【精彩论文】含风电制氢装置的综合能源系统优化运行

郭梦婕，严正

上海交通大学

引文信息

郭梦婕, 严正, 周云,等. 含风电制氢装置的综合能源系统优化运行[J]. 中国电力, 2020, 53(1): 115-123,161.

GUO Mengjie, YAN Zheng, ZHOU Yun, et al. Optimized operation design of integrated energy system with wind power hydrogen production [J]. Electric Power, 2020, 53(1): 115-123,161.

研究背景

近年来，综合能源系统逐渐受到世界各国的关注，其能够实现风能、太阳能、天然气、氢能等多种能源的相互转化，并利用电能和热能的存储、供应、消耗，实现能源的多次利用，是当前提高能源利用效率、减少污染气体排放、高效利用可再生能源的重要途径。

电转氢技术能够将电能转化为氢能，有利于能量存储及清洁利用，考虑电转氢技术的应用是综合能源系统的重要研究方向。风电制氢技术有效解决了大规模的弃风问题，不仅对综合能源系统中风电的消纳能力具有重要意义，也将探索出利用储能、P2G (Power to Gas)、供冷供热进行本地可再生能源消纳的新途径。

论文所解决的问题及意义

本文在高弃风的背景下，考虑了风电制氢装置在综合能源系统中的应用，研究了含电制氢装置的不同控制方式，提出了含电制氢装置的综合能源系统优化模型。通过多种能源之间的相互转化，同时满足电力、氢气以及热负荷需求。算例仿真结果验证了所提模型的有效性，分析了风电制氢装置对于降低系统运行成本、提高清洁能源消纳量的重要作用，对比了不同氢气负荷需求下系统的运行情况，仿真结果说明，合理安排氢气负荷有利于进一步促进系统绿色、经济运行。

论文重点内容

通过不同的化学反应，可实现氢能和电能之间的相互转换：电解水装置消耗电能并产生氢气，实现电能向氢能的转换；燃料电池或热电联产机组可利用氢气产生电能，实现氢能向电能的转换。图1中给出了氢能和电能相互转换的过程，其化学反应的表达式为：

图1 电-氢转换示意图

在电能转换为氢能的过程中，产生的氢气可利用储氢装置储存，一方面可以在电力缺额时供给燃料电池使用，满足电力负荷需求；另一方面，能够为工业氢气的使用提供来源。在氢能转换为电能的过程中，氢气的燃烧过程会释放热量，可供给系统的热负荷。

在实际应用中，制氢过程通常与可再生能源的消纳相结合，在电力负荷低谷时将富余的可再生能源转换为氢能存储满足工业用氢需求（如医疗、炼钢、航空、以及绿色能源车等），并在电力负荷高峰时将氢能转换为电能以满足负荷需求，同时也增加了可再生能源的消纳量。本文中考虑风电制氢过程，构建了如图2所示的含电制氢装置的综合能源系统，在满足电负荷、热负荷、以及氢负荷需求的同时，促进可再生能源的消纳。其中，风电制氢-燃料电池发电系统和热力系统为电能、氢能和热能的转换提供了必要的条件。

图2 含风电制氢装置的综合能源系统

综合能源系统内的风电制氢-燃料电池装置如图3所示，该装置包括风力发电机，水电解装置，燃料电池装置，储氢装置，压缩装置，整流和逆变装置，以及控制系统等。风力发电机产生的电能经变压器流入电网，在满足本地电负荷需求后，富余风电可通过整流装置向水电解装置输入直流电进行电解。通过电解水产生的氢气经由氢出气管进入氢冷却分离器进行冷却分离后排出，即可得到高纯度的氢气。所获得的氢气通过管道及压缩装置集中注入储氢设备中，一部分用于工业与交通运输，另一部分用于燃料电池发电使用。风电制氢-燃料电池的分布式供能装置的控制系统主要包含以下功能：（1）功率平衡控制。根据电能调度、制氢以及燃料电池发电系统的需求进行风力发电控制，满足电力系统的功率平衡。（2）风力发电电压控制。利用无功补偿设备等可控设备实现风力发电输出电压的稳定。（3）风电制氢及燃料电池发电系统控制。根据电网负荷需求、风力发电功率控制电解水制氢及燃料电池发电装置的运行。

图3 风电制氢-燃料电池装置运行流程图

综合能源系统内的热力系统包括热源、热网、热交换站和热负荷4部分。热力系统可被分为传输系统（一次管网）和分配系统（二次管网）。其中，从热源至热交换站部分称为一次管网，从热交换站到热负荷部分称为二次管网，是由热交换站将热能传输至用热负荷的分配系统。一次管网和二次管网通过热交换站进行热量交换，同时热交换站作为一次管网的热负荷，以及二次管网的热源。本文主要考虑热力系统中的一次管网部分，将热交换站视为整个系统的热负荷。在一次管网中，传热介质通过供水管网将热量从各个热源输送到各个热交换站，再通过回水管网将剩余热量回到热源。热力系统中热能的传输过程如下图4所示。

图4 热力系统中热能的传输过程

本文考虑了风电制氢装置在综合能源系统中的应用，基于综合能源系统的不同控制方式，提出了含电制氢装置的综合能源系统优化模型，计及了多种能源之间的相互转化，能够同时满足电力、氢气以及热负荷需求。

将此系统运行结果与不考虑风电制氢-燃料电池等含氢装置的综合能源系统运行结果相对比。图5对比了两个系统中风电的消纳情况，图6给出了电制氢过程氢气的储存量。结合图5和图6可知，含电制氢的综合能源系统中风电的消纳量高于不含电制氢装置的系统，并且电制氢装置在风电富余时通过能量转换实现了能量的存储。所产出的氢气既可以供给工业氢负荷使用，同时可通过燃料电池发电满足电力负荷需求。进一步，对比了综合能源系统总的弃风量，含电制氢装置的综合能源系统弃风量减少了2910MW。

图5 风电机组投入系统总出力情况对比

图6 氢气储存量

研究结论

算例仿真结果验证了所提模型的有效性，分析了风电制氢装置对于降低系统运行成本、提高清洁能源消纳量的重要作用，对比了不同氢气负荷需求下系统的运行情况，合理安排氢气负荷有利于进一步促进系统绿色、经济运行。

1）相比于传统的综合能源系统，本文所提含风电制氢的综合能源系统可利用电制氢装置实现电能向氢能的转换，一方面满足工业氢气的使用，另一方面有利于提高富余风电的消纳，同时降低了系统的运行成本。

2）对比综合能源系统中不同的氢负荷需求下的运行结果可知，合理安排氢气负荷需求有利于进一步促进综合能源系统的绿色、经济运行。

主要作者介绍

第一作者：郭梦婕（1994—），女，硕士研究生，从事综合能源系统、多能互补研究。

E-mail: [e-mail]；

第二作者：严正（1964—），男，通信作者，博士生导师，教授，从事电力系统优化运行、综合能源系统研究。

E-mail：[e-mail]。

团队介绍

上海交通大学电气工程系智能电网优化调度研究团队，以严正教授为核心，多名中青年教师为骨干组成的研究群体，研究团队成员40余人。主要面向智能电网优化调度和能源互联网运行与控制领域，近年来在电力系统状态认知、优化调度与能量管理、电力市场及技术经济、可再生能源运行与风险管理等方面的研究取得了丰硕成果，负责和参与多个国家级、省部级项目，相关研究工作得到国家电网、南方电网、基金委、科技部等大力支持。团队总结多年的教学、科研、项目经验，积累形成编著和专著10余部，近五年发表SCI，EI期刊论文百余篇。

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编辑：杨彪

审核：方彤

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