并網(wǎng)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?？睖y設(shè)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(zhuǎn)換性強等優(yōu)勢，是目前公認(rèn)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(huán)境友好程度可以分為“綠氫”、“藍(lán)氫”和“灰氫”?！熬G氫”主要通過太陽能、風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的棄光棄風(fēng)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(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，在此過程中不產(chǎn)生碳排放[2]?！八{(lán)氫”、“灰氫”主要是通過天然氣、煤炭等化石燃料制取，會產(chǎn)生一定的碳排放。我國在2020年聯(lián)合國大會上明確提出，力爭于2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和，因此發(fā)展“綠氫”建設(shè)符合當(dāng)下政策及社會發(fā)展要求[3-5]。另外，我國內(nèi)陸大規(guī)模集中式新能源的資源存量已經(jīng)有限，這為分布式新能源的開發(fā)創(chuàng)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(fā)電與氫能發(fā)電的項目規(guī)模匹配度高，二者的協(xié)同發(fā)展將解決能源發(fā)展與利用的綜合問題[6-7]。對并網(wǎng)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(shè)電網(wǎng)友好型和環(huán)境友好型的新型能源體系。

1 并網(wǎng)型分布式新能源氫氣站的配置模式

1.1 電-氫轉(zhuǎn)化配置

目前具備應(yīng)用價值的電解水制氫技術(shù)主要有堿液電解技術(shù)(AEC)、固體氧化物電解技術(shù)(SOEC)以及固體聚合物電解技術(shù)(SPE)三種。固體聚合物電解水技術(shù)中的質(zhì)子交換膜(PEM)電解水技術(shù)具有電解效率高、產(chǎn)物純度高、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、清潔環(huán)保等特點,被廣泛用于電力工程領(lǐng)域的應(yīng)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(guī)模和技術(shù)方面較為匹配。氫氣站的制氫功率與產(chǎn)氫量的匹配可參考設(shè)備性能參數(shù)，亦可參考國內(nèi)外項目經(jīng)驗。加拿大魁北克省PEM制氫項目制氫功率為20 MW，產(chǎn)氫量為5 000 Nm3/h。德國ENERTRAG項目制氫功率為600 kW，產(chǎn)氫量為120 Nm3/h。加拿大The Hydrogen Assisted Renewable Power(HARP)項目制氫功率320 kW，產(chǎn)氫量為60 Nm3/h。1 MW制氫功率匹配產(chǎn)氫量約180～250 Nm3/h。在制氫功率偏低時，設(shè)備損耗較大，產(chǎn)氫量可取較小值。

1.2 氫-電轉(zhuǎn)化配置

氫能轉(zhuǎn)化為電能依靠燃料電池，常規(guī)燃料電池有堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質(zhì)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(wǎng)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(zhì)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(nèi)。因此其設(shè)備維護周期壽命和穩(wěn)定性較高。此類電池容易組裝、管理維護簡單，作為新的發(fā)展方向一直處于商業(yè)化的最前沿[2]。

1.3 綜合能源控制管理模式

并網(wǎng)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(wǎng)電能管理系統(tǒng)三者的綜合管理控制。并網(wǎng)型分布式新能源發(fā)電通過新能源電能分配策略將調(diào)度棄電送至站內(nèi)PEM制氫單元，將剩余電能轉(zhuǎn)化為可儲存的氫化學(xué)能，并在適當(dāng)?shù)臅r機通過氫燃料電池發(fā)電。站內(nèi)制氫單元制出的氫氣通過PEMFC燃料電池將氫化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，一部分通過并網(wǎng)電能管理系統(tǒng)聯(lián)合新能源分配策略參與新能源與電網(wǎng)的峰谷調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)；另一部分由氫電分配策略，將氫能發(fā)電就地消納。并網(wǎng)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(wǎng)型分布式新能源與氫氣站的配置形式

2 聯(lián)合電網(wǎng)的消納

目前氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用開發(fā)仍是行業(yè)瓶頸。因此對于制氫站來說，應(yīng)用于調(diào)節(jié)新能源及電網(wǎng)的峰谷波動與電能質(zhì)量是目前氫能產(chǎn)業(yè)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(wǎng)產(chǎn)生很多有利作用：

(1)改善風(fēng)電與光伏等間歇性新能源發(fā)電的運行特性[3]；

(2)優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟性，消納棄風(fēng)棄光，提高風(fēng)能利用率；

(3)調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷，降低主網(wǎng)備用容量；

(4)提高新能源的電能質(zhì)量，提高機組電壓穿越能力；

(5)提高系統(tǒng)抗干擾性和運行穩(wěn)定性。

2.1 電氫聯(lián)合調(diào)峰

2.1.1 新能源發(fā)電可信容量

發(fā)電可信容量[4]是衡量波動大的新能源發(fā)電并網(wǎng)對系統(tǒng)可靠性影響的一個重要指標(biāo)。目前國際上推薦以帶負(fù)荷能力(ELCC)作為新能源發(fā)電可信度的定義，即新能源發(fā)電在系統(tǒng)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(fā)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(shù)法等，并通過向不含風(fēng)電的等效系統(tǒng)中添加虛擬機組容量，并反復(fù)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(shù)法等解析法[5]進(jìn)行實際計算。目前國際上以基于風(fēng)電時序出力的以及COPT的卷積法作為風(fēng)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(nèi)的氫氣作為一種儲存能量的媒介，要求其限制新能源棄風(fēng)、棄光率，并向負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定電力的作用。因其作用與電化學(xué)儲能相似，故可借鑒電化學(xué)儲能配置方式進(jìn)行制氫容量的選擇。根據(jù)近年來電網(wǎng)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(zhuǎn)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(diào)峰的容量

新能源電站配置儲能裝置可以滿足向負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定電力的要求，并改善電源輸出特性。PEM制氫系統(tǒng)的負(fù)載可控性強、響應(yīng)速率快，可以利用控制策略實現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)載調(diào)控，這就為其參與新能源和電網(wǎng)的調(diào)峰帶來了有利條件。制氫系統(tǒng)可以參與新能源內(nèi)部調(diào)峰，也可以聯(lián)合電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域電網(wǎng)的峰谷調(diào)節(jié)。

(1)參與新能源內(nèi)部調(diào)峰

對于超出消納范圍的新能源發(fā)電部分，依靠制氫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。新能源發(fā)電量超出并網(wǎng)要求時，需制氫系統(tǒng)吸收電能；在新能源發(fā)電功率不足時，需利用燃料電池發(fā)出電能。氫燃料電池發(fā)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(fā)電功率；PRE(t)為分布式新能源出力容量；Pgrid(t)為電網(wǎng)負(fù)荷。

(2)聯(lián)合參與電網(wǎng)調(diào)峰

對于聯(lián)合參與電網(wǎng)的調(diào)峰，可通過站內(nèi)并網(wǎng)電能管理系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)協(xié)同實現(xiàn)。電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)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(fā)電功率；ΔPplr(t)為電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度需要容量。

根據(jù)目前已有研究，對于我國東北某風(fēng)電光伏新能源電站配置風(fēng)光容量一比一互補時，其發(fā)電容量可信度可平衡在22%以上[7]。據(jù)此，風(fēng)光互補分布式能源配置氫氣站最大參與調(diào)峰的總?cè)萘坑型^總裝機容量的30%，可以對區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度響應(yīng)作出一定的貢獻(xiàn)。

2.2 電氫聯(lián)合改善電能質(zhì)量

當(dāng)分布式新能源并網(wǎng)點電網(wǎng)側(cè)的頻率或電壓偏差在合理范圍內(nèi)時分布式新能源應(yīng)能正常運行[8]。裝設(shè)在分布式新能源的氫氣站對電能質(zhì)量的主要用途在于參與調(diào)頻并提高系統(tǒng)高低電壓穿越能力。

分布式能源應(yīng)耐受一定的系統(tǒng)頻率異常的能力[9]。并網(wǎng)型分布式新能源氫氣站監(jiān)控系統(tǒng)與電力調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)相互通信。電力調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)采用自動發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)下達(dá)指令給并網(wǎng)電能管理系統(tǒng)，實時進(jìn)行自動發(fā)電控制，以實現(xiàn)維持頻率穩(wěn)定的輔助二次調(diào)頻功能。分布式新能源并網(wǎng)點穩(wěn)態(tài)電壓在標(biāo)稱電壓的85%～110%時應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)故障脫網(wǎng)可能會產(chǎn)生孤島系統(tǒng)，非計劃性孤島系統(tǒng)會對工作人員及電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重危害[11]。并網(wǎng)型分布式新能源氫氣站利用氫燃料電池充當(dāng)有功電源，可以改變站內(nèi)有功與無功分配、調(diào)節(jié)并網(wǎng)點電壓、改善高低電壓穿越能力，同時減小電網(wǎng)側(cè)線路安全自動裝置動作誤動造成的非計劃孤島。

3 熱電聯(lián)供消納與站內(nèi)用電消納

3.1 熱電聯(lián)供消納

氫-電轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生熱能的循環(huán)，工程可以利用分布式新能源氫氣站在需求側(cè)同時產(chǎn)生電力和熱能的優(yōu)勢滿足用戶的熱電需求，即熱電聯(lián)供(CHP)[12]。氫氧燃料電池的電熱能量轉(zhuǎn)化具有以下關(guān)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(fā)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(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，PEMFC的發(fā)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%?？偘l(fā)電能占?xì)淠軣嶂档?0%，總發(fā)熱能占?xì)淠軣嶂档?0%。PEMFC的熱電聯(lián)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(xiàn)不同比例的動態(tài)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(fā)電側(cè)的站用電系統(tǒng)應(yīng)充分考慮發(fā)電設(shè)備起動、停運過程中的負(fù)荷需求，一般應(yīng)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(tǒng)分布式新能源電站以柴油發(fā)電機或公共電網(wǎng)配電專線作為站內(nèi)的起動備用電源。

柴油發(fā)電機在運行過程中會產(chǎn)生大量NOx與SO2氣體、各種碳?xì)浠衔锛拔⒘?，將造成人員健康受損，同時增加大氣碳排放量。柴油發(fā)生火災(zāi)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(xù)燃風(fēng)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(shè)備及站內(nèi)建構(gòu)筑物的損害低于柴油燃燒。因此，氫氣代替柴油作為站內(nèi)可靠的應(yīng)急保安電源具有技術(shù)合理性。

另一方面，PEMFC氫氧燃料電池發(fā)電具有啟動迅速、比功率高及輸出穩(wěn)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(nèi)設(shè)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(tǒng)如圖2所示。

圖2 分布式新能源氫氣站站用電系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語

氫能作為一種可轉(zhuǎn)換性強、低碳高能的能源形式，是今后重要的能源發(fā)展方向。并網(wǎng)型分布式新能源與氫氣站的設(shè)備配置宜選用電能密度高、轉(zhuǎn)化效率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊及清潔環(huán)保的PEM制氫技術(shù)和PEMFC氫氧燃料電池。并網(wǎng)型分布式新能源氫氣站在電網(wǎng)層面的消納，可利用多能互補形式參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)節(jié)電能質(zhì)量；在用戶側(cè)層面的消納，可聯(lián)合熱能進(jìn)行熱電聯(lián)供；在站用電層面的消納，可利用其輸出穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點，替代備用電源和蓄電池，參與全站的應(yīng)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(jù)。