風(fēng)光氫儲一體化項(xiàng)目中的電氣系統(tǒng)研究

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 趙陸堯 國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司 劉 玢

環(huán)境友好、低碳甚至零碳可持續(xù)性發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國關(guān)注的主要論題，近年來以德國、英國為代表的歐洲各國新能源裝機(jī)容量與發(fā)電比例也在不斷提高。德國從本世紀(jì)初開始其能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略以來，基于海上風(fēng)電、陸上風(fēng)電、陸上光伏的可再生能源裝機(jī)容量快速提升，其可再生能源發(fā)電量在電能消費(fèi)中的占比從2000年的6%上升到2020年的46%。2021年12月德國新任政府更是將2030年可再生能源發(fā)電比例目標(biāo)從原有的65%提高到80%，其可再生能源發(fā)展的態(tài)勢可謂十分迅猛。

全球主要發(fā)達(dá)國家對氫能的發(fā)展亦十分重視，根據(jù)國際氫能委員會的預(yù)測，到本世紀(jì)中葉氫能在全球能源中的占比有望達(dá)到18%。2020年7月歐盟委員會正式發(fā)布了《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》，宣布建立歐洲氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，計(jì)劃在2050年氫能在歐盟能源結(jié)構(gòu)中的比例達(dá)到約13%。

我國向世界承諾力爭在2030年前達(dá)到二氧化碳排放的峰值，在2060年前力爭實(shí)現(xiàn)碳中和。此背景下我國的陸上風(fēng)電、陸上光伏、海上風(fēng)電等新能源項(xiàng)目得到了迅速的發(fā)展。新能源雖為綠色能源，但其受自然環(huán)境因素的影響很大，發(fā)電的波動性和不確定性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成了很大的困擾。而目前電化學(xué)儲能的成本還很高、且難以應(yīng)對大規(guī)模可再生能源對儲能規(guī)模的要求，電解水制氫作為將電力轉(zhuǎn)為氫氣的技術(shù)，可有效彌補(bǔ)電能存儲性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展，有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提升能源系統(tǒng)整體效率，促進(jìn)能源革命發(fā)展。尤其是在我國內(nèi)蒙西部、新疆等西北風(fēng)資源光資源非常好，但電能難以就地消納或難以送出的棄風(fēng)、棄光地區(qū)而言，新能源制氫方案兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會價(jià)值，且綠氫的發(fā)展思路也符合國家大的發(fā)展策略。

1 風(fēng)光出力耦合

綠氫系統(tǒng)中首先要解決的就是發(fā)電的問題，目前我國多以陸上風(fēng)電制氫、陸上光伏制氫為主，大規(guī)模陸上風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電制氫的示范項(xiàng)目剛剛開始。雖然天氣和氣候的多變起伏給風(fēng)能、太陽能帶來不小影響，但二者在時(shí)間和空間上具有天然性的互補(bǔ)優(yōu)勢[1]。陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要出力高峰多始于夜晚、結(jié)束于早上，而陸上光伏的出力高峰多為中午，在0～24小時(shí)的綜合發(fā)電出力表中可達(dá)到彼此互補(bǔ)的效果。

本文以某風(fēng)光氫儲一體化項(xiàng)目為例，基于國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)數(shù)據(jù)分析與設(shè)計(jì)研究工作。參考項(xiàng)目光伏組件選用目前較為主流的550Wp的雙面雙玻組件，逆變器選用適用于山地地區(qū)的組串式逆變器，風(fēng)機(jī)采用目前較為先進(jìn)的6MW級陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)與光伏組件各自裝機(jī)容量為120MW和96MWp，其中光伏的容配比根據(jù)項(xiàng)目所在地的光資源情況按照1.2進(jìn)行配置。基于上述資料對本項(xiàng)目具有代表性的6月夏季代表月和12月冬季代表月進(jìn)行對比分析。

參考項(xiàng)目在6月份風(fēng)力發(fā)電情況較差，早晚出力差較大，整體出力功率在30～50MW區(qū)間；由于日照時(shí)間6月較長，光伏的出力開始時(shí)間較早結(jié)束時(shí)間較晚，但由于夏季地面無雪覆蓋，組件背面的增益效果較差，單純依靠風(fēng)機(jī)和光伏無法全天候24小時(shí)全部滿足60MW制氫設(shè)備的用電需求。然而在12月份風(fēng)機(jī)發(fā)電出力穩(wěn)定，維持在60～80MW的高位區(qū)間；雖然日照時(shí)間12月較短，光伏開始發(fā)電的時(shí)間較晚，結(jié)束的時(shí)間較早，但由于冬季北部地區(qū)有雪覆蓋，組件背面的增益效果更好，整體而言風(fēng)光的出力都更優(yōu)，單純依靠風(fēng)機(jī)和光伏可以全天候24小時(shí)全部滿足60MW制氫設(shè)備的用電需求。

由此可見，同樣的風(fēng)光裝機(jī)容量在不同的季節(jié)、不同的時(shí)段對制氫設(shè)備的響應(yīng)情況是不一樣的，因此開展風(fēng)光耦合出力分析，根據(jù)分析結(jié)果匹配不同比例的風(fēng)光裝機(jī)容量十分必要。在實(shí)際項(xiàng)目中除需考慮風(fēng)光耦合出力、風(fēng)光裝機(jī)比例因素外，還應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏組件的選型配備合適容量與型式的箱變、集電電纜線路或集電架空線路等。光伏集電線路和風(fēng)機(jī)集電線路不宜共用，原則上應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì)并根據(jù)工作電流以及熱穩(wěn)定校驗(yàn)的結(jié)果選擇合適的電纜或架空導(dǎo)線截面，并進(jìn)行壓降計(jì)算且計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)范的要求，由于箱變與集電線路的較為常規(guī)，本文不再贅述。

2 升壓與儲能系統(tǒng)

升壓站在整個(gè)一體化項(xiàng)目中起到中樞的作用，風(fēng)機(jī)與光伏組件發(fā)出的電能在這里匯集又在這里重新分配，綠電用于并網(wǎng)或用于制氫使用。升壓站可建在風(fēng)光場區(qū)附近的區(qū)域，根據(jù)容量安裝1～2臺主變，主變壓器的電壓等級應(yīng)根據(jù)接入系統(tǒng)的電壓等級而確定。升壓站內(nèi)高壓主接線可采用線變組接線、單母線接線等方式；中壓系統(tǒng)多采用35kV電壓等級，采用單母線接線或單母線分段接線的形式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏組件所發(fā)出的電力通過35kV集電線路送至升壓站35kV側(cè)；根據(jù)制氫站和升壓站的距離，升壓站可通過35kV或110kV及以上電壓等級的線路為制氫站供電。

儲能裝置可以35kV電壓等級分1路或多路接入到升壓站內(nèi)的中壓母線段上。220kV電壓等級的升壓站根據(jù)容量可通過單回220kV線路接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)。風(fēng)光氫儲一體化項(xiàng)目中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏組件聯(lián)合出力不夠時(shí)可通過220kV電網(wǎng)反向送電，一同為制氫設(shè)備供電；但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏組件聯(lián)合出力多于制氫設(shè)備所需電負(fù)荷時(shí)可通過220kV線路為電網(wǎng)輸送綠電，整體而言方案更為靈活，可提高用電負(fù)荷的可靠性。

升壓站內(nèi)的設(shè)備一般有GIS、中壓電氣盤柜、低壓電氣盤柜、主變壓器、接地變壓器、站用變壓器、備用兼施工變壓器、SVG無功補(bǔ)償設(shè)備、蓄電池、電子柜等電氣設(shè)備；還配有消防與空調(diào)暖通等工藝設(shè)備。升壓站220kV配電裝置目前有兩種主要的型式，一種是戶外敞開瓷柱式電氣設(shè)備(AIS)、另一種是SF6絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)，現(xiàn)在工程項(xiàng)目中多采用戶內(nèi)GIS設(shè)備，可布置在預(yù)制艙內(nèi)，而35kV側(cè)配電裝置多采用金屬鎧裝移開式戶內(nèi)開關(guān)柜。SVG無功補(bǔ)償裝置一般成套供應(yīng)，可采用35kV水冷、直掛式，設(shè)備應(yīng)包含電抗器、隔離開關(guān)、功率柜、控制柜等設(shè)備。

風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量配比應(yīng)根據(jù)平滑輸出、跟蹤計(jì)劃出力、電力系統(tǒng)削峰填谷等電網(wǎng)調(diào)控模式，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。電化學(xué)儲能站區(qū)域一般要獨(dú)立于升壓站區(qū)域進(jìn)行相對獨(dú)立布置，可與升壓站相鄰，但要進(jìn)行獨(dú)立分區(qū)處理，以確保設(shè)備和人員的安全。箱式儲能鋰電池采用集裝箱一體化設(shè)計(jì)，箱內(nèi)集成有儲能鋰電池組、電池控制柜、溫控系統(tǒng)、自動消防系統(tǒng)等，除了儲能集裝箱外一般還配備PCS模塊集裝箱。

為實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)按照調(diào)度曲線工作，在電站監(jiān)控系統(tǒng)配置一套能量管理系統(tǒng)，就地監(jiān)控管理每套儲能單元，采集PCS等設(shè)備的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包括實(shí)際發(fā)電功率、出口功率、電池容量、電池狀態(tài)、線路狀態(tài)、電流、有功功率、無功功率等；同升壓站已有能量管理系統(tǒng)相連，接收其下發(fā)充放電指令，根據(jù)采集的PCS等信息進(jìn)行功率分配，在保證儲能系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)指定功率輸出。儲能系統(tǒng)應(yīng)遵循安全、可靠、適用的原則，便于安裝、操作、檢修和調(diào)試。

3 制氫站中的變配電方案

氫能作為綠色能源，在碳中和與未來能源轉(zhuǎn)型中可作為理想的二次替代能源，2022年3月國家發(fā)改委發(fā)布了我國在2021～2035年期間的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中長期規(guī)劃。

目前電解水制氫根據(jù)其技術(shù)形式可分為堿性水制氫（ALK）和純水制氫（PEM）兩種模式，堿性水電解制氫設(shè)備具備工藝設(shè)備成熟，且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低的明顯優(yōu)勢，其劣勢在于相比PEM對可再生能源電源負(fù)荷波動的響應(yīng)時(shí)間和可調(diào)范圍方面略有差距，而PEM水電解設(shè)備的瞬時(shí)響應(yīng)及可調(diào)節(jié)范圍要優(yōu)于堿性設(shè)備，但目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的電解槽設(shè)備出力較小，且投資和運(yùn)行費(fèi)用均遠(yuǎn)高于堿性設(shè)備，當(dāng)然兩種電解制氫設(shè)備也可搭配使用，以充分利用PEM水電解設(shè)備的特性，結(jié)合風(fēng)能及光伏發(fā)電負(fù)荷波動的特點(diǎn)，最大程度消納電能。

不論使用哪種技術(shù)形式，變配電方案都是采用整流變連同整流柜的技術(shù)形式。在制氫站內(nèi)和電氣變配電相關(guān)的主要設(shè)備有35kV中壓開關(guān)柜、整流變、整流柜這三部分，根據(jù)制氫站接入電網(wǎng)電壓等級的不同，也可能會配備高壓GIS以及降壓變壓器設(shè)備等，本文中以典型的35kV電壓等級接入開展分析與研究工作。

制氫負(fù)荷根據(jù)其重要性和規(guī)模來看，屬于2～3級用電負(fù)荷，可從升壓站引接2路35kV線路至制氫站，制氫站內(nèi)35kV母線采用單母分段的布置形式；制氫站內(nèi)的消防、通信、監(jiān)測、控制負(fù)荷需引自低壓保安段，保安電源可從10kV市電引接或考慮在制氫站內(nèi)獨(dú)立布置柴油發(fā)電機(jī)組，在新能源和電網(wǎng)電力無法輸送到制氫站時(shí)為消防等保安負(fù)荷提供應(yīng)急電力。以8臺1000Nm3/h的電解槽為例，以4+4的形式分別接入到35kV母線段I和35kV母線段II上，每個(gè)電解槽可配備1個(gè)整流變和1個(gè)整流柜，以“1拖1”的方式運(yùn)行（圖1）。

圖1 整流變、整流柜、電解槽連接示意圖

目前市場上的整流系統(tǒng)多為12脈沖，如果僅單純的按照獨(dú)立“1拖1”的模式運(yùn)行，那么制氫站內(nèi)的電力系統(tǒng)會產(chǎn)生諧波超標(biāo)的問題。

諧波對公共網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)設(shè)備都有極大的危害，它會使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電與輸變電設(shè)備的效率，還會引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，對鄰近的通信系統(tǒng)也會造成一定的干擾。

諧波對系統(tǒng)設(shè)備也有較大的危害，可使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動、噪音和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短；也會對電網(wǎng)音頻控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生不良影響。

為有效抑制諧波所帶來的危害，可在35kV母線上安裝濾波裝置，針對超標(biāo)的11、13、23、25等次諧波分量進(jìn)行專項(xiàng)濾除，但此方案需要增加的投資較大，占地面積也較大，適合整改類項(xiàng)目使用；新建類項(xiàng)目建議采用18脈沖的整流系統(tǒng)或在使用12脈沖整流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬高脈沖，一般虛擬脈沖能夠達(dá)到24脈沖及以上就基本可保證諧波量均控制在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)。

參考工程中的8組整流系統(tǒng)可兩兩組合構(gòu)成虛擬24脈沖，或四四組合構(gòu)成虛擬48脈沖的方案，從而消除諧波帶來的影響。在不同的工程項(xiàng)目中應(yīng)綜合考慮諧波治理、成本控制以及生產(chǎn)調(diào)度靈活性和設(shè)備制造工藝可靠性等因素綜合分析，選擇最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

風(fēng)光氫儲這種源網(wǎng)荷儲一體化開發(fā)的模式對推進(jìn)可再生能源大規(guī)模開發(fā)，對電力行業(yè)深度脫碳都起到了建設(shè)性的支撐作用。

風(fēng)能夜間發(fā)電量更大，光伏在白天可以有相對穩(wěn)定的出力，兩者自帶時(shí)間和空間兩個(gè)維度的互補(bǔ)性，通過風(fēng)光出力耦合互補(bǔ)分析來確定風(fēng)機(jī)和光伏的裝機(jī)比例，合理地采用多能互補(bǔ)性的開發(fā)可使不穩(wěn)定的發(fā)電系統(tǒng)變成相對穩(wěn)定的出力結(jié)構(gòu)。在儲能方面電化學(xué)儲能可以小規(guī)模的使用，但還不具備大規(guī)模開發(fā)的條件，氫能作為環(huán)境友好的二次能源，理應(yīng)在能源體系中發(fā)揮更大的作用。

電力行業(yè)中技術(shù)的先進(jìn)性往往都會伴隨著一定的不穩(wěn)定性，不過通過科學(xué)的研究以及工程項(xiàng)目的不斷反思總結(jié)，都會探索出一條適合發(fā)展的路線，風(fēng)光氫儲一體化的建設(shè)是一種新型的源網(wǎng)荷儲一體化開發(fā)模式，雖然目前還有很多的技術(shù)細(xì)節(jié)亟待細(xì)化，很多技術(shù)難點(diǎn)亟待解決，但相信新能源儲能制氫這一全新的開發(fā)模式會有光明的未來。