電力系統(tǒng)氫儲能關鍵應用技術現狀、挑戰(zhàn)及展望

王士博，孔令國，蔡國偉，閆華光，韓子嬌，劉闖，萬燕鳴，楊士慧，王曉晨

(1.現代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)；2.中國電力科學研究院有限公司；3.國網遼寧省電力有限公司；4.北京國氫中聯氫能科技研究院有限公司；5.先進輸電技術國家重點實驗室(國網智能電網研究院有限公司)；6．國網能源研究院有限公司)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230170

1 ? 研究背景

可再生能源規(guī)?；尤雽⒔o電力系統(tǒng)電力電量時空平衡與安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。儲能作為靈活調節(jié)資源將成為解決上述問題的有效方案之一，氫作為能源低碳化發(fā)展的優(yōu)選能源形式引起了世界各國的高度重視。近年來，氫能全產業(yè)鏈裝備核心技術不斷得到突破，電解水制氫與氫燃料電池等產業(yè)進入高速和高質量發(fā)展期，促使電-氫能源形成了融合式的發(fā)展趨勢，氫儲能也因此被作為一種新型儲能技術被廣泛的集成到電力系統(tǒng)“源-網-荷”各個環(huán)節(jié)之中?；诖?，本文針對電力系統(tǒng)氫儲能關鍵應用技術現狀進行歸納梳理，從目前技術發(fā)展中分析指出所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來技術發(fā)展趨勢進行展望。

2 ? 論文所解決的問題及意義　

氫儲能是構建新型電力系統(tǒng)的重要儲能形式，目前，部分學者及科技工作者在氫儲能材料裝備、電-氫協同規(guī)劃設計、電-氫耦合系統(tǒng)控制等方面均已開展了相關技術及工程示范的初步探索，但關于氫儲能在電力系統(tǒng)中多場景下的應用技術分析仍較為匱乏，且電-氫耦合系統(tǒng)仍存在動態(tài)適應性匹配、靈活高效互動和多時間尺度仿真建模等一系列問題，電-氫耦合形態(tài)與技術體系仍需進一步深入研究。本文首先通過歸納分析構建了氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結構，概括總結了氫儲能關鍵技術現狀，然后回顧了氫儲能在電力系統(tǒng)中應用技術研究基礎，最后，提煉電-氫耦合發(fā)展中存在的技術挑戰(zhàn)，并對未來技術發(fā)展趨勢進行展望，進而加速推進氫儲能在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧谩?/p>

3 ? 論文重點內容　　

（1）氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結構

以氫儲能在電力系統(tǒng)“源-網-荷”各環(huán)節(jié)應用場景為主線，在“源”側提出氫儲能提升可再生能源的深度消納與友好并網和燃氫電廠慣量支撐等典型場景，在“網”側提出氫儲能電站提供慣量支撐及調峰/調頻輔助服務，以及輸電阻塞緩解和季節(jié)性電量平衡等場景，在“荷”側通過構建電-氫-熱-冷多能耦合綜合系統(tǒng)、氫能建筑/園區(qū)及分布式制加儲一體站以實現電力電量支撐、需求側響應和調頻調峰等輔助服務。氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結構如圖1所示。

圖1 ?氫儲能與電力系統(tǒng)耦合結構

（2）氫儲能關鍵技術

針對電解水制氫技術、氫氣發(fā)電技術、氫氣儲輸技術、電解槽/燃料電池建模四個氫儲能關鍵技術展開論述。總結了各類型電解水制氫與氫燃料電池的主要性能指標，闡述了不同技術路徑下的氫氣儲輸技術特點，從時空維度總結了目前電解槽/燃料電池建模技術的發(fā)展現狀，并根據用能特點分析與新型電力系統(tǒng)構建需求得到氫儲能制、儲、輸、用關鍵技術在電力系統(tǒng)中的潛在應用場景。

（3）“源-網-荷”側氫儲能應用技術現狀

在“源”側風/光等可再生能源消納與友好并網場景下，目前主要圍繞系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)控制以及制氫/燃料電池多機協同控制開展系列研究，而燃氫電廠為電力系統(tǒng)提供慣量支撐場景下的研究仍相對匱乏；在“網”側場景下，目前研究學者圍繞氫儲能參與電網輔助服務與季節(jié)性電量平衡兩個方面開展部分探索；在“荷”側場景下，目前氫儲能的主要應用場景是構建氫能建筑/園區(qū)，研究方向集中于系統(tǒng)配置和運行控制兩個方面。

（4）“源-網-荷”側氫儲能應用技術挑戰(zhàn)

結合目前研究現狀，分析氫儲能現階段在電力系統(tǒng)中應用存在的關鍵技術挑戰(zhàn)，主要總結為面向可再生能源耦合制氫的電解水制氫負荷動態(tài)適應性、高效電解水制氫功率變換器結構及計及氫安全的入網控制、面向電力系統(tǒng)季節(jié)性電量轉移的大容量長時儲氫技術、面向異質能源協同的構網型燃料電池電-熱耦合控制以及面向系統(tǒng)規(guī)劃設計、系統(tǒng)控制方案開發(fā)和工程建設的電-氫耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真建模5個方面，并簡要討論了各種技術挑戰(zhàn)未來可能的技術方案。

圖2??適應寬范圍強波動工況的AWE/PEM電解水制氫系統(tǒng)“電-氫-水-熱”快速動態(tài)響應挑戰(zhàn)

圖3??計及氫儲能動態(tài)安全約束的變換器入網控制挑戰(zhàn)

圖4??適應電力系統(tǒng)全時仿真的電-氫耦合多時間尺度-多場動態(tài)仿真建模挑戰(zhàn)

（5）“源-網-荷”側氫儲能應用技術展望

在氫儲能系統(tǒng)層面，氫儲能系統(tǒng)仿真模型構建技術、電解水制氫/燃料電池主動友好型電源拓撲及其控制、構網型燃料電池并網穩(wěn)定控制、電解水制氫多槽并聯高效均衡控制及氣液分離一對多優(yōu)化匹配技術等方面將受到關注；在“源”側，源-網-氫-氨/醇系統(tǒng)所面臨的多主體協同規(guī)劃與動態(tài)柔性控制技術、離網型風/光制氫在無電網支撐下的系統(tǒng)運行穩(wěn)定控制、容量優(yōu)化配置和經濟運行等技術將持續(xù)發(fā)展；在“網”側，探索氫儲能可盈利的商業(yè)推廣模式與方案將是未來重點發(fā)展方向，兼顧制氫/燃料電池啟停、動態(tài)響應特性的調頻策略也將逐步顯現，此外，氫儲能作為長時儲能支撐電網跨時空電量平衡將得以實現；在“荷”側，電-氫耦合綜合微能網優(yōu)化配置、協同經濟運行技術、多園區(qū)/單體建筑/5G基站聚合參與虛擬電廠構建等將成為未來技術發(fā)展要點，分布式制-儲-加氫一體站系統(tǒng)多能耦合系統(tǒng)能量管理、配網耦合分布式電源及一體站“源-網-站”協同規(guī)劃設計、多站協同虛擬電廠建設等技術的突破，將是一體站規(guī)模發(fā)展的關鍵。

4 ? 結論　　

在含高比例可再生能源的新型電力系統(tǒng)建設中，氫儲能技術的快速發(fā)展與工程應用將從時空維度為系統(tǒng)提供全面的靈活支撐能力，如何充分發(fā)揮氫儲能優(yōu)勢以推進新型電力系統(tǒng)構建問題引起了業(yè)界學者的普遍關注。本文首先針對氫儲能在電力系統(tǒng)應用技術現狀進行了深入的總結分析；并進一步提煉其目前在電力系統(tǒng)中的關鍵應用技術所面臨的五個挑戰(zhàn)：電解水制氫負荷動態(tài)適應性、電解水制氫功率變換器結構及入網控制、大容量長時儲氫技術、構網型燃料電池電-熱耦合控制、電-氫耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真建模；最后對氫儲能系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)“源-網-荷”側應用未來可能存在的技術方向進行展望，以期為研究人員提供些許參考。

引文信息

王士博，孔令國，蔡國偉，等. 電力系統(tǒng)氫儲能關鍵應用技術現狀、挑戰(zhàn)及展望 [J]. 中國電機工程學報，2023，43 (17)：6660-6681.

WANG Shibo, KONG Lingguo, CAI Guowei, et al. Current Status, Challenges, and Prospects of Key Application Technologies for Hydrogen Storage in Power System[J]. Proceedings of the CSEE，2023，43 (17)：6660-6681 (in Chinese).

作者介紹

王士博，博士研究生，主要研究方向為源網氫耦合協同建模與優(yōu)化控制。

孔令國，副教授，博士生導師，國家留學基金委“2019國際清潔能源拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目”入選者，IEEE PES儲能技術委員會氫儲能技術分委會理事，中國能源研究會氫能專委會委員，電工技術學會氫能專委會委員，《中國電力》期刊首屆青年編委。主要研究方向為電氫耦合理論與關鍵技術、氫儲能在新型電力系統(tǒng)中的應用等。主持國家自然基金項目1項、國家重點研發(fā)計劃項目子課題1項、省部級科研項目3項，獲吉林省科技進步一等獎1項、二等獎3項，電氫耦合方面發(fā)表高水平學術論文40余篇，獲授權發(fā)明專利7件、軟件著作權1件。

蔡國偉，一級教授，博士生導師，吉林省政協副主席、東北電力大學校長、國家百千萬人才工程人選、國務院政府特殊津貼獲得者、全國先進工作者、全國優(yōu)秀教師。主要研究方向為新型電力系統(tǒng)安全分析與運行控制、新能源電網接入、多形態(tài)儲能技術等。主持國家自然科學基金項目4項，承擔國家重點研發(fā)計劃項目課題1項，獲國家科技進步獎二等獎2項，吉林省科技進步一等獎2項、二等獎6項，發(fā)表高水平論文200余篇，授權發(fā)明專利50余項。

閆華光，教授級高工，中國電力科學研究院技術戰(zhàn)略研究中心主任。中國電機工程學會氫能專業(yè)委員會副秘書長，全國電力需求側管理標委會(SAC/TC575)副秘書長。長期從事節(jié)能低碳、電力需求側管理、綜合能源、電氫耦合等方面的研究工作。主持和參與國家重點研發(fā)項目、國家自然基金項目多項，曾獲得國家標準創(chuàng)新貢獻一等獎2項，獲省部級科技進步獎10余項。

審核編輯：‘黃飛’

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