棄風(fēng)電與制氫聯(lián)合運(yùn)行機(jī)組容量匹配性研究—基于吉林省長(zhǎng)嶺龍鳳湖風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目

當(dāng)前在一些存在限電的區(qū)域（如吉林、新疆等），送出及地方消納短期內(nèi)很難有大的改善，以氫為介質(zhì)，把棄風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫氣，實(shí)現(xiàn)再利用，是當(dāng)前解決和利用棄風(fēng)電的一種新運(yùn)行模式、也是風(fēng)電等新能源實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的一種新方向。從技術(shù)層面上如何更好地跟蹤風(fēng)電波動(dòng)性和間歇性、實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與制氫機(jī)組容量最優(yōu)配置尤為重要。本文依托吉林省長(zhǎng)嶺龍鳳湖風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目，對(duì)從宏觀(guān)限電比例下實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)電量利用和微觀(guān)分析風(fēng)電機(jī)組與電解槽功率匹配兩方面進(jìn)行深入剖析，精準(zhǔn)鎖定風(fēng)電場(chǎng)容量和制氫站規(guī)模，在不考慮使用大批量昂貴儲(chǔ)能設(shè)備情況下，保障風(fēng)電與制氫聯(lián)合運(yùn)行生產(chǎn)的安全與穩(wěn)定。

研究方法

一、數(shù)據(jù)資料

棄風(fēng)電量測(cè)算數(shù)據(jù)依據(jù)的是示范項(xiàng)目周邊已運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)GW87/1500永磁機(jī)組2012年1月1日－2012年12月31日整年的每十分鐘運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括平均風(fēng)速、實(shí)際平均出力等?？紤]到已運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)所用機(jī)型與示范項(xiàng)目相同且都屬于平原風(fēng)電場(chǎng)，所在區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境邊界條件類(lèi)似，因此所選的分析數(shù)據(jù)從技術(shù)角度具備代表性，所計(jì)算出的結(jié)果對(duì)未來(lái)的風(fēng)電場(chǎng)具有很大的參考價(jià)值。

由于通信故障以及其他原因，參考風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組一年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)大約只有48000點(diǎn)，即約335天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，大約缺失30天的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組功率曲線(xiàn)采用GW87/1500機(jī)型經(jīng)認(rèn)證過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的動(dòng)態(tài)功率曲線(xiàn)。

風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)通過(guò)測(cè)風(fēng)塔測(cè)得2012年完整年十分鐘數(shù)據(jù)（NRG數(shù)據(jù)格式、傳感器NRG官網(wǎng)標(biāo)定）。

二、 分析思路

完整意義上的風(fēng)電場(chǎng)與制氫站機(jī)組容量最優(yōu)匹配應(yīng)該從四個(gè)維度進(jìn)行剖析，首先綜合考慮市場(chǎng)現(xiàn)有的各種電解制氫設(shè)備類(lèi)型、氫氣終端的市場(chǎng)應(yīng)用需求及氫氣允許的摻混比例；其次從宏觀(guān)的限電比例情況下實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)電量利用；第三微觀(guān)分析電解槽功率與風(fēng)電機(jī)組功率匹配性以保證安全穩(wěn)定運(yùn)行；最后從經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)角度對(duì)方案進(jìn)行測(cè)算以保證項(xiàng)目收益率。其中對(duì)于市場(chǎng)消納預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)部分，此處不再詳細(xì)介紹。本文主要介紹技術(shù)層面部分，從對(duì)宏觀(guān)的限電比例情況下棄風(fēng)電量利用和微觀(guān)分析電解槽功率與風(fēng)電機(jī)組功率匹配性的研究，分析探討一種風(fēng)電與制氫聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制下機(jī)組匹配技術(shù)。

棄風(fēng)電量數(shù)據(jù)分析

一、 棄風(fēng)電量數(shù)據(jù)處理

當(dāng)風(fēng)速為V 時(shí)，第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的理論功率為：

由于通信故障等原因，風(fēng)電場(chǎng)的每臺(tái)機(jī)組全年均缺失30天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為了更加準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)和分析風(fēng)電場(chǎng)的限電數(shù)據(jù)，我們需要對(duì)所有丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全。具體的方法是：利用Matlab的隨機(jī)取樣函數(shù)從已有的數(shù)據(jù)庫(kù)中采集缺失天數(shù)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)全，獲取每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組一年完整的每十分鐘實(shí)時(shí)風(fēng)速和并網(wǎng)風(fēng)電功率。

二、棄風(fēng)電量結(jié)果分析

通過(guò)限電數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出參考風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)存在限電的時(shí)間總計(jì)為8700小時(shí)，一年總的限電電量大約為42294402kWh（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組），計(jì)算出吉林長(zhǎng)嶺縣參考風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)比例達(dá)到32%左右。

從圖1－圖2的分析結(jié)果和表1中的數(shù)據(jù)來(lái)看，參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）每月均存在棄風(fēng)，其中限電嚴(yán)重的月份主要是1—5月份和11—12月份，限電較少的月份為6—10月，2月和3月均為限電最嚴(yán)重的月份，6月和7月均為限電最少的月份。從表1可以看出，參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）2月份和3月份的平均限電功率分別為10763kW和14677kW，6月份和7月份的平均限電功率分別為1158kW和1138kW。

另外，參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）限電最嚴(yán)重和限電最少的季度為第1季度和第3季度。第1季度和第3季度的平均限電功率分別為9727kW和1464kW。全年的平均限電功率為4868kW 。

圖1 長(zhǎng)嶺參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）全年每十分鐘的平均限電功率

圖2 長(zhǎng)嶺參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）全年的每月及每個(gè)季度的平均限電功率

表1 參考風(fēng)電場(chǎng)（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組）每月的平均限電功率

棄風(fēng)電量與制氫容量匹配分析

基于僅以棄風(fēng)電量而不用網(wǎng)電進(jìn)行電解制氫的原則，綜合考慮市場(chǎng)現(xiàn)有的各種電解制氫設(shè)備類(lèi)型、氫氣終端的市場(chǎng)應(yīng)用需求，以及氫氣允許的摻混比例，從宏觀(guān)的限電比例情況下棄風(fēng)電量利用到微觀(guān)分析電解槽功率與風(fēng)電機(jī)組功率匹配性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與電解設(shè)備容量匹配。

一、 宏觀(guān)的限電比例下棄風(fēng)電量利用

根據(jù)上述風(fēng)電場(chǎng)的限電數(shù)據(jù)分析結(jié)果及限電規(guī)律，以及電解制氫設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)有的產(chǎn)品容量及類(lèi)型，并結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃以及終端氫氣的應(yīng)用需求，從宏觀(guān)的限電比例下棄風(fēng)電量利用角度進(jìn)行分析。

表2 1.5MW機(jī)組在兩種電解槽設(shè)置方案下滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行測(cè)算表

表3 10分鐘數(shù)據(jù)在有效風(fēng)速區(qū)間（3～22m/s）內(nèi)出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，長(zhǎng)嶺風(fēng)電場(chǎng)初步按照年利用小時(shí)數(shù)1800標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)、風(fēng)資源評(píng)估理論利用小時(shí)數(shù)2649標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)測(cè)算，限電為849標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)、限電率為32%，一年總的限電電量大約為42294402kWh（33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組），且棄風(fēng)率80%集中在冬季。

按照制氫站（一臺(tái)300 Nm3/h）每天3000m3氫氣直銷(xiāo)和600m3氫氣摻混、只考慮11月—次年5月運(yùn)行，以210天測(cè)算，需消納棄風(fēng)電量378萬(wàn)千瓦時(shí)。反推風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模約0.56萬(wàn)千瓦，依據(jù)冬季時(shí)段棄風(fēng)比例推算棄風(fēng)電量，推導(dǎo)4臺(tái)1.5MW機(jī)組能夠支撐。

此外，本研究仍有不足之處：(1)本研究納入標(biāo)本量較少，因此指標(biāo)的診斷價(jià)值仍需大樣本、多中心的臨床研究進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。(2)本研究中IGF-1聯(lián)合CEA對(duì)女性的診斷價(jià)值不高，文中沒(méi)有列出。(3)本研究基于血清循環(huán)IGF-1和CEA 2個(gè)指標(biāo)對(duì)于CRC的診斷價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，僅作為一種臨床上的輔助篩查方法。

按照制氫站（一臺(tái)300 Nm3/h和一臺(tái)600Nm3/h）每天10000m3氫氣直銷(xiāo)和2000m3氫氣摻混、只考慮11月—次年5月運(yùn)行，以210天測(cè)算，需消納棄風(fēng)電量1260萬(wàn)千瓦時(shí)。反推風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模約1.89萬(wàn)千瓦，依據(jù)冬季時(shí)段棄風(fēng)比例推算棄風(fēng)電量，推導(dǎo)13臺(tái)1.5MW機(jī)組能夠支撐。

以上分析，僅從宏觀(guān)的棄風(fēng)電量消納上進(jìn)行測(cè)算，風(fēng)電場(chǎng)4臺(tái)1.5MW機(jī)組搭配一臺(tái)300 Nm3/h電解槽、13臺(tái)1.5MW機(jī)組搭配一臺(tái)300 Nm3/h和一臺(tái)600Nm3/h電解槽，按照限電比例32%測(cè)算限電量是完全滿(mǎn)足制氫需求的；但是以上只是宏觀(guān)限電量上的匹配，并沒(méi)有考慮實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)電波動(dòng)性和間歇性問(wèn)題，如果按此方式保證機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須配置大量的儲(chǔ)能裝置，不具備經(jīng)濟(jì)性，不建議采納此種方法進(jìn)行機(jī)組配置。

二、 微觀(guān)分析電解槽功率與風(fēng)電機(jī)組功率匹配性

一臺(tái)300 Nm3/h電解槽功率加上其他附屬設(shè)備的功率約2.0MW，一臺(tái)600 Nm3/h電解槽功率加上其他附屬設(shè)備功率約3.5MW，統(tǒng)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)（11月—次年5月時(shí)段）的平均風(fēng)速為6.5m/s，對(duì)應(yīng)的1.5MW機(jī)組的功率447kW，即約0.45MW；依據(jù)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)測(cè)算各風(fēng)速出現(xiàn)頻率，結(jié)合各風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)電機(jī)組功率，反推風(fēng)電場(chǎng)的匹配容量。

在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度、動(dòng)態(tài)功率曲線(xiàn)下，按照切入風(fēng)速3m/s、切出風(fēng)速22m/s風(fēng)速區(qū)間進(jìn)行推算，分析使用GW87/1500機(jī)型，滿(mǎn)足一臺(tái)300Nm3/h電解槽及滿(mǎn)足一臺(tái)300Nm3/h與一臺(tái)600Nm3/h電解槽滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行所需機(jī)組數(shù)量測(cè)算如表2所示。

分析風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔完整年實(shí)測(cè)10分鐘數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)11月至次年5月時(shí)段10分鐘數(shù)據(jù)在有效風(fēng)速區(qū)間（3～22m/s）內(nèi)出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

綜合以上兩維度分析，在11月至次年5月時(shí)段，在有效風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，4m/s以上風(fēng)速出現(xiàn)的概率超過(guò)90%，風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速6.5m/s以上出現(xiàn)的頻率超過(guò)60%，同時(shí)在4m/s風(fēng)速下，保證電解槽滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行所對(duì)應(yīng)風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)為57臺(tái)，考慮到電解槽在30%～110%范圍內(nèi)可調(diào)，也就是說(shuō)一臺(tái)300Nm3/h電解槽，以滿(mǎn)發(fā)功率2MW進(jìn)行測(cè)算，可調(diào)功率在0.6～2.2MW區(qū)間可保證生產(chǎn)。電解槽的這種特性，也在一定程度上可以跟蹤風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性，因此，在機(jī)組臺(tái)數(shù)一定情況下，在相對(duì)較低的風(fēng)速下電解槽也具備一定的適應(yīng)性。

通過(guò)測(cè)算，建議把控制設(shè)計(jì)閥值鎖定在5m/s以上，即一臺(tái)300Nm3/h電解槽至少配置10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、一臺(tái)300Nm3/h和一臺(tái)600Nm3/h電解槽至少配置28臺(tái)風(fēng)電機(jī)組；結(jié)合電解槽功率可調(diào)性(30%～110%)逆向反推，在至少10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、4m/s風(fēng)速下可支持一臺(tái)300Nm3/h運(yùn)行，在至少28臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、4m/s風(fēng)速下可支持一臺(tái)300Nm3/h和一臺(tái)600Nm3/h電解槽運(yùn)行；從風(fēng)速捕捉概率上講，閥值鎖定在5m/s可以捕捉到4m/s風(fēng)速以上，即90%的風(fēng)資源能力。

對(duì)比從宏觀(guān)限電比例下的棄風(fēng)電量利用與微觀(guān)分析電解槽和風(fēng)電機(jī)組功率匹配性?xún)煞N方式，第二種方式（功率匹配）得出的匹配臺(tái)數(shù)（至少10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)一臺(tái)300Nm3/h電解槽設(shè)備）包括了第一種方式（限電比例）所測(cè)算的結(jié)果（4臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)一臺(tái)300Nm3/h電解槽設(shè)備），因此應(yīng)選用第二種方式進(jìn)行容量的匹配。

攝影：潘泱

結(jié)論

本文基于以棄風(fēng)電量而不用網(wǎng)電進(jìn)行電解制氫原則，依據(jù)限電數(shù)據(jù)分析棄風(fēng)電量分鐘、月度、季度分布情況，對(duì)從宏觀(guān)限電比例下棄風(fēng)電量利用和微觀(guān)分析風(fēng)電機(jī)組與電解槽功率匹配進(jìn)行深入剖析，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)與電解設(shè)備的容量匹配。得到的主要結(jié)論如下：

（1）捕捉風(fēng)速出現(xiàn)的大概率、在不使用大量昂貴的儲(chǔ)能設(shè)備情況下，最大化利用風(fēng)資源及減小風(fēng)電波動(dòng)性與間歇性對(duì)電解槽的沖擊，得出至少10臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組配置一臺(tái)300Nm3/h電解槽，至少28臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組配置一臺(tái)300Nm3/h和一臺(tái)600Nm3/h電解槽。

（2）本研究只是利用實(shí)際運(yùn)行10分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并沒(méi)有過(guò)多考慮暫態(tài)狀態(tài)下波動(dòng)性的影響，從理論規(guī)律上講風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)配置越多，電解槽跟蹤適應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)性和間歇性能力會(huì)越強(qiáng)，運(yùn)行系統(tǒng)會(huì)越穩(wěn)定。

（3）本研究只是在現(xiàn)有的限電數(shù)據(jù)上展開(kāi)分析，重點(diǎn)是對(duì)風(fēng)電與制氫聯(lián)合運(yùn)行機(jī)制下機(jī)組匹配技術(shù)的一種深入剖析與探索，這對(duì)后期指導(dǎo)風(fēng)電與制氫聯(lián)合運(yùn)行項(xiàng)目的機(jī)組選型、容量配置具有深刻的指導(dǎo)意義。