光伏電站消納限電方案設想

劉利勇

【摘 要】隨著全球能源需求的不斷增長，能源緊缺、環境污染和氣候變暖等問題日益突出。倡導低碳經濟，提高資源利用率，加大對可再生能源利用力度，但是在可再生能源的實際利用中，我們遇到了一些亟待解決的問題，諸如新能源生產中的限電問題所引起的設備利用率低，存在大量的浪費，就此我們提出了電解制氫的解決方案，下面主要從經濟性比較、基本原理分析、結構功能的優化等方面論證電解制氫電源側方案在光伏電站應用的可行性。

【關鍵詞】可再生能源;光伏發電;氫能源;限電消納;電解制氫;自動化控制

引言

太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到人們的重視，應用領域也越來越廣泛，但是清潔能源發展不平衡的矛盾日益凸顯，特別是清潔能源消納問題突出，已嚴重制約電力行業健康可持續發展。

1 新能源電站存在嚴重的限電，清潔能源消納問題突出

當前由于大多數新能源電站地處偏僻，當地用電量少，電網遠距離傳輸能力有限的情況下，限電非常嚴重。如河北北部地區的沽源某光伏電站（裝機容量為75 MW）2018年月12月至2019年11月，月限電及發電情況統計。此光伏電站12個月中總限電4076.3萬kW，而這期間總發電量為11033.75萬kW，由限電率公式：限電率=總限電量/（總限電+總發電量）可算的這個電站的限電率為27%，對于這樣一座中型的光伏電站一年期間限電4076.3萬千瓦電量，無疑是非常驚人的。

2 關于氫能源的生產和利用的簡要介紹成本比較。

2.1氫能作為工業生產的原料，市場已經較好的建立起來。但需要指出的是，目前氫能并未廣泛作為機動車燃料用途，原因在于化石燃料法制氫有成本和污染問題。如果能使電解制氫成為技術可行、經濟價值突出、社會效益顯著能源使用方案，它將極大緩解我國石油短缺，煤炭污染的社會問題。

2.2制氫技術有包括煤制氫、天然氣與石油制氫、工業副產氫等、電解水制氫技術等。各制氫技術的成本比較 如圖1所示

2.3水電解制氫各相關成本變量關系

目前電解水制氫技術成熟度已較高，且有一些案例已經進入實用階段。其中電費成本會達到 70-80%，占比較高。因此，我們可以得出結論：電解水制氫最重要的成本在于電費，用電的成本決定了氫氣的成本，電解水制氫工藝需要盡可能的壓低電費成本。一般來講，每生產 1Nm? H2 約消耗電力 3.5-5kWh，如果采用當前市場銷售電價作為制氫成本，電解水技術路線是沒有競爭力的。但如果能夠使用到成本較低的電力用于制氫，即當電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm? 的時候，該方法在經濟性上就具有一定競爭力;此外，考慮碳減排的因素，電解水制氫較化石燃料法制氫法相比更具有一定的社會效益。

3 棄風棄光電力的消納為電解制氫提供了廉價的經濟性基礎

這種低成本的電能通常情況下較難獲得，但在棄光電力消納過程中可以實現，這也是電解水制氫工藝路線的核心。利用可再生能源制氫是新能源領域的一個新發展趨勢，要廣泛利用來自可再生能源的氫，必須要獲得廉價的電力，并繼續致力于降低設備建設和關聯設備的成本，通過使用光電能可以打通制氫環節路線。對于嚴重受限電困擾的光伏電站，可以通過越過大電網系統，就地消納自身的棄光電能，把自身的劣勢轉化為自身的優勢。這種本已舍棄電能制氫成本是很低的。

光伏發電的特點，光伏發電所利用的太陽能電池是將不同導電類型的半導體界面緊密接觸形成P-N結，P-N結中電子受到光子沖擊作用，變成自由電子，將光能直接轉變為電能。

集中式光伏電站生產流程：太陽能電池組件將太陽能直接轉換成電能（直流電），電池組件串聯后，提高電壓，再將個組串在回流箱內并聯提高電流，數臺匯流箱并聯接入一臺逆變器，將直流電（450-850V）逆變為交流電（315V），通過箱式變壓器變壓，經集電線路匯集后并入電網或經升壓變升壓至110kV（220kV）并入電網。

光伏電池板產生出來的原始電能就是直流電，而各類電解制氫無論哪種工藝最基本的條件就是需要直流電，對直流的電壓并無特殊要求。對于電解制氫工藝側細節我們這里不再贅述。

4 利用棄光電解制氫從電源側結構流程方面改進，可以進一步提高能源的可利用率

從電解水制氫工藝特點可以得出：光伏電池板發出的直流電正是電解制氫可以直接利用的電能。這就顯示出了光伏發電就地消納的優勢，無需再通過逆變器進行逆變轉化為交流電，我們可以直接從各個光伏區的直流配電柜進行改造：在直流配電柜母排上增加一個直流輸出電纜，讓光伏區直流配電柜每個直流電纜進行進一步的匯總到總的直流匯集柜，我們暫且管這個柜叫作：總直流匯集柜。為了防止這些直流電纜的短路以及反流我們在這些電纜的首端和尾端加裝防反二級管。

我們為什么不在原有的高壓開關柜上取電源，而是在各個直流配電柜取電進行匯集呢，這是因為這樣可以使能量的利用率高很多。我們分析比較一下從原有的高壓開關柜上取電源進行電解制氫的電能轉換效率和從直流配電柜取電的轉換效率進行比較。

從原有高壓交流開關柜的流程如下：

直流配電柜經過逆變器逆變（轉化率為94%），經過雙裂式變壓器升壓（轉化率為98%），經廠區電纜及高壓交流開關柜（轉化率99%），在經過降壓變壓器降壓（轉化率為98%），最后還要通過整流器整流為直流電（轉化率為94%）才能進行利用。這個過程雖然已經跳過從電網取電的主變壓器及長距離電纜（轉化率為97.5%）但能量的損耗依然是驚人的。我們從光伏電站的直流配電柜通過直流電纜直接取電，到總直流匯集柜進行匯總這樣取的直流電源就可以跳過紛雜設備（兩到三級變壓器，一級逆變器，一級整流器，三級交流電纜），直接用一級直流電纜傳輸代替很多設備。計算傳輸電能為 94%×98%×99%×98%×94%=84% 再比較就地直流匯集傳輸與電網取電傳輸（84%×97.5%=81.9%）。

直流電傳輸經濟性：①沒有感抗和容抗的無功損耗。②沒有集膚效應導線的截面利用充分。③線路造價低，交流需三根電纜，而直流只需兩根，且由于絕緣介質的直流強度遠高于交流強度（同型號傳輸直流是交流的三倍）中短距離能量傳輸幾乎是100%。

直流輸電的技術的安全性：①不存在系統穩定問題，可實現各分直流配電柜的非同期互聯。②限制短路電流。直流系統的“定電流控制”可快速把短路電流限制在額定功率附近。直流系統各支路中可在電纜兩側安裝防反二極管，當短路時有效地阻止反向故障電流的形成，把故障設備限制在有限的范圍內。

有以上直電流傳輸特點我們可以推導得出：把直流電匯集，由直流配電柜傳輸到直流總匯集柜的直流電源總母排的能耗幾乎為零。就地直流傳輸匯集取電和電網取電進一步比較兩種取電方式能量轉化率，100%/81.9%=122%。可得出結論，就地直流柜取電比電網取電，提高超過20%的效率。

既然經濟性突出和安全性可靠，那么我們如何實現對電網發電與生產電解制氫這兩方面快速有效地切換呢？

目前電網對各個發電站的有功出力是利用AGC系統進行自動調節的。我們同樣可以利用現有的AGC系統，從控制策略入手，通過對AGC系統升級和直流配電柜改造得以實現。使各直流配電柜向逆變器傳輸或向總直流匯集柜傳輸進行自動調節。控制策略如圖2 所示 光伏限電制氫的AGC自動化控制流程圖

當電網不限電的情況下，直流配電柜只向對應的逆變器傳輸電能，而閉鎖向總直流匯集柜的電纜通道。當電網限電的情況下，通過AGC系統的控制策略自動計算出要切除的逆變器容量并進行自動分配，自動切除這部分直流配電柜至對應逆變器的通道，并同時打開這個直流配電柜與之對應的總直流匯流柜通道。也就是說：我們將現有直流各配電柜進行改造使之有兩個通道即對應的逆變器通道和總直流匯流柜通道，這兩個通道互為閉鎖，可以在電網發電和就地電解制氫兩個通道上自由切換，實現光伏電站的無棄光發電。

其他的優勢：

通常情況下，光伏發電組件在限電的情況下，并不能延長設備的使用壽命（20年左右），所以這部分被電網舍棄的電能成本幾乎為零。在光伏發電系統中，逆變器的功率模塊是損耗和故障率較高的設備。在電網限電的情況下對直流配電柜到對應逆變器通道關閉使逆變器停機，這樣可是使長期運行的逆變器疲勞度下降，從而使逆變器的使用壽命延長。

以下是光伏電站就地消納限電制氫的電源側示意圖 如圖3所示

5結束語

成本是電解水制氫技術最大制約因素，其雖有純度高、對環境友好等多項優勢，但成本顯著高于其他方式。可再生能源制氫，尤其是利用棄光電力制氫，可有效消納棄光電力、降低制氫成本，且在能量轉換效率非常高效，因此我們應從限電嚴重的光伏發電站入手，切入氫能領域，利用光伏電力制氫方案就地消納限電電能，可大幅的提高光伏發電企業的經濟效益，同時有助于解決環境污染和氣候變暖等社會問題。

參考文獻：

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（作者單位：國家電投集團河北電力有限公司）