电力系统氢储能关键应用技术现状、挑战及展望

王士博，孔令国，蔡国伟，闫华光，韩子娇，刘闯，万燕鸣，杨士慧，王晓晨

  (1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)；2.中国电力科学研究院有限公司；3.国网辽宁省电力有限公司；4.北京国氢中联氢能科技研究院有限公司；5.先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司)；6．国网能源研究院有限公司)

  DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230170

  1.研究背景

  可再生能源规模化接入将给电力系统电力电量时空平衡与安全稳定运行带来巨大挑战。储能作为灵活调节资源将成为解决上述问题的有效方案之一，氢作为能源低碳化发展的优选能源形式引起了世界各国的高度重视。近年来，氢能全产业链装备核心技术不断得到突破，电解水制氢与氢燃料电池等产业进入高速和高质量发展期，促使电-氢能源形成了融合式的发展趋势，氢储能也因此被作为一种新型储能技术被广泛的集成到电力系统“源-网-荷”各个环节之中。基于此，本文针对电力系统氢储能关键应用技术现状进行归纳梳理，从目前技术发展中分析指出所面临的挑战，并对未来技术发展趋势进行展望。

  2.论文所解决的问题及意义　

  氢储能是构建新型电力系统的重要储能形式，目前，部分学者及科技工作者在氢储能材料装备、电-氢协同规划设计、电-氢耦合系统控制等方面均已开展了相关技术及工程示范的初步探索，但关于氢储能在电力系统中多场景下的应用技术分析仍较为匮乏，且电-氢耦合系统仍存在动态适应性匹配、灵活高效互动和多时间尺度仿真建模等一系列问题，电-氢耦合形态与技术体系仍需进一步深入研究。本文首先通过归纳分析构建了氢储能与电力系统耦合结构，概括总结了氢储能关键技术现状，然后回顾了氢储能在电力系统中应用技术研究基础，最后，提炼电-氢耦合发展中存在的技术挑战，并对未来技术发展趋势进行展望，进而加速推进氢储能在电力系统中的规模化应用。

  3.论文重点内容　　

  （1）氢储能与电力系统耦合结构

  以氢储能在电力系统“源-网-荷”各环节应用场景为主线，在“源”侧提出氢储能提升可再生能源的深度消纳与友好并网和燃氢电厂惯量支撑等典型场景，在“网”侧提出氢储能电站提供惯量支撑及调峰/调频辅助服务，以及输电阻塞缓解和季节性电量平衡等场景，在“荷”侧通过构建电-氢-热-冷多能耦合综合系统、氢能建筑/园区及分布式制加储一体站以实现电力电量支撑、需求侧响应和调频调峰等辅助服务。氢储能与电力系统耦合结构如图1所示。

图1 氢储能与电力系统耦合结构

  （2）氢储能关键技术

  针对电解水制氢技术、氢气发电技术、氢气储输技术、电解槽/燃料电池建模四个氢储能关键技术展开论述。总结了各类型电解水制氢与氢燃料电池的主要性能指标，阐述了不同技术路径下的氢气储输技术特点，从时空维度总结了目前电解槽/燃料电池建模技术的发展现状，并根据用能特点分析与新型电力系统构建需求得到氢储能制、储、输、用关键技术在电力系统中的潜在应用场景。

  （3）“源-网-荷”侧氢储能应用技术现状

  在“源”侧风/光等可再生能源消纳与友好并网场景下，目前主要围绕系统优化、系统控制以及制氢/燃料电池多机协同控制开展系列研究，而燃氢电厂为电力系统提供惯量支撑场景下的研究仍相对匮乏；在“网”侧场景下，目前研究学者围绕氢储能参与电网辅助服务与季节性电量平衡两个方面开展部分探索；在“荷”侧场景下，目前氢储能的主要应用场景是构建氢能建筑/园区，研究方向集中于系统配置和运行控制两个方面。

  （4）“源-网-荷”侧氢储能应用技术挑战

  结合目前研究现状，分析氢储能现阶段在电力系统中应用存在的关键技术挑战，主要总结为面向可再生能源耦合制氢的电解水制氢负荷动态适应性、高效电解水制氢功率变换器结构及计及氢安全的入网控制、面向电力系统季节性电量转移的大容量长时储氢技术、面向异质能源协同的构网型燃料电池电-热耦合控制以及面向系统规划设计、系统控制方案开发和工程建设的电-氢耦合系统动态仿真建模5个方面，并简要讨论了各种技术挑战未来可能的技术方案。

图2 适应宽范围强波动工况的AWE/PEM电解水制氢系统“电-氢-水-热”快速动态响应挑战

图3 计及氢储能动态安全约束的变换器入网控制挑战

图4 适应电力系统全时仿真的电-氢耦合多时间尺度-多场动态仿真建模挑战

  （5）“源-网-荷”侧氢储能应用技术展望

  在氢储能系统层面，氢储能系统仿真模型构建技术、电解水制氢/燃料电池主动友好型电源拓扑及其控制、构网型燃料电池并网稳定控制、电解水制氢多槽并联高效均衡控制及气液分离一对多优化匹配技术等方面将受到关注；在“源”侧，源-网-氢-氨/醇系统所面临的多主体协同规划与动态柔性控制技术、离网型风/光制氢在无电网支撑下的系统运行稳定控制、容量优化配置和经济运行等技术将持续发展；在“网”侧，探索氢储能可盈利的商业推广模式与方案将是未来重点发展方向，兼顾制氢/燃料电池启停、动态响应特性的调频策略也将逐步显现，此外，氢储能作为长时储能支撑电网跨时空电量平衡将得以实现；在“荷”侧，电-氢耦合综合微能网优化配置、协同经济运行技术、多园区/单体建筑/5G基站聚合参与虚拟电厂构建等将成为未来技术发展要点，分布式制-储-加氢一体站系统多能耦合系统能量管理、配网耦合分布式电源及一体站“源-网-站”协同规划设计、多站协同虚拟电厂建设等技术的突破，将是一体站规模发展的关键。

  4.结论　　

  在含高比例可再生能源的新型电力系统建设中，氢储能技术的快速发展与工程应用将从时空维度为系统提供全面的灵活支撑能力，如何充分发挥氢储能优势以推进新型电力系统构建问题引起了业界学者的普遍关注。本文首先针对氢储能在电力系统应用技术现状进行了深入的总结分析；并进一步提炼其目前在电力系统中的关键应用技术所面临的五个挑战：电解水制氢负荷动态适应性、电解水制氢功率变换器结构及入网控制、大容量长时储氢技术、构网型燃料电池电-热耦合控制、电-氢耦合系统动态仿真建模；最后对氢储能系统及其在电力系统“源-网-荷”侧应用未来可能存在的技术方向进行展望，以期为研究人员提供些许参考。