论文标题：Flexible dispatch strategy for electric grid integrating PEM electrolyzer for hydrogen generation

期刊：Frontiers in Energy

作者：Minfang Liao, Paolo Marocco, Marta Gandiglio , Chengxi Liu , Massimo Santarelli

发表时间：04 Dec 2024

DOI：https://doi.org/10.1007/s11708-025-0976-6

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文章亮点

（1）建立了通用、详细的质子交换膜电解槽模型，该模型可计算任意型号质子交换膜电解槽的部分负载效率曲线，以捕捉不同负载下的电解槽系统的效率变化，反映电解槽系统的非线性制氢性能。

（2）定义了制氢边际成本、电解槽利用率、风电厂与系统电能交互等技术经济指标，基于此，对比分析在过渡季、夏季、冬季三个典型日内，采用本文所计算部分负载效率曲线建模电解槽与采用效率常数建模电解槽所得调度策略，以及两种电解槽建模方式下系统总成本的差异。

研究背景及意义

实现零碳电网的目标显著加速了全球可再生能源的部署。同时，由于可再生能源具备间歇性的特点，导致部分电力无法被消纳而产生弃电现象。电解槽为灵活电力负荷，可进行负载的动态调节，因此，引入电解槽可促进可再生能源的并网。目前，三类主要的电解槽为质子交换膜、碱性和固体氧化物电解槽。其中，质子交换膜电解槽因其负载范围宽、爬坡速率快、启动时间短而适用于应对可再生能源。然而，在目前电氢系统调度优化的研究中，关于质子交换膜电解槽系统的建模仍存在一些局限性，归纳如下：1）电解槽的电氢转换性能被简化为效率常数；2）未考虑氢氧交叉渗透现象对动态法拉第效率的影响；3）未计及电解槽系统辅助设备的能耗，局限性2）和3）均导致所计算的电解槽效率偏高。而本文提出的含质子交换膜电解槽的电网调度策略中，电解槽采用真实效率曲线进行建模，能够准确刻画制氢效率随负载变化而变化的特征，挖掘电解槽动态响应潜力，并且可量化在采用详细模型基础上，电解槽对于高效利用可再生能源与降低系统总成本两方面的积极作用。

主要研究内容

本文从建立质子交换膜电解槽的电化学模型出发，首先基于Nafion 117膜的实验数据进行模型校验，确定电化学模型的准确性与拟合参数；接着，计算具体工况下的氢氧交叉量以更新不同电流密度对应的法拉第效率，确定电解槽的电堆效率曲线；最后，在电堆效率基础上考虑电解槽辅助设备耗电量，确定电解槽系统的部分负载效率曲线。基于该效率曲线建模电解槽电氢转换过程，并嵌入风-氢-煤电网调度优化问题中。风-氢厂站与电网之间的电能交互，以及质子交换膜电解槽的部分负载特性，提升了电力系统的调度灵活性。同时，售氢收益可抵消燃煤机组的成本，且电解槽的部分负载特性可降低制氢边际成本，从而降低了电网运行总成本。

图1. 含质子交换膜电解槽电网的基本结构

图2. 调度优化框架

仿真分析部分，文章通过四个技术经济指标对比分析了不同典型日中，四种方案下系统的调度策略以及日运行总成本。最后，基于典型日的概率计算了四种方案的年运行总成本，如图3所示。

四种方案如下：

1）不考虑电解槽（基础方案）；

2）考虑电解槽，但电解槽仅在弃风阶段投运，且用效率常数建模电解槽（与基础方案对比，分析部署电解槽用于消纳弃风的系统经济性）；

3）考虑电解槽，用效率常数建模电解槽，电解槽功率取决于优化调度策略；

4）考虑电解槽，用本文所计算的部分负载效率曲线建模电解槽，电解槽功率取决于优化调度策略（与方案1，2，3对比，分析部署并灵活投运电解槽、以部分负载效率建模电解槽的系统经济性）。

在四种方案中，方案2（928.13×105美元）的年运行总成本最高，方案4（基于本文所提调度策略）的年运行总成本最低（904.42×105美元）。方案2的年运行总成本最高的原因在于：在典型日1和典型日3中，方案2的日运行总成本仅比方案1低0.82%和2.5%，而在典型日2中，方案2的日运行总成本比典型日1高6.3%。方案4的年运行总成本最低的原因在于：方案4中调度策略基于电解槽的部分负载效率曲线制定，三个典型日内日运行成本均比方案3低，年运行总成本比方案3低1.2%，比方案1和2低2.1%和2.6%。

图3. 四种方案下的经济性结果（单位为美元，所有值均乘以10⁵)

此外，文章还探索了煤价和氢价波动对四种方案年运行总成本的影响。当煤炭价格低于121.6美元/吨时，方案4相比方案1和方案2始终具备经济优势。当煤炭价格超过121.6美元/吨，则方案1（不部署电解槽）经济性最优。

图4. 年运行总成本随相对煤炭价格的变化（以103.1美元/吨的煤炭价格为基准）

当氢气价格在2.9至5.4美元/千克之间时，方案3和方案4之间的年运行总成本差值明显，即在此区间内，采用效率常数建模电解槽的计算结果误差较大。当氢价约为4.1美元/千克时，方案3与方案4年运行总成本的差值最大（约109万美元）。

图5. 方案3和方案4年运行总成本的差值随相对氢气价格的变化（以氢气价格4.1美元/千克为基准）

本文所提调度策略为含质子交换膜电解槽的电网提供了实际有效的决策工具。虽本文仿真所使用的电网规模较小，但该策略可用于其他大规模的电力系统。文章指出将通过建模质子交换膜电解槽的三种状态（制氢-停机-备用）、细化仿真粒度至15分钟捕捉冷启动来完善电解槽的运行模型，进一步提升电解槽调度策略的准确性。此外，将定义环境和技术指标评估调度策略的综合性能。

原文信息

Flexible dispatch strategy for electric grid integrating PEM electrolyzer for hydrogen generation

Minfang Liao, Paolo Marocco, Marta Gandiglio, Chengxi Liu, Massimo Santarelli

Abstract:

Proton exchange membrane (PEM) electrolyzer (EL) is regarded as a promising technology for hydrogen generation, offering load flexibility for electric grids (EGs), especially those with a high penetration of renewable energy (RE) sources. This paper proposes a PEM-focused economic dispatch strategy for EG integrated with wind-electrolysis systems. Existing strategies commonly assume a constant efficiency coefficient to model the EL, while the proposed strategy incorporates a bottom-up PEM EL model characterized by a part-load efficiency curve, which accurately represents the nonlinear hydrogen production performance, capturing efficiency variations at different loads. To model this, it first establishes a 0D electrochemical model to derive the polarization curve. Next, it accounts for the hydrogen and oxygen crossover phenomena, represented by the Faraday efficiency, to correct the stack efficiency curve. Finally, it includes the power consumption of ancillary equipment to obtain the nonlinear part-load system efficiency. This strategy is validated using the PJM-5 bus test system with coal-fired generators (CFGs) and is compared with a simple EL model using constant efficiency under three scenarios. The results show that the EL modeling method significantly influences both the dispatch outcome and the economic performance. Sensitivity analyses on coal and hydrogen prices indicate that, for this case study, the proposed strategy is economically advantageous when the coal price is below 121.6 $/tonne. Additionally, the difference in total annual operating cost between using the efficiency curve and a constant efficiency to model becomes apparent when the hydrogen price ranges from 2.9 to 5.4 $/kg.

Cite this article:

Minfang Liao, Paolo Marocco, Marta Gandiglio, Chengxi Liu, Massimo Santarelli. Flexible dispatch strategy for electric grid integrating PEM electrolyzer for hydrogen generation. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-0976-6

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通讯作者简介

刘承锡，武汉大学电气与自动化学院教授、博导，，电力系统所副所长，湖北省交直流智能配电工程研究中心副主任。IEEE高级会员中国电机工程协会高级会员、IET会员、国际大电网协会cigre会员，国际大电网协会C6、B5中国区委员会委员。长期从事新型电力系统的稳定与控制、仿真算法方面的研究工作。主持和参与自然科学基金项目、国家重点研发计划专项、广东省企业联合基金及国家电网公司、南方电网公司、三峡集团多个科技项目。发表学术论文百余篇，其中SCI论文50余篇，申请/授权中国和美国专利10余项。Google Scholar引用3300余次，h-index 32。

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