光伏電站消納限電方案設(shè)想

劉利勇

【摘 要】隨著全球能源需求的不斷增長，能源緊缺、環(huán)境污染和氣候變暖等問題日益突出。倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)，提高資源利用率，加大對(duì)可再生能源利用力度，但是在可再生能源的實(shí)際利用中，我們遇到了一些亟待解決的問題，諸如新能源生產(chǎn)中的限電問題所引起的設(shè)備利用率低，存在大量的浪費(fèi)，就此我們提出了電解制氫的解決方案，下面主要從經(jīng)濟(jì)性比較、基本原理分析、結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化等方面論證電解制氫電源側(cè)方案在光伏電站應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】可再生能源;光伏發(fā)電;氫能源;限電消納;電解制氫;自動(dòng)化控制

引言

太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，但是清潔能源發(fā)展不平衡的矛盾日益凸顯，特別是清潔能源消納問題突出，已嚴(yán)重制約電力行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

1 新能源電站存在嚴(yán)重的限電，清潔能源消納問題突出

當(dāng)前由于大多數(shù)新能源電站地處偏僻，當(dāng)?shù)赜秒娏可伲娋W(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸能力有限的情況下，限電非常嚴(yán)重。如河北北部地區(qū)的沽源某光伏電站（裝機(jī)容量為75 MW）2018年月12月至2019年11月，月限電及發(fā)電情況統(tǒng)計(jì)。此光伏電站12個(gè)月中總限電4076.3萬kW，而這期間總發(fā)電量為11033.75萬kW，由限電率公式：限電率=總限電量/（總限電+總發(fā)電量）可算的這個(gè)電站的限電率為27%，對(duì)于這樣一座中型的光伏電站一年期間限電4076.3萬千瓦電量，無疑是非常驚人的。

2 關(guān)于氫能源的生產(chǎn)和利用的簡要介紹成本比較。

2.1氫能作為工業(yè)生產(chǎn)的原料，市場(chǎng)已經(jīng)較好的建立起來。但需要指出的是，目前氫能并未廣泛作為機(jī)動(dòng)車燃料用途，原因在于化石燃料法制氫有成本和污染問題。如果能使電解制氫成為技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)價(jià)值突出、社會(huì)效益顯著能源使用方案，它將極大緩解我國石油短缺，煤炭污染的社會(huì)問題。

2.2制氫技術(shù)有包括煤制氫、天然氣與石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等、電解水制氫技術(shù)等。各制氫技術(shù)的成本比較 如圖1所示

2.3水電解制氫各相關(guān)成本變量關(guān)系

目前電解水制氫技術(shù)成熟度已較高，且有一些案例已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。其中電費(fèi)成本會(huì)達(dá)到 70-80%，占比較高。因此，我們可以得出結(jié)論：電解水制氫最重要的成本在于電費(fèi)，用電的成本決定了氫氣的成本，電解水制氫工藝需要盡可能的壓低電費(fèi)成本。一般來講，每生產(chǎn) 1Nm? H2 約消耗電力 3.5-5kWh，如果采用當(dāng)前市場(chǎng)銷售電價(jià)作為制氫成本，電解水技術(shù)路線是沒有競(jìng)爭力的。但如果能夠使用到成本較低的電力用于制氫，即當(dāng)電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm? 的時(shí)候，該方法在經(jīng)濟(jì)性上就具有一定競(jìng)爭力;此外，考慮碳減排的因素，電解水制氫較化石燃料法制氫法相比更具有一定的社會(huì)效益。

3 棄風(fēng)棄光電力的消納為電解制氫提供了廉價(jià)的經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)

這種低成本的電能通常情況下較難獲得，但在棄光電力消納過程中可以實(shí)現(xiàn)，這也是電解水制氫工藝路線的核心。利用可再生能源制氫是新能源領(lǐng)域的一個(gè)新發(fā)展趨勢(shì)，要廣泛利用來自可再生能源的氫，必須要獲得廉價(jià)的電力，并繼續(xù)致力于降低設(shè)備建設(shè)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的成本，通過使用光電能可以打通制氫環(huán)節(jié)路線。對(duì)于嚴(yán)重受限電困擾的光伏電站，可以通過越過大電網(wǎng)系統(tǒng)，就地消納自身的棄光電能，把自身的劣勢(shì)轉(zhuǎn)化為自身的優(yōu)勢(shì)。這種本已舍棄電能制氫成本是很低的。

光伏發(fā)電的特點(diǎn)，光伏發(fā)電所利用的太陽能電池是將不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體界面緊密接觸形成P-N結(jié)，P-N結(jié)中電子受到光子沖擊作用，變成自由電子，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

集中式光伏電站生產(chǎn)流程：太陽能電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能（直流電），電池組件串聯(lián)后，提高電壓，再將個(gè)組串在回流箱內(nèi)并聯(lián)提高電流，數(shù)臺(tái)匯流箱并聯(lián)接入一臺(tái)逆變器，將直流電（450-850V）逆變?yōu)榻涣麟姡?15V），通過箱式變壓器變壓，經(jīng)集電線路匯集后并入電網(wǎng)或經(jīng)升壓變升壓至110kV（220kV）并入電網(wǎng)。

光伏電池板產(chǎn)生出來的原始電能就是直流電，而各類電解制氫無論哪種工藝最基本的條件就是需要直流電，對(duì)直流的電壓并無特殊要求。對(duì)于電解制氫工藝側(cè)細(xì)節(jié)我們這里不再贅述。

4 利用棄光電解制氫從電源側(cè)結(jié)構(gòu)流程方面改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高能源的可利用率

從電解水制氫工藝特點(diǎn)可以得出：光伏電池板發(fā)出的直流電正是電解制氫可以直接利用的電能。這就顯示出了光伏發(fā)電就地消納的優(yōu)勢(shì)，無需再通過逆變器進(jìn)行逆變轉(zhuǎn)化為交流電，我們可以直接從各個(gè)光伏區(qū)的直流配電柜進(jìn)行改造：在直流配電柜母排上增加一個(gè)直流輸出電纜，讓光伏區(qū)直流配電柜每個(gè)直流電纜進(jìn)行進(jìn)一步的匯總到總的直流匯集柜，我們暫且管這個(gè)柜叫作：總直流匯集柜。為了防止這些直流電纜的短路以及反流我們?cè)谶@些電纜的首端和尾端加裝防反二級(jí)管。

我們?yōu)槭裁床辉谠械母邏洪_關(guān)柜上取電源，而是在各個(gè)直流配電柜取電進(jìn)行匯集呢，這是因?yàn)檫@樣可以使能量的利用率高很多。我們分析比較一下從原有的高壓開關(guān)柜上取電源進(jìn)行電解制氫的電能轉(zhuǎn)換效率和從直流配電柜取電的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行比較。

從原有高壓交流開關(guān)柜的流程如下：

直流配電柜經(jīng)過逆變器逆變（轉(zhuǎn)化率為94%），經(jīng)過雙裂式變壓器升壓（轉(zhuǎn)化率為98%），經(jīng)廠區(qū)電纜及高壓交流開關(guān)柜（轉(zhuǎn)化率99%），在經(jīng)過降壓變壓器降壓（轉(zhuǎn)化率為98%），最后還要通過整流器整流為直流電（轉(zhuǎn)化率為94%）才能進(jìn)行利用。這個(gè)過程雖然已經(jīng)跳過從電網(wǎng)取電的主變壓器及長距離電纜（轉(zhuǎn)化率為97.5%）但能量的損耗依然是驚人的。我們從光伏電站的直流配電柜通過直流電纜直接取電，到總直流匯集柜進(jìn)行匯總這樣取的直流電源就可以跳過紛雜設(shè)備（兩到三級(jí)變壓器，一級(jí)逆變器，一級(jí)整流器，三級(jí)交流電纜），直接用一級(jí)直流電纜傳輸代替很多設(shè)備。計(jì)算傳輸電能為 94%×98%×99%×98%×94%=84% 再比較就地直流匯集傳輸與電網(wǎng)取電傳輸（84%×97.5%=81.9%）。

直流電傳輸經(jīng)濟(jì)性：①?zèng)]有感抗和容抗的無功損耗。②沒有集膚效應(yīng)導(dǎo)線的截面利用充分。③線路造價(jià)低，交流需三根電纜，而直流只需兩根，且由于絕緣介質(zhì)的直流強(qiáng)度遠(yuǎn)高于交流強(qiáng)度（同型號(hào)傳輸直流是交流的三倍）中短距離能量傳輸幾乎是100%。

直流輸電的技術(shù)的安全性：①不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實(shí)現(xiàn)各分直流配電柜的非同期互聯(lián)。②限制短路電流。直流系統(tǒng)的“定電流控制”可快速把短路電流限制在額定功率附近。直流系統(tǒng)各支路中可在電纜兩側(cè)安裝防反二極管，當(dāng)短路時(shí)有效地阻止反向故障電流的形成，把故障設(shè)備限制在有限的范圍內(nèi)。

有以上直電流傳輸特點(diǎn)我們可以推導(dǎo)得出：把直流電匯集，由直流配電柜傳輸?shù)街绷骺倕R集柜的直流電源總母排的能耗幾乎為零。就地直流傳輸匯集取電和電網(wǎng)取電進(jìn)一步比較兩種取電方式能量轉(zhuǎn)化率，100%/81.9%=122%。可得出結(jié)論，就地直流柜取電比電網(wǎng)取電，提高超過20%的效率。

既然經(jīng)濟(jì)性突出和安全性可靠，那么我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)發(fā)電與生產(chǎn)電解制氫這兩方面快速有效地切換呢？

目前電網(wǎng)對(duì)各個(gè)發(fā)電站的有功出力是利用AGC系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的。我們同樣可以利用現(xiàn)有的AGC系統(tǒng)，從控制策略入手，通過對(duì)AGC系統(tǒng)升級(jí)和直流配電柜改造得以實(shí)現(xiàn)。使各直流配電柜向逆變器傳輸或向總直流匯集柜傳輸進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。控制策略如圖2 所示 光伏限電制氫的AGC自動(dòng)化控制流程圖

當(dāng)電網(wǎng)不限電的情況下，直流配電柜只向?qū)?yīng)的逆變器傳輸電能，而閉鎖向總直流匯集柜的電纜通道。當(dāng)電網(wǎng)限電的情況下，通過AGC系統(tǒng)的控制策略自動(dòng)計(jì)算出要切除的逆變器容量并進(jìn)行自動(dòng)分配，自動(dòng)切除這部分直流配電柜至對(duì)應(yīng)逆變器的通道，并同時(shí)打開這個(gè)直流配電柜與之對(duì)應(yīng)的總直流匯流柜通道。也就是說：我們將現(xiàn)有直流各配電柜進(jìn)行改造使之有兩個(gè)通道即對(duì)應(yīng)的逆變器通道和總直流匯流柜通道，這兩個(gè)通道互為閉鎖，可以在電網(wǎng)發(fā)電和就地電解制氫兩個(gè)通道上自由切換，實(shí)現(xiàn)光伏電站的無棄光發(fā)電。

其他的優(yōu)勢(shì)：

通常情況下，光伏發(fā)電組件在限電的情況下，并不能延長設(shè)備的使用壽命（20年左右），所以這部分被電網(wǎng)舍棄的電能成本幾乎為零。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的功率模塊是損耗和故障率較高的設(shè)備。在電網(wǎng)限電的情況下對(duì)直流配電柜到對(duì)應(yīng)逆變器通道關(guān)閉使逆變器停機(jī)，這樣可是使長期運(yùn)行的逆變器疲勞度下降，從而使逆變器的使用壽命延長。

以下是光伏電站就地消納限電制氫的電源側(cè)示意圖 如圖3所示

5結(jié)束語

成本是電解水制氫技術(shù)最大制約因素，其雖有純度高、對(duì)環(huán)境友好等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但成本顯著高于其他方式。可再生能源制氫，尤其是利用棄光電力制氫，可有效消納棄光電力、降低制氫成本，且在能量轉(zhuǎn)換效率非常高效，因此我們應(yīng)從限電嚴(yán)重的光伏發(fā)電站入手，切入氫能領(lǐng)域，利用光伏電力制氫方案就地消納限電電能，可大幅的提高光伏發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有助于解決環(huán)境污染和氣候變暖等社會(huì)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷中樞，王威.氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)前沿系列一：氫能時(shí)代，點(diǎn)煤成金[R].光大證券報(bào)告.2019-06-05.

[2]黃新剪.光伏發(fā)電運(yùn)維[M].浙江：浙江人民出版社，2018.

[3]楊金煥.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

（作者單位：國家電投集團(tuán)河北電力有限公司）