CN115859590A - 一种基于电源输入特性的pem电解槽仿真模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，首先建立质子交换膜PEM电解槽电流型模型；在所建立的PEM电解槽电流型模型的基础之上，利用等效电路模型转化法将PEM电解槽电流型模型等效为阻抗传递函数；利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正；利用电压整定器对电压输入PEM电解槽模型的输入电源类型进行修正，实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型。该方法能更好的拟合实际工作环境，所建立的PEM电解槽模型可以很好的体现PEM电解槽宽负载特性，也可自动识别输入电压类型，大大提高了PEM电解槽模型的适配性和精确度。

Description

一种基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法

技术领域

本发明涉及可再生能源电解水制氢系统技术领域，尤其涉及一种基于电源输入特性的PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜)电解槽仿真模型的建立方法。

背景技术

随着全球碳达峰和碳减排的推进，氢能作为一种重要的清洁可再生能源受到越来越多的关注，开发利用氢能已成为中国能源技术发展的重要战略方向。工业副产及高温分解制氢由于在生产氢气的过程中排放大量CO₂，很大程度上增加了环境负担，不利于我国“双碳”目标的实现。然而，利用可再生能源电解水制取氢气，其制氢过程中可实现零碳排放，且合理利用弃风、弃光资源，不仅可以实现可再生能源的充分利用，同时也可平抑可再生能源发电所引起的电网波动。质子交换膜PEM电解槽是可再生能源电解水制氢系统的关键设备，PEM电解槽具备宽负载运行，功率调整灵活、启停快等优点，因此与可再生能源发电适配性较高，在一定程度上可以克服可再生能源发电过程中存在的输出波动和工作间歇性等缺点。

近年来可再生能源装机容量超10亿千瓦，如何利用大量的可再生能源制氢对制氢系统提出更高的要求。目前对于可再生能源制氢系统已经有了一定的研究，对风光等可再生能源最大功率跟踪控制等方式已逐渐成熟，但对于PEM电解槽模型的研究才逐渐起步，同时将可再生能源与电解制氢设备结合为整个电力系统的稳定性、可靠性以及高效性带来了新的挑战。考虑到PEM电解槽在面对不同可再生能源动态功率输入时的响应特性和适应性以及网侧电源与制氢装置耦合等问题，建立PEM电解槽精准适配的仿真模型，进而准确模拟可再生能源与制氢系统在复杂状态下的工作特性具有重要意义。

现有技术针对PEM电解槽的建模研究仅结合PEM电解槽运行特性，所建PEM电解槽模型输入电源为电流型，而实际运行过程中，可再生能源发电输出为电压输出，即PEM电解槽的输入电源为电压型，因此输入电源为电流型的PEM电解槽模型不能很好的拟合实际的工作环境。另外目前所建立的PEM电解槽模型并不能很好的体现PEM电解槽宽负载特性且模型的精准度不高，也无法自动识别输入电压类型。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，该方法能更好的拟合实际工作环境，所建立的PEM电解槽模型可以很好的体现PEM电解槽宽负载特性，也可自动识别输入电压类型，大大提高了PEM电解槽模型的适配性和精确度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，所述方法包括：

步骤1、首先建立质子交换膜PEM电解槽电流型模型；

步骤2、在所建立的PEM电解槽电流型模型的基础之上，利用等效电路模型转化法将PEM电解槽电流型模型等效为阻抗传递函数，将PEM电解槽电流型模型中的电流输入转变为电压输入；

步骤3、利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正，使电压输入PEM电解槽模型能快速、稳定的跟踪输入电压；

步骤4、利用电压整定器对电压输入PEM电解槽模型的输入电源类型进行修正，实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能更好的拟合实际工作环境，所建立的PEM电解槽模型可以很好的体现PEM电解槽宽负载特性，也可自动识别输入电压类型，大大提高了PEM电解槽模型的适配性和精确度，为可再生能源制氢提供研究基础，大大推动了氢能行业的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述PEM电解槽电压型模型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、首先建立质子交换膜PEM电解槽电流型模型；

在该步骤中，PEM电解槽电流型模型包括PEM电解槽动态模型与静态模型，所述PEM电解槽动态模型是对PEM电解槽内部动态过程进行模型等效；所述PEM电解槽静态模型是对PEM电解槽电压、电流工作外特性进行等效，该PEM电解槽静态模型能显示PEM电解槽实际工作电压情况，具体构建过程为：

首先构建PEM电解槽动态模型，假设阳极进入氧气为0，阴极进入氢气为0，也就是初始没有空气进入，电解槽内部压强、湿度以及温度等数据一致，建立电解槽阳极/阴极流量与压力模型；

阳极/阴极流量模型表示为：

式(1)中，

为阳极/阴极中气体的流速(mol/s)；

分别为阳极/阴极气体流入、流出以及产物的流速(mol/s)；

分别为水的流入、流出以及电散流速(mol/s)；

为法拉第系数；I为PEM电解槽电流(A)；F为法拉第常数；η_F为法拉第效率；

阳极/阴极压力模型表示为：

式(2)中，

分别为阳极/阴极气体与水压力(Pa)；

分别为阳极/阴极气体与水摩尔量(mol)；V_X为阳极/阴极容量(m³)；T_W为阳极/阴极温度(K)；

为阳极/阴极气体摩尔百分比；

再建立质子交换膜流量模型，质子交换膜中水以电迁移与扩散的方式移动，分别形成水的扩散力和电渗透阻力，质子交换膜流量模型如式(3)所示：

式(3)中，

为膜中水的流速；

为膜中电迁移流速；k_e为电迁移系数；A为膜面积；

为水的摩尔质量；i为电流密度；

为膜中扩散流速；D_m为水的扩散系数；C_m,ca、C_m,an为阴、阳极的水浓度；t_m为膜的厚度；

然后构建PEM电解槽静态模型，PEM电解槽工作特性可用电压和电流密度关系表示，电解总电压由开路电压、活化过电压、欧姆过电压和扩散电压组成，表示为：

式(4)中，V_ocv为PEM电解槽电路热中性电压，是PEM电解水的最小理论电压；R为理想气体常量；

和

分别为相应氢、氧、水的压力，单位为atm(1atm＝101325Pa)；V_act为由于电解水产生的活化过电压；V_act,an、V_act,ca分别为阳极、阴极活化过电压；i_an0、i_ca0分别阳极、阴极交换电流密度密度；α_a、α_c分别为电荷转移系数；V_ohm是PEM电解槽内阻所产生的欧姆过电压；δ为膜电极的厚度；σ为离子电导率；ρ为电子材料电阻率；l为电子路径长度；S为导体截面积。

基于构建的PEM电解槽动态模型和静态模型，将动态模型中随着反应不断变化的参数实时输入静态模型中，将动静态模型组合形成PEM电解槽电流型模型；其中，所输入的参数包括阴极阳极水压力等参数；

步骤2、在所建立的PEM电解槽电流型模型的基础之上，利用等效电路模型转化法将PEM电解槽电流型模型等效为阻抗传递函数，将PEM电解槽电流型模型中的电流输入转变为电压输入；

在该步骤中，在步骤2中，假设所建立的PEM电解槽电流型模型中的静态模型不受动态模型影响，仅表现为机理模型；在动态特性中，温度不变，不考虑电解槽中产物对电解槽产氢速率等性能的影响，将PEM电解槽电流型模型等效为一个阻抗传递函数，阻抗传递函数表示为：

其中，A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃表示阻抗传递函数的阻抗系数，是通过电流中断、自然电压响应和电流开关的方法获取；

再基于公式U(s)＝I(s)·R(s)，将PEM电解槽电流型模型中的电流输入转变为电压输入；其中，U(s)为输入电压的拉氏变换；I(s)为电流输入的拉氏变换；R(s)为阻抗传递函数。

步骤3、利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正，使电压输入PEM电解槽模型能快速、稳定的跟踪输入电压；

在该步骤中，利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数进行对偶自校正PID控制，所述对偶自校正PID控制器由确定性等价假设器方法实现，包括参数估计器、确定性等价PID控制器、对偶控制器，其中：

参数估计器采用最小二乘两极参数估计器；

确定性等价PID控制器输出给定信号与所述参数估计器的信号经对偶控制器作用后输出作用在所述阻抗传递函数上，对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正；

当PEM电解槽模型输入波动电压时，波动电压信号经过修正后的阻抗传递函数转化为稳定电信号，最终使得PEM电解槽模型能够快速、稳定跟踪输入电压，大大提高了所建PEM电解槽模型的宽领域电压适应性以及精准性。

步骤4、利用电压整定器对电压输入PEM电解槽模型的输入电源类型进行修正，实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型。

在该步骤中，具体是在所述对偶自校正PID控制器的输入处加装一个电压选择器，所述电压选择器后接AC/DC与DC/DC变换器，最终形成电压整定器；

当输入信号为交流电压时，电压选择器选择AC/DC开关导通，通过控制AC/DC中变流器开关管实现电压类型和大小的转换，使得电压整定器输出预设的直流电压，该直流电压再输入所述对偶自校正PID控制器进行后续操作；

当输入信号为直流电压时，电压选择器选择DC/DC开关导通，通过控制DC/DC中变流器开关管实现电压大小的转换，使得电压整定器输出预设的直流电压，该直流电压再输入所述对偶自校正PID控制器进行后续操作，从而实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型，如图2所示为本发明实施例所述PEM电解槽电压型模型的结构示意图，图中集成控制模块包括对偶自校正PID控制器和电压整定器；具体实现中，还可以设置数据监测模块，如图2中所示，该数据监测模块可以通过实时采集电解槽的产氢产氧速率来判断电解槽工作状态。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法不仅克服了常规PEM电解槽模型输入电源为电流型的缺陷，而且使PEM电解槽模型在输入电压波动的情况下仍可以迅速跟踪输入电压，进而达到平滑制氢的目的，实现了PEM电解槽宽领域电压运行特性，所构建的模型精确度较高。

同时，利用本方法搭建的PEM电解槽模型可自动识别输入电压类型，大大提高了所搭建PEM电解槽模型拟合实际工况的精准度和实用性，技术结构简单、涉及变量较少、计算速度快、效率较高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先建立质子交换膜PEM电解槽电流型模型；

步骤2、在所建立的PEM电解槽电流型模型的基础之上，利用等效电路模型转化法将PEM电解槽电流型模型等效为阻抗传递函数，将PEM电解槽电流型模型中的电流输入转变为电压输入；

步骤3、利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正，使电压输入PEM电解槽模型能快速、稳定的跟踪输入电压；

步骤4、利用电压整定器对电压输入PEM电解槽模型的输入电源类型进行修正，实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型。

2.根据权利要求1所述基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，其特征在于，在步骤1中，PEM电解槽电流型模型包括PEM电解槽动态模型与静态模型，所述PEM电解槽动态模型是对PEM电解槽内部动态过程进行模型等效；所述PEM电解槽静态模型是对PEM电解槽电压、电流工作外特性进行等效，该PEM电解槽静态模型能显示PEM电解槽实际工作电压情况，具体构建过程为：

首先构建PEM电解槽动态模型，假设阳极进入氧气为0，阴极进入氢气为0，电解槽内部压强、湿度以及温度等数据一致，建立电解槽阳极/阴极流量与压力模型；

阳极/阴极流量模型表示为：

式(1)中，

为阳极/阴极中气体的流速；

分别为阳极/阴极气体流入、流出以及产物的流速；

分别为水的流入、流出以及电散流速；

为法拉第系数；I为PEM电解槽电流；F为法拉第常数；η_F为法拉第效率；

阳极/阴极压力模型表示为：

式(2)中，

分别为阳极/阴极气体与水压力；

分别为阳极/阴极气体与水摩尔量；V_X为阳极/阴极容量；T_W为阳极/阴极温度；

为阳极/阴极气体摩尔百分比；

再建立质子交换膜流量模型，质子交换膜中水以电迁移与扩散的方式移动，分别形成水的扩散力和电渗透阻力，质子交换膜流量模型如式(3)所示：

式(3)中，

为膜中水的流速；

为膜中电迁移流速；k_e为电迁移系数；A为膜面积；

为水的摩尔质量；i为电流密度；

为膜中扩散流速；D_m为水的扩散系数；C_m,ca、C_m,an为阴、阳极的水浓度；t_m为膜的厚度；

然后构建PEM电解槽静态模型，PEM电解槽工作特性可用电压和电流密度关系表示，电解总电压由开路电压、活化过电压、欧姆过电压和扩散电压组成，表示为：

式(4)中，V_ocv为PEM电解槽电路热中性电压，是PEM电解水的最小理论电压；R为理想气体常量；

和

分别为相应氢、氧、水的压力，单位为atm；V_act为由于电解水产生的活化过电压；V_act,an、V_act,ca分别为阳极、阴极活化过电压；i_an0、i_ca0分别阳极、阴极交换电流密度密度；α_a、α_c分别为电荷转移系数；V_ohm是PEM电解槽内阻所产生的欧姆过电压；δ为膜电极的厚度；i为电流密度；σ为离子电导率；ρ为电子材料电阻率；l为电子路径长度；S为导体截面积；

基于构建的PEM电解槽动态模型和静态模型，将动态模型中随着反应不断变化的参数实时输入静态模型中，将动静态模型组合形成PEM电解槽电流型模型。

3.根据权利要求1所述基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，其特征在于，在步骤2中，假设所建立的PEM电解槽电流型模型中的静态模型不受动态模型影响，仅表现为机理模型；将PEM电解槽电流型模型等效为一个阻抗传递函数，阻抗传递函数表示为：

其中，A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃表示阻抗传递函数的阻抗系数，是通过电流中断、自然电压响应和电流开关的方法获取；

再基于公式U(s)＝I(s)·R(s)，将PEM电解槽电流型模型中的电流输入转变为电压输入；其中，U(s)为输入电压的拉氏变换；I(s)为电流输入的拉氏变换；R(s)为阻抗传递函数。

4.根据权利要求1所述基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，其特征在于，所述步骤3的过程具体为：

利用对偶自校正PID控制器对所述阻抗传递函数进行对偶自校正PID控制，所述对偶自校正PID控制器由确定性等价假设器方法实现，包括参数估计器、确定性等价PID控制器、对偶控制器，其中：

所述参数估计器采用最小二乘两极参数估计器；

所述确定性等价PID控制器输出给定信号与所述参数估计器的信号经所述对偶控制器作用后输出作用在所述阻抗传递函数上，对所述阻抗传递函数的参数进行在线修正；

当PEM电解槽模型输入波动电压时，波动电压信号经过修正后的阻抗传递函数转化为稳定电信号，最终使得PEM电解槽模型能够快速、稳定跟踪输入电压。

5.根据权利要求1所述基于电源输入特性的PEM电解槽仿真模型的建立方法，其特征在于，在步骤4中，具体是在所述对偶自校正PID控制器的输入处加装一个电压选择器，所述电压选择器后接AC/DC与DC/DC变换器，最终形成电压整定器；

当输入信号为交流电压时，电压选择器选择AC/DC开关导通，通过控制AC/DC中变流器开关管实现电压类型和大小的转换，使得电压整定器输出预设的直流电压，该直流电压再输入所述对偶自校正PID控制器进行后续操作；

当输入信号为直流电压时，电压选择器选择DC/DC开关导通，通过控制DC/DC中变流器开关管实现电压大小的转换，使得电压整定器输出预设的直流电压，该直流电压再输入所述对偶自校正PID控制器进行后续操作，从而实现对输入电源侧的电压整定，最终得到PEM电解槽电压型模型。

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