混合型多能源耦合微電網的研究綜述

鄭海，陳湘萍

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽，550025）

0　引言

在過去的半個多世紀里，煤炭作為主要能源為我國提供了近80%的電力供應。然而，隨著化石能源的大量消耗引發的一系列問題也隨之而來，例如土地退化、海平面上升、水質污染以及全球變暖等，不斷影響著人們的日常生活。迫于國際碳減排和環境友好要求的雙重壓力，使用太陽能技術、風能技術、水力發電技術等清潔、低碳的能源技術發電勢在必行。但由于太陽能、風能等可再生能源具有的間歇性和波動性特點，尋求一種高效環保的能源載體充當可再生能源和用戶的橋梁成為開發可再生能源的重點。氫能以環保、高效的特點而被認為是最有潛力的能源載體。目前，氫能的主要來源是電解水，電解水制氫裝置能夠在0%～100%額定功率范圍內自適應風電的不穩定功率輸出[1-3]，氫儲能裝置是平滑風電功率波動的重要措施之一。中國煤炭資源儲備豐富，石油和天然氣資源匱乏，但煤炭含有豐富的碳元素，產生相同的能量時會比天然氣和石油排放更多的二氧化碳，這就需要找到煤炭的清潔利用方式或者是將之與其它能源相組合的利用方式?，F代煤化工是巨量氫的富集和利用過程[4]，將其和風能及電解水組合利用即是一種能源的組合利用方式。

本文對風能、電解水、煤制甲醇及儲能分別作出概述，并以此為基礎構建了風電-氫儲能與煤化工的多能耦合系統的基本架構。

1　風能

由于風速的易變性和不可控性，模擬風速變化時為了準確地體現風能的隨機性和間歇性。通常使用基本風、陣風和漸變風這3種基本模型來模擬風速變化[5]。

（1）基本風模型

基本風通常理解為風電場中平均風速的變化，一般認為基本風速不隨時間變化，計算時可以取為常數，即有

式中,VWB為基本風速，單位為m/s,K為常數，單位為m/s。

（2）陣風模型

為描述風速突然變化的特性，可用陣風來進行模擬，風速在突然變化時具有余弦特性。即有

式中,VWG為陣風風速，單位為m/s,Tstart-up為陣風啟動時間,Gmax為陣風最大風速,TG為陣風周期。

（3）漸變風模型

漸變風用來描述風速的漸變特性，其變化特性具有線性性。即有

式中,VWR為漸變風速，單位為m/s,Vmax為最大漸變風速值，單位為m/s,Tstart為起始時間，單位為s,Tend為終止時間，單位為s,Tkeep為保持時間，單位為s。

綜上，實際經過風力機上的風速可以表示如式（4），表1顯示了風在不同風速下發電狀況。

當前我國風力發電的主要趨勢為[6-9]：① 更髙更大的風電機紐；② 風電生產效率的穩定性逐年提升；③ 風電投資成本逐年下降；④ 增加本地的風電消納能力；⑤ 集中大規模的風電開發。

表1　不同風速下發電狀況[8-9]Table 1 Power generation under different wind speeds[8-9]

2　電解水

電解水的裝置如圖1所示[10]，陽極制氧，陰極制氫，總反應式為：

在不同酸堿度溶液中，對應的陰極和陽極反應不同。在堿性和中性電解質中，陽極反應式為：

陰極反應式為：

而在酸性電解質中，陽極反應式為：

陰極反應式為：

標準狀況下，電解水的熱動力學電壓為1.23 V（25 ℃，1.01×105Pa），而實際情況中，通常需要施加大于1.23 V的電壓（Eop）才能使該過程進行，二者差值即為過電勢。

上式（10）中：

ηa—陽極制氧過電勢，V2；

ηc—陰極制氫過電勢，V3；

ηother—環境電阻等引入的額外電勢，V4。

化石燃料制氧和電解水制氫是目前制氫的主要方法[11-13]。與傳統的堿性電解水制氫過程相比，質子交換膜（PEM）電解水系統擁有效率高、產氫速度快、結構小巧等優點[14]。但電解槽對各部分組件要求比較高的缺點，比如價格昂貴的聚合物膜、介孔電極和集流器，也限制了其在產氫方面的應用[15]。電解水制氫過程需要使用催化劑，提升催化劑的活性可以降低陰極制氫及陽極制氧的過電勢，均可減少電解水制氫的能耗。在酸性電解質中，鉑基催化劑性能最優[16]。在堿性電解質中，活性最高的催化劑是銣、銥等貴金屬的金屬氧化物[17]。

下一步電解水制氫的發展方向[18-20]：① 新的電解槽結構；② 新的電極和橫隔膜材料的開發；③ 提高反應溫度；④ 可再生能源供電；⑤ 提高總制氫效率。

圖1　電解水裝置Fig. 1 Electrolysis water device

3　煤制甲醇

煤制甲醇過程是煤間接液化制油及煤制烯烴的基礎過程[21-22]。國內甲醇工業的生產原料以煤炭為主，以天然氣和焦爐氣為輔[23]。近年來，我國甲醇工業處于產能過剩的狀態，但甲醇作為中間產品可以生產多種工藝產品， 以甲醇作為原料生產的產品如表2所示。傳統煤制甲醇工藝流程圖如圖2所示[24]。

近年來，國內煤制甲醇產業及技術的發展趨勢歸納如下[25-28]：① 煤制甲醇生產裝置大型化；② 焦爐煤氣在甲醇生產原料的比重逐漸增加；③ 大力發展和選用合適的節能技術；④ 延長甲醇產業鏈，實現產業升級；⑤ 落后產能逐漸淘汰。

表2　原料甲醇生產的下游產品[29-30]Table 2 Downstream products of methanol production from raw materials

4　儲能

儲能的方式主要有壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導電池儲能、鉛酸電池儲能、抽水蓄能及鎳鎘電池儲能等。儲能技術能夠使波動性、隨機性較強的可再生能源得到“可調、可控”，加強可再生能源的開發利用，也保證可再生能源系統穩定、可靠的運行。儲能技術綜合性能資料如表3所示。

儲能技術的應用需要繼續做以下幾方面的研究[31-34]：① 高效、核心儲能關鍵技術的研發及利用；② 儲能與風力發電的互補利用策略； ③ 儲能技術類型選取與儲能容量的配置；④ 優化多種儲能電池的配置；⑤ 研發電能釋放和存儲速度快的儲能電池；⑥ 研發能量密度大、功率密度大、儲能效率高的儲能電池。

圖2　傳統煤制甲醇工藝流程Fig. 2 Process flow of traditional coal based methanol

表3　儲能技術綜合性能表[35-37]Table 3 Comprehensive performance table of energy storage technology

5　多能源耦合系統

利用風電-氫儲能與煤化工多能耦合系統就地消納風電，成為愈演愈烈的“棄風限電”問題的有效技術路勁之一[3]。雖然現階段新能源的利用得到大力的開發和利用，但由于風能、太陽能、地熱能等能源的隨機性、間歇性等特點，使得其大規模的開發利用也有一定的限制，所以開發一種多能源的多能耦合系統極其重要。周濤等[38-39]對包含風電場、超級電容器、氫儲能和燃料電池的多能源動力系統協調控制進行研究，結果表明該控制方案能有效優化并網風電的質量。徐曄等[40]從理論上構建了風氫互補發電系統，通過實例驗證該系統解決風電并網問題的有效性。

本文以風能、電解水、煤制甲醇、儲能為基礎，構建了風電-氫儲能與煤化工多能耦合系統的基本架構如圖3所示。此系統中，以風能作為主要能源供給，氫儲能系統中的電解水通過風能提供的電能進行電解以產生氫氣和氧氣，以平衡風機功率的不穩定輸出，達到解決風電過剩的問題，電解水產生的氧作為煤氣化時的氣化劑送入汽化爐，氫作為最終制甲醇的原料跟CO調成合適的比例制得甲醇。

多能源耦合系統整合了風資源、電解水及煤化工技術，這樣不僅可最大程度地利用清潔而豐裕的風資源，還能就近為煤化工產業用戶供電，多能耦合系統將風電轉換為氫能源儲存和產生氧氣，即有效地鈍化了間歇、隨機和波動等風電特性對微電網的不利影響，還能最大限度地減少煤化工生產過程中的原料煤和能源煤的消耗，節省了傳統煤制甲醇工藝中空分裝置的成本。

圖3　多能源耦合系統基本架構[1]Fig. 3 Basic architecture of multi energy coupling system[1]

6　結論

本文以混合多能源為論述對象，對多能源系統里所包含的風能、電解水、煤制甲醇、儲能等分別進行介紹。文中首先總結了風能的三種基本模型及風能未來的發展方向，其次概述了電解水在酸性和堿性條件下發生的反應，并總結了電解水的發展方向，然后就煤制甲醇的發展概況及甲醇的利用作了概括，并總結了當前最主要的儲能技術，最終，在四種能源的基礎上得出多能源耦合系統。