團隊介紹

沈小軍，1979年生，教授，博士生導師，研究方向為新能源高效利用與儲能技術、電網實景三維重構及其數字孿生技術、狀態感知與智能診斷等。

江悅，1997年生，碩士研究生，研究方向為數字孿生技術在堿性電解水制氫系統的應用。

研究背景

電解水制氫槽與風、光發電耦合應用時，由于風能和太陽能的間歇性和波動性，輸送到電解槽的功率非恒定且波動范圍較大，會引起系統頻繁啟停和負荷變動等問題。波動工況會引起設備使用壽命縮短，工作效率降低，影響產氫品質，危害電解槽設備的安全。

構建堿性電解槽運行特性數字孿生模型并仿真，實現對系統運行狀態的實時監控，掌握其工作特性與狀態對保障電解水制氫系統運行的科學性、穩定性和安全性均具有重要價值。

基于傳感技術、物聯網技術、仿真建模技術的數字孿生技術通過物理模型與數據驅動模型的融合，已成為一種實現物理實體的真實狀態仿真比對與推演評估的先進且可行的新技術。

參照其他對象的研究成果，將數字孿生技術應用于電解槽工作特性模型的構建，通過電解槽數字孿生模型實現電解槽運行特性仿真與狀態評估相關應用，對推動堿性電解槽的信息化、數字化和智能化發展，適應能源行業的數字化轉型具有重要的理論意義與工程價值。

論文所解決的問題及意義

鑒于堿性電解槽已開始大規模應用于可再生能源制氫領域，具有技術成熟、成本低等優勢，本文以堿性電解水制氫槽為研究對象，根據其靜、動態伏安特性試驗結果，結合堿性電解槽制氫系統的工作機理和運行數據，在構建槽體阻抗特性數字模型的基礎上，構建了堿性電解槽運行特性數字孿生模型。

論文成果可為基于數字孿生技術的堿性電解槽運行特性建模仿真提供參考，對電解槽控制參數的優化及運行狀態的評估同樣具有工程價值，同時助力堿性電解槽的信息化、數字化和智能化發展，適應能源行業的數字化需求。

論文方法及創新點

以槽溫為唯一變量構建堿性電解槽等效電阻抗的數字孿生模型，將電解槽等效電阻抗基于電路理論的數學表達式轉換為僅與溫度相關的數學特征表達式，有效避免模型通用性差、構建流程復雜的問題。

為簡化構建電解槽運行特性的數字孿生仿真模型提供基礎模型，選擇電解槽總電壓、總電流以及槽體溫度等特性表征參數作為觀測變量，將數學驅動模型和電化學機理模型融合，應用數字孿生技術構建了堿性電解槽運行特性數字孿生體系統，并實現了若干典型應用的仿真功能開發。

電解槽數字孿生模型系統構建流程圖

堿性電解槽電熱特性仿真工具

結論

論文以電解槽槽溫作為統一變量，建立了堿性電解槽阻抗特性數字孿生模型，將機理建模與數據建模方法融合，基于構建的阻抗特性數字孿生基礎模型，實現了堿性電解槽溫升特性、功率調節特性、產氫特性等運行特性的數字孿生建模。論文成果可為基于數字孿生技術的堿性電解槽運行特性建模仿真提供參考，對實現電解槽控制參數的優化及運行狀態的評估具有工程價值。

本文編自2022年第11期《電工技術學報》，論文標題為“堿性電解槽運行特性數字孿生模型構建及仿真”，本課題得到了國家重點研發計劃資助項目的支持。