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摘要：基于风光互补发电、绿电电解水制氢、储存氢气和氢燃料电池发电等技术的风光氢耦合发电储能微电网系统，以氢能为能源载体，既弥补了风光的间歇性、波动性缺点又能节能减排。本文主要从节能低碳出发，设计一套适合于孤网负荷供电的离网型微电网。

关键词：风光互补 氢能 微电网

1 引言

由于各种条件的制约，在现实的生产和生活中，还存在着大量的孤网负荷，这种负荷容量一般都比较小，在十几千瓦到几十千瓦之间，因地理环境交通不便，距工业电源较远，市电很难引进，一般都是采用柴油发电机组来提供电源。柴油发电过程中排出烟雾含有大量的二氧化硫，对空气和水资源都构成了严重的威胁。与国家“十四五”规划及油田集团公司关于发展推广新能源、降低碳排放，以实现“双碳”目标的政策要求相违背。且柴油发电机故障率高，日常维修繁琐，需要定期运送原料，耗费大量的人力、物力，财力，度电成本高，供电性价比较低。

现提出用风光氢耦合发电储能模式对孤网负荷进行供电，白天以太阳能发电为主，风力发电为辅，多余的光电、风电用来电解水制氢，夜晚或风力不足时，用制取的氢气来发电，形成“绿电耦合绿氢”的发供电模式，这样既弥补了太阳能、风能发电的波动性和间歇性缺点，又充分利用清洁能源氢，做到真正的“净零”排放，实现全“绿色”供电。

2 风光氢耦合发电储能微电网关键技术

2.1 风光互补发电

风能和光资源在时间和空间分布上具有不稳定性和互补性，根据二者在时空分布的特点，合理设计风电和光电配置比例，比独立风电或光电度电成本更低，更能充分利用风能和光。风光互补发电系统不是简单地将风力发电系统与光伏发电系统进行组合，而是经过计算进行合理设计，使系统输出电能稳定、降低度电成本等一系列目的。

2.1.1风力发电

根据《风力发电场设计规范》规定：“风力发电机组塔筒中心与公路、铁路、输电线路、通信线路、天然气石油管线等设施的避让距离宜大于轮毂高度与叶轮半径之和的1.5倍。”以金风科技5MW主流陆上风机为例，轮毂高度108m，叶轮半径83m，此避让距离应大于286.5m。因此，受安全距离限制，油区内一般情况下无法采用大型风机建设大规模风力发电场。

小型风机占地面积小，启动风速低、噪音小，建设及维护成本低；对风向没有要求，故在采油平台设置小型风机，纳入采油平台多元微电网，既符合国家政策的要求，又可满足平台生产负荷需求。小型风力发电机组的技术有如下特点：

①风机叶片一般为2～3个，少数为4～6个，且叶片材料多样化，包括木质、铁质、铝合金、玻璃钢复合型和全尼龙型等。

②发电机励磁磁极选用永磁式，低速型。励磁磁极选用稀土或铁氧体，可使发电机的效率大大提升（提高到0.75以上）。

③与大型风力发电机相比，小型风力发电机对场地和安全距离的要求较低，甚至可以安装在建筑物的侧面或屋顶上，尤其适合场地有限、不具备建设大型风电场的场所。

④小型风力发电机组的单机功率范围从几百瓦到几十千瓦，机组运行平稳、质量可靠，设计使用寿命一般为15～20年。

⑤小型风力发电机组体积小、重量轻，便于安装和运输。

2.1.2光伏发电

光伏发电系统主要由光伏组件（太阳能电池阵列）、汇流箱及辅助系统等组成。光伏阵列将太阳能转变成直流电，汇集于直流控制中心母线。

①光伏组件

光伏组件类型有单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等。其中单晶体硅光伏组件因性能稳定、光电转换效率高、技术成熟等优点等光伏应用。单片光伏组件的功率从1～545W国内均有厂商生产；考虑油田生产平台土地资源宝贵，选用单片容量大的组件，减少占地面积。目前，一般推荐采用545W型单晶硅光伏组件。

②直流汇流箱

汇流箱是保证光伏组件有序连接和汇流功能的接线装置，能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，发生故障时减小停电范围。汇流箱具有防逆流及过流保护，能够及时切断故障组串，额定工作电压可达DC1000V，额定电流一般为10～15A。按照分布式光伏发电的规模，汇流箱输入回路一般为6、8、10、12、16回路等。

2.2 氢储能系统

氢储能系统包括制氢、储氢、氢燃料电池发电三部分。

2.2.1制氢

制取的氢根据原料的不同可分为灰氢、蓝氢和绿氢，电解水制氢为绿氢。单纯的电解纯水，电离程度不高，导电能力也不够好，一般会选择加入电解质，以增强电解液的导电性，更容易制取氢。目前电解槽有碱性水电解槽（ALK）、固体聚合物水电解槽（SPE）和固体氧化物水电解槽（SOE）。

①碱性水电解槽（ALK）

碱性电解水制氢电解槽内装有隔膜，隔膜将电解槽分为阴、阳两个室，阴、阳极分别放置于其中。电解质主要为20%～30%的NaOH或KOH溶液。

工作原理：电解槽中的阴极吸引电解液中的H+，H+得电子生成氢气；阳极吸引电解液中的OH-，OH-失去电子生成水和氧气。

该技术的优点是工艺过程简单，技术成熟，成本低，产氢杂质少（99.99%）；缺点是响应速度慢，与可再生能源（风光发电）适配性较差。

②固体聚合物水电解槽（SPE）

固体聚合物电解水制氢技术核心是电催化剂直接附着于聚合物离子交换膜上，形成复合膜电极结构，以离子膜固体电解质取代液体电解质。最具代表性的是质子交换膜（PEM）电解水制氢技术，又被称为PEM电解水制氢，电解原料为去离子水，直流电流密度在10000A/m2 -20000 A/m2 ，是碱性制氢电解槽的5倍左右，工作温度在50℃-80℃，工作压力在5Mpa以内。

工作原理：在阳极加水，水在阳极被分解生成氢离子、电子和氧气。电子通过外电路从阳极到达阴极，氢离子通过固体聚合物电解质到达阴极，与电子结合形成氢气。

该技术优点是运行灵活、反应性高，可以很好地结合可再生能源发电；工作范围广、响应时间短；功率较低时可启动待机模式，功率较高时保持短时间内的超负荷（100%-200%）运行。设备简单、占地面积小，使用条件灵活。能耗低；性能稳定，系统承压能力强，无腐蚀性，使用寿命长；缺点是不适用于高温条件。

③高温固体氧化物电解质电解水制氢技术（SOE）

高温固体氧化物电解池中间是具有高离子电导率和低电子电导的致密的电解质层，将电离生成的氢气和氧气隔开，并且传导氧离子或质子。

工作原理：较高温度下（600～1000℃），水在直流电压的作用下在阴极被分解为H2和O2-，O2-穿过电解质层到达阳极，在阳极失电子得到O2。

该技术优点是高温能够从热力学和动力学方面显著提升电化学性能和制氢效率；缺点为高温下材料的稳定性和持久性要求较高，尚未实现商业化应用。

2.2.2.储氢系统

目前，氢的储存主要有物理储氢、化学储氢、吸附储氢和水合物法储氢等类型。不同储氢方式技术原理、优缺点及主要应用场景不同。当前物理储氢中的高压气态储氢是主流，但是因为安全性，其发展一直受到限制，且储氢密度较低，不适合大规模长距离运输。高压气态储能方式适合于固定式小容量储氢。

2.2.3氢燃料电池

目前，燃料电池按燃料电解质的类型可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PENFC）五大类。

质子交换膜燃料电池（PENFC）具有启动时间快，反应温度低等优点，质子交换膜燃料电池大多数用于氢燃料电池车作为交通电源。目前，因PENFC响应快速、效率高等优良特性被广泛运用于电网调峰、海岛、边远地区、偏远油气井等无市电地区的发供电系统电源。

3 风光氢耦合发电储能微电网模型设计

3.1 系统组成

该系统有光伏发电系统、风力发电系统、制氢系统、储氢系统、氢发电系统、蓄电池组和直流控制中心等模块组成。

3.2 控制逻辑

（1） 白天，光伏+风电系统发出电力经转换后，优先用于用电负载；富裕电力用于电解水制氢和锂电池储能；若可再生能源发电系统无法消纳时，对发电系统降荷；

（2）水电解制备的氢气经压缩后进行存储；

（3）光伏不工作时，风电单独供电，不制氢，优先用于用电负载，富裕电力用于锂电池储能。

（4）若可再生能源发电系统不能满足负载需求，启动氢燃料电池发电或储能电池放电。

3.3 建设容量

以唐山冀东沿海地区孤网负荷40kW为例，计算其模型容量如下：

3.3.1蓄电池容量

电解水制氢和燃料电池发电系统的瞬时响应能力较弱，需要增设1套储能电池平滑电力，根据项目负荷和运行情况，蓄电池容量选择40kW/80kWh，日供负荷小时数为2h。

3.3.2风电设计容量

唐山冀东沿海地区30m高度日平均风速变化幅度较大，且规律性变化。晚间3：00～凌晨8：00风速比较低，风速平缓；日出后，随着地表温度的不断攀升，风速也开始加大，到下午15时达到峰值，午后风速又开始下降；其风功率密度变化也遵循此规律。根据油区30m高度风力发电常规日风速和风功率密度曲线可得，在下午17：00～凌晨2：00时间段内，风电单独供电，为保证该时间段内，风力最小输出功率为40kW。根据50kW风力发电功率与风速曲线图可计算出，风力发电机组装机容量为150kW，装机规模为单机容量为50kW的风力发电机组3台。

3.3.3 氢储能容量设计

（1）制氢装置容量计算

根据光伏发电特点，光伏发电主要集中在7：00～17：00，供电时间10小时，风电单独供电时间为9小时（17：00～2：00），蓄电池供电时间为2个小时（2：00～4：00），氢燃料电池发电时间为3个小时（4：00～7：00），考虑各种不确定因素，为保证系统运行稳定性，燃料电池容量给予2倍冗余。按1kg氢气可以发15kWh电计算，给予2倍冗余后，满足40kW负载的固定式氢燃料电池发电装置氢气额定需求量75g/min，3小时共需氢气量为：

75g/min×60×3h/1000kg=13.5kg

换算成标准体积为：

13.5kg×11.2Nm3/kg=151.2Nm3

结合光伏风力发电互补，日制氢时间约为10h，制氢装置出氢速率为15.12Nm3/h。

按制取1Nm3氢气耗电量为5kWh，制氢设备功率为：15Nm3×5kWh/Nm3=75kW

质子交换膜电解槽具有运行灵活、反应性高，设备简单、占地面积小，可以很好地结合可再生能源发电等优点，本项目选择额定功率为75kW的质子交换膜电解槽。

（2）储氢装置容量计算

20Mpa储氢压力，加压供氢压力1.5MPa，有效储氢压力18.5MPa，经查表在18.5Mpa下氢气密度为13.723kg/m3，本工程有效储氢体积为13.5kg/13.723kg/m3=1m3

20MPa储氢瓶组单根水容积2.36m3，考虑损坏等因素，给于2倍冗余，选用1根20MPa储氢瓶。

（3）氢燃料电池容量选择

根据质子交换膜燃料电池（PENFC）具有启动时间快，反应温度低等优点及适用场所，本项目选择发出功率为40kW的质子交换膜燃料电池。

3.3.4 光伏设计容量

光伏发电主要集中在7：00-17：00，该时间段光伏和风电系统共同带负荷（平台用电负荷、蓄电池充电、电解槽制氢），根据唐山市曹妃甸区太阳能资源情况可知光伏发电年利用小时数约为1400小时，日等效利用小时数为4h；考虑到夜晚光伏不工作，且不需制氢，河北唐山风力发电年利用小时数约2200 h，日等效利用小时数为 6 h；根据光伏、风力发电及负荷特点，可得下式：

4×Pvmax+6×Pfmax-9×Pfh-5×Pfmin=10×Pfh+10×Pzq+Pdc/0.8

其中：

Pvmax：光伏装机容量

Pfmax：风电装机容量

Pfh：平台负荷

Pfmin：风力发电日最小功率

Pzq：制氢装置功率

Pdc：蓄电池容量

经计算，光伏装机容量为235kWp。

光伏方阵的输出功率与组件串联数量有关，当每个光伏组件性能一致时，串联在不改变输出电流的前提下，使光伏方阵的输出功率成比例增加。根据《光伏发电站设计规范》，光伏组件的串联数量按公式（1）、（2）进行计算：

N≤Vdcmax／[Voc×（1+（t－25）×Kv）]..............（1）

Vmpptmin／[Vpm×（1+（t’－25）× KV’）] ≤N≤Vmpptmax／[Vpm×（1+（t－25）× KV’）].....（2）

式中：N ─光伏组件串联数（N 取整数）；

Kv─光伏组件的开路电压温度系数；

KV’─光伏组件的工作电压温度系数；

t ─光伏组件工作下的极限低温（℃）；

t’─光伏组件工作下的极限高温（℃）；

Vpm─光伏组件的工作电压（V）；

Voc─光伏组件的开路电压（V）；

Vdcmax─逆变器允许的最大直流输入电压（V）；

Vmpptmax─逆变器MPPT电压最大值（V）；

Vmpptmin─逆变器MPPT电压最小值（V）；

冀东沿海所在地极端最高气温为40℃，极端最低气温为-20℃，采用545W单晶硅光伏组件，组件开路电压49V，工作电压41.8V；开路电压温度系数为-0.27%/℃，工作电压温度系数为-0.35%/℃。逆变器最大直流输入电压1000V，MPPT电压范围为550V～850V。一般情况下，冀东沿海所处曹妃甸区域光伏组件组件串联数量为14～23。本项目选用545Wp 的单晶硅双面组件432块。18块组成一串，共24串，倾角为34度。

经计算，光伏发电直流侧容量为235kWp，545W光伏组件432块；风力发电为150kW，3台50kW小型风机；蓄电池容量为40kW/80kWh;，制氢装置的额定功率为75kW的质子交换膜电解槽，氢燃料电池发电装置为质子交换膜功率为40kW。

5 主要研究结论及建议

本文讲述了太阳能发电、风力发电、氢燃料电池发电与蓄电池储能形成离网型微电网，该组合方式占地面积较大，氢能作为新兴能源，投资较高，适合在闲置面积较大的区域做试点。对于目前氢能发电成本较高，普及率不高的问题，随着科学技术发展有较大突破，氢能发电成本必然会大大降低。

太阳能发电、风力发电、氢燃料电池发电等新型能源发电在国家“双碳”政策的引领下，将会越来越受到重视。我们应该根据用电负荷的等级、区域、类型、大小等来选择不同的新能源发电组合方式，在保证供电可靠性的前提下，达到经济最优，性价比最高。

参考文献

[1]荆涛，陈庚，王子豪，许朋江等。风光互补发电耦合氢储能系统研究综述[J]中国电力第55卷第1期

[2]杨卫华， 孙文， 许志欣，蒋康乐。 风光互补联合制氢燃料电池系统浅析[J]节能2016年第5期

[3]马也骋，程超。风光互补发电系统在通信基站的使用及其效果分析[J]通讯电源技术，2013，（6）

[4]王久海，雷卫清。光伏发电与氢储能在无市电接入通信基站的应用研究[J]技术与应用，2015，（22）