离网式光伏电解制氢系统供电单元设计技术探讨

【摘要】 可再生能源制氢是促进新能源电力消纳、实现零碳氢能的重要方式。与并网制氢模式相比,光伏离网制氢具有成本低、部署灵活的优点。以离网光伏电解水制氢系统为研究对象,对比了光伏并网制氢与光伏离网制氢的不同,讲述了3种制氢电解槽与可再生能源结合的适用性。重点阐述了基于碱性电解水制氢设备的离网制氢系统结构设计、电解槽的光伏直流供电单元设计、制氢辅助系统交流供电单元设计、安全供电控制单元设计,分析了系统设计和控制过程中应重点关注的问题。储能的容量配置方法和双备份的可靠供电方法为离网式光伏制氢系统提供了技术参考。 

我国正面临着严峻的能源结构问题，煤、石油、 天然气等化石能源目前占能源需求总量的85%左右， 到2 0 3 0 年非化石能源占一次能源消费比重将达到 25%左右［1］。由于光伏、风电等可再生能源出力具 有随机性和间歇性的特点，难以保证供电的连续性 和稳定性，因此通常配备一定容量的储能与其联合 运行［2］，但电化学电池受限于寿命、成本和容量等， 大规模应用困难。而氢能作为一种能量密度高、环 境友好、易于存储的清洁能源［3］，将其与可再生能 源配合起来联合运行，构成电氢综合能源系统，在 提升系统供电可靠性与稳定性的同时，可以提高能 源利用率，减少碳排放量，为实现“双碳目标”提 供新的解决思路［4］。 截至2020年年底，占全球GDP总量52%的27个国 家中，16个已制定全面的国家氢能战略，还有11个国 家正在制定国家氢能战略。美国在2014年提出了《全 面能源战略》，明确表示了氢能将在交通转型中起到主 导作用，应推动发展制氢等相应的关键技术。日本于 2016年制定了《面向2050能源环境创新战略的计划》， 旨在推动制氢、储氢、氢发电技术发展，扩大应用范 围，最终构建清洁无污染的“氢能社会”。欧盟在2020 年发布了《欧洲氢能战略》，从2020年到2024年，将支 持在欧盟安装至少6  GW的可再生氢电解槽，并生产多 达100万  t的可再生氢。2016年中国发布《能源技术革 命重点创新行动路线图》，指出“要实现大规模，低 成本制取、存储、运输、应用氢气”；“双碳”目标下， 氢能作为清洁能源的未来，已被除西藏外的30个省份 写入了“十四五”发展规划中。当前，全世界商用氢 气96%以上是从化石燃料中制取，制氢过程中会排放大 量二氧化碳，这类氢气也被称为“灰氢”。通过风电、 光伏等可再生能源制氢，不仅能够实现“零碳排放”， 获得真正洁净的“绿氢”，还能够将间歇、不稳定的可 再生能源转化储存为化学能，促进新能源电力的消化。 可再生能源制氢系统主要分为光伏并网集中制 氢、全离网光伏制氢、光伏并-离网多模式制氢3种方 案。目前国内建设的可再生能源制氢系统多以并网集 中制氢方案为主，原因是有电网作为稳定能源支撑且 各主要设备成熟。但随着可再生能源制氢规模的不 断扩大，与并网制氢模式相比，光伏离网制氢具有诸 多优点。在并网制氢条件下，由于系统内电能需要经 过逆变、升压、整流多次变换，导致损耗较大，最终 电能利用效率偏低；但在离网状态制氢，只有整流环 节，系统效率较高。同时，离网制氢减少了升/降压、整流、并网等设备的投资费用，在系统成本上相较于并网制氢可减少约40%。此外，离网制氢无需经过光伏入网审批，可大幅缩短建设周期，规模和容量的设置也更为灵活［5］。特别是在某些大电网未覆盖地区，如海上能源平台、偏远地区公路加油站、远海岛屿等，离网式制氢系统可通过热、电、气多能联合供给的方式有效缓解能源短缺［6］。国内研究学者对于离网式风/光、氢联合运行系统的研究主要集中在拓扑设计和容量配置等方面，包括模型构建、控制策略和容量配置优化等。文献［7］提出了高寒条件下光伏储氢独立供能系统架构，实现了热电负荷的综合供应；文献［8］建立了基于光伏制氢的蓄电池与超级电容成混合储能系统，并提出了对应的控制策略；文献［9］建立了光伏、超级电容器及电解槽数学模型，构建了一种变流器少、成本低的光伏、超级电容器、电解槽集结于直流母线的联合系统结构；文献［10］构建了风氢互补系统，并以制、储、燃氢装置成本、负荷缺电率和系统输出功率波动率为指标研究容量配置方案；文献［11］建立了基于风/光联合制氢、储氢，氢燃料电池用氢的住宅联合供能可再生能源系统。文献［12］构建了非并网风电电解水制氢系统，消除了风电对电网的冲击，实现风电100%高效、低成本利用；文献［13］基于碱性电解槽电热特性，提出碱性电解槽阵列轮值协调控制策略，在保障风电消纳效果的同时，可有效提升电解槽阵列寿命和运行安全性，并降低投资成本。文献［14］利用可再生能源发电电解水制氢，并结合地埋储热装置构建了综合可再生能源氢热联产系统，提高了制氢工厂的能源利用效率；文献［15］将风/光发电多余电能电解水制氢，结合蓄电池与燃料电池实现了无风光发电的极端情况下系统的连续供电，提高了

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