武汉大学 刘承锡曾冠维等：如何控制制氢设备功率提供电网快速频率响应应对高比例新能源带来的电网频率稳定性挑战？随着电网可再生能源占比不断提高，电网可用的调频资源持续减少，常规水、火电机组能提供的惯性和一次调频总容量逐步降低，导致电网频率稳定控制的结构性困境日趋明显，迫切需要挖掘新能源资源的调频潜力。氢能具有清洁、能量密度高、便于储存运输等诸多优势，电解水制氢电解槽可以实现快速、长周期能量调节，其功率响应速度可达毫秒级，是电网潜在的优秀调频资源。然而，目前应用于电力系统的电解槽模型粗糙，无法表征电解槽内部的物质传输与能量转化过程，导致其负荷特性不清晰，调频潜力未被充分挖掘。
1）本文从质子交换膜电解槽的电化学和热平衡机理出发，建立了电解槽的数学模型。此模型考虑了电解槽的温控系统，更加全面地反映了电解槽的动态运行特性、物质传输过程及能量消耗。
如图1所示，本文建立的电解槽模型由3个子模型构成：电化学模型用于计算单个电解小室的运行电压；物质传输模型反映了电解槽的物质传输过程，包括产氢量、水的消耗量等；能量转换模型计算电堆的输入功率、产生氢气的能量消耗和与外界的热交换等能量转换过程，并考虑了温控系统维持电解槽额定温度的功率消耗。
2）本文在PowerFactory/DIgSILENT仿真软件上建立了电解槽的精细化模型。通过动态仿真，验证了电解槽模型的电化学特性和响应速度。同时，研究了电解槽在电流密度变化时的运行特性变化及温控系统的功率消耗和温控效果。
为验证所建立模型的准确性，将模型仿真数据与电解槽极化曲线所示，数据最大相对误差未超过3%，验证了本文所建立模型的电化学特性的准确性。
为验证电解槽模型的动态性能和温度控制系统的调节能力，设定电解槽电流密度为阶梯波，并将电解槽的额定工作温度设定为70℃。随着电流密度的变化，电解槽的运行温度和功率消耗的动态特性如图3和图4所示。
可见，电解槽的功率消耗快速、准确地响应了电流密度的变化，同时，电解槽温控系统有效地将电解槽温度控制在额定温度。
3）基于建立的模型，在IEEE 39节点算例中对电解槽参与电网调频进行了分析，研究了其响应电网调频需求的能力及调频效果。
电解槽可提供快速频率响应，其响应时间通常在数百毫秒，通过快速调节功率注入阻止扰动后短时间内的频率快速变化。本文基于IEEE 39节点标准模型，对电解槽通过启停参与电网的频率调节进行仿真分析。
设置电解槽的电流密度及温控系统的启停响应控制策略， flim1、 flim2分别是电解槽温控系统和制氢功率的响应阈值。假设在5s时连接在Bus20上额定有功功率为628MW的负荷Load20有功功率消耗增加40%，系统的频率变化如图5所示：
可见，电解槽提供快速频率响应有效地抑制了频率跌落，延缓了电网频率越限的时间。同时，电解槽启停的阈值越高，即电解槽及其温控系统越早参与频率响应，电网频率下降越缓慢。
本文建立的电解槽模型可作为含大容量电解槽电力系统的研究基础。基于电解槽及其温控系统的物理模型与运行特性，可设计更精细的有功-频率响应控制，使电解槽的功率消耗快速响应系统的频率偏差，通过调控电解槽内的电、氢、热能进一步发挥电解槽内的调频潜力。
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刘承锡，现任武汉大学电气与自动化学院教授、博导、国家级特聘青年专家、电力系统所副所长。IEEE高级会员、中国电机工程协会高级会员NG体育、中国电工技术学会高级会员、国际大电网协会C6委员会委员，并担任工作组WG C2.18中国区代表。现任中国可再生能源协会发电与并网专委会委员、中国能源研究会新型电力系统专业委员会、IEEE PES 武汉分会。长期从事新型电力系统的稳定分析、运行控制、仿真算法方面的研究工作。具体研究领域包括电力系统稳定与控制、新型配电系统运行与控制、新能源与储能并网控制、综合能源等。提出基于解析延拓架构的复杂电网的解析化潮流计算与脆弱性评估算法。发表学术论文90余篇，其中SCI论文40余篇，申请/授权中国和美国专利10余项。Google Scholar引用2443次，h-index 29。
董旭柱，武汉大学电气与自动化学院院长，教授，博士生导师，IEEE高级会员。中国电机工程学会电工数学以及储能专委会委员，全国高压开关标委会副主任委员，IEEE PES变压器技术委员会委员等。长期从事配电网资产管理、计算高电压、电力专用芯片应用等领域研究工作。曾参与国家级、省部级、南方电网公司级重大项目组织与实施，重点开展配电网智能化和可靠性提升技术研究，集中力量攻关主动配电系统规划、配电网自愈控制、智能微电网、一二次融合配电装备、配电系统可靠性提升示范等关键技术研究、装备研发和智能电网示范建设，取得多项具有自主知识产权的研究成果，以及多项省部级奖。发表国内外期刊论文80余篇，申请专利近100项，主编或参编国家标准、行业标准和企业标准40余项。