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西部地区可再生能源制氢走访调研:4种制氢方式对比分析

北极星电力会展网 来源:香橙会研究院 2021-03-24 10:25:56

为了有效利用三北地区的风电和光伏新能源,国家通过规划建设特高压输电线路,联通三北地区的电源与东部的用电区域,平衡发电与用电,但是,特高压线路投资和建设周期长,容量有限。就地消纳是另外一种可行的办法:利用风电场和光伏电厂发电制氢储能,并将制备的氢气压缩,运输到氢能源加注站,驱动氢燃料电池动力车辆或对天然气进行掺氢处理,或者用氢气替代焦炭炼钢,降低二氧化碳排放。

(来源:微信公众号“香橙会研究院” ID:xch-club )

1背景

2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会上提出中国“力争到2030年之前实现二氧化碳排放达到峰值”的目标,意味着我国将着力推动绿电对油、气等化石能源的替代,可再生能源比例和终端电气化率继续快速提升,大幅减少对国际油、气资源依赖,储热/冷、电动车、电制氢等产业将迎来历史性发展机遇。

近年来,以风电和光伏为代表的中国新能源蓬勃发展,每年装机容量在全球各国中遥遥领先。据全球风能理事会(GWEC)最新发布的数据显示,2020年中国新增装机约52GW,比2019年翻了一番,创造了中国年度新增风电装机量的历史纪录。中国的风电装机总量已经超过欧洲、非洲、中东及拉美地区的总和。2020年中国光伏新增装机规模48.2吉瓦,累计装机规模已达253吉瓦,连续6年位居全球首位。但同时, 由于新能源分布的不均衡性,面临弃风和弃光的问题。目前,有的地区,特别是三北地区,由于电网消纳问题,有15%~35%风和光资源被放弃。

为了有效利用三北地区的风电和光伏新能源,国家通过规划建设特高压输电线路,联通三北地区的电源与东部的用电区域,平衡发电与用电,但是,特高压线路投资和建设周期长,容量有限。就地消纳是另外一种可行的办法:利用风电场和光伏电厂发电制氢储能,并将制备的氢气压缩,运输到氢能源加注站,驱动氢燃料电池动力车辆或对天然气进行掺氢处理,或者用氢气替代焦炭炼钢,降低二氧化碳排放。

为此,香橙会研究院、国家技术转移东部中心驻新疆办事处和新疆清洁能源技术研究院分别走访国家电网相关机构和院所及风机光伏制造企业的研发机构,形成基本共识:这种方法从原理上可行,但是会面临一些现实与技术瓶颈问题,需要投入研发资源解决。

2新能源电源的发电特点

(一)风力发电机组的原理及特点:风力发电机组通过控制风轮转速,达成在低风速下最优能量捕捉;在高风速时,保持风轮转速和功率稳定。因此,在额定风速前(大部分工作状态),风力发电机组发岀的有功功率一直在随着风的改变而波动,表现在秒级上的发电功率波动性。另外,风力发电机组是一个电流源,也就是说风电机组每时每刻在跟随电网的50Hz交流电频率,把能量通过电流的方式输岀给电网。如果没有电网的电压维持,目前的风电机组很难独立发电。

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图1 风力发电机组的原理图

(二)光伏发电:光伏电池将太阳能转化为电能,光伏逆变器一方面通过控制,追踪光伏电池的最佳功率点,一方面作为电流源,跟踪电网50Hz交流电频率,把能量通过电流方式输岀到电网。由于阳光在分钟级上变化不大,相对与风电,波动性较小。但是光伏发电表现岀昼夜的间歇性。

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图2 光伏发电原理图

3几种制氢的模式

对于新能源电厂,可以釆用如下四种方式制氢:分散式新能源制氢;风场/光伏电厂联网本地制氢;风场/光伏电厂离网、场内交流制氢;风场/光伏电厂离网、场内直流制氢方式。

(一)分散式新能源制氢

在这种模式下,分散式风电场以及光伏电厂作为发电资源,发出的电能在HOkV电网内进行消纳,制氢站作为用电设备,消纳分散式绿色电能。由于HOkV电网下,接入的发电和用电设备容量很大,分散式风电场与光伏电厂和通常的风电场区别不大,只需要在电网调度下,运行风电场或光伏电厂就好。

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图3分散式风电光伏制氢

(二)风场/光伏电厂联网本地制氢

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图4风场/光伏电厂联网本地制氢

在这种模式下,风电场/光伏电厂发电,直接在风电场内制氢,压缩和储藏氢能源有以下几种情况:

(1)在电网调度不限制新能源发电情况下,风电和光伏电厂满负荷运行。如果风小或阴天,发电功率小于制氢部分设备额定功率时,电场/制氢协同控制系统控制制氢设备制氢功率,保证全部绿色能源用于制氢;当发电功率大于设备额定功率时,制氢设备可以满负荷运行,多余电能输送给电网。电场/制氢协同控制系统协调场内发电和制氢。由于新能源的波动性,电场/制氢协同控制系统需要持续调节制氢设备和风电/光伏设备,确保制出的氢气是绿氢。

(2)在电网调度限制新能源发电情况下,风电场和光伏设备在电场/制氢协同控制系统控制下,最大化绿氢的制备,还要保证向电网输岀的功率恒定。对风电/光伏设备,制氢设备的协调控制要求很高。

(3)在电网调度禁止新能源发电情况下,电场/制氢协同控制系统要保证电厂出口功率为零,高效协同发电和制氢设备,保证场内电网稳定。

以上三种情况下,电场/制氢协同控制系统的控制算法要充分考虑发电和制氢设施的动态约束,每时每刻都要保持发电、用电、以及出口功率的三方平衡。

(三)风场/光伏电厂离网、场内交流制氢

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图5风电场/光伏电厂离网、场内交流电网制氢

在这种情况下,发电与制氢设备直接相连,场内电网与外电网隔离,完全用新能源电能制氢。风电机组和光伏系统不需要特别改造。但是,由于发电设备都是电流型逆变器,因此,场内需要设置额外的电压源,相当于一个大容量不间断电源(UPS)。

系统启动时,电场/制氢协同控制器首先向UPS发岀指令,建立场内基本电压和50Hz频率。然后,电场/制氢协同控制系统启动单台发电设备的同时,启动电解制氢设备,还要保持动态平衡;然后,随着一台台电源并网,增加制氢功率保持平衡。对协同控制系统要求很高,如果不能保证发电和用电平衡,不间断电源要有双向储能功能,维持电网有功平衡。控制算法越好,不间断电压源容量需求越小。对风电机组/光伏设备和制氢设备的功率控制越平稳,需要的额外储能要求更低。自然环境造成的波动性需要电场/制氢协同控制系统平抑。

(四)风场/光伏电厂离网,场内直流制氢

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图6风电场/光伏电厂离网、场内直流电网制氢

在这种情况下,发电与制氢设备直接相连,完全用新能源电能制氢。与第三种模式的区别是,发电和电解用直流母线直接联通。发电和用电设备都需要改造,双馈发电机组要增加励磁装置,同时,增加母线储能,超级电容或电池储能设备。好处是,减少了多次直流-交流变换,以及场内变压器等设施,提高了电能转化效率。大规模使用才有经济性。同样,电场制氢同控制系统的要求很高,好的控制算法能够降低对储能系统的要求,降低设备投入成本。

4总结

无论哪种模式新能源制氢都是可行的,是解决三北地区弃风弃光的重要途径,同样也服务与国家能源安全战略,新能源制氢协同控制系统是稳定制氢的关键,协同控制算法的优劣直接决定发电和制氢设备的投资和寿命,从而影响绿氢的成本。

作者:牛秀芳、马亚东、杨学军、张会成

时间:2021年3月

原标题:西部地区可再生能源制氢走访调研:4种制氢方式对比分析

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