棄風電與制氫聯合運行機組容量匹配性研究—基于吉林省長嶺龍鳳湖風電制氫示范項目

當前在一些存在限電的區域（如吉林、新疆等），送出及地方消納短期內很難有大的改善，以氫為介質，把棄風電轉換為氫氣，實現再利用，是當前解決和利用棄風電的一種新運行模式、也是風電等新能源實現存儲的一種新方向。從技術層面上如何更好地跟蹤風電波動性和間歇性、實現風電場與制氫機組容量最優配置尤為重要。本文依托吉林省長嶺龍鳳湖風電制氫示范項目，對從宏觀限電比例下實現棄風電量利用和微觀分析風電機組與電解槽功率匹配兩方面進行深入剖析，精準鎖定風電場容量和制氫站規模，在不考慮使用大批量昂貴儲能設備情況下，保障風電與制氫聯合運行生產的安全與穩定。

研究方法

一、數據資料

棄風電量測算數據依據的是示范項目周邊已運行風電場33臺GW87/1500永磁機組2012年1月1日－2012年12月31日整年的每十分鐘運行數據，包括平均風速、實際平均出力等。考慮到已運行風電場所用機型與示范項目相同且都屬于平原風電場，所在區域電網運行環境邊界條件類似，因此所選的分析數據從技術角度具備代表性，所計算出的結果對未來的風電場具有很大的參考價值。

由于通信故障以及其他原因，參考風電場每臺風電機組一年的實際運行數據大約只有48000點，即約335天的運行數據，大約缺失30天的運行數據。

風電機組功率曲線采用GW87/1500機型經認證過的標準空氣密度下的動態功率曲線。

風電場區域內通過測風塔測得2012年完整年十分鐘數據（NRG數據格式、傳感器NRG官網標定）。

二、 分析思路

完整意義上的風電場與制氫站機組容量最優匹配應該從四個維度進行剖析，首先綜合考慮市場現有的各種電解制氫設備類型、氫氣終端的市場應用需求及氫氣允許的摻混比例；其次從宏觀的限電比例情況下實現棄風電量利用；第三微觀分析電解槽功率與風電機組功率匹配性以保證安全穩定運行；最后從經濟評價角度對方案進行測算以保證項目收益率。其中對于市場消納預測和經濟評價部分，此處不再詳細介紹。本文主要介紹技術層面部分，從對宏觀的限電比例情況下棄風電量利用和微觀分析電解槽功率與風電機組功率匹配性的研究，分析探討一種風電與制氫聯合運行機制下機組匹配技術。

棄風電量數據分析

一、 棄風電量數據處理

當風速為V 時，第j臺風電機組的理論功率為：

由于通信故障等原因，風電場的每臺機組全年均缺失30天的運行數據，為了更加準確地統計和分析風電場的限電數據，我們需要對所有丟失的數據進行補全。具體的方法是：利用Matlab的隨機取樣函數從已有的數據庫中采集缺失天數的數據，實現對缺失數據的補全，獲取每臺風電機組一年完整的每十分鐘實時風速和并網風電功率。

二、棄風電量結果分析

通過限電數據分析，計算出參考風電場一年內存在限電的時間總計為8700小時，一年總的限電電量大約為42294402kWh（33臺風電機組），計算出吉林長嶺縣參考風電場的棄風比例達到32%左右。

從圖1－圖2的分析結果和表1中的數據來看，參考風電場（33臺風電機組）每月均存在棄風，其中限電嚴重的月份主要是1—5月份和11—12月份，限電較少的月份為6—10月，2月和3月均為限電最嚴重的月份，6月和7月均為限電最少的月份。從表1可以看出，參考風電場（33臺風電機組）2月份和3月份的平均限電功率分別為10763kW和14677kW，6月份和7月份的平均限電功率分別為1158kW和1138kW。

另外，參考風電場（33臺風電機組）限電最嚴重和限電最少的季度為第1季度和第3季度。第1季度和第3季度的平均限電功率分別為9727kW和1464kW。全年的平均限電功率為4868kW 。

圖1 長嶺參考風電場（33臺風電機組）全年每十分鐘的平均限電功率

圖2 長嶺參考風電場（33臺風電機組）全年的每月及每個季度的平均限電功率

表1 參考風電場（33臺風電機組）每月的平均限電功率

棄風電量與制氫容量匹配分析

基于僅以棄風電量而不用網電進行電解制氫的原則，綜合考慮市場現有的各種電解制氫設備類型、氫氣終端的市場應用需求，以及氫氣允許的摻混比例，從宏觀的限電比例情況下棄風電量利用到微觀分析電解槽功率與風電機組功率匹配性，實現風電場與電解設備容量匹配。

一、 宏觀的限電比例下棄風電量利用

根據上述風電場的限電數據分析結果及限電規律，以及電解制氫設備市場現有的產品容量及類型，并結合項目建設規劃以及終端氫氣的應用需求，從宏觀的限電比例下棄風電量利用角度進行分析。

表2 1.5MW機組在兩種電解槽設置方案下滿負荷運行測算表

表3 10分鐘數據在有效風速區間（3～22m/s）內出現頻率統計表

根據以上數據分析，長嶺風電場初步按照年利用小時數1800標準小時、風資源評估理論利用小時數2649標準小時測算，限電為849標準小時、限電率為32%，一年總的限電電量大約為42294402kWh（33臺風電機組），且棄風率80%集中在冬季。

按照制氫站（一臺300 Nm3/h）每天3000m3氫氣直銷和600m3氫氣摻混、只考慮11月—次年5月運行，以210天測算，需消納棄風電量378萬千瓦時。反推風電場規模約0.56萬千瓦，依據冬季時段棄風比例推算棄風電量，推導4臺1.5MW機組能夠支撐。

此外，本研究仍有不足之處：(1)本研究納入標本量較少，因此指標的診斷價值仍需大樣本、多中心的臨床研究進一步驗證和完善。(2)本研究中IGF-1聯合CEA對女性的診斷價值不高，文中沒有列出。(3)本研究基于血清循環IGF-1和CEA 2個指標對于CRC的診斷價值進行評價，僅作為一種臨床上的輔助篩查方法。

按照制氫站（一臺300 Nm3/h和一臺600Nm3/h）每天10000m3氫氣直銷和2000m3氫氣摻混、只考慮11月—次年5月運行，以210天測算，需消納棄風電量1260萬千瓦時。反推風電場規模約1.89萬千瓦，依據冬季時段棄風比例推算棄風電量，推導13臺1.5MW機組能夠支撐。

以上分析，僅從宏觀的棄風電量消納上進行測算，風電場4臺1.5MW機組搭配一臺300 Nm3/h電解槽、13臺1.5MW機組搭配一臺300 Nm3/h和一臺600Nm3/h電解槽，按照限電比例32%測算限電量是完全滿足制氫需求的；但是以上只是宏觀限電量上的匹配，并沒有考慮實際運行中風電波動性和間歇性問題，如果按此方式保證機組運轉，還必須配置大量的儲能裝置，不具備經濟性，不建議采納此種方法進行機組配置。

二、 微觀分析電解槽功率與風電機組功率匹配性

一臺300 Nm3/h電解槽功率加上其他附屬設備的功率約2.0MW，一臺600 Nm3/h電解槽功率加上其他附屬設備功率約3.5MW，統計風電場（11月—次年5月時段）的平均風速為6.5m/s，對應的1.5MW機組的功率447kW，即約0.45MW；依據測風塔實測數據，統計測算各風速出現頻率，結合各風速對應風電機組功率，反推風電場的匹配容量。

在標準空氣密度、動態功率曲線下，按照切入風速3m/s、切出風速22m/s風速區間進行推算，分析使用GW87/1500機型，滿足一臺300Nm3/h電解槽及滿足一臺300Nm3/h與一臺600Nm3/h電解槽滿負荷運行所需機組數量測算如表2所示。

分析風電場測風塔完整年實測10分鐘數據，重點對11月至次年5月時段10分鐘數據在有效風速區間（3～22m/s）內出現的頻率進行統計，如表3所示。

綜合以上兩維度分析，在11月至次年5月時段，在有效風速區間內，4m/s以上風速出現的概率超過90%，風電場平均風速6.5m/s以上出現的頻率超過60%，同時在4m/s風速下，保證電解槽滿負荷運行所對應風電機組臺數為57臺，考慮到電解槽在30%～110%范圍內可調，也就是說一臺300Nm3/h電解槽，以滿發功率2MW進行測算，可調功率在0.6～2.2MW區間可保證生產。電解槽的這種特性，也在一定程度上可以跟蹤風電的波動性和間歇性，因此，在機組臺數一定情況下，在相對較低的風速下電解槽也具備一定的適應性。

通過測算，建議把控制設計閥值鎖定在5m/s以上，即一臺300Nm3/h電解槽至少配置10臺風電機組、一臺300Nm3/h和一臺600Nm3/h電解槽至少配置28臺風電機組；結合電解槽功率可調性(30%～110%)逆向反推，在至少10臺風電機組、4m/s風速下可支持一臺300Nm3/h運行，在至少28臺風電機組、4m/s風速下可支持一臺300Nm3/h和一臺600Nm3/h電解槽運行；從風速捕捉概率上講，閥值鎖定在5m/s可以捕捉到4m/s風速以上，即90%的風資源能力。

對比從宏觀限電比例下的棄風電量利用與微觀分析電解槽和風電機組功率匹配性兩種方式，第二種方式（功率匹配）得出的匹配臺數（至少10臺風電機組對應一臺300Nm3/h電解槽設備）包括了第一種方式（限電比例）所測算的結果（4臺風電機組對應一臺300Nm3/h電解槽設備），因此應選用第二種方式進行容量的匹配。

攝影：潘泱

結論

本文基于以棄風電量而不用網電進行電解制氫原則，依據限電數據分析棄風電量分鐘、月度、季度分布情況，對從宏觀限電比例下棄風電量利用和微觀分析風電機組與電解槽功率匹配進行深入剖析，最終實現風電場與電解設備的容量匹配。得到的主要結論如下：

（1）捕捉風速出現的大概率、在不使用大量昂貴的儲能設備情況下，最大化利用風資源及減小風電波動性與間歇性對電解槽的沖擊，得出至少10臺1.5MW風電機組配置一臺300Nm3/h電解槽，至少28臺1.5MW風電機組配置一臺300Nm3/h和一臺600Nm3/h電解槽。

（2）本研究只是利用實際運行10分鐘數據進行分析，并沒有過多考慮暫態狀態下波動性的影響，從理論規律上講風電機組臺數配置越多，電解槽跟蹤適應風電波動性和間歇性能力會越強，運行系統會越穩定。

（3）本研究只是在現有的限電數據上展開分析，重點是對風電與制氫聯合運行機制下機組匹配技術的一種深入剖析與探索，這對后期指導風電與制氫聯合運行項目的機組選型、容量配置具有深刻的指導意義。