團(tuán)隊(duì)介紹

沈小軍，1979年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉锤咝Ю门c儲(chǔ)能技術(shù)、電網(wǎng)實(shí)景三維重構(gòu)及其數(shù)字孿生技術(shù)、狀態(tài)感知與智能診斷等。

江悅，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)在堿性電解水制氫系統(tǒng)的應(yīng)用。

研究背景

電解水制氫槽與風(fēng)、光發(fā)電耦合應(yīng)用時(shí)，由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的間歇性和波動(dòng)性，輸送到電解槽的功率非恒定且波動(dòng)范圍較大，會(huì)引起系統(tǒng)頻繁啟停和負(fù)荷變動(dòng)等問(wèn)題。波動(dòng)工況會(huì)引起設(shè)備使用壽命縮短，工作效率降低，影響產(chǎn)氫品質(zhì)，危害電解槽設(shè)備的安全。

構(gòu)建堿性電解槽運(yùn)行特性數(shù)字孿生模型并仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握其工作特性與狀態(tài)對(duì)保障電解水制氫系統(tǒng)運(yùn)行的科學(xué)性、穩(wěn)定性和安全性均具有重要價(jià)值。

基于傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、仿真建模技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的融合，已成為一種實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)仿真比對(duì)與推演評(píng)估的先進(jìn)且可行的新技術(shù)。

參照其他對(duì)象的研究成果，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于電解槽工作特性模型的構(gòu)建，通過(guò)電解槽數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)電解槽運(yùn)行特性仿真與狀態(tài)評(píng)估相關(guān)應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)堿性電解槽的信息化、數(shù)字化和智能化發(fā)展，適應(yīng)能源行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的理論意義與工程價(jià)值。

論文所解決的問(wèn)題及意義

鑒于堿性電解槽已開始大規(guī)模應(yīng)用于可再生能源制氫領(lǐng)域，具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢(shì)，本文以堿性電解水制氫槽為研究對(duì)象，根據(jù)其靜、動(dòng)態(tài)伏安特性試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合堿性電解槽制氫系統(tǒng)的工作機(jī)理和運(yùn)行數(shù)據(jù)，在構(gòu)建槽體阻抗特性數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了堿性電解槽運(yùn)行特性數(shù)字孿生模型。

論文成果可為基于數(shù)字孿生技術(shù)的堿性電解槽運(yùn)行特性建模仿真提供參考，對(duì)電解槽控制參數(shù)的優(yōu)化及運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估同樣具有工程價(jià)值，同時(shí)助力堿性電解槽的信息化、數(shù)字化和智能化發(fā)展，適應(yīng)能源行業(yè)的數(shù)字化需求。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

以槽溫為唯一變量構(gòu)建堿性電解槽等效電阻抗的數(shù)字孿生模型，將電解槽等效電阻抗基于電路理論的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為僅與溫度相關(guān)的數(shù)學(xué)特征表達(dá)式，有效避免模型通用性差、構(gòu)建流程復(fù)雜的問(wèn)題。

為簡(jiǎn)化構(gòu)建電解槽運(yùn)行特性的數(shù)字孿生仿真模型提供基礎(chǔ)模型，選擇電解槽總電壓、總電流以及槽體溫度等特性表征參數(shù)作為觀測(cè)變量，將數(shù)學(xué)驅(qū)動(dòng)模型和電化學(xué)機(jī)理模型融合，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了堿性電解槽運(yùn)行特性數(shù)字孿生體系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了若干典型應(yīng)用的仿真功能開發(fā)。

電解槽數(shù)字孿生模型系統(tǒng)構(gòu)建流程圖

堿性電解槽電熱特性仿真工具

結(jié)論

論文以電解槽槽溫作為統(tǒng)一變量，建立了堿性電解槽阻抗特性數(shù)字孿生模型，將機(jī)理建模與數(shù)據(jù)建模方法融合，基于構(gòu)建的阻抗特性數(shù)字孿生基礎(chǔ)模型，實(shí)現(xiàn)了堿性電解槽溫升特性、功率調(diào)節(jié)特性、產(chǎn)氫特性等運(yùn)行特性的數(shù)字孿生建模。論文成果可為基于數(shù)字孿生技術(shù)的堿性電解槽運(yùn)行特性建模仿真提供參考，對(duì)實(shí)現(xiàn)電解槽控制參數(shù)的優(yōu)化及運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估具有工程價(jià)值。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“堿性電解槽運(yùn)行特性數(shù)字孿生模型構(gòu)建及仿真”，本課題得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。