Capacity Optimal Configuration of Distributed Offshore Wind Power to Hydrogen Considering Micro-siting

DU Yunfei; SHEN Xinwei; LI Hongke; LI Jiarong; LU Boan

doi:10.7500/AEPS20231113003

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Capacity Optimal Configuration of Distributed Offshore Wind Power to Hydrogen Considering Micro-siting

Key Technologies for Offshore Wind Power System | 更新时间：2025-06-16

- Capacity Optimal Configuration of Distributed Offshore Wind Power to Hydrogen Considering Micro-siting
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 21, Pages: 61-70(2024)
- 作者机构：
  
  1.清华大学深圳国际研究生院，广东省深圳市 518055
  2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122
  3.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52007123);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515240019;2023A1515240055)
- DOI：10.7500/AEPS20231113003
  CLC：
- Received：13 November 2023，
  
  Revised：2024-02-26，
  
  Published Online：25 April 2024，
  
  Published：10 November 2024
- 稿件说明：
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杜云飞,沈欣炜,郦洪柯等.考虑微观选址的分布式海上风电制氢容量优化配置[J].电力系统自动化,2024,48(21):61-70.

DU Yunfei,SHEN Xinwei,LI Hongke,et al.Capacity Optimal Configuration of Distributed Offshore Wind Power to Hydrogen Considering Micro-siting[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):61-70.
杜云飞,沈欣炜,郦洪柯等.考虑微观选址的分布式海上风电制氢容量优化配置[J].电力系统自动化,2024,48(21):61-70. DOI： 10.7500/AEPS20231113003.

DU Yunfei,SHEN Xinwei,LI Hongke,et al.Capacity Optimal Configuration of Distributed Offshore Wind Power to Hydrogen Considering Micro-siting[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(21):61-70. DOI： 10.7500/AEPS20231113003.

摘要

海上风电制氢是提升海上风电场经济性与风电消纳率的重要发展方向，其中，分布式海上风电制氢由于无须配备昂贵的高压海底电缆和海上变电枢纽平台，是深远海风电场制氢可预期的首选方案。然而，尾流效应的存在使得不同微观选址方案下的分布式平台制氢能力存在差异，并进一步影响电解槽的容量优化配置。因此，以分布式海上风电制氢平准化制氢成本（LCOH）最小化为目标，提出了考虑微观选址的电解槽容量优化配置方法。首先，对基于Larsen尾流模型的平台间耦合特性、单个平台内风机与电解槽运行特性进行建模，并嵌入所提出的电解槽容量优化配置模型。其次，在容量优化配置模型中同时考虑平台的微观选址，基于分解-协调的思想，将原问题拆分并迭代求解。最后，以中国江苏省某深远海域实际数据为例进行仿真验证，所得方案的LCOH与既有方案相比大幅降低，验证了所提容量优化配置方法的有效性。

Abstract

Offshore wind power to hydrogen (OWPtH) is a vital development trend to improve the economics and the wind power penetration rate of offshore wind farms. Distributed OWPtH is a preferred solution to the hydrogen production in the deep and far sea without expensive high-voltage submarine cables and offshore substations. However

distributed platform hydrogen production capacity differs in different micro-siting schemes due to the wake effect

which further affects the capacity optimal configuration of electrolyzers. Hence

to minimize the levelized cost of hydrogen (LCOH) of distributed OWPtH

a capacity optimal configuration method considering micro-siting is proposed. Firstly

the coupling characteristics between the platforms based on the Larsen wake effect model

and the operation characteristics of wind turbines and electrolyzers in the single platform are modeled and embedded in the proposed capacity optimal configuration model. Secondly

considering the micro-siting of the platforms

the capacity optimal configuration model is decomposed and solved iteratively based on the ideas of decomposition-coordination. Finally

the case studies based on the actual data of deep and far sea in Jiangsu Province of China show that the LCOH of the proposed scheme is significantly reduced compared to the existing scheme. The effectiveness of the proposed OWPtH capacity optimal configuration method is verified.

关键词

Keywords

references

杨光亚 . 欧洲海上风电工程实践回顾及未来技术展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 21 ）： 23 - 32 .

YANG Guangya . Review on engineering practices and future technology prospects of European offshore wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 21 ）： 23 - 32 .

Global Wind Energy Council（GWEC） . Global offshore wind report 2022 ［R］ . Brussels， Belgium ： GWEC ， 2022 .

国家能源局2022年四季度网上新闻发布会文字实录［EB/OL］.［ 2023-01-09 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-11/14/c_1310676392.htm http://www.nea.gov.cn/2022-11/14/c_1310676392.htm .

Transcript of the online press conference of the National Energy Administration in the fourth quarter of 2022 ［EB/OL］. ［ 2023-01-09 ］. http：//www.nea.gov.cn/2022-11/14/c_1310676392.htm http://www.nea.gov.cn/2022-11/14/c_1310676392.htm .

唐巍，郭雨桐，闫姝，等 . 多场景海上风电场关键设备技术经济性分析［J］. 中国电力， 2021 ， 54 （ 7 ）： 178 - 184 .

TANG Wei ， GUO Yutong ， YAN Shu ， et al . Techno-economic analysis of key equipment for offshore wind farms with multiple scenarios ［J］. Electric Power ， 2021 ， 54 （ 7 ）： 178 - 184 .

EUREK K ， SULLIVAN P ， GLEASON M ， et al . An improved global wind resource estimate for integrated assessment models ［J］. Energy Economics ， 2017 ， 64 ： 552 - 567 .

王秀丽，赵勃扬，郑伊俊，等 . 海上风力发电及送出技术与就地制氢的发展概述［J］. 浙江电力， 2021 ， 40 （ 10 ）： 3 - 12 .

WANG Xiuli ， ZHAO Boyang ， ZHENG Yijun ， et al . A general survey of offshore wind power generation and transmission technologies and local hydrogen production ［J］. Zhejiang Electric Power ， 2021 ， 40 （ 10 ）： 3 - 12 .

D’AMORE-DOMENECH R ， LEO T J ， POLLET B G . Bulk power transmission at sea： life cycle cost comparison of electricity and hydrogen as energy vectors ［J］. Applied Energy ， 2021 ， 288 ： 116625 .

FRANCO B A ， BAPTISTA P ， NETO R C ， et al . Assessment of offloading pathways for wind-powered offshore hydrogen production： energy and economic analysis ［J］. Applied Energy ， 2021 ， 286 ： 116553 .

黄伟捷，江岳文 . 远海风电输电和制氢经济可行性分析［J］. 中国电力， 2022 ， 55 （ 1 ）： 91 - 100 .

HUANG Weijie ， JIANG Yuewen . Comparison of economic feasibilites between power transmission and hydrogen production from an offshore wind farm ［J］. Electric Power ， 2022 ， 55 （ 1 ）： 91 - 100 .

曹蕃，郭婷婷，陈坤洋，等 . 风电耦合制氢技术进展与发展前景［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2187 - 2201 .

CAO Fan ， GUO Tingting ， CHEN Kunyang ， et al . Progress and development prospect of coupled wind and hydrogen systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2187 - 2201 .

Oyster project consortium for offshore hydrogen production ［EB/OL］. ［ 2023-01-16 ］. https：//orsted.com/en/media/newsroom/news/2021/01/837698488913840 https://orsted.com/en/media/newsroom/news/2021/01/837698488913840 .

Green hydrogen production at scale from floating offshore wind ［EB/OL］. ［ 2023-01-16 ］. https：//www.dolphynhydrogen.com/ https://www.dolphynhydrogen.com/ .

Hydrogen production in the North sea-AquaVentus ［EB/OL］. ［ 2023-01-16 ］. https：//www.rwe.com/ en/research-and-development/hydrogen-projects/aquaventus/ https://www.rwe.com/en/research-and-development/hydrogen-projects/aquaventus/ .

田甜，李怡雪，黄磊，等 . 海上风电制氢技术经济性对比分析［J］. 电力建设， 2021 ， 42 （ 12 ）： 136 - 144 .

TIAN Tian ， LI Yixue ， HUANG Lei ， et al . Comparative analysis on the economy of hydrogen production technology for offshore wind power consumption ［J］. Electric Power Construction ， 2021 ， 42 （ 12 ）： 136 - 144 .

IBRAHIM O S ， SINGLITICO A ， PROSKOVICS R ， et al . Dedicated large-scale floating offshore wind to hydrogen： assessing design variables in proposed typologies ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2022 ， 160 ： 112310 .

JANG D ， KIM K ， KIM K H ， et al . Techno-economic analysis and Monte Carlo simulation for green hydrogen production using offshore wind power plant ［J］. Energy Conversion and Management ， 2022 ， 263 ： 115695 .

SONG S J ， LIN H Y ， SHERMAN P ， et al . Production of hydrogen from offshore wind in China and cost-competitive supply to Japan ［J］. Nature Communications ， 2021 ， 12 ： 6953 .

DINH V N ， LEAHY P ， MCKEOGH E ， et al . Development of a viability assessment model for hydrogen production from dedicated offshore wind farms ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2021 ， 46 （ 48 ）： 24620 - 24631 .

BALDI F ， CORADDU A ， KALIKATZARAKIS M ， et al . Optimisation-based system designs for deep offshore wind farms including power to gas technologies ［J］. Applied Energy ， 2022 ， 310 ： 118540 .

李梓丘，乔颖，鲁宗相 . 海上风电-氢能系统运行模式分析及配置优化［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 8 ）： 104 - 112 .

LI Ziqiu ， QIAO Ying ， LU Zongxiang . Operation mode analysis and configuration optimization of offshore wind-hydrogen system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 104 - 112 .

MCDONAGH S ， AHMED S ， DESMOND C ， et al . Hydrogen from offshore wind： investor perspective on the profitability of a hybrid system including for curtailment ［J］. Applied Energy ， 2020 ， 265 ： 114732 .

LUCAS T R ， FERREIRA A F ， SANTOS PEREIRA R B ， et al . Hydrogen production from the WindFloat Atlantic offshore wind farm： a techno-economic analysis ［J］. Applied Energy ， 2022 ， 310 ： 118481 .

SUN H Y ， GAO X X ， YANG H X . A review of full-scale wind-field measurements of the wind-turbine wake effect and a measurement of the wake-interaction effect ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2020 ， 132 ： 110042 .

李佳蓉，林今，陈凯旋，等 . 考虑尾流效应的分布式海上风电制氢集群容量优化配置［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 11 ）： 9 - 17 .

LI Jiarong ， LIN Jin ， CHEN Kaixuan ， et al . Optimal capacity configuration of distributed offshore wind power-to-hydrogen cluster considering wake effect ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 11 ）： 9 - 17 .

TURNER S D O ， ROMERO D A ， ZHANG P Y ， et al . A new mathematical programming approach to optimize wind farm layouts ［J］. Renewable Energy ， 2014 ， 63 ： 674 - 680 .

LARSEN G C ， RÉTHORÉ P E . A simple stationary semi-analytical wake model ［R］. Roskilde， Denmark ： Risø National Laboratory for Sustainable Energy， Technical University of Denmark ， 2009 .

GÖÇMEN T ， VAN DER LAAN P ， RÉTHORÉ P E ， et al . Wind turbine wake models developed at the technical university of Denmark： a review ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2016 ， 60 ： 752 - 769 .

白鹤鸣，王尼娜，万德成 . 基于不同解析尾流模型的海上风电场数值模拟［J］. 中国造船， 2020 ， 61 （增刊2 ）： 186 - 198 .

BAI Heming ， WANG Nina ， WAN Decheng . Numerical simulation of offshore wind farm based on different analytical wake models ［J］. Shipbuilding of China ， 2020 ， 61 （ S2 ）： 186 - 198 .

ARCHER C L ， VASEL-BE-HAGH A ， YAN C ， et al . Review and evaluation of wake loss models for wind energy applications ［J］. Applied Energy ， 2018 ， 226 ： 1187 - 1207 .

杜云飞，尹项根，赖锦木，等 . 基于电能路由器的配电网稳定运行与故障恢复分层能量优化［J］. 电力自动化设备， 2022 ， 42 （ 4 ）： 154 - 164 .

DU Yunfei ， YIN Xianggen ， LAI Jinmu ， et al . Hierarchical energy optimization based on electric energy router for distribution network in stable operation and fault recovery ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2022 ， 42 （ 4 ）： 154 - 164 .

PAASO S . Mixed integer linear programming based algorithms for wind farm layout optimization ［D］. Helsinki ： Aalto University ， 2022 .

ARCHER R ， NATES G ， DONOVAN S ， et al . Wind turbine interference in a wind farm layout optimization mixed integer linear programming model ［J］. Wind Engineering ， 2011 ， 35 （ 2 ）： 165 - 175 .

CAZZARO D ， PISINGER D . Variable neighborhood search for large offshore wind farm layout optimization ［J］. Computers & Operations Research ， 2022 ， 138 ： 105588 .

徐政 . 海上风电送出主要方案及其关键技术问题［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 21 ）： 1 - 10 .

XU Zheng . Main schemes and key technical problems for grid integration of offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 21 ）： 1 - 10 .

SOLANKI J ， FRÖHLEKE N ， BÖCKER J . Implementation of hybrid filter for 12-pulse thyristor rectifier supplying high-current variable-voltage DC load ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2015 ， 62 （ 8 ）： 4691 - 4701 .

ZHU M S ， AI X M ， FANG J K ， et al . Optimal integration of electrolysis， gasification and reforming for stable hydrogen production ［J］. Energy Conversion and Management ， 2023 ， 292 ： 117400 .

MCCORMICK G P . Computability of global solutions to factorable nonconvex programs： Part Ⅰ convex underestimating problems ［J］. Mathematical Programming ， 1976 ， 10 （ 1 ）： 147 - 175 .

JONKMAN J ， BUTTERFIELD S ， MUSIAL W ， et al . Definition of a 5 MW reference wind turbine for offshore system development ［R］. Golden， USA ： National Renewable Energy Laboratory ， 2009 .

LUO Z B ， WANG X B ， WEN H ， et al . Hydrogen production from offshore wind power in South China ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2022 ， 47 （ 58 ）： 24558 - 24568 .

LIN H Y ， WU Q W ， CHEN X Y ， et al . Economic and technological feasibility of using power-to-hydrogen technology under higher wind penetration in China ［J］. Renewable Energy ， 2021 ， 173 ： 569 - 580 .

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