電力系統(tǒng)氫儲能關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)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(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學(xué));2.中國電力科學(xué)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(jìn)輸電技術(shù)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(shù)不斷得到突破,電解水制氫與氫燃料電池等產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(shù)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(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行歸納梳理,從目前技術(shù)發(fā)展中分析指出所面臨的挑戰(zhàn),并對未來技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)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(xué)者及科技工作者在氫儲能材料裝備、電-氫協(xié)同規(guī)劃設(shè)計、電-氫耦合系統(tǒng)控制等方面均已開展了相關(guān)技術(shù)及工程示范的初步探索,但關(guān)于氫儲能在電力系統(tǒng)中多場景下的應(yīng)用技術(shù)分析仍較為匱乏,且電-氫耦合系統(tǒng)仍存在動態(tài)適應(yīng)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(shù)體系仍需進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀,然后回顧了氫儲能在電力系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)研究基礎(chǔ),最后,提煉電-氫耦合發(fā)展中存在的技術(shù)挑戰(zhàn),并對未來技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望,進(jìn)而加速推進(jìn)氫儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)模化應(yīng)用。
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(yīng)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?xì)潆姀S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(wù),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(yīng)和調(diào)頻調(diào)峰等輔助服務(wù)。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(guān)鍵技術(shù)
針對電解水制氫技術(shù)、氫氣發(fā)電技術(shù)、氫氣儲輸技術(shù)、電解槽/燃料電池建模四個氫儲能關(guān)鍵技術(shù)展開論述??偨Y(jié)了各類型電解水制氫與氫燃料電池的主要性能指標(biāo),闡述了不同技術(shù)路徑下的氫氣儲輸技術(shù)特點,從時空維度總結(jié)了目前電解槽/燃料電池建模技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用場景。
(3)“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲能應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀
在“源”側(cè)風(fēng)/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(jī)協(xié)同控制開展系列研究,而燃?xì)潆姀S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(xué)者圍繞氫儲能參與電網(wǎng)輔助服務(wù)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(yīng)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(yīng)用技術(shù)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(yīng)用存在的關(guān)鍵技術(shù)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(fù)荷動態(tài)適應(yīng)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(shù)、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(shè)計、系統(tǒng)控制方案開發(fā)和工程建設(shè)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(shù)挑戰(zhàn)未來可能的技術(shù)方案。
圖2??適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用技術(shù)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(shù)、電解水制氫/燃料電池主動友好型電源拓?fù)浼捌淇刂?、?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(shù)等方面將受到關(guān)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(shù)、離網(wǎng)型風(fēng)/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(jì)運行等技術(shù)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(yīng)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(jì)運行技術(shù)、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(shù)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(shè)計、多站協(xié)同虛擬電廠建設(shè)等技術(shù)的突破,將是一體站規(guī)模發(fā)展的關(guān)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(shè)中,氫儲能技術(shù)的快速發(fā)展與工程應(yīng)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(jìn)新型電力系統(tǒng)構(gòu)建問題引起了業(yè)界學(xué)者的普遍關(guān)注。本文首先針對氫儲能在電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的總結(jié)分析;并進(jìn)一步提煉其目前在電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)所面臨的五個挑戰(zhàn):電解水制氫負(fù)荷動態(tài)適應(yīng)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(shù)、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(yīng)用未來可能存在的技術(shù)方向進(jìn)行展望,以期為研究人員提供些許參考。
引文信息
王士博,孔令國,蔡國偉,等. 電力系統(tǒng)氫儲能關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及展望 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2023,43 (17):6660-6681.
WANG Shibo, KONG Lingguo, CAI Guowei, et al. Current Status, Challenges, and Prospects of Key Application Technologies for Hydrogen Storage in Power System[J]. Proceedings of the CSEE,2023,43 (17):6660-6681 (in Chinese).
作者介紹
王士博,博士研究生,主要研究方向為源網(wǎng)氫耦合協(xié)同建模與優(yōu)化控制。
孔令國,副教授,博士生導(dǎo)師,國家留學(xué)基金委“2019國際清潔能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目”入選者,IEEE PES儲能技術(shù)委員會氫儲能技術(shù)分委會理事,中國能源研究會氫能專委會委員,電工技術(shù)學(xué)會氫能專委會委員,《中國電力》期刊首屆青年編委。主要研究方向為電氫耦合理論與關(guān)鍵技術(shù)、氫儲能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。主持國家自然基金項目1項、國家重點研發(fā)計劃項目子課題1項、省部級科研項目3項,獲吉林省科技進(jìn)步一等獎1項、二等獎3項,電氫耦合方面發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文40余篇,獲授權(quán)發(fā)明專利7件、軟件著作權(quán)1件。
蔡國偉,一級教授,博士生導(dǎo)師,吉林省政協(xié)副主席、東北電力大學(xué)校長、國家百千萬人才工程人選、國務(wù)院政府特殊津貼獲得者、全國先進(jìn)工作者、全國優(yōu)秀教師。主要研究方向為新型電力系統(tǒng)安全分析與運行控制、新能源電網(wǎng)接入、多形態(tài)儲能技術(shù)等。主持國家自然科學(xué)基金項目4項,承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃項目課題1項,獲國家科技進(jìn)步獎二等獎2項,吉林省科技進(jìn)步一等獎2項、二等獎6項,發(fā)表高水平論文200余篇,授權(quán)發(fā)明專利50余項。
閆華光,教授級高工,中國電力科學(xué)研究院技術(shù)戰(zhàn)略研究中心主任。中國電機(jī)工程學(xué)會氫能專業(yè)委員會副秘書長,全國電力需求側(cè)管理標(biāo)委會(SAC/TC575)副秘書長。長期從事節(jié)能低碳、電力需求側(cè)管理、綜合能源、電氫耦合等方面的研究工作。主持和參與國家重點研發(fā)項目、國家自然基金項目多項,曾獲得國家標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)一等獎2項,獲省部級科技進(jìn)步獎10余項。
審核編輯:‘黃飛’
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