Modelling and Control of Hydrogen Electrolyzer Systems for Frequency Regulation of Low-Inertia Grids

QC 20260508

Abstract

Vätgas har potential att bli en nyckelteknik för den gröna energiomställningen. Vätgaselektrolysörer används för att producera vätgas genom att spjälka vatten med hjälp av elektricitet som tillhandahålls genom kraftelektroniska gränssnitt (PEI) anslutna till elnätet. Med vätgaslagring mellan elektrolysören och den slutgiltiga vätgasanvändningen frikopplas elförbrukningen från vätgasbehovet. Därmed har storskaliga elektrolysörer flexibiliteten att tillhandahålla balanseringstjänster som frekvensreglering till elsystem med låg rotationsenergi och en hög andel variabla förnybara energikällor (VRES).

Tillhandahållandet av balanseringstjänster innebär att elektrolysörer måste arbeta inom ett brett driftsområde. På elektrolysörsidan av PEI innehåller strömmen en likströmskomponent (DC) och ett rippel. Vid delbelastning kan strömripplet som matas till elektrolysören öka avsevärt beroende på PEI-topologin. Därför föreslås en utvärderingsmetod för att bedöma effekten av omvandlarnas topologi på elektrolysörens prestanda. Indata till utvärderingsmetoden är realistiska storskaliga vågformer för strömmen för industriella tillämpningar med ett brett spektrum av tyristor- och transistorbaserade omvandlartopologier. Dessa vågformer skalas ner för att kunna användas vid utvärderingen i en liten skala. Simuleringar utförs med en ny elektrolysörstackmodell, och simuleringsresultaten valideras med experimentella resultat.

På nätsidan av PEI:n behöver elektrolysörsystemen leverera ett snabbt svar för att kunna reglera frekvensen. Svarshastigheten hos elektrolysörsystemen beror på vilken elektrolysörteknik som används. Alkaliska elektrolysörer (AEL) är den mest mogna och kostnadseffektiva tekniken, men deras svar är långsammare jämfört med protonutby- tesmembran-elektrolysörer (PEMEL). Därför kan båda teknikerna kombineras i AEL/ PEMEL Hybridvätgas-elektrolysörsystem (HHES) för att maximera hastigheten med PEMEL:erna och minska kostnaderna tack vare AEL:erna. För att uppnå detta föreslås en decentraliserad dynamisk effektdelningsstrategi, där AEL:ns långsamma dynamik beaktas medan PEMEL kompenserar med ett snabbt svar. Jämfört med en centraliserad styrmetod förbättrar den decentraliserade metoden systemets tillförlitlighet och skalbarhet. På så sätt undviks risken för \textit{single point of failure}, och ingen modifiering av befintliga styralgoritmer krävs när systemet utökas. Styrstrategierna simuleras för storskaliga HHES och valideras i en småskalig experimentell uppställning.

Responshastigheten hos elektrolysörsystem kan förbättras ytterligare genom att lägga till andra snabbverkande komponenter, såsom energilagringssystem (ESS). En decentraliserad styrstrategi föreslås för Elektrolysör/ESS-Hybridvätgassystem (HHS), som utnyttjar varje teknologi maximalt. AEL-dynamiken beaktas tack vare ESS:ernas snabba respons, och PEMEL:er kan läggas till för att ge ett extra svar och minska storleken på ESS:en. Förutom den ökade tillförlitligheten och skalbarheten jämfört med en centraliserad metod inkluderar den föreslagna decentraliserade metoden dessutom DC-nodspänning och ESS-Laddningstillståndsåterställning (SoC) för att minimera användningen av ESS:en. Storskaliga simuleringar utförs, liksom validering med experimentella resultat.

På grund av MW- eller till och med GW-nivån för kommande storskaliga elektrolysörsystem implementerar transmissionssystemoperatörer (TSO:er) krav på att anslutna anläggningar måste klara specifika fel i elnätet med bibehållen nätanslutning (FRT) för att acceptera anslutning av dessa. För att utvärdera FRT-prestanda för elektrolysörsystem föreslås en ny styrstrategi med hänsyn till driftsbegränsningar för elektrolysörer, såsom dellast och ramphastighetsgränser. Simuleringar utförs för ett storskaligt system under olika felförhållanden, och användningen av en superkondensator för att förbättra FRT-prestanda studeras även. Sammantaget tillhandahåller det utförda arbetet i denna avhandling utvärderingsmetoder och modeller för minimering av elektrolysörernas prestandaförluster på grund av strömrippel i omriktarnas topologier, samt för nätintegration med FRT-krav.

Dessutom tillhandahålls styrstrategier för förbättring av svarshastigheten för frekvensreglering i AEL/PEMEL HHES, eller elektrolysör/ESS HHS. Därför ger det utförda arbetet en bred översikt över möjligheterna till frekvensreglering med vätgaselektrolysörsystem i elsystem med låg rotationsenergi.

Link to DiVA