近年來，以風電、光伏為代表的新能源在我國電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，由于風光電的波動性、間歇性、隨機性特點,將進一步加大消納難度，同時也給電網(wǎng)帶來了較大的輸送壓力和安全性挑戰(zhàn)。氫能作為長周期儲能的有效介質(zhì)，在消納過剩的新能源電力上展現(xiàn)出了巨大的潛力，離網(wǎng)制氫可降低風光發(fā)電對電網(wǎng)沖擊，就地消納新能源電力，有望成為未來重要的消納方式，備受全行業(yè)關(guān)注。

據(jù)了解，中國華電科工集團有限公司氫能技術(shù)團隊（以下簡稱“華電科工氫能團隊”）研究的新能源離網(wǎng)制氫一體化技術(shù)憑借其在多個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新性突破和先進性實踐。就此，記者走進華電科工調(diào)研，并深度挖掘了離網(wǎng)制氫技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新過程和技術(shù)特點與優(yōu)勢。

注重原始創(chuàng)新夯實理論基礎(chǔ)

華電科工氫能團隊保持強烈的探索精神，敢于開辟新領(lǐng)域、探尋新路徑。在攻破新能源大規(guī)模離網(wǎng)制氫技術(shù)的道路上，勇做“孤勇者”，甚至連項目能否成立的理論基礎(chǔ)都敢于自己摸索和探尋。

創(chuàng)新不是一蹴而就,只有持之以恒,才能最終取得成功。探索未知更是一個漫長而艱辛的過程,越是接近未知的“無人區(qū)”，越是要夯實基礎(chǔ)，企業(yè)才能走得穩(wěn)、走得遠。華電科工氫能團隊聚焦電解制氫負荷與孤島系統(tǒng)頻率暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性的耦合機理研究，通過建立電解制氫負荷的時變模型，深入分析了電解堆棧建模精確度對制氫負荷暫態(tài)調(diào)頻特性的影響，定量分析系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)指標對電解制氫負荷性能的影響，明確電解制氫負荷與系統(tǒng)頻率的多尺度動態(tài)耦合機理。這些研究為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與穩(wěn)定運行提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

圖1 制氫電解槽中涉及的多物理場耦合

華電科工氫能團隊熟悉掌握離網(wǎng)制氫系統(tǒng)中各設(shè)備工作原理，建立了包含電能系統(tǒng)與氫能系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)空間方程與阻抗模型，研究了不同類型構(gòu)網(wǎng)設(shè)備容量變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機理，探索了在必要硬件構(gòu)成與系統(tǒng)穩(wěn)定穩(wěn)定性之間的科學關(guān)系，為構(gòu)網(wǎng)設(shè)備的最優(yōu)化配置提供了理論依據(jù)。

圖圖2 電解槽在不同運行階段的等效電路

攻關(guān)關(guān)鍵核心裝備技術(shù)破解技術(shù)制約難題

夯實了理論基礎(chǔ)之后，又該如何確保離網(wǎng)制氫的各種設(shè)備之間系統(tǒng)而穩(wěn)定地運行？

據(jù)介紹，電解槽是電解水制氫的核心設(shè)備，被譽為制氫系統(tǒng)的“心臟”。華電科工氫能團隊通過近十年的技術(shù)積淀，自主開發(fā)了大電流密度、低能耗、大產(chǎn)氣量電解槽技術(shù)，通過匹配新能源波動性電網(wǎng)的大容量直流電源設(shè)計技術(shù)，顯著提高了電解制氫的效率和產(chǎn)能，降低了生產(chǎn)成本，提升了項目的經(jīng)濟效益和競爭力。同時，采用一體化撬裝分離框架及純化裝置，簡化了系統(tǒng)的安裝和運維流程，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，為項目的規(guī)模化推廣提供了有力支持。

圖3 高性能電解槽

總所周知，構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)應(yīng)用尚處于探索階段。華電科工氫能團隊敢于挑戰(zhàn)，深度研究開展相關(guān)硬件與軟件的設(shè)計和驗證，成功研發(fā)了構(gòu)網(wǎng)型高壓直掛儲能并網(wǎng)技術(shù)及電力電子虛擬同步機技術(shù)，實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓、慣量、故障穿越能力和阻尼可控能力的有效支持。這些技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了新能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)與電網(wǎng)的兼容性和互動性，同時解決了系統(tǒng)的黑啟動和應(yīng)急控制等問題，確保了系統(tǒng)復雜工況下的安全穩(wěn)定。這些探索為未來新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建提供了重要的技術(shù)支撐，具有重要示范引領(lǐng)價值。

圖4 構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)實現(xiàn)

堅持數(shù)智科技賦能 搭建智能管控平臺

做創(chuàng)新發(fā)展的探索者，意味著敢闖敢試、敢為人先，為了確保可再生能源大規(guī)模離網(wǎng)制氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運行，華電科工氫能團隊在研發(fā)和實踐中建立了能量管理控制平臺和智能容量配置與保護控制策略。

能量管理控制平臺EMCS是可再生能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)的“大腦”，由華電科工自主開發(fā)完成的EMCS系統(tǒng)，是國際上第一個實際商用并可靠運行的可再生能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)能量管控平臺。該平臺集制氫智能管控系統(tǒng)與能量管理系統(tǒng)于一體，通過自主開發(fā)電解槽在多物理場景下的耦合控制算法，建立風/光、儲、氫設(shè)備系統(tǒng)高效靈活匹配的優(yōu)化模型，具備荷側(cè)跟隨與適應(yīng)源側(cè)劇烈變化的能力，實現(xiàn)發(fā)電單元與制氫單元的功率動態(tài)調(diào)整，維持系統(tǒng)能量平衡，具有高穩(wěn)定、高適應(yīng)、高智能、高產(chǎn)出等優(yōu)點，為后續(xù)項目提供數(shù)據(jù)和優(yōu)化方向。

圖5 能量管理系統(tǒng)操作主界面

為實現(xiàn)了系統(tǒng)各組件之間的優(yōu)化匹配，華電科工氫能團隊通過深入研究不同約束條件對離網(wǎng)制氫系統(tǒng)中各設(shè)備容量的影響規(guī)律，掌握了新能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)發(fā)電單元、儲能設(shè)備和制氫負荷的容量配置策略，并形成了多模態(tài)離網(wǎng)制氫系統(tǒng)源-儲-荷容量自動配置算法，提高了系統(tǒng)整體效率。

一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，高效的故障應(yīng)對機制就顯得尤為重要。氫能團隊通過對新能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)故障演化機制的深入研究，掌握了新能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)故障快速定位和協(xié)同保護控制方法，形成了離網(wǎng)模式下的系統(tǒng)繼電保護控制體系。使系統(tǒng)在面對故障時能夠迅速響應(yīng)，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，減少故障損失。

圖6 電壓源型變流器在短路故障下的序貫切換過程

如今，華電科工自主研發(fā)的新能源離網(wǎng)制氫一體化技術(shù)，已在遼寧華電鐵嶺新臺子一期25MW新能源離網(wǎng)儲能制氫一體化項目實現(xiàn)應(yīng)用。該項目既是全球首臺套大規(guī)模新能源離網(wǎng)制氫項目示范，也是工信部高效可再生能源制氫裝備研制及產(chǎn)業(yè)化示范工程。這一技術(shù)不僅填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，更為全球為可再生能源高效利用和可持續(xù)發(fā)展開辟了新路徑，助推可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。