一制氫系統的容量配置和能量管理
 

　　針對基于質子交換膜電解槽的單一制氫系統，研究人員提出了一個優化框架以解決系統的容量配置和能量管理問題。該系統以風電為主要電源，質子交換膜電解槽為主要負載，超級電容為輔助電源或輔助負載。所提出的優化框架利用粒子群優化算法，以最小化系統總成本為目標，優化了四個決策變量：電解槽容量、超級電容容量以及能量管理策略中的兩個關鍵參數。為合理分配風電功率，能量管理策略引入了一個人工勢場并定義了一個基于超級電容荷電狀態的虛擬力。結果驗證了該優化框架在降低系統總成本、控制超級電容荷電狀態以及減緩電解槽退化等方面的有效性。
 

圖1. 單一制氫系統優化框架
 

圖2. 單一制氫系統能量管理策略
 

　　圖3. 結果：(a) 部件功率；(b) 功率分配因子；(c) 濾波器截止頻率；(d) 超級電容荷電狀態
 

　　該成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management in Electric-Hydrogen Hybrid Energy Storage Systems”為題發表于IEEE Transactions on Sustainable Energy。信息學院2024級博士研究生唐毓振為第一作者，楊恒昭教授為通訊作者。
 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TSTE.2025.3547919
 

　　考慮電解槽物理特性的混合制氫系統
 

　　基于堿性電解槽和質子交換膜電解槽在動態響應特性、過載能力、成本等方面的互補性，研究人員提出了一種由兩者構成的混合制氫系統。該系統以風電和光伏為主要電源，堿性電解槽和質子交換膜電解槽為主要負載，超級電容為輔助電源或輔助負載。為優化該系統的容量配置和能量管理，考慮了兩種電解槽的靜態和動態物理特性。其中，堿性電解槽運行功率的下限和上限分別根據其氧中氫閾值和過載能力等靜態特性來確定。根據堿性電解槽、質子交換膜電解槽以及超級電容的動態響應特性，定義了兩個反映風電和光伏功率波動的仿射函數。結果表明相比基于堿性電解槽或質子交換膜電解槽的單一制氫系統，混合制氫系統具有更高的經濟收益和能量效率。
 

圖4. 混合制氫系統結構示意圖
 

圖5. 混合制氫系統優化框架
 

圖6. 結果：(a) 部件功率；(b) 超級電容荷電狀態
 

　　該成果以“An Optimization Framework for Component Sizing and Energy Management of Hybrid Electrolyzer Systems Considering Physical Characteristics of Alkaline Electrolyzers and Proton Exchange Membrane Electrolyzers”為題發表于Renewable Energy。信息學院2024級博士研究生唐毓振為第一作者，楊恒昭教授為通訊作者。