机工 电-氢耦合系统集成理论与方法 袁铁江 田雪沁 闫华光 滕越

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氢能及其系统与石油、煤炭、风、光、水和核能等的耦合集成，是构建氢能经济或者社会的关键一环，其理论和实践意义突出。通过电-氢耦合集成，可以实现电能和氢能的相互转换，提高电力系统的灵活性和可靠性，从而实现能源的高效利用和电力系统的稳定运行，为构建新型电力系统和实现碳中和目标提供重要支持。为此，本书阐述了清洁电能电解水制氢、高压气态储氢、加氢和用氢的基本原理和特性，围绕氢能与其他能源耦合应用的场景，介绍了氢能及其系统耦合集成的基本原理、应用技术和方法等。 本书可为从事能源、电力、环境科学等领域的研究人员、工程师提供参考，也可为电气工程、能源动力工程专业的高年级本科生和研究生提供参考。
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目录 序一 序二 前言 第1章氢能与能源演变简史 1.1氢能发展历史概述 1.1.1氢能与生命起源 1.1.2氢能发展过程 1.2能源与社会形态 1.3能源系统的演进规律 1.3.1原始社会的能源 1.3.2能源与文明社会 1.4氢能：未来社会的能源 1.4.1后工业化时代能源发展的困境 1.4.2绿氢——破局的路径选择 1.5电-氢耦合的基本形态和挑战 1.5.1电-氢耦合的基本形态 1.5.2电-氢互动关键问题 第2章氢能来源 2.1概述 2.2天然氢 2.3化石燃料制氢 2.3.1煤制氢 2.3.2天然气制氢 2.4工业副产氢 2.5电解水制氢 2.5.1工作原理 2.5.2技术经济特性分析 2.5.3碳排放核算 2.6案例分析 2.6.1各类制氢技术成本对比 2.6.2不同场景下制氢平准化成本分析 2.6.3PEM电解水制氢机组全寿命周期经济性分析 参考文献 第3章氢能储-输系统及运行特性 3.1概述 3.2高压气态储氢 3.2.1储氢系统的结构 3.2.2储氢环节运行特性建模 3.2.3储氢环节技术经济特性 3.3高压气态输氢 3.3.1天然气掺氢系统的结构和物理性质 3.3.2掺氢管道压力特性建模 3.3.3掺氢管道衰减特性建模 3.3.4掺氢管道渗透特性建模 3.4氢高压加注 3.4.1加注设备 3.4.2加注技术 3.5高压气态储-输氢系统设计优化 3.5.1基本原理 3.5.2设计建模 3.6案例分析 参考文献 第4章用氢及其负荷特性 4.1概述 4.2工业用氢 4.2.1合成氨用氢 4.2.2合成甲醇用氢 4.2.3氢冶金 4.3交通用氢 4.3.1电-氢-交通耦合系统基本结构 4.3.2HFCV加氢负荷计算模型 4.3.3交通用氢负荷特性分析 4.3.4电-氢-交通耦合系统协同优化 4.3.5案例分析 4.4建筑用氢 4.4.1建筑氢能供能系统 4.4.2氢能建筑全寿命周期成本评估 4.4.3建筑氢能供能系统容量规划 4.4.4案例分析 4.5电力用氢 4.5.1电力用氢的典型场景 4.5.2电力用氢的潜力分析 第5章光伏-电解槽直接耦合制氢技术 5.1概述 5.2PV-EC直接耦合制氢系统的结构与原理 5.2.1系统结构与建模 5.2.2系统耦合机理 5.3PV-EC直接耦合制氢系统运行控制优化 5.3.1系统优化算法 5.3.2系统运行控制策略 5.4PV-EC直接耦合制氢系统规划设计优化 5.4.1系统拓扑优化设计 5.4.2系统结构参数规划 5.5案例分析 5.5.1算例参数 5.5.2运行控制结果 参考文献 第6章规模化电解水制氢站集成优化技术 6.1概述 6.2电解水制氢机组的结构和接线方式 6.2.1碱性电解水制氢机组的内部结构 6.2.2PEM电解水制氢机组的内部结构 6.2.3制氢机组的接线方式 6.3电解水制氢机组运行优化 6.3.1多电堆耦合运行策略 6.3.2多机组协同运行优化 6.3.3案例分析 6.4制氢站集群并网规划优化 6.4.1数学模型 6.4.2求解方法 6.4.3案例研究 参考文献 第7章碱性-PEM混联制氢站集成优化技术 7.1概述 7.2混联制氢站的结构与原理 7.2.1结构设计 7.2.2运行机理 7.3混联制氢站运行优化模拟 7.3.1能效分析 7.3.2功率分配策略 7.4混联制氢站容量优化规划 7.4.1容量参数设计 7.4.2技术经济特性评估 7.5案例研究 参考文献 第8章制氢站电-氢互动控制优化技术 8.1概述 8.2制氢站并网控制策略 8.2.1控制目标 8.2.2VSG控制 8.2.3下垂控制 8.2.4算例分析 8.3制氢站协调控制策略 8.3.1控制目标 8.3.2有限状态机 8.3.3模型预测控制 8.3.4算例分析 参考文献 第9章电-氢-电耦合系统 9.1概述 9.2能源枢纽 9.2.1基本结构设计 9.2.2容量规划优化 9.2.3并网运行控制 9.3氢储能系统 9.3.1基本原理与结构 9.3.2容量规划优化 9.3.3并网运行控制 9.4案例分析 9.4.1能源枢纽 9.4.2氢储能系统 参考文献 第10章电-氢-碳耦合系统 10.1概述 10.2电-氢-碳耦合的基本形态与实现路径 10.2.1电-氢-碳耦合的基本形态 10.2.2电-氢-碳耦合的实现路径 10.3电-氢-碳耦合系统集成优化方法 10.3.1数学规划优化 10.3.2系统动力学 10.3.3氢夹点分析技术 10.4电-氢-碳耦合系统运行控制 10.4.1电-氢-碳耦合系统不确定性分析 10.4.2电-氢-碳耦合系统协调控制方法 10.5案例分析 10.5.1考虑储-用氢特性的PEM电解水制氢系统规划 10.5.2风-氢-煤化工耦合系统能量广域协调控制 10.5.3风-氢-煤化工耦合系统动力学建模与分析 参考文献 第11章风-氢-火耦合系统 11.1概述 11.2结构与原理 11.2.1系统组成与建模 11.2.2换热网络设计 11.2.3综合评估 11.3风-氢-火耦合系统规划与运行优化 11.3.1系统规划设计 11.3.2运行优化策略 11.4案例分析 参考文献 第12章电-氢耦合商业模式 12.1概述 12.2电-氢耦合商业模式发展现状 12.2.1国内外典型商业模式 12.2.2氢能发展及区域分布特点 12.3电-氢耦合潜在商业模式 12.3.1商业模式理论体系 12.3.2典型商业模式合集 12.4电-氢耦合的经济性评估 12.4.1关键影响因素 12.4.2电-氢耦合的经济性指标 12.5算例分析 12.5.1案例介绍——六安兆瓦级氢能综合利用示范站 12.5.2商业模式分析 12.5.3经济性评估 参考文献

袁铁江，教授，博导，大连市高端人才，大连理工大学电气工程学院“新能源发电与电能存储”教研室主任，大连理工大学电子信息与电气工程学部“氢能与储能技术”科研团队领军教授。长期从事氢能、储能与新能源发电及其并网技术研究，倡导“绿电-氢能-工业网络耦合集成技术”研究方向，在网络集成理论方面取得原创性成果，创立电夹点分析理论。中国电工技术学会标准化工作委员会“氢能及其系统集成与应用标准化工作组”主席、中国电工技术学会氢能专委会委员、中国电机工程学会氢能/电力储能专委会委员等。承担国家级项目5项，GF重大项目（课题）1项、省部以及企业重大横向项目50余项等，发表论文200余篇、出版学术专著4部、申请发明专利100余项，“面向新型电力系统的电氢协同规划技术”等10余项成果获省部级科技成果奖励。 田雪沁，国网经济技术研究院有限公司主网规划中心系统资源处副处长，正高级工程师，国家注册咨询工程师（投资）、注册公用设备工程师（动力）。长期从事电力系统、综合能源系统规划与运行优化研究工作。近年来，主持参与国网公司各类科技项目10余项，牵头完成多项国际合作项目，发表学术论文30余篇，授权发明专利10余项、软件著作权4项，成果先后获电力科学技术进步一等奖1项、国家电网公司科技进步一等奖1项，其它省部级科学技术奖3项。 闫华光，教授级高工，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家。中电联氢能分会副秘书长，中国电机工程学会氢能专委会副秘书长，中国仿真学会综合能源系统数字孪生专委会委员。长期从事用电节能、综合能源、大数据技术研究工作。承担国家自然科学基金、863计划等国家级项目8项，国家/行业/企业标准40余项。获中国标准创新贡献奖一等奖2项，省部级科技进步奖20余项。授权发明专利70余项，发表SCI/EI/核心期刊论文30余篇，出版专著/合著6部。 滕越，博士，正高级工程师，国网安徽省电力有限公司电力科学研究院新型储能与材料所副所长。长期从事电-氢耦合技术科技创新攻关，承担国家、省部与国网公司各类别重大科技项目十余项，是安徽六安兆瓦级氢能综合利用示范站质子交换膜电解制氢/发电系统的主要完成人。授权发明专利/计算机软件著作权10余项，发表期刊论文10余篇。成果先后获安徽省科学技术一等奖1项、国家电网公司科技进步一等奖1项、其他省部级科学技术二等奖3项。

氢能及其系统与石油、煤炭、风、光、水和核能等的耦合集成，是构建氢能经济或者社会的关键一环，其理论和实践意义突出。通过电-氢耦合集成，可以实现电能和氢能的相互转换，提高电力系统的灵活性和可靠性，从而实现能源的高效利用和电力系统的稳定运行，为构建新型电力系统和实现碳中和目标提供重要支持。为此，本书阐述了清洁电能电解水制氢、高压气态储氢、加氢和用氢的基本原理和特性，围绕氢能与其他能源耦合应用的场景，介绍了氢能及其系统耦合集成的基本原理、应用技术和方法等。 本书可为从事能源、电力、环境科学等领域的研究人员、工程师提供参考，也可为电气工程、能源动力工程专业的高年级本科生和研究生提供参考。 本书由中国工程院院士衣宝廉和彭苏萍作序。本书是国家出版基金项目，也是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目。

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