電力系統(tǒng)氫儲(chǔ)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(guó)，蔡國(guó)偉，閆華光，韓子?jì)?，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué))；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司；4.北京國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)；6．國(guó)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)模化接入將給電力系統(tǒng)電力電量時(shí)空平衡與安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)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(guó)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(shì)，氫儲(chǔ)能也因此被作為一種新型儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛的集成到電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”各個(gè)環(huán)節(jié)之中?；诖耍疚尼槍?duì)電力系統(tǒng)氫儲(chǔ)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(duì)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 ? 論文所解決的問題及意義　

氫儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要儲(chǔ)能形式，目前，部分學(xué)者及科技工作者在氫儲(chǔ)能材料裝備、電-氫協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)、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(chǔ)能在電力系統(tǒng)中多場(chǎng)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(dòng)態(tài)適應(yīng)性匹配、靈活高效互動(dòng)和多時(shí)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(chǔ)能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)，概括總結(jié)了氫儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀，然后回顧了氫儲(chǔ)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(duì)未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，進(jìn)而加速推進(jìn)氫儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用。

3 ? 論文重點(diǎn)內(nèi)容　　

（1）氫儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)

以氫儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷”各環(huán)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)景為主線，在“源”側(cè)提出氫儲(chǔ)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(chǎng)景，在“網(wǎng)”側(cè)提出氫儲(chǔ)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(chǎng)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(chǔ)一體站以實(shí)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(chǔ)能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?氫儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)

（2）氫儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)電解水制氫技術(shù)、氫氣發(fā)電技術(shù)、氫氣儲(chǔ)輸技術(shù)、電解槽/燃料電池建模四個(gè)氫儲(chǔ)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(chǔ)輸技術(shù)特點(diǎn)，從時(shí)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(diǎn)分析與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建需求得到氫儲(chǔ)能制、儲(chǔ)、輸、用關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。

（3）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲(chǔ)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(chǎng)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(chǎng)景下的研究仍相對(duì)匱乏；在“網(wǎng)”側(cè)場(chǎng)景下，目前研究學(xué)者圍繞氫儲(chǔ)能參與電網(wǎng)輔助服務(wù)與季節(jié)性電量平衡兩個(gè)方面開展部分探索；在“荷”側(cè)場(chǎng)景下，目前氫儲(chǔ)能的主要應(yīng)用場(chǎng)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(yùn)行控制兩個(gè)方面。

（4）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)

結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，分析氫儲(chǔ)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(dòng)態(tài)適應(yīng)性、高效電解水制氫功率變換器結(jié)構(gòu)及計(jì)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(jì)、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(dòng)態(tài)仿真建模5個(gè)方面，并簡(jiǎn)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(qiáng)波動(dòng)工況的AWE/PEM電解水制氫系統(tǒng)“電-氫-水-熱”快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)挑戰(zhàn)

圖3??計(jì)及氫儲(chǔ)能動(dòng)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(shí)仿真的電-氫耦合多時(shí)間尺度-多場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真建模挑戰(zhàn)

（5）“源-網(wǎng)-荷”側(cè)氫儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)展望

在氫儲(chǔ)能系統(tǒng)層面，氫儲(chǔ)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定控制、容量?jī)?yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等技術(shù)將持續(xù)發(fā)展；在“網(wǎng)”側(cè)，探索氫儲(chǔ)能可盈利的商業(yè)推廣模式與方案將是未來重點(diǎn)發(fā)展方向，兼顧制氫/燃料電池啟停、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的調(diào)頻策略也將逐步顯現(xiàn)，此外，氫儲(chǔ)能作為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能支撐電網(wǎng)跨時(shí)空電量平衡將得以實(shí)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(yùn)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(diǎn)，分布式制-儲(chǔ)-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(jì)、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(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展與工程應(yīng)用將從時(shí)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(chǔ)能優(yōu)勢(shì)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(duì)氫儲(chǔ)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(gè)挑戰(zhàn)：電解水制氫負(fù)荷動(dòng)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(dòng)態(tài)仿真建模；最后對(duì)氫儲(chǔ)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(guó)，蔡國(guó)偉，等. 電力系統(tǒng)氫儲(chǔ)能關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及展望 [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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?yàn)樵淳W(wǎng)氫耦合協(xié)同建模與優(yōu)化控制。

孔令國(guó)，副教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家留學(xué)基金委“2019國(guó)際清潔能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目”入選者，IEEE PES儲(chǔ)能技術(shù)委員會(huì)氫儲(chǔ)能技術(shù)分委會(huì)理事，中國(guó)能源研究會(huì)氫能專委會(huì)委員，電工技術(shù)學(xué)會(huì)氫能專委會(huì)委員，《中國(guó)電力》期刊首屆青年編委。主要研究方向?yàn)殡姎漶詈侠碚撆c關(guān)鍵技術(shù)、氫儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。主持國(guó)家自然基金項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng)、省部級(jí)科研項(xiàng)目3項(xiàng)，獲吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，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(guó)偉，一級(jí)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(zhǎng)、國(guó)家百千萬人才工程人選、國(guó)務(wù)院政府特殊津貼獲得者、全國(guó)先進(jìn)工作者、全國(guó)優(yōu)秀教師。主要研究方向?yàn)樾滦碗娏ο到y(tǒng)安全分析與運(yùn)行控制、新能源電網(wǎng)接入、多形態(tài)儲(chǔ)能技術(shù)等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)，承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題1項(xiàng)，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)6項(xiàng)，發(fā)表高水平論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)。

閆華光，教授級(jí)高工，中國(guó)電力科學(xué)研究院技術(shù)戰(zhàn)略研究中心主任。中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)副秘書長(zhǎng)，全國(guó)電力需求側(cè)管理標(biāo)委會(huì)(SAC/TC575)副秘書長(zhǎng)。長(zhǎng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然基金項(xiàng)目多項(xiàng)，曾獲得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)10余項(xiàng)。

審核編輯：‘黃飛’

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