基于变分模态分解与多类型电解槽协同运行的风电制氢系统灵活性提升研究

　　针对风电波动性导致的制氢系统效率低下问题，研究人员提出了一种整合碱性电解槽（AEL）与质子交换膜电解槽（PEMEL）的协同制氢系统。通过变分模态分解（VMD）技术分配风电频段，结合非支配排序遗传算法（NSGA-II）优化配置，系统能效提升5.78%，内部收益率提高10.65%，为可再生能源制氢的规模化应用提供了经济高效的解决方案。

　　

风电作为清洁能源的代表，其波动性和间歇性一直是制约高效利用的瓶颈。尤其在氢能领域，传统碱性电解槽（AEL）因动态响应慢（仅0.1% P_n
/s），难以适应风电的快速波动；而质子交换膜电解槽（PEMEL）虽响应灵活（10% P_n
/s），高昂成本又阻碍其大规模应用。如何平衡效率与经济性，成为风电制氢技术落地的关键挑战。

针对这一难题，来自中国的研究团队在《Advances in Applied Energy》发表了一项创新研究。他们设计了一套融合AEL与PEMEL的协同制氢系统，通过变分模态分解（VMD）将风电波动分解为不同频段——低频分量由AEL稳定消纳，高频波动由PEMEL快速响应。研究采用非支配排序遗传算法（NSGA-II）优化电解槽容量配置，并结合K-means++聚类分析12种典型风电场景。关键技术包括：基于VMD的风电功率分解与重构、多目标容量优化、动态灵活性评价指标S_f
计算等。

研究结果显示，在240MW风电规模下，优化后的系统配置35台AEL（175MW）和32台PEMEL（32MW）。与传统AEL单体制氢相比，协同系统展现出显著优势：能源效率提升5.78%至85.75%，单位氢成本降低6.06%至24.18元/kg。通过功率分配策略，AEL的连续运行时间延长7.08%，最大波动幅度从60%降至40.42%。

在典型低风速场景（如第10类典型日），协同系统的氢产量比AEL单体系统提高46.79%。量化分析表明，系统灵活性指标S_f
达到1.27×10⁶
，较AEL单体提升12.39%。尽管PEMEL单体系统灵活性最高（S_f
=2.0×10⁶
），但其成本高出协同系统21.59%，印证了混合系统的经济性优势。

该研究创新性地通过电解槽特性与风电波动的频域匹配，解决了可再生能源制氢的稳定性与成本矛盾。其提出的VMD-NSGAII协同框架，不仅为风电消纳提供了新思路，更为绿氢规模化生产提供了可复用的技术路径。随着PEMEL成本下降，这种混合系统有望成为风电制氢的主流方案，加速能源结构的低碳转型。