中國儲能網(wǎng)訊：離網(wǎng)型新能源制氫項目不僅具有顯著的減排效益，還具備良好的產(chǎn)業(yè)示范與帶動作用。然而，離網(wǎng)電力系統(tǒng)及其在制氫領域的應用仍處于起步階段。在項目設計階段，儲能裝置的容量配比將直接影響離網(wǎng)制氫系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和制氫成本。
氫能作為一種清潔能源，具備多項顯著優(yōu)勢，已成為二次能源領域的重要候選。氫氣具有極高的燃燒熱值，單位質量所釋放的能量遠超多數(shù)傳統(tǒng)燃料，因此被視為高效的能源載體。其燃燒產(chǎn)物僅為水，不會排放二氧化碳等溫室氣體，環(huán)境友好性突出。氫能在應用領域表現(xiàn)出廣泛的適應性，不僅可用于燃料電池汽車，還廣泛應用于工業(yè)場景，如氨的合成、金屬冶煉等。作為一種長期能源存儲手段，氫能能夠有效應對可再生能源出力不穩(wěn)定的問題。通過“電-氫-電”路徑，可在可再生能源富余時制取氫氣，并在負荷高峰或電力短缺時釋放能源，實現(xiàn)能量的跨時域調(diào)節(jié)與高效利用。在中國，氫能技術的發(fā)展正受到政府層面的高度重視與政策支持，相關規(guī)劃和激勵措施持續(xù)推動氫能在能源轉型與碳減排進程中的應用拓展。未來，隨著制氫、儲氫與用氫等關鍵技術的不斷進步，氫能有望在推動清潔能源體系構建與實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標中發(fā)揮更加重要的作用。
離網(wǎng)型風光制氫方案是指在氫氣生產(chǎn)過程中不依賴傳統(tǒng)電網(wǎng)，而是通過自建的風電與光伏發(fā)電系統(tǒng)，將風能和太陽能直接轉化為氫能，生產(chǎn)綠色氫氣（綠氫）。該方案的核心優(yōu)勢在于避免了對電網(wǎng)的負荷沖擊，降低了可再生能源接入帶來的電網(wǎng)波動性，有效減輕了電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力。在內(nèi)蒙古、寧夏等地政策支持下，離網(wǎng)型風光制氫有望成為綠氫產(chǎn)業(yè)的示范項目。政府的推動對新能源制氫技術的推廣至關重要，有助于吸引投資、推動技術創(chuàng)新，并逐步形成可復制的商業(yè)模式。
目前，國內(nèi)新能源制氫系統(tǒng)主要采用并網(wǎng)集中制氫方案，這是由于大電網(wǎng)提供了穩(wěn)定的能源支持，且各類關鍵設備已較為成熟。相比之下，離網(wǎng)制氫系統(tǒng)無需接入電網(wǎng)，項目申報時可免于新能源并網(wǎng)審批，顯著縮短建設周期，并在規(guī)模和容量設置上具備更大靈活性。特別是在電網(wǎng)未覆蓋或覆蓋薄弱的地區(qū)，離網(wǎng)制氫系統(tǒng)可通過多能互補，解決能源供給難題。
關于離網(wǎng)型風光聯(lián)合制氫系統(tǒng)的研究主要集中于系統(tǒng)結構設計與容量配置，相關探討多基于能量平衡與經(jīng)濟性分析，涵蓋仿真建模、控制策略和容量優(yōu)化等方面，多聚焦于新能源制氫系統(tǒng)整體結構設計與配置，特別是在電解槽、儲氫設備及控制系統(tǒng)等方面展開了深入研究。然而，針對離網(wǎng)型制氫系統(tǒng)中的電氣設備配置、供電平衡及儲能系統(tǒng)優(yōu)化的探討仍較為有限。由于該類系統(tǒng)在國內(nèi)尚處于起步階段，實踐案例和可借鑒的文獻較為匱乏，導致在設計離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)時，缺乏成熟的設計原則和典型參考方案。
構網(wǎng)型儲能組件是保障離網(wǎng)型新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵，其容量配置直接關系到電能質量、制氫效率及工藝系統(tǒng)的安全性，同時也顯著影響制氫成本。本文以離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)為研究對象，在總結離網(wǎng)型與傳統(tǒng)并網(wǎng)型電力系統(tǒng)特征的基礎上，重點探討離網(wǎng)制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件，并對不同儲能容量配置方案下的系統(tǒng)運行性能進行分析比較。
離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)特點
● 離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)的基本結構
離網(wǎng)風光制氫系統(tǒng)，其結構如下圖所示，所依賴的風能和太陽能資源都存在自然波動性，導致電源出力不穩(wěn)定。制氫系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)各電解槽運行負荷及投切可實現(xiàn)較好的靈活性。當風光發(fā)電功率波動時，電解槽隨之調(diào)整負荷，盡量實現(xiàn)功率平衡。目前離網(wǎng)系統(tǒng)在運行時，一般由構網(wǎng)型儲能電源擔負組網(wǎng)電源，建立并維持系統(tǒng)的電壓與頻率。使用儲能組件擔任組網(wǎng)電源時，控制上更為靈活、便捷，通過靈活快速調(diào)整有功/無功功率，可以在一定程度上抑制新能源的波動性，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
↑ 離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)的基本結構
● 離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定條件
根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》（GB38755－2019）以及《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算規(guī)范》（GB/T40581－2021），為保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，維持電力系統(tǒng)頻率、電壓的正常水平，系統(tǒng)應有足夠的靜態(tài)穩(wěn)定儲備和有功功率、無功功率備用容量。根據(jù)電力系統(tǒng)失穩(wěn)的物理特性、受擾動的大小以及研究穩(wěn)定問題應考慮的設備、過程和時間框架，電力系統(tǒng)穩(wěn)定可分為功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定3大類以及若干子類。
在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)范的基礎上，離網(wǎng)型新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件基本遵循以下幾點：
相比大電網(wǎng)，離網(wǎng)系統(tǒng)運行的主要風險來自于內(nèi)部功率不平衡。如果系統(tǒng)內(nèi)電源機組輸出功率與負荷需求功率之間的不平衡較大，且超出機組的調(diào)節(jié)能力，離網(wǎng)系統(tǒng)將難以維持穩(wěn)定運行。因此，在離網(wǎng)型項目的系統(tǒng)設計中，應合理配置電源與負荷，并在系統(tǒng)運行過程中盡量實現(xiàn)功率平衡或保持較小的不平衡量，以保障離網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
根據(jù)國家標準《電能質量電力系統(tǒng)頻率偏差》（GB/T15945），電力系統(tǒng)正常運行條件下，頻率偏差限值為±0.2赫茲。當系統(tǒng)容量較小時，頻率偏差限值可放寬至±0.5赫茲。考慮到國家標準主要針對大電網(wǎng)運行制定，對于特定的孤立電網(wǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行對頻率的要求，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)電源和負荷長期穩(wěn)定運行的需要來具體分析：首先，穩(wěn)態(tài)運行頻率需要滿足系統(tǒng)內(nèi)電源機組長期運行所允許的頻率變動范圍；其次，穩(wěn)態(tài)運行頻率需要保證系統(tǒng)內(nèi)所有負荷可靠運行情況下對頻率變動范圍的要求。
離網(wǎng)系統(tǒng)運行的頻率主要取決于電源有功功率，由于無功不平衡可以通過就地補償解決，離網(wǎng)系統(tǒng)運行的頻率和電壓變化特性主要與有功功率不平衡有關。
離網(wǎng)型系統(tǒng)對緊急控制措施及暫態(tài)頻率的要求：電力系統(tǒng)在實際可能的各種運行情況下，因故障突然發(fā)生有功缺額后，導致系統(tǒng)頻率嚴重下降時，應及時切除相應容量的部分負荷，使保留運行的負荷容量能與運行中的發(fā)電容量相適應，系統(tǒng)頻率能夠恢復到額定頻率附近繼續(xù)運行，不發(fā)生頻率崩潰，也不使事件后的系統(tǒng)頻率長期處于某一過高或過低數(shù)值。
為了維持離網(wǎng)系統(tǒng)電壓水平，保持電壓穩(wěn)定，必須具備足夠的無功容量。因此，應該對系統(tǒng)的無功補償容量進行計算分析，判斷是否能夠滿足無功平衡的需要。此外，由于電壓穩(wěn)定問題還和系統(tǒng)的運行方式及負荷的特性有關，對電壓穩(wěn)定的分析需要針對具體的情況進行研究。
● 構網(wǎng)型儲能在離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)中的應用
新能源發(fā)電與同步發(fā)電機發(fā)電有著本質區(qū)別，現(xiàn)有的新能源基本不具備慣量支撐能力。風、光等新能源發(fā)電需要依靠變流器和逆變器并入電網(wǎng)，這些電力電子變流設備具有控制靈活、響應迅速等優(yōu)點，但隨著電力系統(tǒng)中電力電子設備的增多，這些裝置本身低慣量、低阻尼、弱電壓支撐的特點會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響。
根據(jù)控制方式的不同，儲能組件可以分為跟網(wǎng)型和構網(wǎng)型。目前大多數(shù)儲能組件采用跟網(wǎng)型儲能，與電網(wǎng)同步需要鎖相環(huán)測量并網(wǎng)點的相位信息，在弱電網(wǎng)中存在穩(wěn)定問題。在系統(tǒng)強度弱、物理慣性低的電網(wǎng)中，儲能組件宜采用構網(wǎng)型儲能。與跟網(wǎng)型儲能相比，構網(wǎng)型儲能具有可提供同步電壓電流，為系統(tǒng)提供虛擬慣性等優(yōu)勢；在極端環(huán)境下，還可以提供故障穿越、黑啟動及有功、無功穩(wěn)定功能，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。
構網(wǎng)型儲能可以讓儲能實現(xiàn)類似同步發(fā)電機的運行特性，在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動的前、中、后各階段，主動構建起系統(tǒng)穩(wěn)定運行必需的電勢。
構網(wǎng)型儲能除考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的安全方面外還需要考慮其經(jīng)濟性。離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)因為無大電網(wǎng)支持，且受限于儲氫規(guī)模，很難做到長期能量平衡。如果完全依賴儲能裝置維持系統(tǒng)負荷穩(wěn)定運行會導致儲能容量過大以及降低經(jīng)濟性。所以在新能源發(fā)電端存在波動的情況下，需要負荷具備柔性調(diào)節(jié)的能力，比如通過荷隨源動的控制方式對電解槽進行升降負荷的調(diào)節(jié)。
離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真分析
● ETAP平臺下的仿真建模
ETAP是電力電氣分析、電能管理的綜合分析軟件系統(tǒng)的簡稱。該軟件較為全面，包含了發(fā)電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、分析、計算、運行、模擬等全面的模擬分析。本研究的仿真部分主要利用了軟件中的暫態(tài)穩(wěn)定模塊，針對波動電源和暫態(tài)故障下的系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了仿真模擬。
本研究在ETAP仿真平臺建立了一套離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)的仿真模型，模型參數(shù)見下表。模型包括對風機、構網(wǎng)型儲能模塊、儲能整流變壓器、儲能整流器、電解槽單元、動態(tài)無功補償裝置（SVG）的建模。為補償設備帶來的無功損耗，在35千伏母線段上加裝了容量為3.25兆乏的動態(tài)無功補償裝置。
↑ ETAP系統(tǒng)模型參數(shù)
如下圖所示，新能源發(fā)電側包含4臺風機，4臺風機通過風機箱式變壓器升壓后連接35千伏母線。共1個儲能電池模塊，儲能電池模塊出口側連接PLC（雙向逆變器）入口側，PLC（雙向逆變器）出口側連接儲能變壓器低壓側，儲能變壓器高壓側連接35千伏母線。共2個電解槽模塊，及1個公輔供電模塊，電解槽和公輔模塊連接35千伏母線，電解槽模塊為包含整流器、整流變壓器的交流負載模塊。
↑ ETAP仿真模型圖
● 系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真分析
系統(tǒng)穩(wěn)定性分析主要包括系統(tǒng)靜態(tài)功率波動工況下和暫態(tài)故障下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要目的是驗證儲能系統(tǒng)功率配置的合理性。本研究選取了3種典型仿真工況，對離網(wǎng)系統(tǒng)運行時可能發(fā)生的電源側波動、負荷側跌落等常見情況進行了仿真。仿真時長為10秒。系統(tǒng)初始狀態(tài)，風機運行在額定風速的77%，單臺輸出功率約為4兆瓦，電解槽及電解槽公輔用電處于滿負荷，系統(tǒng)內(nèi)有功功率和無功功率處于平衡狀態(tài)。系統(tǒng)正常工作頻率為50赫茲。
仿真工況（1）正常風電發(fā)電功率波動25%，制氫負載3秒后同步波動。
此工況中1號風機在仿真開始時處于停機狀態(tài)，1號電解槽負荷率約為40%，仿真第1秒時風機上線。1號電解槽在仿真第4s時提升負荷率至100%。需要說明的是，本研究采用了荷隨源動的控制策略，但需要考慮控制系統(tǒng)信號傳遞所帶來的延遲，延遲時間設定為3秒。本研究主要針對在工況下的離網(wǎng)制氫電力系統(tǒng)的穩(wěn)定分析，所以3秒的延遲時間不涵蓋風機功率調(diào)節(jié)和電解槽功率調(diào)節(jié)所需要的時間。
仿真工況（2）電解槽符合率降低50%，風機功率3秒后同步變化。
此工況中1號電解槽在仿真開始的第1秒切除，1號風機和2號風機在第4秒時切除。
仿真工況（3）額定負荷情況下風機線路高壓側母線單相接地不對稱故障。
此工況中1號風機箱變高壓側在仿真開始的第1秒設置了母線單相接地不對稱故障，并在0.12秒后清除了此故障。
仿真工況（1）
通過下圖仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，需要配置至少20%儲能才可以使電壓在系統(tǒng)完成調(diào)節(jié)后趨于穩(wěn)定。風機上線后產(chǎn)生了瞬間電壓波動，此時系統(tǒng)處于過載狀態(tài)，系統(tǒng)電壓升高。在儲能系統(tǒng)的作用下及電解槽符合率上升后，系統(tǒng)電壓趨于穩(wěn)定。10%儲能情況下的系統(tǒng)電壓處于失穩(wěn)狀態(tài)。對比高比例儲能的情況，30%儲能或以上可更好平抑風機上線后產(chǎn)生的瞬間電壓波動峰值，以及在系統(tǒng)在完成調(diào)節(jié)后更快平穩(wěn)電壓。
↑ 仿真工況（1）35kV母線電壓仿真結果
下圖為儲能組件的無功功率輸出仿真結果，在產(chǎn)生波動時，儲能組件輸出無功功率并提供慣量來平移電壓波動。
↑ 仿真工況（1）儲能組件無功功率輸出
下圖表明，20%以上儲能情況下，系統(tǒng)頻率波動不明顯，在系統(tǒng)完成調(diào)節(jié)后頻率穩(wěn)定，變化范圍<1%。
↑ 仿真工況（1）系統(tǒng)頻率仿真結果
儲能組件的有功功率輸出如下圖所示，更大的儲能配比可提供更高的有功功率輸出，并可以有效減少頻率的波動峰值。
↑ 仿真工況（1）儲能組件有功功率輸出
仿真工況（2）
如圖1所示，與工況（1）情況近似，當負荷端變化時，系統(tǒng)電壓發(fā)生短暫過載并在發(fā)電端調(diào)節(jié)后趨于穩(wěn)定。除40%儲能外，在發(fā)電端完成調(diào)節(jié)之前，電壓過載率均高于20%。如圖2所示，與工況（1）相比，儲能無功輸出更低。
↑ 圖1 仿真工況（2）35kV母線電壓仿真結果
↑ 圖2 仿真工況（2）儲能組件無功功率輸出
下圖表明，當負荷端產(chǎn)生較大變化時，系統(tǒng)頻率也會遭遇較大波動，在10%儲能情況下，波動峰值為+3%，?1.5%。高比例儲能可降低頻率波動峰值。與工況（1）相比，儲能系統(tǒng)需要在電解槽切除后吸收風機的有功功率輸出，高比例的儲能可吸收更多的多余有功功率，從而降低頻率波動峰值。
↑ 仿真工況（2）系統(tǒng)頻率仿真結果
↑ 仿真工況（2）儲能組件有功功率輸出
仿真工況（3）
下圖為仿真工況（3）35千伏母線電壓在不同儲能配比情況下的仿真結果。風機高壓側母線單相故障在排除前帶來了很大的電壓波動，小于20%儲能的情況下無法使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)電壓在故障排除后產(chǎn)生了震蕩現(xiàn)象，儲能組件無法通過無功功率調(diào)節(jié)平抑波動。20%及以上的儲能配置可以平穩(wěn)電壓，區(qū)別在于在故障排除后導致的電壓波動峰值。
↑ 仿真工況（3）35 kV 母線電壓仿真結果
↑ 仿真工況（3）儲能組件無功功率輸出
在較低儲能配比的情況下，系統(tǒng)頻率產(chǎn)生崩潰，并由于激增電流的原因產(chǎn)生較大波動。
↑ 仿真工況（3）系統(tǒng)頻率仿真結果
如下圖，儲能組件需要發(fā)生波動時吸收多余的有功功率，儲能組件允許短時間過載，以平抑頻率的波動。
↑ 仿真工況（3）儲能組件有功功率輸出
● 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析
本文中所設計項目主要包含2臺1500Nm3/h的堿性電解槽，制氫工程部分按300萬元/兆瓦計算，制氫部分投資金額約4500萬元。風電部分包含4臺額定功率在6.25兆瓦的風機，投資金額約為8500萬元。儲能部分按1元/瓦時計算，投資估算見下表，每增加10%儲能對應增加投資占比約1.6個百分點。
↑ 儲能部分投資估算
本文對離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)基本結構和特點進行了闡述。通過對離網(wǎng)型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定條件進行歸納和總結，得知系統(tǒng)穩(wěn)定因素主要取決于系統(tǒng)電壓和頻率。本文還探討了構網(wǎng)型儲能在離網(wǎng)電力系統(tǒng)中的作用，為探究不同儲能配比對離網(wǎng)型新能源制氫系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在ETAP仿真平臺下建立了一套以電解槽為主要負載的離網(wǎng)制氫系統(tǒng)。仿真包含3種典型仿真工況及10%、20%、30%和40%儲能配比，并對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了對比分析。仿真采用荷隨源動的控制策略，目的是保證系統(tǒng)功率平衡。仿真結果表明，對于本文中構建的離網(wǎng)制氫系統(tǒng)，需要配置至少20%新能源裝機容量的儲能組件才能平抑系統(tǒng)電源端或負荷端調(diào)節(jié)所帶來的波動，并保證系統(tǒng)在后續(xù)運行中保持電壓及頻率的穩(wěn)定。20%以上的儲能配置可保證在系統(tǒng)調(diào)節(jié)后或故障排除后系統(tǒng)電壓波動<3%，頻率波動小于±0.5赫茲。通過仿真結果可得知，更高的儲能配比可以有效平抑系統(tǒng)電壓或頻率產(chǎn)生波動時的峰值，使系統(tǒng)可以更快恢復平穩(wěn)，從而增加系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，但是會極大降低制氫的經(jīng)濟性。根據(jù)對文中提及的項目規(guī)劃，每增加10%對應增加總投資的1.6%。此外，儲能的配比也取決于除儲能組件外的系統(tǒng)組件所允許的過載倍數(shù)。如果系統(tǒng)內(nèi)組件工作時允許一定范圍內(nèi)的電壓及頻率波動，那么降低儲能的比率也將存在可能性，從而提高制氫經(jīng)濟性。其他因素如系統(tǒng)中存在線路阻抗、諧波、或系統(tǒng)組件損耗效率等問題，也會一定程度上影響儲能配置的占比，此部分的工作將建立在未來更加完善的仿真模型上。
