風(fēng)電制氫將風(fēng)力發(fā)出的電直接通過水電解制氫設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，通過電解水產(chǎn)生便于長期存儲(chǔ)的氫氣。風(fēng)電制氫有效解決了大規(guī)模的棄風(fēng)問題，不僅對綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)電的消納能力具有重要意義，也將探索出不同于儲(chǔ)能、P2G、供冷供熱進(jìn)行本地可再生能源消納的新途徑。風(fēng)電制氫有望加速海上風(fēng)電進(jìn)一步降低成本，進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。
除了棄風(fēng)制氫，棄風(fēng)壓縮空氣儲(chǔ)能也是一種可行的技術(shù)方案，廣東沿海分布有大量的適合建造地下儲(chǔ)氣庫的花崗巖，可建設(shè)海上風(fēng)電—壓縮空氣儲(chǔ)
2月27日，荷蘭殼牌宣布啟動(dòng)歐洲最大的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目(NortH2)，NortH2項(xiàng)目計(jì)劃在荷蘭Eemshaven建設(shè)大型制氫廠，將海上風(fēng)電轉(zhuǎn)化為綠氫，同時(shí)在荷蘭和西北歐建立一個(gè)智能運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，通過Gasunie的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施將80萬噸綠氫用于工業(yè)以及消費(fèi)市場，到2040年每年可以節(jié)約700萬噸的二氧化碳排放。廣東省到2030年底將建成投產(chǎn)約3000萬千瓦海上風(fēng)電裝機(jī)容量，海上風(fēng)電的并網(wǎng)及消納問題將成為廣東省迫切的問題。當(dāng)前廣東省擬在近海深水區(qū)進(jìn)行柔性直流以及海上風(fēng)電制氫的探索，在水深35-50米之間的海域共規(guī)劃海上風(fēng)電場址6個(gè)，裝機(jī)容量達(dá)5000萬千瓦，海上風(fēng)電制氫技術(shù)有望解決海上風(fēng)電消納問題，并加速廣東省海上風(fēng)電成本降低，進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。《南方能源建設(shè)》2020年第2期海上風(fēng)電專欄邀請廣東省電力設(shè)計(jì)研究院楊源介紹了一種含海上制氫站和岸上加氫站的海上風(fēng)電制氫技術(shù)路線，并給出了海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)，分享主要內(nèi)容如下：
當(dāng)前海上風(fēng)電發(fā)展如火如荼，以廣東省為例，到2020年底，建成投產(chǎn)200萬千瓦以上;到2030年底，建成投產(chǎn)海上風(fēng)電裝機(jī)容量約3000萬千瓦。大規(guī)模的海上風(fēng)電投產(chǎn)后，如何解決海上風(fēng)電的并網(wǎng)及消納問題，成為當(dāng)前迫切的問題。隨著氫能技術(shù)，特別是制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，以風(fēng)電制氫為代表的新能源制氫技術(shù)，逐步成熟，基本具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。因此，突破傳統(tǒng)的氫能概念，利用海上風(fēng)電直接制備氫氣，并通過液氫或高壓氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，送出到氫能源市場。通過海上風(fēng)電制氫，所獲得的“綠氫”無碳、可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸和分散的特點(diǎn)，使得海上風(fēng)電開發(fā)跨越電力輸送的渠道，而成為與石油和天然氣類似的，而且是一種綠色的，優(yōu)質(zhì)能源戰(zhàn)略能源類型。
1海上風(fēng)電-氫能綜合能源系統(tǒng)概述
海上風(fēng)電—氫能綜合能源系統(tǒng)包括海水淡化裝置、水電解制氫裝置、壓縮儲(chǔ)氫裝置、風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)及配套的電氣接入裝置等。其中，制氫系統(tǒng)集成布置于海上升壓站，儲(chǔ)氫和加氫部分布置在陸上集控中心。儲(chǔ)氫系統(tǒng)的高純氫氣可作為化工原料使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“電氫”聯(lián)供。
海上風(fēng)電—氫能綜合能源系統(tǒng)的定義是：利用間斷式、不均衡的風(fēng)電制氫和儲(chǔ)氫的綜合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電、水電解制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫裝置、燃料電池發(fā)電裝置、配電設(shè)施及有關(guān)的管線。其中水電解制氫裝置的定義是：以水電解工藝制取氫氣，由水電解裝置、分離器、冷卻器等設(shè)備組成的統(tǒng)稱。
海上風(fēng)電—氫能綜合能源系統(tǒng)流程示意見圖1，海上風(fēng)電制氫-燃料電池裝置運(yùn)行流程見圖2。由風(fēng)力發(fā)電的電能供給水電解槽制氫，所獲得的氫氣經(jīng)加壓后，通過高壓管道傳輸至陸上集控中心加氫站進(jìn)行存儲(chǔ)。
圖1 海上風(fēng)電-氫能綜合能源系統(tǒng)流程示意圖
圖2 海上風(fēng)電制氫-燃料電池裝置運(yùn)行流程(引自郭夢婕)
1.1 陸上加氫站
包括高壓氫氣貯存單元及氫氣減壓分配盤。高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)是將堿性電解槽制氫系統(tǒng)經(jīng)壓縮加壓后的氫氣，儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氫瓶組中，氫氣貯存罐安裝在室外。減壓分配盤是為了使用戶從氫氣貯存罐中獲得減壓后的氫氣，并配有安全閥。
1.2 海上制氫站
通過接收風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，在電解槽中產(chǎn)生氫氣，并通過分離、干燥、提純等步驟產(chǎn)出純度99.99%、壓力3.0MPa的高純氫氣。高純氫氣通過加壓經(jīng)管道，送至陸上加氫站。水電解制氫系統(tǒng)包括：水電解槽、海水淡化、氫氣純化裝置和氫氣壓縮機(jī)等設(shè)備，其產(chǎn)生的氧氣直接排出大氣。
當(dāng)海上制氫站需要黑啟動(dòng)時(shí)，以UPS作為啟動(dòng)電源，先通過備用站用儲(chǔ)能電池建立直流母線電壓進(jìn)而建立交流母線電壓和頻率，逐個(gè)投入裝置自身用電負(fù)荷以及模擬風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，之后可按需求投入其它負(fù)荷和電解制氫裝置。直流母線通過雙向DC/AC變流器實(shí)現(xiàn)交直流電流轉(zhuǎn)換，其中交流側(cè)為380V交流母線，接有電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫系統(tǒng)用電、UPS電源等，同時(shí)在35kV側(cè)接有無功補(bǔ)償裝置;直流側(cè)為220V直流母線，接有備用站用儲(chǔ)能電池，具備與380V交流母線雙向變流功能。
1.3 海上風(fēng)電機(jī)組
海上風(fēng)電機(jī)組可接受陸上綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的命令，根據(jù)事先約定的控制策略自動(dòng)調(diào)整和控制風(fēng)電場每臺(tái)機(jī)組的能量輸出能力，從而最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的有功、無功控制。
綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)需要保證風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行和制氫效益的最大化，主要由自動(dòng)發(fā)電控制子系統(tǒng)和自動(dòng)電壓控制子系統(tǒng)組成來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)風(fēng)電場的調(diào)度及控制。
2 海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。它可滿足風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)接入、電解制氫、海水淡化、儲(chǔ)能電池等的集配電需求，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電力電量平衡，并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電預(yù)測、短時(shí)功率平衡、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、電能質(zhì)量管理等功能。達(dá)到自發(fā)自用，短時(shí)儲(chǔ)電，長期儲(chǔ)氫，負(fù)荷可控的控制要求。
圖2 海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖
2.2 陸上加氫站監(jiān)控子系統(tǒng)
啟動(dòng)工況時(shí)，綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)對管道和設(shè)備進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，待氫氣系統(tǒng)中氧氣的體積分?jǐn)?shù)≤0.5%且氫氣體積分?jǐn)?shù)≤0.4%時(shí)，停止氮?dú)庵脫Q。氮?dú)庵脫Q完成后進(jìn)行氫氣置換，對系統(tǒng)進(jìn)行氫氣置換，待氫氣系統(tǒng)中氧氣體積分?jǐn)?shù)≤0.4%且氫氣體積分?jǐn)?shù)≧99.9%時(shí)，氫氣系統(tǒng)完成了氫氣置換，開啟氫氣瓶組截止閥，對儲(chǔ)氫瓶組提供氫氣。
運(yùn)行過程中，綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)通過氫氣側(cè)漏儀對環(huán)境中的氫氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度超過0.5%時(shí)，啟動(dòng)強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)排氣，當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度超過1%時(shí)，停機(jī)檢查。當(dāng)系統(tǒng)中壓力值超過安全閥的設(shè)定值時(shí)，安全閥通過排放管線對氫氣進(jìn)行泄放。
停機(jī)工況時(shí)，綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)閉氫氣瓶組截止閥，對系統(tǒng)管道和設(shè)備進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，待氫氣系統(tǒng)中氧氣的體積分?jǐn)?shù)≤0.5%時(shí)，停止氮?dú)庵脫Q。
2.3 海上升壓站制氫站監(jiān)控子系統(tǒng)
綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)可采用自動(dòng)調(diào)節(jié)、順控和遠(yuǎn)控操作相結(jié)合的控制方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)包括電解槽和氫、氧分離器的水位控制，順序控制包括電解槽的投運(yùn)、停止的控制。
3 海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)能量管理
3.1 發(fā)電預(yù)測及計(jì)劃
綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)通過歷史數(shù)據(jù)、實(shí)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行風(fēng)電場的發(fā)電功率預(yù)測，配置風(fēng)電資源監(jiān)測功能，并配置風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測功能。
(1)根據(jù)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測數(shù)據(jù)、風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、制氫負(fù)荷特性，合理安排風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組、制氫計(jì)劃、儲(chǔ)能充放電計(jì)劃。
(2)可對海上風(fēng)電場的無功電壓運(yùn)行進(jìn)行控制。
3.2 分布式電源管理
(1)對風(fēng)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，包括風(fēng)電機(jī)組管理、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)管理等。
(2)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢修狀態(tài)管理，對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢修掛牌、檢修時(shí)間設(shè)置。
(3)對儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)管理，儲(chǔ)能荷電狀態(tài)過高/過低時(shí)能夠預(yù)警。
3.3 制氫負(fù)荷管理
(1)具備根據(jù)制氫負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對制氫計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。
(2)對氫氣進(jìn)行管理，包括氫氣消耗統(tǒng)計(jì)、剩余氫氣計(jì)算和顯示、氫氣存量預(yù)警等。
(3)能對各制氫負(fù)荷終端實(shí)施限電策略，可包括控制輪次、控制時(shí)段、功率定值、電量定值等。
結(jié)論
本文對海上風(fēng)電-氫能綜合能源監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、分析了陸上加氫站、海上制氫站、海上風(fēng)電機(jī)組各監(jiān)控子系統(tǒng)的要求，并給出了能量管理的要求。該系統(tǒng)可滿足風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)接入、電解制氫、海水淡化、儲(chǔ)能電池等的集配電需求，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電力電量平衡，并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電預(yù)測、短時(shí)功率平衡、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、電能質(zhì)量管理等功能。
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