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华北电力大学（保定）电力系统数智化赵洪山教授团队提出氢能一体化电站及其运行过程能量流控制技术。利用氢能一体化电站，在电功率富裕时将电能转化为氢能存储；当电功率不足时，将存储的氢转换为电为用户供电，来解决大规模新能源消纳问题。
研究背景
“双碳”目标下新能源发电占比迅速提升，部分地区已经出现严重弃风弃光现象。氢储能技术具有清洁、无自放电、能量密度高的特点，是一种极具潜力的能源存储技术。本文提出将电解水制氢、储氢和燃料电池发电技术集成在一起，形成氢能一体化电站，如下图1。在电网功率富裕的时候利用氢能一体化电站制氢储能；当电网功率不足时，氢能一体化电站将存储的能量转换为电能为用户供电，从而助力解决大规模新能源消纳的问题。
然而，氢能一体化电站由制氢、储氢和燃料电池发电三个部分组成，其运行的能量转换过程涉及复杂的电-氢-电耦合。为保证其安全稳定运行需要研究制氢、储氢和燃料电池发电系统一体化建模以及能量转换过程中电-氢-电能量流的协调运行控制方法。
图1 氢能一体化电站结构
论文所解决的问题及意义
针对氢能一体化电站一体化建模及能量流协调控制问题，提出基于因果序图的氢能一体化电站能量流控制方法。该方法基于因果序图建立了一体化电站动态模型，该模型能够实现一体化电站电-氢-电运行过程的表征；然后在所建模型基础上基于自然因果原理设计了一体化电站功率流和氢气流控制策略，该策略对于刚性过程采用反转模型控制，减少了误差反馈耗时，加快收敛速度，可以更有效地实现氢能一体化电站运行过程的能量流管理。
论文方法及创新点
首先，根据一体化电站电-氢-电能量转换特点，基于因果序图（COG）建立了面向控制的制储氢发电一体化电站运行动态模型（图2(a)），该模型能够清晰地反映一体化电站不同物理量之间的关系，实现一体化电站运行过程的表征。
其次，在所建模型基础上基于自然因果关系原理设计了一体化电站运行过程的功率流和氢气流控制策略（图2(b)），该策略对于刚性关系过程采用反转模型控制减少了误差反馈耗时，增强了控制器性能。
最后，在基于RT-Lab 的硬件在环仿真平台进行了测试，分析了一体化电站不同物理量之间的变化关系。并且与PID 和ADRC 方法的对比结果表明，所提控制策略在响应速度、收敛精度和运行效率上优于传统方法，可以更有效地实现氢能一体化电站运行过程的能量流管理。
图2 氢能一体化电站结构
结论
本文提出了一种可以和可再生能源结合的氢能一体化电站及其能量流控制策略。
1、提出了一种新型的氢能一体化电站建立了基于COG的氢能一体化过程动态模型；
2、提出了基于COG 的一体化电站运行功率流与氢流控制策略，所提控制策略在响应速度、收敛精度和运行效率上均较优，可以更有效地实现氢能一体化电站运行过程的能量流管理。
尽管本文已经建立了氢能一体化电站的运行过程模型并提出了其运行过程能量管理策略。然而还有许多需要解决的关键问题，如极端情况下氢能一体化电站的运行控制策略、提升能效的氢能一体化电站结构设计以及制氢-储氢-发电三部分的经济容量匹配方法等。
团队介绍
华北电力大学（保定）赵洪山教授的电力系统数智化研究团队主要从事在风电-氢电新能源、电力设备数字化与智能化等相关新技术及其应用研究。近年来，承担国家纵向与横向科技项目三十余项，在国内、外重要学术期刊发表被SCI/EI收录论文130余篇。
在新能源方向，重点从事风电机组的故障预测与识别、健康状态评估以及优化运维策略等课题研究，并荣获河北省科技进步一等奖和河北省科技进步二等奖各一项，同时展开了以消纳新能源与微电网安稳运行为目的的制氢-储氢-氢发电一体化电站技术研究，完成了一体化氢能电站的建模与协调控制等关键理论问题。
在电力基础设施数智化的研究中，开发了基于物联网技术的多款不同性能的在线传感器与智能终端，在变电站、配电站、环网柜以及箱变等设备数智化进行了多处落地应用，同时正在研究与开发基于物联网感知数据的用于电力设备故障分析、状态评估以及剩余寿命预估等智化算法，以实现电力设备运维的数字化与智能化。
赵洪山，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统动态分析与控制、氢能一体化电站技术、主动配电网以及故障预测等。E-mail：zhaohshcn@126.com
马利波，博士研究生，研究方向为氢能一体化电站运行与控制技术。E-mail：malbo_ncepu@163.com
本工作成果发表在2024年第16期《电工技术学报》，论文标题为“基于因果序图的氢能一体化电站运行过程建模及能量流控制策略“。本课题得到国家重点研发计划和国家自然科学基金面上项目的支持。
引用本文
马利波, 赵洪山, 余洋, 潘思潮. 基于因果序图的氢能一体化电站运行过程建模及能量流控制策略[J]. 电工技术学报, 2024, 39(16): 5220-5237. Ma Libo, Zhao Hongshan, Yu Yang, Pan Sichao. Operation Process Modeling and Energy Flow Control Strategy of Integrated Hydrogen Energy Power Station Based on Causal Ordering Graph. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(16): 5220-5237.
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