近年來(lái)，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源在我國(guó)電力系統(tǒng)中的占比不斷提高，由于風(fēng)光電的波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性特點(diǎn),將進(jìn)一步加大消納難度，同時(shí)也給電網(wǎng)帶來(lái)了較大的輸送壓力和安全性挑戰(zhàn)。氫能作為長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的有效介質(zhì)，在消納過(guò)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(fēng)光發(fā)電對(duì)電網(wǎng)沖擊，就地消納新能源電力，有望成為未來(lái)重要的消納方式，備受全行業(yè)關(guān)注。

據(jù)了解，中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司氫能技術(shù)團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“華電科工氫能團(tuán)隊(duì)”）研究的新能源離網(wǎng)制氫一體化技術(shù)憑借其在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新性突破和先進(jìn)性實(shí)踐。就此，記者走進(jìn)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(guò)程和技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

注重原始創(chuàng)新夯實(shí)理論基礎(chǔ)

華電科工氫能團(tuán)隊(duì)保持強(qiáng)烈的探索精神，敢于開(kāi)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(xiàng)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(gè)漫長(zhǎng)而艱辛的過(guò)程,越是接近未知的“無(wú)人區(qū)”，越是要夯實(shí)基礎(chǔ)，企業(yè)才能走得穩(wěn)、走得遠(yuǎn)。華電科工氫能團(tuán)隊(duì)聚焦電解制氫負(fù)荷與孤島系統(tǒng)頻率暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性的耦合機(jī)理研究，通過(guò)建立電解制氫負(fù)荷的時(shí)變模型，深入分析了電解堆棧建模精確度對(duì)制氫負(fù)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(biāo)對(duì)電解制氫負(fù)荷性能的影響，明確電解制氫負(fù)荷與系統(tǒng)頻率的多尺度動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理。這些研究為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖1 制氫電解槽中涉及的多物理場(chǎng)耦合

華電科工氫能團(tuán)隊(duì)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(lèi)型構(gòu)網(wǎng)設(shè)備容量變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機(jī)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(xué)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(yùn)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(shí)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(yùn)行？

據(jù)介紹，電解槽是電解水制氫的核心設(shè)備，被譽(yù)為制氫系統(tǒng)的“心臟”。華電科工氫能團(tuán)隊(duì)通過(guò)近十年的技術(shù)積淀，自主開(kāi)發(fā)了大電流密度、低能耗、大產(chǎn)氣量電解槽技術(shù)，通過(guò)匹配新能源波動(dòng)性電網(wǎng)的大容量直流電源設(shè)計(jì)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(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，采用一體化撬裝分離框架及純化裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝和運(yùn)維流程，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，為項(xiàng)目的規(guī)?；茝V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(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用尚處于探索階段。華電科工氫能團(tuán)隊(duì)敢于挑戰(zhàn)，深度研究開(kāi)展相關(guān)硬件與軟件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，成功研發(fā)了構(gòu)網(wǎng)型高壓直掛儲(chǔ)能并網(wǎng)技術(shù)及電力電子虛擬同步機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dòng)性，同時(shí)解決了系統(tǒng)的黑啟動(dòng)和應(yīng)急控制等問(wèn)題，確保了系統(tǒng)復(fù)雜工況下的安全穩(wěn)定。這些探索為未來(lái)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(jià)值。

圖4 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)

堅(jiān)持?jǐn)?shù)智科技賦能 搭建智能管控平臺(tái)

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(yùn)行，華電科工氫能團(tuán)隊(duì)在研發(fā)和實(shí)踐中建立了能量管理控制平臺(tái)和智能容量配置與保護(hù)控制策略。

能量管理控制平臺(tái)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(kāi)發(fā)完成的EMCS系統(tǒng)，是國(guó)際上第一個(gè)實(shí)際商用并可靠運(yùn)行的可再生能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)能量管控平臺(tái)。該平臺(tái)集制氫智能管控系統(tǒng)與能量管理系統(tǒng)于一體，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)電解槽在多物理場(chǎng)景下的耦合控制算法，建立風(fēng)/光、儲(chǔ)、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(shí)現(xiàn)發(fā)電單元與制氫單元的功率動(dòng)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(diǎn)，為后續(xù)項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各組件之間的優(yōu)化匹配，華電科工氫能團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究不同約束條件對(duì)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(chǔ)能設(shè)備和制氫負(fù)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(chǔ)-荷容量自動(dòng)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(duì)機(jī)制就顯得尤為重要。氫能團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)新能源離網(wǎng)制氫系統(tǒng)故障演化機(jī)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(hù)控制方法，形成了離網(wǎng)模式下的系統(tǒng)繼電保護(hù)控制體系。使系統(tǒng)在面對(duì)故障時(shí)能夠迅速響應(yīng)，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(guò)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(tái)子一期25MW新能源離網(wǎng)儲(chǔ)能制氫一體化項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。該項(xiàng)目既是全球首臺(tái)套大規(guī)模新能源離網(wǎng)制氫項(xiàng)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(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，更為全球?yàn)榭稍偕茉锤咝Ю煤涂沙掷m(xù)發(fā)展開(kāi)辟了新路徑，助推可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。