并网型分布式新能源氢气站的模式及能源消纳研究

赵显泽

(三峡集团上海勘测设计研究院有限公司北京分公司，北京 100010)

0 引 言

氢能因其特有的储量丰富、燃烧热值高及能量可转换性强等优势，是目前公认最理想的清洁能源，也是下一代能源革命的热点所在[1]。氢能按环境友好程度可以分为“绿氢”、“蓝氢”和“灰氢”。“绿氢”主要通过太阳能、风能等可再生能源产生的弃光弃风等多余电能通过电解水制取氢气，并在需要时通过燃料电池把化学能直接转换为电能，在此过程中不产生碳排放[2]。“蓝氢”、“灰氢”主要是通过天然气、煤炭等化石燃料制取，会产生一定的碳排放。我国在2020年联合国大会上明确提出，力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，因此发展“绿氢”建设符合当下政策及社会发展要求[3-5]。另外，我国内陆大规模集中式新能源的资源存量已经有限，这为分布式新能源的开发创造了有利条件。然而，分布式新能源的波动性和不均衡性使其消纳压力逐年提高。由于分布式新能源发电与氢能发电的项目规模匹配度高，二者的协同发展将解决能源发展与利用的综合问题[6-7]。对并网型分布式新能源配置氢气站的模式配置及能源消纳研究有利于建设电网友好型和环境友好型的新型能源体系。

1 并网型分布式新能源氢气站的配置模式

1.1 电-氢转化配置

目前具备应用价值的电解水制氢技术主要有碱液电解技术(AEC)、固体氧化物电解技术(SOEC)以及固体聚合物电解技术(SPE)三种。固体聚合物电解水技术中的质子交换膜(PEM)电解水技术具有电解效率高、产物纯度高、设备结构紧凑、清洁环保等特点,被广泛用于电力工程领域的应用研究[1]。目前PEM制氢方式与兆瓦级分布式新能源项目从规模和技术方面较为匹配。氢气站的制氢功率与产氢量的匹配可参考设备性能参数，亦可参考国内外项目经验。加拿大魁北克省PEM制氢项目制氢功率为20 MW，产氢量为5 000 Nm3/h。德国ENERTRAG项目制氢功率为600 kW，产氢量为120 Nm3/h。加拿大The Hydrogen Assisted Renewable Power(HARP)项目制氢功率320 kW，产氢量为60 Nm3/h。1 MW制氢功率匹配产氢量约180～250 Nm3/h。在制氢功率偏低时，设备损耗较大，产氢量可取较小值。

1.2 氢-电转化配置

氢能转化为电能依靠燃料电池，常规燃料电池有碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。在并网型分布式新能源氢气站的燃料电池型式选择上，推荐采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC燃料电池的电效率为40%～50%，功率密度为500～2 500 mW/cm2，功率范围为0.001～1 000 kW，工作温度在80 ℃以内。因此其设备维护周期寿命和稳定性较高。此类电池容易组装、管理维护简单，作为新的发展方向一直处于商业化的最前沿[2]。

1.3 综合能源控制管理模式

并网型分布式新能源氢气站的综合能源管控的核心在于新能源电能分配策略、氢电分配策略以及并网电能管理系统三者的综合管理控制。并网型分布式新能源发电通过新能源电能分配策略将调度弃电送至站内PEM制氢单元，将剩余电能转化为可储存的氢化学能，并在适当的时机通过氢燃料电池发电。站内制氢单元制出的氢气通过PEMFC燃料电池将氢化学能转化为电能，一部分通过并网电能管理系统联合新能源分配策略参与新能源与电网的峰谷调节和电能质量调节；另一部分由氢电分配策略，将氢能发电就地消纳。并网型分布式新能源与氢气站的配置形式如图1所示。

图1 并网型分布式新能源与氢气站的配置形式

2 联合电网的消纳

目前氢能产业链下游应用开发仍是行业瓶颈。因此对于制氢站来说，应用于调节新能源及电网的峰谷波动与电能质量是目前氢能产业初级阶段的一个重要利用。氢气作为一种储能形式，将对电网产生很多有利作用：

(1)改善风电与光伏等间歇性新能源发电的运行特性[3]；

(2)优化系统经济性，消纳弃风弃光，提高风能利用率；

(3)调节电网峰谷，降低主网备用容量；

(4)提高新能源的电能质量，提高机组电压穿越能力；

(5)提高系统抗干扰性和运行稳定性。

2.1 电氢联合调峰

2.1.1 新能源发电可信容量

发电可信容量[4]是衡量波动大的新能源发电并网对系统可靠性影响的一个重要指标。目前国际上推荐以带负荷能力(ELCC)作为新能源发电可信度的定义，即新能源发电在系统同一可靠性水平下的保证出力占新能源总装机容量的比例。

对于新能源发电可信容量的确定首先通过建模模拟电源出力，通过各种计算方法完成容量可信度的确定，包括基于可靠性评估的卷积法、蒙特卡洛法、序列运算及通用生成函数法等，并通过向不含风电的等效系统中添加虚拟机组容量，并反复订正(二分法或弦截法)确定，也可以通过Garver近似法、可靠性函数法等解析法[5]进行实际计算。目前国际上以基于风电时序出力的以及COPT的卷积法作为风电可信容量的推荐方法[6]。

2.1.2 新能源配置制氢容量

新能源电站内的氢气作为一种储存能量的媒介，要求其限制新能源弃风、弃光率，并向负载提供持续、稳定电力的作用。因其作用与电化学储能相似，故可借鉴电化学储能配置方式进行制氢容量的选择。根据近年来电网公司对储能容量的要求，一般推荐按照装机容量的10%～20%配置储能。因此，制氢功率可初步按装机容量的10%～20%配置，考虑氢电转化的能量损失，燃料电池的容量配置可提高到装机容量的15%～25%。

2.1.3 参与调峰的容量

新能源电站配置储能装置可以满足向负载提供持续、稳定电力的要求，并改善电源输出特性。PEM制氢系统的负载可控性强、响应速率快，可以利用控制策略实现稳定的负载调控，这就为其参与新能源和电网的调峰带来了有利条件。制氢系统可以参与新能源内部调峰，也可以联合电网进行区域电网的峰谷调节。

(1)参与新能源内部调峰

对于超出消纳范围的新能源发电部分，依靠制氢系统进行调节。新能源发电量超出并网要求时，需制氢系统吸收电能；在新能源发电功率不足时，需利用燃料电池发出电能。氢燃料电池发电功率如式(1)所示：

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

(1)

式中，PHS(t)为氢燃料电池发电功率；PRE(t)为分布式新能源出力容量；Pgrid(t)为电网负荷。

(2)联合参与电网调峰

对于联合参与电网的调峰，可通过站内并网电能管理系统和电网调度系统协同实现。电网调峰调度需要容量如式(2)所示：

PRE(t)·RCC(t)+PHS(t)=ΔPplr(t)

(2)

式中，PRE(t)为分布式新能源出力容量；RCC(t)为分布式新能源容量可信度；PHS(t)为氢燃料电池发电功率；ΔPplr(t)为电网调峰调度需要容量。

根据目前已有研究，对于我国东北某风电光伏新能源电站配置风光容量一比一互补时，其发电容量可信度可平衡在22%以上[7]。据此，风光互补分布式能源配置氢气站最大参与调峰的总容量有望超过总装机容量的30%，可以对区域电网调度响应作出一定的贡献。

2.2 电氢联合改善电能质量

当分布式新能源并网点电网侧的频率或电压偏差在合理范围内时分布式新能源应能正常运行[8]。装设在分布式新能源的氢气站对电能质量的主要用途在于参与调频并提高系统高低电压穿越能力。

分布式能源应耐受一定的系统频率异常的能力[9]。并网型分布式新能源氢气站监控系统与电力调度中心监控系统相互通信。电力调度中心监控系统采用自动发电控制(AGC)系统下达指令给并网电能管理系统，实时进行自动发电控制，以实现维持频率稳定的辅助二次调频功能。分布式新能源并网点稳态电压在标称电压的85%～110%时应能正常运行，宜具备一定的低电压穿越能力[9]和高电压穿越能力[10]。发电系统故障脱网可能会产生孤岛系统，非计划性孤岛系统会对工作人员及电气设备产生严重危害[11]。并网型分布式新能源氢气站利用氢燃料电池充当有功电源，可以改变站内有功与无功分配、调节并网点电压、改善高低电压穿越能力，同时减小电网侧线路安全自动装置动作误动造成的非计划孤岛。

3 热电联供消纳与站内用电消纳

3.1 热电联供消纳

氢-电转换过程中会产生热能的循环，工程可以利用分布式新能源氢气站在需求侧同时产生电力和热能的优势满足用户的热电需求，即热电联供(CHP)[12]。氢氧燃料电池的电热能量转化具有以下关系：

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

(3)

式中，QLCV为氢燃料低位热值；Ee为可利用电能；Ef·loss为燃料发电损失；Em·loss为辅机电能损失；Qh为可利用热能；Qd·loss为自然散热损失；Qex·loss为冷却换热损失。

以本文推荐的质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，PEMFC的发电损失与辅机电能损失约占电能损失的18%，自然散热与冷却换热损失约占热能损失的23%。总发电能占氢能热值的50%，总发热能占氢能热值的30%。PEMFC的热电联供综合能效可在75%～80%之间。PEMFC的运行方式可通过控制器件实现不同比例的动态电热输出，以满足不同时间周期的用户电热需求。

3.2 站用电消纳

发电侧的站用电系统应充分考虑发电设备起动、停运过程中的负荷需求，一般应配备可靠的起动备用电源，并允许与工作电源短时并列[13]。传统分布式新能源电站以柴油发电机或公共电网配电专线作为站内的起动备用电源。

柴油发电机在运行过程中会产生大量NOx与SO2气体、各种碳氢化合物及微粒，将造成人员健康受损，同时增加大气碳排放量。柴油发生火灾后，剩余燃料会滞留在附近不宜疏散，会造成二次起火的危险。相比之下，氢气在开放的大气中很容易快速逃逸，将2.25 m3的液氢倾泻在地面，仅1分钟就能扩散成为不爆炸的安全混合物，降低了续燃风险[14]。另外，氢焰的辐射率小，其火焰周围的温度并不高，对于电气设备及站内建构筑物的损害低于柴油燃烧。因此，氢气代替柴油作为站内可靠的应急保安电源具有技术合理性。

另一方面，PEMFC氢氧燃料电池发电具有启动迅速、比功率高及输出稳定的特点，适合用作站用电的备用电源。氢能燃料电池输出为直流端口，在站内设置可靠的储氢装置时，氢能燃料电池也可以替代蓄电池供给直流母线。分布式新能源氢气站的站用电系统如图2所示。

图2 分布式新能源氢气站站用电系统图

4 结束语

氢能作为一种可转换性强、低碳高能的能源形式，是今后重要的能源发展方向。并网型分布式新能源与氢气站的设备配置宜选用电能密度高、转化效率高、设备结构紧凑及清洁环保的PEM制氢技术和PEMFC氢氧燃料电池。并网型分布式新能源氢气站在电网层面的消纳，可利用多能互补形式参与电网调峰、调节电能质量；在用户侧层面的消纳，可联合热能进行热电联供；在站用电层面的消纳，可利用其输出稳定、转化效率高的优点，替代备用电源和蓄电池，参与全站的应急与保电。本文为分布式新能源多能互补的能源消纳途径提供了参考依据。