并網型分布式新能源氫氣站的模式及能源消納研究

趙顯澤

(三峽集團上海勘測設計研究院有限公司北京分公司，北京 100010)

0 引 言

氫能因其特有的儲量豐富、燃燒熱值高及能量可轉換性強等優勢，是目前公認最理想的清潔能源，也是下一代能源革命的熱點所在[1]。氫能按環境友好程度可以分為“綠氫”、“藍氫”和“灰氫”。“綠氫”主要通過太陽能、風能等可再生能源產生的棄光棄風等多余電能通過電解水制取氫氣，并在需要時通過燃料電池把化學能直接轉換為電能，在此過程中不產生碳排放[2]。“藍氫”、“灰氫”主要是通過天然氣、煤炭等化石燃料制取，會產生一定的碳排放。我國在2020年聯合國大會上明確提出，力爭于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，因此發展“綠氫”建設符合當下政策及社會發展要求[3-5]。另外，我國內陸大規模集中式新能源的資源存量已經有限，這為分布式新能源的開發創造了有利條件。然而，分布式新能源的波動性和不均衡性使其消納壓力逐年提高。由于分布式新能源發電與氫能發電的項目規模匹配度高，二者的協同發展將解決能源發展與利用的綜合問題[6-7]。對并網型分布式新能源配置氫氣站的模式配置及能源消納研究有利于建設電網友好型和環境友好型的新型能源體系。

1 并網型分布式新能源氫氣站的配置模式

1.1 電-氫轉化配置

目前具備應用價值的電解水制氫技術主要有堿液電解技術(AEC)、固體氧化物電解技術(SOEC)以及固體聚合物電解技術(SPE)三種。固體聚合物電解水技術中的質子交換膜(PEM)電解水技術具有電解效率高、產物純度高、設備結構緊湊、清潔環保等特點,被廣泛用于電力工程領域的應用研究[1]。目前PEM制氫方式與兆瓦級分布式新能源項目從規模和技術方面較為匹配。氫氣站的制氫功率與產氫量的匹配可參考設備性能參數，亦可參考國內外項目經驗。加拿大魁北克省PEM制氫項目制氫功率為20 MW，產氫量為5 000 Nm3/h。德國ENERTRAG項目制氫功率為600 kW，產氫量為120 Nm3/h。加拿大The Hydrogen Assisted Renewable Power(HARP)項目制氫功率320 kW，產氫量為60 Nm3/h。1 MW制氫功率匹配產氫量約180～250 Nm3/h。在制氫功率偏低時，設備損耗較大，產氫量可取較小值。

1.2 氫-電轉化配置

氫能轉化為電能依靠燃料電池，常規燃料電池有堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。在并網型分布式新能源氫氣站的燃料電池型式選擇上，推薦采用質子交換膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC燃料電池的電效率為40%～50%，功率密度為500～2 500 mW/cm2，功率范圍為0.001～1 000 kW，工作溫度在80 ℃以內。因此其設備維護周期壽命和穩定性較高。此類電池容易組裝、管理維護簡單，作為新的發展方向一直處于商業化的最前沿[2]。

1.3 綜合能源控制管理模式

并網型分布式新能源氫氣站的綜合能源管控的核心在于新能源電能分配策略、氫電分配策略以及并網電能管理系統三者的綜合管理控制。并網型分布式新能源發電通過新能源電能分配策略將調度棄電送至站內PEM制氫單元，將剩余電能轉化為可儲存的氫化學能，并在適當的時機通過氫燃料電池發電。站內制氫單元制出的氫氣通過PEMFC燃料電池將氫化學能轉化為電能，一部分通過并網電能管理系統聯合新能源分配策略參與新能源與電網的峰谷調節和電能質量調節；另一部分由氫電分配策略，將氫能發電就地消納。并網型分布式新能源與氫氣站的配置形式如圖1所示。

圖1 并網型分布式新能源與氫氣站的配置形式

2 聯合電網的消納

目前氫能產業鏈下游應用開發仍是行業瓶頸。因此對于制氫站來說，應用于調節新能源及電網的峰谷波動與電能質量是目前氫能產業初級階段的一個重要利用。氫氣作為一種儲能形式，將對電網產生很多有利作用：

(1)改善風電與光伏等間歇性新能源發電的運行特性[3]；

(2)優化系統經濟性，消納棄風棄光，提高風能利用率；

(3)調節電網峰谷，降低主網備用容量；

(4)提高新能源的電能質量，提高機組電壓穿越能力；

(5)提高系統抗干擾性和運行穩定性。

2.1 電氫聯合調峰

2.1.1 新能源發電可信容量

發電可信容量[4]是衡量波動大的新能源發電并網對系統可靠性影響的一個重要指標。目前國際上推薦以帶負荷能力(ELCC)作為新能源發電可信度的定義，即新能源發電在系統同一可靠性水平下的保證出力占新能源總裝機容量的比例。

對于新能源發電可信容量的確定首先通過建模模擬電源出力，通過各種計算方法完成容量可信度的確定，包括基于可靠性評估的卷積法、蒙特卡洛法、序列運算及通用生成函數法等，并通過向不含風電的等效系統中添加虛擬機組容量，并反復訂正(二分法或弦截法)確定，也可以通過Garver近似法、可靠性函數法等解析法[5]進行實際計算。目前國際上以基于風電時序出力的以及COPT的卷積法作為風電可信容量的推薦方法[6]。

2.1.2 新能源配置制氫容量

新能源電站內的氫氣作為一種儲存能量的媒介，要求其限制新能源棄風、棄光率，并向負載提供持續、穩定電力的作用。因其作用與電化學儲能相似，故可借鑒電化學儲能配置方式進行制氫容量的選擇。根據近年來電網公司對儲能容量的要求，一般推薦按照裝機容量的10%～20%配置儲能。因此，制氫功率可初步按裝機容量的10%～20%配置，考慮氫電轉化的能量損失，燃料電池的容量配置可提高到裝機容量的15%～25%。

2.1.3 參與調峰的容量

新能源電站配置儲能裝置可以滿足向負載提供持續、穩定電力的要求，并改善電源輸出特性。PEM制氫系統的負載可控性強、響應速率快，可以利用控制策略實現穩定的負載調控，這就為其參與新能源和電網的調峰帶來了有利條件。制氫系統可以參與新能源內部調峰，也可以聯合電網進行區域電網的峰谷調節。

(1)參與新能源內部調峰

對于超出消納范圍的新能源發電部分，依靠制氫系統進行調節。新能源發電量超出并網要求時，需制氫系統吸收電能；在新能源發電功率不足時，需利用燃料電池發出電能。氫燃料電池發電功率如式(1)所示：

PHS(t)=|PRE(t)-Pgrid(t)|

(1)

式中，PHS(t)為氫燃料電池發電功率；PRE(t)為分布式新能源出力容量；Pgrid(t)為電網負荷。

(2)聯合參與電網調峰

對于聯合參與電網的調峰，可通過站內并網電能管理系統和電網調度系統協同實現。電網調峰調度需要容量如式(2)所示：

PRE(t)·RCC(t)+PHS(t)=ΔPplr(t)

(2)

式中，PRE(t)為分布式新能源出力容量；RCC(t)為分布式新能源容量可信度；PHS(t)為氫燃料電池發電功率；ΔPplr(t)為電網調峰調度需要容量。

根據目前已有研究，對于我國東北某風電光伏新能源電站配置風光容量一比一互補時，其發電容量可信度可平衡在22%以上[7]。據此，風光互補分布式能源配置氫氣站最大參與調峰的總容量有望超過總裝機容量的30%，可以對區域電網調度響應作出一定的貢獻。

2.2 電氫聯合改善電能質量

當分布式新能源并網點電網側的頻率或電壓偏差在合理范圍內時分布式新能源應能正常運行[8]。裝設在分布式新能源的氫氣站對電能質量的主要用途在于參與調頻并提高系統高低電壓穿越能力。

分布式能源應耐受一定的系統頻率異常的能力[9]。并網型分布式新能源氫氣站監控系統與電力調度中心監控系統相互通信。電力調度中心監控系統采用自動發電控制(AGC)系統下達指令給并網電能管理系統，實時進行自動發電控制，以實現維持頻率穩定的輔助二次調頻功能。分布式新能源并網點穩態電壓在標稱電壓的85%～110%時應能正常運行，宜具備一定的低電壓穿越能力[9]和高電壓穿越能力[10]。發電系統故障脫網可能會產生孤島系統，非計劃性孤島系統會對工作人員及電氣設備產生嚴重危害[11]。并網型分布式新能源氫氣站利用氫燃料電池充當有功電源，可以改變站內有功與無功分配、調節并網點電壓、改善高低電壓穿越能力，同時減小電網側線路安全自動裝置動作誤動造成的非計劃孤島。

3 熱電聯供消納與站內用電消納

3.1 熱電聯供消納

氫-電轉換過程中會產生熱能的循環，工程可以利用分布式新能源氫氣站在需求側同時產生電力和熱能的優勢滿足用戶的熱電需求，即熱電聯供(CHP)[12]。氫氧燃料電池的電熱能量轉化具有以下關系：

QLCV=Ee+Ef·loss+Em·loss+Qh+Qd·loss+Qex·loss

(3)

式中，QLCV為氫燃料低位熱值；Ee為可利用電能；Ef·loss為燃料發電損失；Em·loss為輔機電能損失；Qh為可利用熱能；Qd·loss為自然散熱損失；Qex·loss為冷卻換熱損失。

以本文推薦的質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，PEMFC的發電損失與輔機電能損失約占電能損失的18%，自然散熱與冷卻換熱損失約占熱能損失的23%。總發電能占氫能熱值的50%，總發熱能占氫能熱值的30%。PEMFC的熱電聯供綜合能效可在75%～80%之間。PEMFC的運行方式可通過控制器件實現不同比例的動態電熱輸出，以滿足不同時間周期的用戶電熱需求。

3.2 站用電消納

發電側的站用電系統應充分考慮發電設備起動、停運過程中的負荷需求，一般應配備可靠的起動備用電源，并允許與工作電源短時并列[13]。傳統分布式新能源電站以柴油發電機或公共電網配電專線作為站內的起動備用電源。

柴油發電機在運行過程中會產生大量NOx與SO2氣體、各種碳氫化合物及微粒，將造成人員健康受損，同時增加大氣碳排放量。柴油發生火災后，剩余燃料會滯留在附近不宜疏散，會造成二次起火的危險。相比之下，氫氣在開放的大氣中很容易快速逃逸，將2.25 m3的液氫傾瀉在地面，僅1分鐘就能擴散成為不爆炸的安全混合物，降低了續燃風險[14]。另外，氫焰的輻射率小，其火焰周圍的溫度并不高，對于電氣設備及站內建構筑物的損害低于柴油燃燒。因此，氫氣代替柴油作為站內可靠的應急保安電源具有技術合理性。

另一方面，PEMFC氫氧燃料電池發電具有啟動迅速、比功率高及輸出穩定的特點，適合用作站用電的備用電源。氫能燃料電池輸出為直流端口，在站內設置可靠的儲氫裝置時，氫能燃料電池也可以替代蓄電池供給直流母線。分布式新能源氫氣站的站用電系統如圖2所示。

圖2 分布式新能源氫氣站站用電系統圖

4 結束語

氫能作為一種可轉換性強、低碳高能的能源形式，是今后重要的能源發展方向。并網型分布式新能源與氫氣站的設備配置宜選用電能密度高、轉化效率高、設備結構緊湊及清潔環保的PEM制氫技術和PEMFC氫氧燃料電池。并網型分布式新能源氫氣站在電網層面的消納，可利用多能互補形式參與電網調峰、調節電能質量；在用戶側層面的消納，可聯合熱能進行熱電聯供；在站用電層面的消納，可利用其輸出穩定、轉化效率高的優點，替代備用電源和蓄電池，參與全站的應急與保電。本文為分布式新能源多能互補的能源消納途徑提供了參考依據。