風光儲氫一體化可再生系統設計與實現

山東工業設備安裝集團有限公司 丁玉魯

1 引言

隨著社會的發展，石油等不可再生資源的儲備量逐漸減少，并且這些傳統能源使用過程中不可避免會對環境造成一定程度的污染。因此，綠色清潔環保的新能源越來越多地被采納應用，在能源市場的占比也越來越大。在新能源市場中，風能、太陽能作為一種取材方便、經濟實惠的清潔資源，一直受到來自電力單位的關注，風光儲氫發電技術也逐漸壯大起來[1]。當前，我國在全力發展風光儲氫發電技術的進程中，風光儲氫發電設備生產流程還有待完善，一體化管理也需要完全建立，還需要積累更多風光儲氫發電技術的相關經驗，加速風光儲氫發電技術進展。

不同于傳統的風光新能源供電模式，在本文所研究的系統中，將電解水制氫氣作為風、光等可再生資源發電的備用渠道，充分利用風、光等資源的同時，降低了對市電的依賴，儲氫模塊的增設進一步減小了風電、光伏波動造成的不穩定因素。此外，該系統的研發和應用，符合國家對低碳生活的相關要求，響應了國家節能降耗的號召，減少了電力企業電費支出，提高了企業的創新度和經濟效益，保障了居民的安全可靠用電。在風光等可再生資源發電水平不斷提升的基礎上，研究降低電解水制氫的生產成本，提升企業整體利潤是未來發展的一個新方向。

2 風光儲氫一體化可再生系統設計理論

2.1 太陽能發電技術

太陽能發電又稱光伏發電，主要通過光伏電池進行太陽能與電能的轉換，光伏電池采用串聯或并聯方式，以一定的角度在光伏支架上進行設計安裝，組成光伏陣列，較好地吸收太陽量，并將太陽量轉化為直流電，經匯流箱后進入逆變器，在逆變器中逆變為交流電后，輸送到主電網中。但受晝夜光照影響，存在光伏出力不穩定，及發電有間歇性現象。

2.2 風能發電技術

風能作為新能源系統中關鍵一員，利用自然界風能，先將其轉換為機械能，最終轉變成電能。風能雖然儲備不便，但取材方便，是一種可以長期反復利用的能源。然而，受季節、氣候及地理位置等因素的影響，風能的隨機性很強，故需要根據風力大小及刮風時間對發電系統進行適當合理的控制，且風能與太陽能發電相似，存在出力不均衡性。此外，風力發電廠可以并入電網進行運行，但不能配置儲能系統。

2.3 風光儲聯合發電技術

風光儲聯合發電單元一般包括風力發電模塊、光伏太陽能發電模塊及儲能模塊等。利用風能、太陽能可以實現能源互補，充分利用等優勢。在炎熱的夏季，太陽光輻射強因而光伏的發電出力較高，但風力強度較弱因而風電機組的出力小。相反，在嚴寒的冬季，太陽輻射弱因而光伏的發電出力較小，風力強度較大因而風電機組的發電出力大。單從每日來看，白天日照強、風力較小，故光伏發電比風機的發電出力多；而在晚上沒有日照、風力較大，故夜晚只有風機發電。在科學合理調配風能、太陽能發電容量的前提下，可以很大程度上降低風光綜合發電的波動性，風光儲發電單元的應用，能夠有效緩解環境污染等歷史難題，其次，為克服光伏發電和風力發電的不穩定性，引入儲能手段可以很好地解決這個問題。而氫能作為一種清潔安全、靈活高效的二次能源，是一種綠色高效的能源儲存和流通載體，既可以形成獨立供應和應用體系，又能與電相互轉換、耦合發展，并能夠在電網、熱網、氣網之間形成有效的協同和互補，增強能源系統的安全性。總之，風光儲氫發電單元的應用，能夠有效緩解環境污染等歷史難題，減小風能和太陽能發電單獨輸出并入電網而造成的不穩定性，促進系統的穩定運行[2]。

3 風光儲制氫項目簡介

該系統設計以風光儲氫一體化為基礎理念，對光伏發電、風力發電、儲能、制氫等進行綜合調配，使各項資源得到充分利用，不斷優化風光儲氫的一體化生產和能源可再生利用方式，提升系統運行水平，某地區風光儲制氫項目流程如圖1所示。為充分利用風能與太陽能資源提供電源給制氫設備進行電解水制氫，在滿足生產安全的前提下，該項目在廠房屋頂配置15000kV光伏太陽能發電裝置。搭配產量為16萬m3/h的制氫設備，該裝置每年可生產氫氣7.2萬t，且氫氣純度符合國家氫氣生產行業標準，滿足相關企業的使用要求。針對投資成本、機組效率與使用情況等多種因素進行衡量，該裝置能保證電能輸出的連續穩定，具有較高的應用價值。該項目的特征是新增儲能制氫的環節，克服了傳統電力發電過程不可控制的缺點，保證發電系統功率輸出平穩無沖擊，大大增強電力網絡運行的安全可靠性。

圖1 風光儲制氫項目流程

該地區風光儲制氫項目以生產儲能及輸出功率控制為重心，通過對風電機組、光伏輸出功率的預估，聯合儲能模塊，實現功率穩定輸出的目的。其中，制氫設備中的儲氫模塊可以由氫燃料電池充當。一般情況下，電解水制氫可依據外界風力以及太陽能輻射發電的出力狀況動態進行相應的調整。風光發電出力變化率較高時，可以借助儲能及制氫設備起到一定的平衡效果。風光發電出力滿足制氫設備電解水制氫最低負荷門檻時，制氫設備的負荷跟隨風光發電出力情況實時變動調節，利用儲能系統充放電完善電網削峰填谷的能力，保證輸出功率的穩定性。風光發電出力未滿足電解水制氫設備工作的最低負荷門檻時，倘若殘存的氫氣能滿足自身合成氨的流程，則制氫系統繼續運行，否則，制氫系統暫停。

該地區風光儲制氫單元的工作控制邏輯關系如圖2所示，主要有自動發電控制、綜合智能控制、自動電壓控制等，以生產儲能及輸出功率控制為重心，通過對風電機組、光伏輸出功率的預估，聯合儲能模塊，實現功率穩定輸出的目的。系統采用SCADA技術[3]，分析歷史數據，結合氣象資料對功率進行預測，根據負荷需求制定次日生產計劃，實時控制光伏、風機、儲能設備的運行模式，保證系統功率曲線平滑穩定。其中，數據庫的建設是重中之重，需要保證數據收集及錄入的準確性和完整性，可將風電機組、光伏輸出數據按照時間、序列號、功率等項目進行羅列登記，逐一錄入，慢慢積累，逐步完善風光儲制氫項目的維護信息，實現風光儲氫一體化可再生系統運轉數據的隨時生成、一鍵導出等。

圖2 風光儲制氫項目單元運行模型

4 風光儲氫一體化可再生系統設計

該系統設計以風光儲氫一體化為基礎理念，對電力企業中各項人力物力資源進行綜合調配，使各項資源得到充分利用，不斷優化風光儲氫的一體化生產和能源可再生利用方式，提升系統運行水平，如圖3所示。

圖3 風光儲氫一體化可再生系統設計

該系統的主要特征為，在一體化可再生系統設計過程中，加入了儲能制氫模塊，基于對系統供電情況動態監測數據，實時判別風光等可再生資源的發電條件，精準控制系統供電的優先級，有效克服風能、太陽能等發電過程中出現的波動性、間歇性等難題，保證了可再生系統輸出功率的平穩性，一定程度上降低了風光等可再生能源供電不穩定對整個電網運行造成影響。

本系統符合供電大致有四路，一路是在風力充足情況下風機供電，通過AC/DC/DC裝置后進行交直流電轉換，然后經UPS逆變器后供給交流負載使用；剩余電量可并入大配電網，也可提供給制氫設備進行電解水制氫，將多余電量進行存儲；一路是在太陽輻射充足情況下，通過光伏矩陣中的光伏電池，充分吸收太陽量，并將太陽量置換為直流電，經DC/DC裝置后流入UPS逆變器，供給交流負載使用；作為系統儲氫模塊的氫燃料電池，在風力及光伏發電不給力時，會開始啟用，輸出的電能經過交直流逆變器后，經能量管理系統、UPS逆變器等，最終供給交流負載使用；當以上渠道均不通時，可使用電池組進行供電，保證系統可以正常工作。減少市電及油機的使用、有效節省資源的同時也多角度避免了風光等可再生能源供電不穩定對整個電網運行造成影響。

其中，能量管理系統作為核心控制單元，可以全天24h實時采集數據，動態監測系統電量的分配狀態，根據外界風力、太陽能、氫能等條件時刻控制不同供電模塊工作的優先級順序，如發現異常情況，迅速上傳到通信網絡，經過計算機處理，及時診斷出系統存在的隱患并進行報警，為設備檢修提供有力支撐，有效保證后期系統的供電質量。

該系統主要是實現對整個風電等可再生資源發電輸出功率曲線的優化，減少不穩定因素對總電網運行所造成的不良影響。在氫燃料電池的使用下，可以充分提高配電網對風能、太陽能的吸收和接納能力，配合能量存儲系統的科學調節負荷分布功能，進一步完善電網削峰填谷的能力，大大緩解風能、太陽能這些由于氣候和天氣對發電系統造成的供電出力間歇性、不連續性，有效提升居民用電體驗。

此外，在風光儲氫一體化可再生系統設計開發過程中，也要加強管理上的力度，主要分為兩個方面。

一是積極落實生產質量責任制，明確各級工作人員的工作職責，利用上下級管理關系，形成萬一工作方面發生事故，便可逐級匯報，一一落實，并將具體的責任量化，追究到個人。質量責任制的貫徹，需要提前制定好作業指導書，并在指導書中明確各步驟質量卡控點，通過質量卡控點的完成度來實現質量責任制的落實。且質量責任制應覆蓋整個系統設計的每個環節，在可控范圍內量化責任、提高風光儲氫系統的運行質量。

二是需加強風光儲氫一體化系統研發設計人員的教育和培訓工作，有條件情況下派出專業技術人員去發達國家的風電儲發電廠進行學習，參考其一體化工作方式，以“提高工作效率、降低故障發生率”為問題導向，并結合自身風光儲氫發電設備的實際工作情況對其進行科學合理的改進設計，逐步完善風光儲氫發電設備一體化生產工作方法。

5 結語

本文從風光儲氫一體化可再生系統的設計理論入手，在對風光儲制氫項目進行介紹的基礎上，設計了風光儲氫發電生產一體化系統，包含風力充足情況下的風機供電、太陽輻射充足情況下的光伏供電、氫燃料電池供電以及電池組供電模式等，根本上保證了風光儲氫發電設備的安全平穩運行，有效提升了風光儲氫發電一體化的生產質量，推動了電力企業健康發展。