電力系統(tǒng)氫儲能關鍵應用技術現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及展望
王士博，孔令國，蔡國偉，閆華光，韓子嬌，劉闖，萬燕鳴，楊士慧，王曉晨
(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)；2.中國電力科學研究院有限公司；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司；4.北京國氫中聯(lián)氫能科技研究院有限公司；5.先進輸電技術國家重點實驗室(國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)；6．國網(wǎng)能源研究院有限公司)
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230170
1.研究背景
可再生能源規(guī)?；尤雽⒔o電力系統(tǒng)電力電量時空平衡與安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。儲能作為靈活調(diào)節(jié)資源將成為解決上述問題的有效方案之一，氫作為能源低碳化發(fā)展的優(yōu)選能源形式引起了世界各國的高度重視。近年來，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈裝備核心技術不斷得到突破，電解水制氫與氫燃料電池等產(chǎn)業(yè)進入高速和高質(zhì)量發(fā)展期，促使電-氫能源形成了融合式的發(fā)展趨勢，氫儲能也因此被作為一種新型儲能技術被廣泛的集成到電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”各個環(huán)節(jié)之中?；诖?，本文針對電力系統(tǒng)氫儲能關鍵應用技術現(xiàn)狀進行歸納梳理，從目前技術發(fā)展中分析指出所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來技術發(fā)展趨勢進行展望。
2.論文所解決的問題及意義
氫儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要儲能形式，目前，部分學者及科技工作者在氫儲能材料裝備、電-氫協(xié)同規(guī)劃設計、電-氫耦合系統(tǒng)控制等方面均已開展了相關技術及工程示范的初步探索，但關于氫儲能在電力系統(tǒng)中多場景下的應用技術分析仍較為匱乏，且電-氫耦合系統(tǒng)仍存在動態(tài)適應性匹配、靈活高效互動和多時間尺度仿真建模等一系列問題，電-氫耦合形態(tài)與技術體系仍需進一步深入研究。本文首先通過歸納分析構(gòu)建了氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)，概括總結(jié)了氫儲能關鍵技術現(xiàn)狀，然后回顧了氫儲能在電力系統(tǒng)中應用技術研究基礎，最后，提煉電-氫耦合發(fā)展中存在的技術挑戰(zhàn)，并對未來技術發(fā)展趨勢進行展望，進而加速推進氫儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?。
3.論文重點內(nèi)容
（1）氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)
以氫儲能在電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”各環(huán)節(jié)應用場景為主線，在“源”側(cè)提出氫儲能提升可再生能源的深度消納與友好并網(wǎng)和燃氫電廠慣量支撐等典型場景，在“網(wǎng)”側(cè)提出氫儲能電站提供慣量支撐及調(diào)峰/調(diào)頻輔助服務，以及輸電阻塞緩解和季節(jié)性電量平衡等場景，在“荷”側(cè)通過構(gòu)建電-氫-熱-冷多能耦合綜合系統(tǒng)、氫能建筑/園區(qū)及分布式制加儲一體站以實現(xiàn)電力電量支撐、需求側(cè)響應和調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務。氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)
（2）氫儲能關鍵技術
針對電解水制氫技術、氫氣發(fā)電技術、氫氣儲輸技術、電解槽/燃料電池建模四個氫儲能關鍵技術展開論述。總結(jié)了各類型電解水制氫與氫燃料電池的主要性能指標，闡述了不同技術路徑下的氫氣儲輸技術特點，從時空維度總結(jié)了目前電解槽/燃料電池建模技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)用能特點分析與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需求得到氫儲能制、儲、輸、用關鍵技術在電力系統(tǒng)中的潛在應用場景。
（3）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲能應用技術現(xiàn)狀
在“源”側(cè)風/光等可再生能源消納與友好并網(wǎng)場景下，目前主要圍繞系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)控制以及制氫/燃料電池多機協(xié)同控制開展系列研究，而燃氫電廠為電力系統(tǒng)提供慣量支撐場景下的研究仍相對匱乏；在“網(wǎng)”側(cè)場景下，目前研究學者圍繞氫儲能參與電網(wǎng)輔助服務與季節(jié)性電量平衡兩個方面開展部分探索；在“荷”側(cè)場景下，目前氫儲能的主要應用場景是構(gòu)建氫能建筑/園區(qū)，研究方向集中于系統(tǒng)配置和運行控制兩個方面。
（4）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲能應用技術挑戰(zhàn)
結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，分析氫儲能現(xiàn)階段在電力系統(tǒng)中應用存在的關鍵技術挑戰(zhàn)，主要總結(jié)為面向可再生能源耦合制氫的電解水制氫負荷動態(tài)適應性、高效電解水制氫功率變換器結(jié)構(gòu)及計及氫安全的入網(wǎng)控制、面向電力系統(tǒng)季節(jié)性電量轉(zhuǎn)移的大容量長時儲氫技術、面向異質(zhì)能源協(xié)同的構(gòu)網(wǎng)型燃料電池電-熱耦合控制以及面向系統(tǒng)規(guī)劃設計、系統(tǒng)控制方案開發(fā)和工程建設的電-氫耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真建模5個方面，并簡要討論了各種技術挑戰(zhàn)未來可能的技術方案。
圖2 適應寬范圍強波動工況的AWE/PEM電解水制氫系統(tǒng)“電-氫-水-熱”快速動態(tài)響應挑戰(zhàn)
圖3 計及氫儲能動態(tài)安全約束的變換器入網(wǎng)控制挑戰(zhàn)
圖4 適應電力系統(tǒng)全時仿真的電-氫耦合多時間尺度-多場動態(tài)仿真建模挑戰(zhàn)
（5）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲能應用技術展望
在氫儲能系統(tǒng)層面，氫儲能系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建技術、電解水制氫/燃料電池主動友好型電源拓撲及其控制、構(gòu)網(wǎng)型燃料電池并網(wǎng)穩(wěn)定控制、電解水制氫多槽并聯(lián)高效均衡控制及氣液分離一對多優(yōu)化匹配技術等方面將受到關注；在“源”側(cè)，源-網(wǎng)-氫-氨/醇系統(tǒng)所面臨的多主體協(xié)同規(guī)劃與動態(tài)柔性控制技術、離網(wǎng)型風/光制氫在無電網(wǎng)支撐下的系統(tǒng)運行穩(wěn)定控制、容量優(yōu)化配置和經(jīng)濟運行等技術將持續(xù)發(fā)展；在“網(wǎng)”側(cè)，探索氫儲能可盈利的商業(yè)推廣模式與方案將是未來重點發(fā)展方向，兼顧制氫/燃料電池啟停、動態(tài)響應特性的調(diào)頻策略也將逐步顯現(xiàn)，此外，氫儲能作為長時儲能支撐電網(wǎng)跨時空電量平衡將得以實現(xiàn)；在“荷”側(cè)，電-氫耦合綜合微能網(wǎng)優(yōu)化配置、協(xié)同經(jīng)濟運行技術、多園區(qū)/單體建筑/5G基站聚合參與虛擬電廠構(gòu)建等將成為未來技術發(fā)展要點，分布式制-儲-加氫一體站系統(tǒng)多能耦合系統(tǒng)能量管理、配網(wǎng)耦合分布式電源及一體站“源-網(wǎng)-站”協(xié)同規(guī)劃設計、多站協(xié)同虛擬電廠建設等技術的突破，將是一體站規(guī)模發(fā)展的關鍵。
4.結(jié)論
在含高比例可再生能源的新型電力系統(tǒng)建設中，氫儲能技術的快速發(fā)展與工程應用將從時空維度為系統(tǒng)提供全面的靈活支撐能力，如何充分發(fā)揮氫儲能優(yōu)勢以推進新型電力系統(tǒng)構(gòu)建問題引起了業(yè)界學者的普遍關注。本文首先針對氫儲能在電力系統(tǒng)應用技術現(xiàn)狀進行了深入的總結(jié)分析；并進一步提煉其目前在電力系統(tǒng)中的關鍵應用技術所面臨的五個挑戰(zhàn)：電解水制氫負荷動態(tài)適應性、電解水制氫功率變換器結(jié)構(gòu)及入網(wǎng)控制、大容量長時儲氫技術、構(gòu)網(wǎng)型燃料電池電-熱耦合控制、電-氫耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真建模；最后對氫儲能系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”側(cè)應用未來可能存在的技術方向進行展望，以期為研究人員提供些許參考。
