一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法

本发明属于可再生能源制氢，尤其涉及一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法。

背景技术：

1、在新型电力系统构建过程中，由于电解槽负荷具有高灵活性、强动态响应能力，在源网荷侧分别具有接入场景，将有力支撑新型电力系统构建。

2、源侧：主要集中在新能源(主要指风电、光伏)场站侧，通过新能源波动工况直接制氢方式，将风光资源禀赋的新能源大基地进行新能源深度消纳，避免其高比例渗透对电网造成更大影响；

3、网测：主要集中在电网关键节点，由于新能源渗透比例增大，其波动性导致电网电力电量不平衡，调峰/调频资源需求增加，通过电解制氢响应多时间尺度电网平衡，提高电网运行稳定、经济性；

4、荷侧：主要集中在分布式电源/新型负荷多且随机场景，由于波动的分布式光伏、充电负荷、燃料电池车氢负荷等增加，配电电能质量、容量将面临巨大挑战，通过灵活性的制氢及氢基转化，将有力支撑新型配电系统构建。

5、电解槽负荷在源网荷侧接入电力系统分析，首先应建立其数学解析模型，对模型要求既能刻画波动工况下电解槽自身响应特性，又能满足电力系统仿真时间尺度要求，现有质子交换膜电解槽负荷模型大多只注重于外部特性，即质子交换膜电解槽的伏安特性，少部分质子交换膜电解槽负荷模型还可以描述内部某个物理量的动态变化过程，但无法描述质子交换膜电解槽内部各物理量之间的耦合关系，难以满足电力系统分析当中对于质子交换膜电解槽精确性的要求。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法，以解决质子交换膜电解槽负荷参与电力系统波动工况分析的兼具高精度与快速求解的动态模型缺乏的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法的具体技术方案如下：

3、本发明是一种兼具高精度与快速求解的一维质子交换膜电解槽建模方法，可参与电力系统波动工况下的仿真分析，分析质子交换膜电解槽在不同工况下电解小室内部沿流道方向多空间位置上的各物理量变化及其耦合关系。

4、本发明在考虑质子交换膜电解槽中各个电解小室及小室内各流道参数均一条件下，构建了质子交换膜电解槽电解小室沿流道方向上的一维机理模型，包括u-i特性方程、质量守恒方程、能量守恒方程以及压强方程；利用四阶龙格库塔法求解偏微分方程组，分析在不同工况下电解小室内部沿流道方向多空间位置上的各物理量变化及其耦合关系。构建质子交换膜电解槽负荷一维机理模型，分析其动态响应特性，为未来新能源深度消纳和新型电力系统构建提供了有力支撑。

5、本发明的目的是了解质子交换膜电解槽在不同工况下的运行特性，观测电解槽负荷内部关键参数动态变化以及参数之间耦合关系，分析其安全响应能力，为电力系统仿真提供质子交换膜电解槽负荷一维机理模型。

6、7.一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法，兼具高精度与快速求解的一维质子交换膜电解槽建模方法，可参与电力系统波动工况下的仿真分析，分析质子交换膜电解槽在不同工况下电解小室内部沿流道方向多空间位置上的各物理量变化及其耦合关系，考虑电解槽负荷中各个电解小室与电解小室内各流道的均一性，建立沿流道方向的电解小室及电解槽负荷一维动态机理模型；具体包括以下步骤：

7、步骤s1：构建电解槽阴/阳极流道间水与气体交叉渗透模型；

8、步骤s2：根据电解槽内部不同部分的物理化学现象引起的过电压，构建电解槽的伏安特性方程；

9、步骤s3：根据流道内气液混合物流动过程，并结合所述步骤s1当中的渗透模型，构建质子交换膜电解槽内部各物质的质量守恒方程；

10、步骤s4：根据电解槽内部各部分之间的能量传递过程，构建质子交换膜电解槽的能量守恒方程；

11、步骤s5：根据阴/阳极流道机械体积不变的特性，构建电解槽阴/阳极流道压强方程。

12、进一步，所述步骤s1中，考虑到阴/阳极流道内部水与气体的渗透作用，通过渗透模型的渗透方程描述阳极向阴极进行水渗透速率与阴/阳极两侧水浓度差、压强差、渗透系数之间的关系，和阴极向阳极进行的氢气渗透的速率与阴/阳极两侧氢气分压之差的关系。

13、进一步，在所述步骤s1中渗透模型中的氢渗透方程基础上，将法拉第定律应用于一维质子交换膜电解槽模型当中，进而得到电解小室与电解槽电压模型，在建立电解小室电压模型过程中，考虑渗透作用和激活阴/阳极开始电化学反应产生不可逆的电压损失、物质传输过程中由于浓度差引起电压损失、电解小室本身的内部结构电阻造成的电压损失，电解槽电压与电解小室电压和电解小室串联个数成正比。

14、进一步，所述步骤s3中，构建一维质子交换膜电解槽模型中描述各物质量浓度分布的质量守恒方程，其中阳极水质量守恒方程源项为：使水由阴极向阳极渗透的压力梯度水渗透项、使水由阳极向阴极渗透的浓度梯度水渗透与电渗透阻力水渗透项、以及阳极电解水过程中的消耗水项；

15、阴极水质量守恒方程的源项中水渗透部分与阳极水质量守恒方程相反；

16、阳极氢气质量守恒方程源项为：渗透作用与反渗透作用下，从阴极渗透到阳极的氢气，利用渗透到阳极的氢气总量减去在阳极快速分解并重新回到阴极的部分，即可得到剩余在阳极流道内部的氢气含量；

17、阴极氢气质量守恒方程源项为：电解反应所生成的氢气量与渗透到阳极的氢气量，即阴极氢气生成量减去渗透到阳极的氢气量；

18、由于忽略了氧气的渗透作用，认为氧气始终在阳极流动，所以阳极氧气的质量守恒方程源项只有电解反应生成的氧气。

19、进一步，所述步骤s4中，构建一维质子交换膜电解槽模型中各部分温度分布的能量守恒方程，其中阳极能量守恒方程中的源项分别为：阴/阳极之间和阳极与膜之间的热量传递、由于压力梯度水渗透作用与氢渗透作用下通过膜渗透到阳极的水与氢、以及发生在膜表面的电解反应产生的氧气也扩散到阳极当中；

20、与阳极类似，阴极能量守恒方程中的源项也包括阴极与阳极和阴极与膜之间的热量传递、浓度梯度水渗透与电渗透阻力水渗透作用下，经过膜渗透到阴极的水、以及考虑氢渗透作用后，阴极所剩的氢气；

21、质子交换膜能量守恒方程与阴/阳极能量守恒方程相比，源项中多了一项产热项，是由于输入电解槽的电能无法完全转化为氢能，会有一部分以热能的形式损耗，热中性电压代表当没有外部热量输入时，反应所需要的能量全部由输入的电能提供时对应的电压，所以电解槽电压高于热中性电压的部分就会以热量的形式损耗。

22、进一步，所述步骤s5中，构建质子交换膜电解槽阴/阳极压强方程，此方程是基于电解槽阴/阳极流道体积固定不变，且阴/阳极流道内部的空间由气液混合物共同占据前提下，结合理想气体状态方程，得到的电解槽阴/阳极两流道的压强模型。

23、本发明的一种适应电力系统仿真的质子交换膜电解槽负荷建模方法具有以下优点：，本发明在满足电力系统分析对于模型精度要求的同时，还可以满足对内部观测、计算速度及电力系统不同时间尺度的动态安全仿真分析等多方面的需求，兼具高精度与快速求解的同时，可观测在不同工况下电解小室内部沿流道方向多空间位置上的各物理量变化及其耦合关系。