以利润为导向的电力调度与海上制氢风力涡轮机的盈利能力评估：同时考虑低品位废热利用

《Energy》：Profit-driven power dispatch and profitability assessment of offshore hydrogen-producing wind turbines with low-grade waste-heat utilization

海上风电制氢系统通过集成低品位废热回收，提出基于利润的电力分配策略，利用粒子群优化算法求解非线性电力与热力分配问题，考虑电氢价差及变流效率差异，分析不同风速下制氢经济性，案例研究显示年利润较基准策略提升65.3万欧元，揭示关键风速阈值与价差关系。

　　

田文博|王彦波|杜森宇|伊门·巴赫里|登巴·迪亚洛|陈哲

奥尔堡大学能源技术系，Pontoppidanstr?de 111，奥尔堡，9220，丹麦

摘要

本文提出了一种以利润为导向的电力分配策略，并对集成低品位废热回收的海上氢能生产风力涡轮机（OHP-WTs）进行了全面的盈利能力评估。鉴于偏远海上地区缺乏高品质热能，本研究将固体氧化物电解池（SOECs）直接集成到单个涡轮机平台上，利用转换器和涡轮机产生的低品位热损失。采用粒子群优化（PSO）算法来优化非线性的电力和热能分配，同时明确考虑了电力-氢气价格差异和转换器效率的变化。所提出的模型评估了在不同风速条件下的运营经济性，揭示了实现盈利氢气生产的关键阈值。使用真实海上风力分布数据的案例研究表明，盈利能力显著提高，年利润比仅依赖电网的基线策略高出653,022欧元。进一步分析明确了不同氢气-电力价格点下的关键风速阈值，提供了宝贵的运营洞察。总体而言，该研究强调了将海上风力涡轮机与分散式氢能生产和废热回收系统相结合所带来的经济可行性和盈利能力提升。

部分内容摘录

术语表

<>有机朗肯循环<>粒子群优化<>质子传导固体氧化物电解池<>固体氧化物电解池参数$c_{orc}$$c_{dis}$$C_H$$C_{OR}$

缩写
GSC	电网侧转换器
HSC	氢气侧转换器
MSC	机器侧转换器
OHP-WT	海上氢能生产风力涡轮机
OWT	海上风力涡轮机
ORC
PSO
P-SOEC
SOEC
ORC的功耗系数
废热排放的功耗系数
氢气生产成本 [EUR/kg]
ORC废热回收发电的成本

低品位废热与OHP-WT系统的集成

绿色氢气生产可以通过多种方式与海上风电场结合，例如在海上中心平台进行集中电解，或在单个风力涡轮机（WTs）上进行分散电解[16]、[17]。对于仅依赖内部低品位废热的海上风电场，由于热能损失较大，将废热从单个涡轮机集中收集并长距离传输到集中电解站通常是不经济的。

优化目标

风力涡轮机产生的可用电力在电网连接和氢气生产之间进行分配，同时考虑电热相互作用及相关成本。电力利润由公式（17）给出。其中${\pi }_{}$表示时变电价。氢气利润由公式（18）给出。其中表示氢气的动态价格。

在本研究中，假设氢气生产和ORC发电单元是集成在一起的。

案例研究和数值验证

案例研究和数值验证中使用的参数列在表2中。

为了评估OHP-WT系统的盈利能力，本研究建立了一个基线策略，即所有产生的电力都出售给电网，不参与氢气生产。在本研究的实验设置中，电力价格固定为50 EUR/MWh，这是一个典型的价格[28]。

结论

本文解决了集成低品位废热回收的OHP-WTs中电力分配的优化问题。针对所考虑的应用场景开发了一个模型，并详细研究了系统的电热耦合行为。具体来说，研究了SOECs与海上风力涡轮机的分散集成在不同风速条件和氢气-电力价格情景下对盈利能力的影响。

CRediT作者贡献声明

田文博：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。王彦波：撰写 – 审稿与编辑。伊门·巴赫里：方法论、形式分析。登巴·迪亚洛：形式分析。陈哲：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：田文博报告称获得了中国奖学金委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

田文博（IEEE学生会员）2015年在中国长春的吉林大学获得电气工程与自动化专业的学士学位，2019年在中国沈阳的东北大学获得电力电子与电力传输专业的硕士学位。他目前正在丹麦奥尔堡大学攻读能源技术博士学位。他的研究兴趣包括风能到氢能系统的控制、优化和稳定性分析。