風(fēng)光氫儲投資評價模型設(shè)計及分析

摘" 要：氫是能源領(lǐng)域的關(guān)鍵構(gòu)成，利用可再生能源制備氫氣是一種具有經(jīng)濟效益和環(huán)保效益的方式，該文制定基于風(fēng)光發(fā)電出力、制氫功率、儲氫能力等前期調(diào)研數(shù)據(jù)，對風(fēng)光氫儲項目生產(chǎn)運行機制進行數(shù)據(jù)模擬的方案，提出風(fēng)光出力預(yù)測調(diào)控機制、功率利用優(yōu)先級等策略對模型優(yōu)化處理；提出風(fēng)光氫儲項目投資評價方法，結(jié)合邏輯模型與財務(wù)計算方法用等跨度縮小遍歷方法來查找最優(yōu)配置提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提出并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)光耦合氫儲系統(tǒng)響應(yīng)負(fù)荷及電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)運行策略及模擬方法，適用于所有風(fēng)電或光伏制氫項目。該文對風(fēng)光氫儲系統(tǒng)進行深入解析，優(yōu)化運行策略與尋優(yōu)算法，以提升經(jīng)濟性為目標(biāo)，為后續(xù)工程項目投資評價提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光氫儲；調(diào)控機制；優(yōu)先級策略；投資評價；資源優(yōu)化配置

中圖分類號：TK91" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0019-06

Abstract： Hydrogen is a key component in the energy field. Using renewable energy to prepare hydrogen is a way with economic and environmental benefits. This paper formulates a plan for data simulation of the production and operation mechanism of the wind， solar and hydrogen storage project based on preliminary survey data such as wind and solar power generation output， hydrogen production power， and hydrogen storage capacity， and proposes strategies such as wind and solar output prediction and regulation mechanism， power utilization priority and other strategies to optimize the model; An investment evaluation method for wind， solar and hydrogen storage projects is proposed， and the logical model and financial calculation method are combined with an equal span reduction traversal method to find the optimal configuration to provide data basis. The response load of grid-connected and off-grid wind and solar coupled hydrogen storage systems and regulation of the power grid system are proposed. Production operation strategies and simulation methods are suitable for all wind power or photovoltaic hydrogen production projects. This paper conducts an in-depth analysis of the wind， solar and hydrogen storage system， optimizes the operation strategy and optimization algorithm， with the goal of improving economy， and provides a reliable basis for investment evaluation of subsequent engineering projects.

Keywords： wind， solar and hydrogen storage; regulation mechanism; priority strategy; investment evaluation; optimal allocation of resources

近年來，國內(nèi)風(fēng)、光、氫、儲領(lǐng)域飛速發(fā)展，眾多綠氫項目得到批準(zhǔn)并投產(chǎn)，綠電制綠氫已成為氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的行業(yè)共識。本文旨在對風(fēng)光、儲能、氫能系統(tǒng)進行合理配比，以滿足新能源的高比例消納及制氫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，本文還對項目進行投資評價，為未來的化工能源利用和負(fù)荷側(cè)需求管理研究創(chuàng)造有利的條件。

1" 風(fēng)光氫儲系統(tǒng)基礎(chǔ)

風(fēng)光氫儲耦合系統(tǒng)中可再生能源的規(guī)模設(shè)定與電量分配都對項目可行性具有直接影響，這正是本文探究的重要過程。其中，風(fēng)電和光伏為本系統(tǒng)的主要電力來源，儲能和儲氫是本系統(tǒng)的電力調(diào)節(jié)機制，通過二次調(diào)控分配機制，最大程度地滿足制氫所需功率，實現(xiàn)系統(tǒng)的消納平衡[1]。

1.1" 風(fēng)光系統(tǒng)分析

光伏發(fā)電只有白天有出力，風(fēng)力發(fā)電則在白天和晚上均可提供電力，在中午太陽輻射較強時，風(fēng)電出力較小，而夜晚風(fēng)電出力大，故風(fēng)電和光伏天然具有一定的互補性，通過合理配置這2種能源，可以在一定程度上降低風(fēng)電和光伏的波動性和隨機性對電力系統(tǒng)的影響。

1.2" 儲能系統(tǒng)

儲能裝置可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電策略，調(diào)控風(fēng)能、太陽能的出力，以優(yōu)化新能源的利用率，在風(fēng)力和太陽能發(fā)電量較大的時段，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存于電池中，減少風(fēng)光棄電。在風(fēng)力和太陽能資源欠佳的時段，利用儲能電池儲存的電量來滿足負(fù)荷。然而，儲能電站的限制較大，其儲能時長僅為小時級，無法進行跨日的電量調(diào)節(jié)。

盡管目前電化學(xué)儲能系統(tǒng)的成本降低了30%以上，但在數(shù)據(jù)模擬運行中，大多數(shù)項目添加儲能系統(tǒng)后仍會顯著降低項目收益率[2]，因此，在項目方案分析過程中，需要權(quán)衡負(fù)荷需求與經(jīng)濟效益的優(yōu)先級來確定儲能規(guī)模。如圖1所示，針對北方某項目的出力數(shù)據(jù)進行了模擬，其中添加了風(fēng)光規(guī)模的20%、2 h儲能，在2點以及9—14點的時間段內(nèi)進行了電量存儲，而在3點以及15—16點則放電以對負(fù)荷線進行部分調(diào)平，然而，消納能力只提高了1.2%，全投資內(nèi)部收益率從6.53%降到6.35%。因此，當(dāng)項目對負(fù)荷曲線的符合度要求較高時，規(guī)劃一定的儲能可以提高項目的滿足率，而經(jīng)濟性不一定會提高。此外，很多地區(qū)對項目儲能實施方案有一定要求，例如，寧夏在2023年2月份提出，在源網(wǎng)荷儲項目中，儲能設(shè)施規(guī)模不得低于新能源裝機規(guī)模的10%、2 h儲能時長，提高能源利用率[3]。

1.3" 制氫系統(tǒng)

制氫系統(tǒng)單元包括電源變換單元、電解制氫單元和提純單元，制氫系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

在電解制氫單元中，電解槽內(nèi)的堿液在直流電的作用下被分解為一份氫氣和1/2份氧氣，生成的氫氣和氧氣與電解液一起被送至附屬設(shè)備框架的氣液分離器內(nèi)進行分離，氫氣和氧氣分別經(jīng)過氫氣、氧氣冷卻器冷卻、捕滴除水，然后在控制系統(tǒng)的控制下外送。

通過新能源產(chǎn)生的電來驅(qū)動制氫系統(tǒng)，風(fēng)光能源的波動導(dǎo)致電解水制氫裝置頻繁地啟停，這不僅無法滿足負(fù)荷要求，還會產(chǎn)生熱滯后效應(yīng)。此外，如果風(fēng)光發(fā)電無法達到一定的啟動功率，系統(tǒng)將無法正常啟動，導(dǎo)致氫氣生產(chǎn)效率降低，在極端天氣情況下，需要利用電網(wǎng)來彌補制氫系統(tǒng)的滯后問題，來提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性[4]。

1.4" 儲氫系統(tǒng)

在風(fēng)光氫儲項目的設(shè)計中，另一個關(guān)鍵方面是建立高效的氫氣儲存系統(tǒng)[5]。氫氣常溫常壓下呈氣態(tài)，其密度僅為0.089 9 kg/m3，因此高密度儲存一直是一項全球性的挑戰(zhàn)。氣態(tài)儲氫是目前主流的儲氫方式，其特點是成本低、能耗低且充放速度快。在制氫生產(chǎn)過程中，可以利用儲氫罐進行能量儲存和調(diào)峰，這是提升項目滿足率的重要手段。氫氣球形儲罐承壓性能好、球罐內(nèi)部受壓力均勻、安全可靠，在項目中可以得到很好的應(yīng)用。新疆庫車綠氫項目共有10個儲氫球罐，可以儲存氫氣21萬Nm3，對企業(yè)大規(guī)模建設(shè)氫氣球罐具有重大示范作用[6]。儲氫對供氫負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用主要體現(xiàn)在對氫氣儲存和釋放的調(diào)節(jié)上，儲氫系統(tǒng)可以平衡制氫系統(tǒng)的生產(chǎn)波動，保障氫氣的穩(wěn)定供應(yīng)。氫氣儲運系統(tǒng)的規(guī)模需根據(jù)對應(yīng)的電源規(guī)模進行裝機設(shè)定及選型。

2" 生產(chǎn)運行策略

以往風(fēng)光產(chǎn)電系統(tǒng)，在并網(wǎng)過程中普遍存在棄風(fēng)棄光率過高和功率缺額等問題，為了解決這些問題，本文考慮風(fēng)光資源出力特性、電解水制氫技術(shù)性能以及電化學(xué)儲能充放電特性等因素，建立新能源制氫系統(tǒng)生產(chǎn)運行模擬方法，包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和市電3種電源，電化學(xué)儲能以及氣態(tài)儲氫2種調(diào)峰能源，制氫站和加氫站2種消納系統(tǒng)，園區(qū)離網(wǎng)負(fù)荷。圖3展示了模擬過程的具體步驟，通過分析不同裝機規(guī)模、電網(wǎng)系統(tǒng)各時段電價是否儲能或儲氫的經(jīng)濟性，確定最優(yōu)的配置方案。

2.1" 模型系統(tǒng)設(shè)計策略

風(fēng)光氫儲系統(tǒng)的核心在于如何調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的可再生能源以適應(yīng)負(fù)荷需求，以確保能源的穩(wěn)定供應(yīng)和高效利用。這涉及到一系列策略，包括優(yōu)先級排序、優(yōu)化配置、智能控制和數(shù)據(jù)管理等。

基于風(fēng)光發(fā)電出力、時段電價等前期調(diào)研數(shù)據(jù)，結(jié)合用氫需求和設(shè)備參數(shù)等進行初步的運行模擬。風(fēng)光氫儲系統(tǒng)在運行過程中，優(yōu)先由風(fēng)力機和光伏陣列進行發(fā)電，通過最大功率追蹤來盡量滿足負(fù)載需求，當(dāng)風(fēng)光出力超過負(fù)載所需電量時，優(yōu)先通過電解槽制取氫氣并存儲在儲氫罐中，直至儲氫罐達到最大儲氫狀態(tài)，如果仍有余電，再將其沖進蓄電池，儲氫罐氫氣可用于對氫負(fù)荷的調(diào)控，儲氫成本比儲能成本低，而且蓄電池的儲能效率受到多種因素的影響[7]，電能轉(zhuǎn)化過程存在損耗，放電深度受限、使用壽命短[8]。相比之下，氫儲存在明顯優(yōu)勢，故在風(fēng)光資源充足時，優(yōu)先儲存氫氣，當(dāng)風(fēng)光出力不足時，同樣優(yōu)先從儲氫罐釋放氫氣以滿足需求，再通過蓄電池發(fā)電調(diào)節(jié)。這是從供需雙向角度，利用儲氫、儲能多時間尺度可移動性高效利用新能源[9]。

新能源電力制氫系統(tǒng)運行模擬方法如圖4所示。

2.2" 數(shù)據(jù)模擬

新能源電力制氫系統(tǒng)數(shù)據(jù)模擬首先根據(jù)8760組時序風(fēng)光出力標(biāo)幺數(shù)據(jù)推算新能源發(fā)電量，新能源某小時風(fēng)光總發(fā)電量的表達式如下

式中：Pt（t）為新能源總發(fā)電功率，kW·h；Pp（t）為光伏電站發(fā)電功率，kW·h；Pw（t）為風(fēng)電產(chǎn)發(fā)電功率，kW·h；Cp為光伏裝機容量，kW；Cw為風(fēng)電裝機容量，kW·h。

當(dāng)新能源出力充足時，除了充分制氫、儲氫、儲能，還可能存在棄電，棄電的表達式如下

式中：Pa（t）為棄電量，kW·h；L為供氫負(fù)荷，m3；W為單位制氫直流電耗，m3；Q（t）為儲氫量，m3；P（t）為儲能充電量，kW·h/m3。

當(dāng)新能源出力不足時，氫負(fù)荷需要放氫、放能來補充，氫負(fù)荷的表達式如下

式中：Q（t）為放氫量，m3；P（t）為儲能放電量，kW·h；P（t）為電網(wǎng)調(diào)節(jié)電量，kW·h。

儲氫罐可為氫負(fù)荷進行調(diào)峰，當(dāng)風(fēng)光大發(fā)時儲氫，儲氫量表達式如下

式中：C為儲氫罐容量，m3；C（t）為儲氫罐實時量，m3。

當(dāng)風(fēng)光出力較小時，儲氫罐會放氫，放氫量表達式如下

而儲氫罐實時量的表達式為

在風(fēng)光大發(fā)時，優(yōu)先儲氫，剩余電量儲能，儲能充電表達式如下

式中：C為蓄電池儲能容量，kW。

當(dāng)風(fēng)光出力小，儲氫罐補充仍不足時，從蓄電池釋放電量制氫滿足負(fù)荷，儲能放電表達式如下

儲能實時電量的表達式：

式中：P（t）為儲能實時儲電量，kW·h

此系統(tǒng)中，不僅需要滿足供氫負(fù)荷需求，同時可能存在供園區(qū)使用的電量需求，新能源發(fā)電功率、氫負(fù)荷所需電量以及園區(qū)負(fù)荷三者之間需要實現(xiàn)電量供需平衡，其他電量為控制電量，控制電量表達式如下

式中：P（t）為控制電量，kW·h；P（t）為園區(qū)負(fù)荷，kW·h。

電網(wǎng)系統(tǒng)的電力定價策略中存在分時電價，不同時間段或不同季節(jié)設(shè)定的電價不同，在項目模擬中，合理利用谷電，將電網(wǎng)的電直接用于制氫供應(yīng)氫負(fù)荷，能大幅提高項目經(jīng)濟性。在電價較低時，甚至可以將電量用于制氫并存儲在儲氫罐中，或者進行電化學(xué)儲能。為了避免電網(wǎng)在低價時提前充滿儲氫罐或儲能電池而造成新能源浪費，該系統(tǒng)需對新能源出力進行預(yù)測來確定存儲量。若預(yù)期未來新能源輸出穩(wěn)定，則可降低儲存量，若出力不足，則可增加儲存量。如果預(yù)測時間段設(shè)置較長，未來風(fēng)光大發(fā)，不下市電存儲，在大發(fā)前，無法滿足需求量。電價分平、谷、峰3個時段，平均8 h，因此可以假設(shè)選取8 h對電量供需情況進行預(yù)測，經(jīng)過數(shù)據(jù)模擬對比表明，8 h預(yù)測時間段的收益率的確是最好的選擇，可以在滿足負(fù)荷要求的基礎(chǔ)上，避免新能源大量棄電。

2.3" 風(fēng)光氫儲多能互補配置優(yōu)化

為實現(xiàn)風(fēng)光氫儲系統(tǒng)的最優(yōu)運行和高效能源供應(yīng)，以下是幾種生產(chǎn)運行策略。

1）風(fēng)能和太陽能優(yōu)先策略：優(yōu)先利用，避免新能源出力的棄置。

2）風(fēng)光出力預(yù)測和調(diào)整策略：根據(jù)系統(tǒng)的氫負(fù)荷需求，對風(fēng)光出力進行預(yù)測，提前調(diào)整儲氫量和儲能量，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的能源側(cè)波動。

3）電力調(diào)度策略：合理調(diào)度和控制電網(wǎng)供電量，實現(xiàn)供需平衡。

4）儲氫、儲能管理策略：存儲設(shè)備可以優(yōu)化系統(tǒng)的能量流動和轉(zhuǎn)換效率，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

在風(fēng)光氫儲系統(tǒng)中，優(yōu)先級的確立具有至關(guān)重要的意義，是影響系統(tǒng)經(jīng)濟效益的重要原因。

其中優(yōu)先級順序如下。

1）風(fēng)光出力供電去向：離網(wǎng)負(fù)荷，制氫耗電，儲能耗電。如果項目有為園區(qū)供電的需求，則需滿足供氫需求，還有富余的功率則進行儲氫，再進行儲能。

2）離網(wǎng)負(fù)荷功率與制氫負(fù)荷所需功率來源：風(fēng)光出力，儲能放電，網(wǎng)電。功率來源，首先是盡可能利用新能源直接生產(chǎn)的能量，再從儲氫罐或儲能系統(tǒng)中獲取，最后從電網(wǎng)買電供應(yīng)。

3）儲氫功率及儲能功率來源：風(fēng)光出力、電網(wǎng)買電。風(fēng)光富余時存儲，另外，在電價較低時也可以進行電量存儲。

4）供氫負(fù)荷制氫功率來源：風(fēng)光出力，儲氫放氫，儲能放電制氫，網(wǎng)電制氫。同上，在充分利用新能源出力的基礎(chǔ)上，獲取其他電量。

2.4" 模型對比分析

為比較不同要求下的系統(tǒng)性能上限，將多種情況設(shè)計在一個模型中，如圖5所示，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電化學(xué)儲能系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、氫能儲存系統(tǒng)和國家電網(wǎng)系統(tǒng)等多層面組合。

單一能源很難實現(xiàn)高效率制氫，制氫系統(tǒng)需要預(yù)熱，負(fù)荷要求穩(wěn)定，都體現(xiàn)了風(fēng)光氫儲多能源綜合性方案的必要性。單一的能源或調(diào)節(jié)電源無法滿足負(fù)荷，需要從電網(wǎng)獲取大量電力制氫，電網(wǎng)下電應(yīng)盡量控制在低谷時段，才符合經(jīng)濟效益，風(fēng)光氫儲及電網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同時段典型日制氫量如圖6所示。

同樣規(guī)模單一風(fēng)電制氫系統(tǒng)，滿足率為76.7%，棄電率高達19.7%，光伏只有白天會大發(fā)，風(fēng)電的利用相較于光伏利用更具有優(yōu)勢，如圖7所示。

同樣風(fēng)光規(guī)模儲能制氫系統(tǒng)，供氫負(fù)荷滿足率為80.7%，棄電率12.6%，相較于無儲能的系統(tǒng)，滿足率提高了4.0%，棄電率下降了7.1%，成本提高了2%，但收益率還是比有儲氫設(shè)備的綜合系統(tǒng)低很多，如圖8所示。

3" 評價指標(biāo)分析

項目的財務(wù)指標(biāo)主要從以下3個方面進行考慮。

一是在相關(guān)負(fù)荷的約束下，對系統(tǒng)的設(shè)備成本及運維成本進行優(yōu)化考慮，包括設(shè)備容量優(yōu)化，將容量目標(biāo)設(shè)定為可行的最小范圍。

二是優(yōu)化運行策略，考慮全壽命周期投資收益模式，使風(fēng)光氫儲系統(tǒng)的各個功能機組在調(diào)度周期中利用率最高。

三是對風(fēng)光氫儲系統(tǒng)的經(jīng)濟性、環(huán)境效益、社會效益等多個方面進行協(xié)同考慮。

基于風(fēng)光氫儲工程設(shè)計方案，分析財務(wù)評價參數(shù)取值，主要包括以下內(nèi)容。

風(fēng)電、光伏發(fā)電工程、電解水制氫系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、儲氫模塊及其他輔助設(shè)備的規(guī)模、年制氫量、建設(shè)期及財務(wù)評價計算期。

項目建設(shè)資金的籌措方案，權(quán)益資金組成及其分利方案，債務(wù)資金組成及其年利率和還貸要求。

項目固定資產(chǎn)價值、總成本費用，運維費用包括折舊費、維修費、職工工資及福利費、保險費、材料費、攤銷費、購電費、財務(wù)費用及其他費用等各項成本計算方法與參數(shù)。

售賣收入、科技補貼、各項稅金、利潤、免征稅率政策及其分配的計算方法和參數(shù)。

系統(tǒng)的收益來源主要包括售氫收益、售氧收益、售電量收益3部分。通過合理配置投資建設(shè)和維護費用、平滑制氫負(fù)荷、氫儲系統(tǒng)容量和售氫比例系數(shù)等有效提高綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

風(fēng)光氫儲系統(tǒng)投資評價模型針對項目經(jīng)濟可行性進行評估，應(yīng)用算法得出最優(yōu)配置。衡量該規(guī)模在經(jīng)濟上有一定優(yōu)勢的指標(biāo)是收益率，包括資本金收益率與全投內(nèi)部收益率。

4" 系統(tǒng)容量優(yōu)化配置

設(shè)置生產(chǎn)運行策略、經(jīng)濟評價方法后，需確定經(jīng)濟性最優(yōu)的項目規(guī)模。主要變量包括以下幾種：風(fēng)電場、光伏電站、儲能裝置、儲氫系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)的規(guī)模，電網(wǎng)儲能最大電價、電網(wǎng)儲氫最大電價等，儲電價只需考慮谷電、平電，遍歷2種電價數(shù)據(jù)選取收益率結(jié)果更優(yōu)的情況，其中，谷電儲氫能在很大程度上提升系統(tǒng)經(jīng)濟性能。而規(guī)模設(shè)定，則需要用縮小跨度遍歷法查找，7項變量組合會有一個極值點，也就是收益率最高的峰值?？s小跨度遍歷法的基本原理是：在可行范圍內(nèi)取等跨度的n個數(shù)據(jù)，迭代這n個數(shù)據(jù)，則會有一個數(shù)據(jù)i對應(yīng)結(jié)果相對最佳，而在ni-1與ni+1之間還可能存在比i更好的結(jié)果，再將ni-1至ni+1范圍等跨度取n個數(shù)據(jù)，反復(fù)迭代后找到最佳結(jié)果。時間復(fù)雜度較大，如果有7個變量，則時間復(fù)雜度為O（n7），需要實際運行速率提升，則控制n的大小。變量在反復(fù)迭代中找到最優(yōu)收益率，最終確定系統(tǒng)配置。

5" 結(jié)束語

為提高風(fēng)光制氫項目決策的科學(xué)性和合理性，基于風(fēng)光氫儲一體化系統(tǒng)生產(chǎn)運行策略研究，得到以下結(jié)論：通過綜合能源發(fā)電可形成良好互補特性，降低風(fēng)光發(fā)電的波動率，有效提高電解水制氫系統(tǒng)的效率及穩(wěn)定性，從而促進風(fēng)光資源的優(yōu)化利用。風(fēng)光氫儲系統(tǒng)投資評價模型對于提高未來相關(guān)項目的經(jīng)濟效益至關(guān)重要。

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