中国储能网讯：2021年由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨首届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新储能、新动力、新发展”。

会后，为了能让参会代表有更深入的行业交流，小编经过演讲专家本人同意和审核，将演讲专家的速记整理如下：

葛磊蛟：各位领导，各位专家，大家下午好！我是天津大学电气自动化与信息工程学院副教授葛磊蛟，非常荣幸、也非常高兴能够获得中国国际新型储能技术及工程应用大会的邀请，来给大家分享我们最近一两年来在氢储能方面的想法和成果。

我主要有以下五个方面跟大家分享，首先介绍一下智能配电网低碳经济运行。

我们为什么需要在配电网侧发展网级储能？其核心关键有这样的一个背景：当前配电网侧低碳经济运行已形成共识，风/光等波动性电源规模化接入配电网成为趋势；全世界的整体能源发展形势，绿色低碳已经成为了世界的共同发展方向。那么，到底该如何发展绿色低碳，世界上很多的国家在很早以前就开始了一系列的工作。比如，美国早在2003年就提出了“智能电网”概念，2009年把“智能电网”作为国策。我们的邻国，日本主要发展光伏以及氢能。而，欧洲发展地热、风电，尤其是丹麦、西班牙等国家，风电是当地的主要能源。

但是，多元化发展的新能源，最终均需要通过配电网作为能量枢纽来进行终端分配。中国绿色低碳的新型电力系统，高效利用新能源也是配电网的支撑作用。然而，这些具有强随机属性的风、光等新能源发电，接入配电网后，进行储能的配置，平抑这些波动也是必需的。

近几年，中国的电力能源在做什么呢？我们大概来总结一下，我国在2008年到2017年主要是发展特高压，在西北、东北等地区建了很多的大型风电场，但是本地电力资源难以就地消纳，希望通过特高压输电网输送到东南地区负荷中心，如上海、广东、江浙以及湖南等地区；不可否定特高压工程对于新能源发展的助力作用，但是随着新能源的快速发展，输送通道也基本达到饱和，难以进一步突破。可是，新能源还需要长效发展，如何突破现有技术的壁垒？从2017年开始大家开始聚焦在低碳经济，聚焦于用户侧，希望在用户侧逐渐地接入低压的分布式光伏，并接入电动汽车这种有序负荷，实现新能源的高效消纳。

2017年至今，国内外同行对用户侧展开了更加较多的研究和应用，在用户侧接入了多种多样的分布式可再生能源，也导致了配电网从以前的树形枢纽变成了一个复杂网络，同时也带来复杂多样的挑战：强随机性的风光等资源接入配电网，如果没有储能设备，配电网难以可靠运行，容易出现多节点电压越限等电能质量问题，无法满足负荷可靠供电的基本要求。因此，大家有了一个基本共识：发展储能技术是未来必然研究方向。通过配电网侧的网级储能，把具有间歇性、随机性的风/光能源用储能设备平抑好，使其稳定出力。

氢储能正好是一种很有潜力的储能方式。与已有的铅酸、飞轮、锂电池、抽水蓄能等储能方法相比，氢储能有很好的特点：1）经济、安全；2）电解水制氢之后，还可以通过氢气发电，实现电氢的能量双向流动；当然还是其他的一些有点，导致氢储能得到了很多人的认可。

配电网结合氢储能，是为了实现含风/光等配电网的低碳经济运行，将面临着什么样的问题呢？首先，风/光电源的波动性和随机性导致配电网运行状态剧烈波动，甚至配电网里某些节点电压越限、保护跳闸等，咱们第一个挑战就是要搞清楚风/光的波动性规律。第二，氢储能具有很多优点，但是其发电效率较低，热损失严重，能效相对来讲不是特别高。如果把氢储能的能效进行提升，将有利于进一步提升配电网低碳经济运行水平。最后，我们先理清电网的特性，然后深度研究了氢储能的低碳性和能效提升，最后如果能做好各设备的选址定容规划，整个低碳经济配电网的优化过程就顺理成章。

因此，针对上面的三个方面挑战，我们深入开展了一些相应的研究，可以分为三个方面。

第一，配电网的不确定性，这个也是我们需要氢储能的前提。不确定性主要包括是风-光资源和负荷，然而负荷的不确定性是客观存在的，在此我们不深究。但是风/光的不确定性，可以进行深究。因为风/光的不确定性有一个基本的硬约束，与资源分布有相关性。大家都知道西北的太阳能发展非常，因为西北的太阳辐照度高，相同的光伏板在西北可能发100度电，在咱们湖南可能只有60度电，所以大家都跑到西北建设光伏发电场。那咱们怎么刻画风/光等的资源出力的不确定性特性，我们认为采用区间仿射方法，能够较好地表征风/光出力的不确定性、波动性。该数学方法的核心思路是将风光的出力，按照特性分布可以精准的表征为一个较为合理波动范围，区间上限和区间下限。

这里有一个图，我们可看到风力发电的上限和下限。光伏与之类似，光伏发电的上限和下限，蓝色的线是理想值，但理想值很难达到，根据仿射数学的刻画和表征之后，风/光出力在较小的范围内波动。在配电网的随机负荷约束条件下，配电网通过在负荷缺口处调控储能，或者其他辅助电源，将会较好的实现配电网的低碳经济运行。上述是第一方面内容，把风/光以及负荷的不确定性通过区间仿射的方法进行精细刻画，使之在较小的范围内。

第二方面，将配电网的风/光等波动性参数进行刻画后，希望用氢储能平抑这些波动。但是氢储能有这样一个问题：能效低，发热严重，能量利用率低。这些能量损耗势必导致配电网运行经济性差。所以，我们必须提升能效，把产生的热量进行回收利用。为此，把高温氢燃料电池的高温尾气用微型燃气轮机进行回收利用。

（图）这个是燃气轮机，有这样的运行曲线。这个是燃气轮机余热回收示意图，通过氢燃料电池尾气回收利用，进行余热发电，提升氢储能的能效。接下来对氢储能和燃气轮机的组合特性进行研究。

（图）左上是氢燃料电池的运行域。然而在实际运行中，需要避开温度受限制区域，温度太低不好控制，温度太高存在危险，因此，它的可行域如右上所示（图）。燃气轮机是利用氢燃料电池的尾气进行回收利用，因此，在氢燃料电池的可行域下，燃气轮机将有这样的可行域，如左下所示。最后，我们通过氢燃料电池和燃气轮机的可行域曲面合成，得到了氢燃料电池-微型燃气轮机的实际可行率，运行域如右下所示。据此曲线，可以确定选择合适的氢输入流量和电流密度，从而进行氢储能设备、燃气轮机设备的产品选型。当然，我们通过分析发现，氢储能与燃气轮机组合不仅能效提升，供电可靠性也得到了提高。

此处提出了两个指标，用于评价负荷供给缺失程度。我们通过多案例的仿真分析，不难发现，采用余热回收的案例1如图中蓝线所示（图），系统的经济性和可靠性最优。以上是我向大家分享的第二方面，如何提升能效。

接下来，第三方面进行配电网低碳经济运行的氢储能优化规划，实现选址定容。选址定容规划一般有以下几个方面：第一是目标函数，你有什么样的优化目标；第二是约束条件；第三是求解算法，考虑约束条件下对目标函数求解。

（图）这个是城市某区域的配电网，要考虑在哪些地方建立氢储能发电站，实现配电网的低碳经济运行。在分布式风/光电源大规模推广的背景下将会高比例接入配电网，使得配电网结构更加复杂，运行状态多变，氢储能电站到底建在哪里成为了关键问题？

第一，目标函数，我们要实现氢储能最优规划，在平抑风/光波动的前提下最小化投资成本。一般目标函数有这么几个部分，供电收益、供冷收益、碳排放降低的社会效益以及投资成本，这个是总体的目标。

第二，在这个总体目标下，需要考虑约束条件。风/光电源出力通过仿射模型表征得到出力约束，此外还有潮流约束，燃料电池的温度约束，储能设备的容量约束等。

在这种多重约束下，根据我们的研究，即使是看起来是很简单的优化问题，但是在具有非线性、多维约束的时候，优化求解也将变得异常复杂。目前已有研究有采用启发式优化算法、神经网络模型等各种优化方法，难以确保全局最优求解。我们经过多年的研究，采用ABC和QPSO的混合算法，即人工蜂群和量子粒子群相结合的算法能够较好的解决以上的优化规划问题，获得区域配电网内最优规划方案。

下面是我们的案例分析，最优解就是如左图所示（图），看起来很普通，只是一个多元方程式的解，但如何准确求解具有挑战性，值得深入研究。 拓扑结构在这里（图），组成设备有风/光电源、氢储能和冰蓄冷，并用燃料电池和燃气轮机组合实现氢能高效利用。（图）这边还有输入数据作为初始条件，包括光照、风速以及负荷特性。基于这样的网架结构、初始条件以及上述的目标函数和约束条件，在求解算法的优化驱动下，得到这样的结果（表）。此处我们针对IEEE-33节点标准算例，得出在14、19、24、29接入氢储能的最优规划方案，保证配电网有较好的运行特性，并得出经济收益、实际的供电量，以及设备的安装容量。这样的话就可以较好地给城市配电网规划提供参考，合理选择安装地点，从而大大降低了投资成本，提高了能效和负荷供给可靠性，实现新能源的高比例消纳和配电网低碳经济运行。

以下是我对氢储能发展的几个展望：

第一是发展新型高比例清洁能源绿色低碳城市。这个是电网绿色低碳发展的必然的趋势，氢储能作为未来能源，将助力风光资源的深度发展。第二我们要构建氢能为核心的能源格局，氢燃料电池是未来能源的关键技术之一。目前考虑的是建立集中式氢储能电站，未来有氢燃料电池汽车接入，在能量富余的时候，可以对新能源汽车充能，这样的话会有更进一步的推广应用。

我认为，氢能源与风/光电源的结合成为了共识。无论是煤电制氢或是废氢回收，其来源可能不是特别广，但是如果建立风/光电解水制氢储能站，同时向氢燃料电池供氢发电，打造氢燃料电池零碳发电站，发展前景非常好。只要在风/光资源充足的地方，就能够保证配电网稳定运行，可以给用户提供可靠的电力供应。

以上是我的分享，谢谢大家！