淺析分布式光伏發(fā)電氫儲能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

王春媚，李云梅

(天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

作為可再生能源大規(guī)模發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)的儲能起著至關(guān)重要的作用。儲能系統(tǒng)如何建設(shè)、使用，在一定程度上影響著電力結(jié)構(gòu)調(diào)整進度。近年來，分布式光伏發(fā)展勢頭迅猛，裝機量迅速攀升，推動分布式光伏和分散式儲能相結(jié)合，“散”可在用戶端構(gòu)建小型微電網(wǎng)，成為大電網(wǎng)的有效補充；“聚”可成虛擬電廠，通過綜合調(diào)度、控制管理，使電力系統(tǒng)更富有彈性和靈活性。同時，分布式光伏和儲能相結(jié)合，在用戶側(cè)可以發(fā)揮保電、降低用能成本、降碳減排等功能，進而疏導(dǎo)儲能成本，促進儲能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

國家能源局的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年全國光伏發(fā)電新增并網(wǎng)容量達5488萬千瓦，同比增長88.39%，在新增電源裝機中的占比提升至55%。其中，集中式光伏新增并網(wǎng)容量達2560萬千瓦，分布式光伏新增并網(wǎng)容量達2927.9萬千瓦。至此，國內(nèi)分布式光伏累計裝機量達1.08億千瓦，占光伏并網(wǎng)裝機容量的1/3。

儲能系統(tǒng)作為儲存電能的有效方式，大體分為電磁儲能、機械儲能、相變儲能以及化學(xué)儲能四大類。電磁儲能包括超導(dǎo)儲能、超級電容儲能等。機械儲能如抽水儲能被廣泛應(yīng)用，飛輪儲能作為一種新型的機械儲能方式，現(xiàn)仍然處于研究和示范階段。熱力儲能則通過材料相變儲存或釋放能量，目前相關(guān)研究處于實驗室階段，尚未進行實際應(yīng)用。而化學(xué)儲能中典型運用就是蓄電池儲能。

目前較常用的儲能方式為電化學(xué)儲能，包括鉛酸蓄電池(組)，鋰電池(組)等。電化學(xué)儲能造價昂貴，以其中使用壽命較短的鉛酸電池為例，一般情況下保持性能使用的年限約3-5年。且報廢后的電化學(xué)儲能裝置，幾乎無法做到完全無害化的回收利用，且需要耗費大量人力物力。在當(dāng)今節(jié)能減排和碳中和的大環(huán)境下，這似乎并不是一種特別理想的應(yīng)用方式。

地球上的“水”蘊含了大量的氫元素。氫能被譽為未來不可或缺的超級能源，采用光伏制氫是促進可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。我們可以通過某種特殊的方法，用光伏發(fā)電產(chǎn)生的富余電能來電解水產(chǎn)生氫氣，再把氫氣儲存起來，需要時，讓氫氣和氧氣產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。這也構(gòu)成了廣義上的，光伏發(fā)電——儲能(儲氫)——發(fā)電，具備完善功能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。氫燃料電池將氫氣和氧氣經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)之后只生成水和熱，整個過程中做到了零污染排放，其關(guān)鍵在于僅消耗空氣中的氧氣和儲備的氫氣，而氫氣的來源又是通過光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能電解水產(chǎn)生的。所以從整個過程中來看真正做到資源的循環(huán)利用。而氫燃料電池轉(zhuǎn)換效率又足夠的高，反應(yīng)生成物為純凈的水，對環(huán)境相當(dāng)友好，這一系列優(yōu)點，使氫儲能有了取代傳統(tǒng)電化學(xué)儲能的潛力。

一、分布式光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的常見種類

分布式光伏一般指的是總功率在數(shù)千瓦級，規(guī)模不大，獨立運作的光伏發(fā)電系統(tǒng)，運行方式為用戶側(cè)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)以及全額并網(wǎng)等。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)倡導(dǎo)的是就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換以及就近使用的原則。正是由于這種相對小規(guī)模和獨立的屬性，該種系統(tǒng)常以含儲能的并網(wǎng)或離網(wǎng)形式出現(xiàn)，即：光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)過電力電子器件的DC/AC轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)或經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后儲存至儲能系統(tǒng)中。儲能系統(tǒng)是其中重要的一環(huán)，很大程度決定了分布式光伏電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性和輸出效能。

如果對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效能有更高的要求，就需要使系統(tǒng)同時具備連接電網(wǎng)和儲能的能力。對于包含儲能的分布式光伏系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)可分為以下幾種：

(一)分布式光伏并網(wǎng)后備儲能系統(tǒng)

該結(jié)構(gòu)中，光伏組件產(chǎn)生的電能可經(jīng)DC/AC逆變饋入電網(wǎng)，同時可經(jīng)DC/DC儲存至儲能電池。

分布式光伏發(fā)電分為全部自用、自發(fā)自用余電上網(wǎng)和全額并網(wǎng)三種模式，其三種模式經(jīng)過用戶自主調(diào)控，可實現(xiàn)能源的最大化利用。由于光伏發(fā)電受輻照量的影響導(dǎo)致發(fā)電量不平穩(wěn)。提升輻照量的方式有使用單軸或雙軸支架以及使用光伏組件逐日系統(tǒng)等。但是在無光環(huán)境下還是會導(dǎo)致發(fā)電停滯。所以在輻照量充足的情況下將多余電能儲存，在輻照量不足的情況下釋放電能以穩(wěn)定電網(wǎng)。而在三種模式中全部自用和余電上網(wǎng)都涉及儲能這個關(guān)鍵步驟。

光伏組件產(chǎn)生的電能可同時向電網(wǎng)和饋能，也可經(jīng)調(diào)控后按照既定策略選擇饋能路徑。電能供給負載時，可優(yōu)先選用電網(wǎng)能量驅(qū)動負載，儲能可在需要時，經(jīng)過機械開關(guān)，或電力電子開關(guān)快速切換電能供給方式。

(二)分布式光伏并網(wǎng)在線儲能系統(tǒng)

該結(jié)構(gòu)中，光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)DC/DC全部儲存至儲能電池中。儲能再經(jīng)DC/AC并入電網(wǎng)。一旦電網(wǎng)斷電(同時PCC點應(yīng)與儲能逆變系統(tǒng)斷開)，儲能逆變系統(tǒng)可以無縫接入，供給負載電能，該過程平穩(wěn)高效不會對負載產(chǎn)生任何影響。

對于分布式光伏并網(wǎng)后備儲能系統(tǒng)、分布式光伏并網(wǎng)在線儲能系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)的分布式光伏儲能系統(tǒng)工作時，有一部分電能并入電網(wǎng)，如使用雙向變流作為調(diào)控的核心裝置，電網(wǎng)也可以將能量反饋入儲能系統(tǒng)，這屬于典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不在本文討論之列。

(三)分布式光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，光伏組件經(jīng)DC/DC將電能儲存至儲能電池中，需要時經(jīng)過DC/AC離網(wǎng)逆變供負載使用。儲能、逆變?nèi)^程與電網(wǎng)脫離。該系統(tǒng)要科學(xué)的設(shè)計與規(guī)劃，保證光伏組件、儲能系統(tǒng)、負載之間的合理匹配。

圖1 分布式光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)

二、分布式光伏氫儲能系統(tǒng)

所謂分布式光伏氫儲能系統(tǒng)，是指把光伏組件的電能用于電解水產(chǎn)生氫氣并儲存。需要電能時，氫氣經(jīng)氧燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能并輸出的一種結(jié)構(gòu)。故一個具備功能的系統(tǒng)，應(yīng)包括五個主要的部分：分布式光伏組件系統(tǒng)、電解水產(chǎn)氫系統(tǒng)、氫氣儲存和穩(wěn)定系統(tǒng)、氫氧燃料電池系統(tǒng)、控制監(jiān)測系統(tǒng)。

(一)分布式光伏直流母線式電解儲氫系統(tǒng)

光伏直驅(qū)電解儲氫系統(tǒng)，是將光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)DC/DC調(diào)控后直接驅(qū)動電解水系統(tǒng)產(chǎn)氫并儲能的過程，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，運行時電能利用率高。但該系統(tǒng)受環(huán)境影響較大：當(dāng)光照強度較強時，系統(tǒng)可正常工作，一旦光照強度較弱，光伏組件將無有效的電能輸出，電解水和儲氫裝置會立刻停止工作，導(dǎo)致氫氧燃料電池和負載也不能穩(wěn)定工作。

圖2中所示電解水裝置和儲氫裝置可以多路并聯(lián)，管理系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)DC/DC輸出功率選擇一路或多路電解儲氫裝置(系統(tǒng))的接入，用以調(diào)節(jié)光伏功率，可使系統(tǒng)運行更加合理和高效。

圖2 分布式光伏直驅(qū)電解儲氫系統(tǒng)

(二)分布式光伏交流母線式電解儲氫系統(tǒng)

分布式光伏逆變電解儲氫系統(tǒng)是把光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)DC/DC穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓，再經(jīng)DC/AC逆變成交流電，此交流供電系統(tǒng)可以供給控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)等，使系統(tǒng)的搭建更加遵循一般電氣標(biāo)準，大大增強系統(tǒng)的兼容性，降低系統(tǒng)搭建和運行成本。

再經(jīng)AC/DC供給電解系統(tǒng)，圖中所示電解水裝置和儲氫裝置可以多路并聯(lián)，管理系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)AC/DC輸出功率，選擇一路或多路電解儲氫裝置(系統(tǒng))的接入，用以調(diào)節(jié)光伏功率，可使系統(tǒng)運行更加合理和高效。

圖3 分布式光伏逆變電解儲氫系統(tǒng)

(三)分布式光伏并網(wǎng)式電解儲氫系統(tǒng)

分布式光伏并網(wǎng)式電解儲氫系統(tǒng)是把光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)DC/DC穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓，再經(jīng)DC/AC逆變成交流電，此交流供電系統(tǒng)可以供給控制系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)等，使系統(tǒng)的搭建更加遵循一般電氣標(biāo)準，大大增強系統(tǒng)的兼容性，降低系統(tǒng)搭建和運行成本。

再經(jīng)AC/DC供給電解系統(tǒng)，圖中所示電解水裝置和儲氫裝置可以多路并聯(lián)，管理系統(tǒng)可根據(jù)系統(tǒng)AC/DC輸出功率，選擇一路或多路電解儲氫裝置(系統(tǒng))的接入，用以調(diào)節(jié)光伏功率，可使系統(tǒng)運行更加合理和高效。用以調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷電，可使系統(tǒng)運行更加合理和高效。

圖4 分布式光伏并網(wǎng)式電解儲氫系統(tǒng)

三、搭建一個分布式光伏電解儲氫系統(tǒng)

本部分將按照“分布式光伏交流母線式電解儲氫系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)搭建一個分布式光伏電解儲氫系統(tǒng)。以下將給出該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)并對氫氧燃料電池的輸出參數(shù)進行測試。

(一)系統(tǒng)的硬件組成及參數(shù)

1.分布式光伏組件(單體組件)

輸出功率：470W；開路電壓：52.14V；工作電壓：43.28V；短路電流：11.68A；工作電流：10.86A。

2.DC/DC控制器

額定系統(tǒng)電壓：220V；空載損耗：≤1.2W；光伏最大輸入電壓：不低于 300V；最大充電電流：不低于 30A；轉(zhuǎn)換效率：≤98%；MPPT 追蹤效率：>99%；具有保護功能： 接反保護，欠壓保護，過壓保護，過充保護，過載保護，短路保護，反充保護等。

3.穩(wěn)壓及DC/AC系統(tǒng)

穩(wěn)壓電池類型：鉛酸免維護；電池容量：12V80AH； DC/AC 裝置：額定輸出容量：2000VA；額定輸入電壓：DC220V；額定輸出電壓：AC220V/50HZ，純正弦波；波形畸變率：≦4%；動態(tài)響應(yīng)：5%；功率因素：≧0.8；DC/AC 結(jié)構(gòu)：工頻隔離。

4.自動電解水系統(tǒng)

采用10組自動電解水系統(tǒng)，每組參數(shù)為：輸入220V/50Hz，120W；氫氣發(fā)生器采用去離子水(即純水)電解，流量可控；氫氣純度：不低于99.99%；輸出流量：不低于0.5l/min；輸出壓力：≤1.25MPa；最大功率達160W。

5.并聯(lián)式氫緩沖及穩(wěn)定系統(tǒng)

儲氫罐：采用奧氏體不銹鋼材料，耐壓不低于1.25MPa，使用壽命不低于10年，可緩沖、穩(wěn)定氫氣流量；配置精密壓力表，精密壓力傳感器，modbusRTU/RS485或模擬量4-20mA輸出。

具有獨特的氫儲能安全管理系統(tǒng)：可實現(xiàn)自動監(jiān)測管理氫氣壓力，氫氣輸出，氫氣關(guān)斷等，增強氫氣使用的安全性和提高氫氣使用的效率。

6.氫氧燃料電池堆

采用10組電堆輸出串聯(lián)，單體電堆額定輸出：100W，14V/7.2A；單電池數(shù)：24片；反應(yīng)物質(zhì)：氫氣、空氣；供氫品質(zhì)：干燥，純度99.99%；供氫額定壓力：5.8-6.5psi；供氫額定流量：滿負荷運轉(zhuǎn)時1.4L/min；起動時間：<30S；輸出電壓：DC13-23V；增濕類型：自增濕；冷卻類型：空冷；環(huán)境溫度：5-35℃；電堆工作溫度：<65℃。

7.自動控制及監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境檢測傳感器：溫度檢測范圍：-40℃～85℃；溫度檢測精度：±0.5℃；濕度檢測范圍：0-99.9%RH；濕度檢測精度：±3%RH；氫氣濃度檢測范圍 0-40000PPM：傳感器供電：DC24V；傳感器通訊接口：隔離 RS485 或模擬量輸出。

人機界面尺寸：7″；屏幕類型：TFT液晶顯示屏；分辨率：800×480；內(nèi)存：128M；串行接口：RS232/RS485；供電電壓：24±20%VDC；自動控制系統(tǒng)：主控模塊：AC220V/50HZ輸入；14 數(shù)字量輸入，10 數(shù)量輸出；支持TCP/IP標(biāo)準通信方式，可實現(xiàn)高速運算和復(fù)雜邏輯控制。

(二)氫氧燃料電池的輸出測試

1.單體100W測試條件

氫氣純度：不低于99.99%供氫壓力：0.05MPa

供氫流量：不低于1.5L/min測試環(huán)境溫度：25℃

燃料電池類型：自增濕、空冷型

負載類型：500W/0-2KΩ連續(xù)可調(diào)電阻

2.單體100W測試數(shù)據(jù)

表1 氫氧燃料電池輸出單體100W測試數(shù)據(jù)

四、結(jié)論

分布式光伏發(fā)電一般指的是總功率在數(shù)千瓦級，規(guī)模不大，獨立運作的光伏發(fā)電系統(tǒng)。正是由于這種相對小規(guī)模和獨立的屬性，該種系統(tǒng)常以含儲能的并網(wǎng)或離網(wǎng)形式出現(xiàn)，即：光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)過電力電子器件的DC/AC轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)或經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后儲存至儲能系統(tǒng)中。儲能系統(tǒng)是其中重要的一各部分，很大程度決定了分布式光伏電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性和輸出效能。而在氫能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，氫燃料電池的使用起到了至關(guān)重要的作用。其優(yōu)點有反應(yīng)過程中零污染排放、體積可做大做小靈活多變、工作過程中幾乎沒有噪音、連續(xù)大功率供電和結(jié)構(gòu)簡單故障率低等。

相比傳統(tǒng)能源，氫能源環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展，電化學(xué)反應(yīng)后只產(chǎn)生水，具有零污染、高效率、適合遠距離輸送的特點。氫能源可以實現(xiàn)氣、液、固三態(tài)存儲，存儲過程自耗少、能量密度高、生產(chǎn)方式多樣。為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標(biāo)，我國電力行業(yè)的減碳壓力不容小覷，同時也孕育著新的機遇和挑戰(zhàn)。在“十四五”乃至更長一段時間內(nèi)，氫能源將會迎來新的發(fā)展機會，在減碳進程中扮演重要角色。

隨著我國可再生能源發(fā)電量逐年增多、裝機容量占比不斷增大，氫儲能系統(tǒng)可參與并網(wǎng)消納，有效減少棄風(fēng)棄光率，提高可再生能源綜合收益。本文結(jié)合國內(nèi)外氫能源發(fā)展現(xiàn)狀，分析當(dāng)前氫儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及制約因素，研究其在電力行業(yè)中的應(yīng)用模式。本文按照“分布式光伏交流母線式電解儲氫系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)搭建一個分布式光伏電解儲氫系統(tǒng)，結(jié)合相關(guān)政策研究，提出未來氫儲能系統(tǒng)發(fā)展建議。

近年來，氫能源作為潛在新興能源，逐步被納入地方和中央政府中長期的規(guī)劃視野當(dāng)中，《能源法(征求意見稿)》中首次將氫能源列入能源范疇，近幾年國務(wù)院政府工作報告中。在地方政府層面，山東等多省市就出臺了70多條氫能源和燃料電池的激勵政策。

光伏制氫，實現(xiàn)了可再生能源生產(chǎn)清潔能源，并可以有效地消納光伏發(fā)電，實現(xiàn)兩種重要新能源之間的有效結(jié)合應(yīng)用。在我國為全球第一產(chǎn)氫大國的背景下，隨著光伏發(fā)電和電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，成本的逐漸降低，太陽能制氫將能逐漸滿足商業(yè)化的需求，多數(shù)專家認為太陽能制氫或會成為我國能源安全和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的又一生力軍。

中國承諾在2030年前，二氧化碳的排放將不再增長，達到峰值之后會逐漸減下去；而到2060年，針對排放的二氧化碳，中國會采取植樹、節(jié)能減排等各種方式全部抵消掉，因此發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是一項關(guān)乎國家完成碳中和的大事。我國可再生能源資源充足，也有大量的副產(chǎn)氫資源，相關(guān)市場規(guī)模宏大，氫能產(chǎn)業(yè)有著廣闊發(fā)展空間。

因此，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，不僅可促使我國減少油氣對外依賴，提高能源安全水平，減少大氣污染排放，改善生態(tài)環(huán)境，建設(shè)清潔時代美好家園，還能帶動能源科技創(chuàng)新、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源體系變革和可再生資源高效開發(fā)利用，對我國能源體系的高質(zhì)量發(fā)展、低碳安全高效能源體系、實現(xiàn)碳達峰碳中和目標(biāo)、高能耗產(chǎn)業(yè)清潔轉(zhuǎn)型、高端裝備制造以及汽車等產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，都具有重大戰(zhàn)略意義。