电-氢耦合系统集成理论与方法

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。

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。

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