中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2021年由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨首屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“新儲(chǔ)能、新動(dòng)力、新發(fā)展”。
會(huì)后，為了能讓參會(huì)代表有更深入的行業(yè)交流，小編經(jīng)過(guò)演講專(zhuān)家本人同意和審核，將演講專(zhuān)家的速記整理如下：
葛磊蛟：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專(zhuān)家，大家下午好！我是天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院副教授葛磊蛟，非常榮幸、也非常高興能夠獲得中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)的邀請(qǐng)，來(lái)給大家分享我們最近一兩年來(lái)在氫儲(chǔ)能方面的想法和成果。
我主要有以下五個(gè)方面跟大家分享，首先介紹一下智能配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
我們?yōu)槭裁葱枰谂潆娋W(wǎng)側(cè)發(fā)展網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能？其核心關(guān)鍵有這樣的一個(gè)背景：當(dāng)前配電網(wǎng)側(cè)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已形成共識(shí)，風(fēng)/光等波動(dòng)性電源規(guī)?；尤肱潆娋W(wǎng)成為趨勢(shì)；全世界的整體能源發(fā)展形勢(shì)，綠色低碳已經(jīng)成為了世界的共同發(fā)展方向。那么，到底該如何發(fā)展綠色低碳，世界上很多的國(guó)家在很早以前就開(kāi)始了一系列的工作。比如，美國(guó)早在2003年就提出了“智能電網(wǎng)”概念，2009年把“智能電網(wǎng)”作為國(guó)策。我們的鄰國(guó)，日本主要發(fā)展光伏以及氫能。而，歐洲發(fā)展地?zé)帷L(fēng)電，尤其是丹麥、西班牙等國(guó)家，風(fēng)電是當(dāng)?shù)氐闹饕茉础?
但是，多元化發(fā)展的新能源，最終均需要通過(guò)配電網(wǎng)作為能量樞紐來(lái)進(jìn)行終端分配。中國(guó)綠色低碳的新型電力系統(tǒng)，高效利用新能源也是配電網(wǎng)的支撐作用。然而，這些具有強(qiáng)隨機(jī)屬性的風(fēng)、光等新能源發(fā)電，接入配電網(wǎng)后，進(jìn)行儲(chǔ)能的配置，平抑這些波動(dòng)也是必需的。
近幾年，中國(guó)的電力能源在做什么呢？我們大概來(lái)總結(jié)一下，我國(guó)在2008年到2017年主要是發(fā)展特高壓，在西北、東北等地區(qū)建了很多的大型風(fēng)電場(chǎng)，但是本地電力資源難以就地消納，希望通過(guò)特高壓輸電網(wǎng)輸送到東南地區(qū)負(fù)荷中心，如上海、廣東、江浙以及湖南等地區(qū)；不可否定特高壓工程對(duì)于新能源發(fā)展的助力作用，但是隨著新能源的快速發(fā)展，輸送通道也基本達(dá)到飽和，難以進(jìn)一步突破?？墒?，新能源還需要長(zhǎng)效發(fā)展，如何突破現(xiàn)有技術(shù)的壁壘？從2017年開(kāi)始大家開(kāi)始聚焦在低碳經(jīng)濟(jì)，聚焦于用戶側(cè)，希望在用戶側(cè)逐漸地接入低壓的分布式光伏，并接入電動(dòng)汽車(chē)這種有序負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)新能源的高效消納。
2017年至今，國(guó)內(nèi)外同行對(duì)用戶側(cè)展開(kāi)了更加較多的研究和應(yīng)用，在用戶側(cè)接入了多種多樣的分布式可再生能源，也導(dǎo)致了配電網(wǎng)從以前的樹(shù)形樞紐變成了一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也帶來(lái)復(fù)雜多樣的挑戰(zhàn)：強(qiáng)隨機(jī)性的風(fēng)光等資源接入配電網(wǎng)，如果沒(méi)有儲(chǔ)能設(shè)備，配電網(wǎng)難以可靠運(yùn)行，容易出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)電壓越限等電能質(zhì)量問(wèn)題，無(wú)法滿足負(fù)荷可靠供電的基本要求。因此，大家有了一個(gè)基本共識(shí)：發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)是未來(lái)必然研究方向。通過(guò)配電網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能，把具有間歇性、隨機(jī)性的風(fēng)/光能源用儲(chǔ)能設(shè)備平抑好，使其穩(wěn)定出力。
氫儲(chǔ)能正好是一種很有潛力的儲(chǔ)能方式。與已有的鉛酸、飛輪、鋰電池、抽水蓄能等儲(chǔ)能方法相比，氫儲(chǔ)能有很好的特點(diǎn)：1）經(jīng)濟(jì)、安全；2）電解水制氫之后，還可以通過(guò)氫氣發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電氫的能量雙向流動(dòng)；當(dāng)然還是其他的一些有點(diǎn)，導(dǎo)致氫儲(chǔ)能得到了很多人的認(rèn)可。
配電網(wǎng)結(jié)合氫儲(chǔ)能，是為了實(shí)現(xiàn)含風(fēng)/光等配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，將面臨著什么樣的問(wèn)題呢？首先，風(fēng)/光電源的波動(dòng)性和隨機(jī)性導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)劇烈波動(dòng)，甚至配電網(wǎng)里某些節(jié)點(diǎn)電壓越限、保護(hù)跳閘等，咱們第一個(gè)挑戰(zhàn)就是要搞清楚風(fēng)/光的波動(dòng)性規(guī)律。第二，氫儲(chǔ)能具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其發(fā)電效率較低，熱損失嚴(yán)重，能效相對(duì)來(lái)講不是特別高。如果把氫儲(chǔ)能的能效進(jìn)行提升，將有利于進(jìn)一步提升配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。最后，我們先理清電網(wǎng)的特性，然后深度研究了氫儲(chǔ)能的低碳性和能效提升，最后如果能做好各設(shè)備的選址定容規(guī)劃，整個(gè)低碳經(jīng)濟(jì)配電網(wǎng)的優(yōu)化過(guò)程就順理成章。
因此，針對(duì)上面的三個(gè)方面挑戰(zhàn)，我們深入開(kāi)展了一些相應(yīng)的研究，可以分為三個(gè)方面。
第一，配電網(wǎng)的不確定性，這個(gè)也是我們需要?dú)鋬?chǔ)能的前提。不確定性主要包括是風(fēng)-光資源和負(fù)荷，然而負(fù)荷的不確定性是客觀存在的，在此我們不深究。但是風(fēng)/光的不確定性，可以進(jìn)行深究。因?yàn)轱L(fēng)/光的不確定性有一個(gè)基本的硬約束，與資源分布有相關(guān)性。大家都知道西北的太陽(yáng)能發(fā)展非常，因?yàn)槲鞅钡奶?yáng)輻照度高，相同的光伏板在西北可能發(fā)100度電，在咱們湖南可能只有60度電，所以大家都跑到西北建設(shè)光伏發(fā)電場(chǎng)。那咱們?cè)趺纯坍?huà)風(fēng)/光等的資源出力的不確定性特性，我們認(rèn)為采用區(qū)間仿射方法，能夠較好地表征風(fēng)/光出力的不確定性、波動(dòng)性。該數(shù)學(xué)方法的核心思路是將風(fēng)光的出力，按照特性分布可以精準(zhǔn)的表征為一個(gè)較為合理波動(dòng)范圍，區(qū)間上限和區(qū)間下限。
這里有一個(gè)圖，我們可看到風(fēng)力發(fā)電的上限和下限。光伏與之類(lèi)似，光伏發(fā)電的上限和下限，藍(lán)色的線是理想值，但理想值很難達(dá)到，根據(jù)仿射數(shù)學(xué)的刻畫(huà)和表征之后，風(fēng)/光出力在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。在配電網(wǎng)的隨機(jī)負(fù)荷約束條件下，配電網(wǎng)通過(guò)在負(fù)荷缺口處調(diào)控儲(chǔ)能，或者其他輔助電源，將會(huì)較好的實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。上述是第一方面內(nèi)容，把風(fēng)/光以及負(fù)荷的不確定性通過(guò)區(qū)間仿射的方法進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，使之在較小的范圍內(nèi)。
第二方面，將配電網(wǎng)的風(fēng)/光等波動(dòng)性參數(shù)進(jìn)行刻畫(huà)后，希望用氫儲(chǔ)能平抑這些波動(dòng)。但是氫儲(chǔ)能有這樣一個(gè)問(wèn)題：能效低，發(fā)熱嚴(yán)重，能量利用率低。這些能量損耗勢(shì)必導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。所以，我們必須提升能效，把產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收利用。為此，把高溫氫燃料電池的高溫尾氣用微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行回收利用。
（圖）這個(gè)是燃?xì)廨啓C(jī)，有這樣的運(yùn)行曲線。這個(gè)是燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收示意圖，通過(guò)氫燃料電池尾氣回收利用，進(jìn)行余熱發(fā)電，提升氫儲(chǔ)能的能效。接下來(lái)對(duì)氫儲(chǔ)能和燃?xì)廨啓C(jī)的組合特性進(jìn)行研究。
（圖）左上是氫燃料電池的運(yùn)行域。然而在實(shí)際運(yùn)行中，需要避開(kāi)溫度受限制區(qū)域，溫度太低不好控制，溫度太高存在危險(xiǎn)，因此，它的可行域如右上所示（圖）。燃?xì)廨啓C(jī)是利用氫燃料電池的尾氣進(jìn)行回收利用，因此，在氫燃料電池的可行域下，燃?xì)廨啓C(jī)將有這樣的可行域，如左下所示。最后，我們通過(guò)氫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的可行域曲面合成，得到了氫燃料電池-微型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際可行率，運(yùn)行域如右下所示。據(jù)此曲線，可以確定選擇合適的氫輸入流量和電流密度，從而進(jìn)行氫儲(chǔ)能設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的產(chǎn)品選型。當(dāng)然，我們通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，氫儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)組合不僅能效提升，供電可靠性也得到了提高。
此處提出了兩個(gè)指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)負(fù)荷供給缺失程度。我們通過(guò)多案例的仿真分析，不難發(fā)現(xiàn)，采用余熱回收的案例1如圖中藍(lán)線所示（圖），系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性最優(yōu)。以上是我向大家分享的第二方面，如何提升能效。
接下來(lái)，第三方面進(jìn)行配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的氫儲(chǔ)能優(yōu)化規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)選址定容。選址定容規(guī)劃一般有以下幾個(gè)方面：第一是目標(biāo)函數(shù)，你有什么樣的優(yōu)化目標(biāo)；第二是約束條件；第三是求解算法，考慮約束條件下對(duì)目標(biāo)函數(shù)求解。
（圖）這個(gè)是城市某區(qū)域的配電網(wǎng)，要考慮在哪些地方建立氫儲(chǔ)能發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在分布式風(fēng)/光電源大規(guī)模推廣的背景下將會(huì)高比例接入配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，運(yùn)行狀態(tài)多變，氫儲(chǔ)能電站到底建在哪里成為了關(guān)鍵問(wèn)題？
第一，目標(biāo)函數(shù)，我們要實(shí)現(xiàn)氫儲(chǔ)能最優(yōu)規(guī)劃，在平抑風(fēng)/光波動(dòng)的前提下最小化投資成本。一般目標(biāo)函數(shù)有這么幾個(gè)部分，供電收益、供冷收益、碳排放降低的社會(huì)效益以及投資成本，這個(gè)是總體的目標(biāo)。
第二，在這個(gè)總體目標(biāo)下，需要考慮約束條件。風(fēng)/光電源出力通過(guò)仿射模型表征得到出力約束，此外還有潮流約束，燃料電池的溫度約束，儲(chǔ)能設(shè)備的容量約束等。
在這種多重約束下，根據(jù)我們的研究，即使是看起來(lái)是很簡(jiǎn)單的優(yōu)化問(wèn)題，但是在具有非線性、多維約束的時(shí)候，優(yōu)化求解也將變得異常復(fù)雜。目前已有研究有采用啟發(fā)式優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等各種優(yōu)化方法，難以確保全局最優(yōu)求解。我們經(jīng)過(guò)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結(jié)合的算法能夠較好的解決以上的優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題，獲得區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)最優(yōu)規(guī)劃方案。
下面是我們的案例分析，最優(yōu)解就是如左圖所示（圖），看起來(lái)很普通，只是一個(gè)多元方程式的解，但如何準(zhǔn)確求解具有挑戰(zhàn)性，值得深入研究。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在這里（圖），組成設(shè)備有風(fēng)/光電源、氫儲(chǔ)能和冰蓄冷，并用燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)組合實(shí)現(xiàn)氫能高效利用。（圖）這邊還有輸入數(shù)據(jù)作為初始條件，包括光照、風(fēng)速以及負(fù)荷特性?；谶@樣的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、初始條件以及上述的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在求解算法的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)下，得到這樣的結(jié)果（表）。此處我們針對(duì)IEEE-33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)算例，得出在14、19、24、29接入氫儲(chǔ)能的最優(yōu)規(guī)劃方案，保證配電網(wǎng)有較好的運(yùn)行特性，并得出經(jīng)濟(jì)收益、實(shí)際的供電量，以及設(shè)備的安裝容量。這樣的話就可以較好地給城市配電網(wǎng)規(guī)劃提供參考，合理選擇安裝地點(diǎn)，從而大大降低了投資成本，提高了能效和負(fù)荷供給可靠性，實(shí)現(xiàn)新能源的高比例消納和配電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
以下是我對(duì)氫儲(chǔ)能發(fā)展的幾個(gè)展望：
第一是發(fā)展新型高比例清潔能源綠色低碳城市。這個(gè)是電網(wǎng)綠色低碳發(fā)展的必然的趨勢(shì)，氫儲(chǔ)能作為未來(lái)能源，將助力風(fēng)光資源的深度發(fā)展。第二我們要構(gòu)建氫能為核心的能源格局，氫燃料電池是未來(lái)能源的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前考慮的是建立集中式氫儲(chǔ)能電站，未來(lái)有氫燃料電池汽車(chē)接入，在能量富余的時(shí)候，可以對(duì)新能源汽車(chē)充能，這樣的話會(huì)有更進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。
我認(rèn)為，氫能源與風(fēng)/光電源的結(jié)合成為了共識(shí)。無(wú)論是煤電制氫或是廢氫回收，其來(lái)源可能不是特別廣，但是如果建立風(fēng)/光電解水制氫儲(chǔ)能站，同時(shí)向氫燃料電池供氫發(fā)電，打造氫燃料電池零碳發(fā)電站，發(fā)展前景非常好。只要在風(fēng)/光資源充足的地方，就能夠保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，可以給用戶提供可靠的電力供應(yīng)。
以上是我的分享，謝謝大家！
