弃风制氢 | 一种“海上风电—氢能”综合能源系统

风电制氢将风力发出的电直接通过水电解制氢设备将电能转化为氢气，通过电解水产生便于长期存储的氢气。风电制氢有效解决了大规模的弃风问题，不仅对综合能源系统中风电的消纳能力具有重要意义，也将探索出不同于储能、P2G、供冷供热进行本地可再生能源消纳的新途径。风电制氢有望加速海上风电进一步降低成本，进入平价上网时代。

除了弃风制氢，弃风压缩空气储能也是一种可行的技术方案，广东沿海分布有大量的适合建造地下储气库的花岗岩，可建设海上风电—压缩空气储

2月27日，荷兰壳牌宣布启动欧洲最大的海上风电制氢项目（NortH2），NortH2项目计划在荷兰Eemshaven建设大型制氢厂，将海上风电转化为绿氢，同时在荷兰和西北欧建立一个智能运输网络，通过Gasunie的天然气基础设施将80万吨绿氢用于工业以及消费市场，到2040年每年可以节约700万吨的二氧化碳排放。广东省到2030年底将建成投产约3000万千瓦海上风电装机容量，海上风电的并网及消纳问题将成为广东省迫切的问题。当前广东省拟在近海深水区进行柔性直流以及海上风电制氢的探索，在水深35-50米之间的海域共规划海上风电场址6个，装机容量达5000万千瓦，海上风电制氢技术有望解决海上风电消纳问题，并加速广东省海上风电成本降低，进入平价上网时代。《南方能源建设》2020年第2期海上风电专栏邀请广东省电力设计研究院杨源介绍了一种含海上制氢站和岸上加氢站的海上风电制氢技术路线，并给出了海上风电-氢能综合能源监控系统，分享主要内容如下：

当前海上风电发展如火如荼，以广东省为例，到2020年底，建成投产200万千瓦以上；到2030年底，建成投产海上风电装机容量约3000万千瓦。大规模的海上风电投产后，如何解决海上风电的并网及消纳问题，成为当前迫切的问题。随着氢能技术，特别是制氢、储氢技术的发展，以风电制氢为代表的新能源制氢技术，逐步成熟，基本具备了产业化的条件。因此，突破传统的氢能概念，利用海上风电直接制备氢气，并通过液氢或高压氢的储运技术，送出到氢能源市场。通过海上风电制氢，所获得的“绿氢”无碳、可储存、可运输和分散的特点，使得海上风电开发跨越电力输送的渠道，而成为与石油和天然气类似的，而且是一种绿色的，优质能源战略能源类型。

1海上风电-氢能综合能源系统概述

海上风电—氢能综合能源系统包括海水淡化装置、水电解制氢装置、压缩储氢装置、风电机组监控系统及配套的电气接入装置等。其中，制氢系统集成布置于海上升压站，储氢和加氢部分布置在陆上集控中心。储氢系统的高纯氢气可作为化工原料使用，实现系统的“电氢”联供。

海上风电—氢能综合能源系统的定义是：利用间断式、不均衡的风电制氢和储氢的综合能源系统，该系统包括风力发电、水电解制氢系统、储氢装置、燃料电池发电装置、配电设施及有关的管线。其中水电解制氢装置的定义是：以水电解工艺制取氢气，由水电解装置、分离器、冷却器等设备组成的统称。

海上风电—氢能综合能源系统流程示意见图1，海上风电制氢-燃料电池装置运行流程见图2。由风力发电的电能供给水电解槽制氢，所获得的氢气经加压后，通过高压管道传输至陆上集控中心加氢站进行存储。

图1 海上风电-氢能综合能源系统流程示意图

图2 海上风电制氢-燃料电池装置运行流程（引自郭梦婕）

1.1 陆上加氢站

包括高压氢气贮存单元及氢气减压分配盘。高压储氢系统是将碱性电解槽制氢系统经压缩加压后的氢气，储存在高压储氢瓶组中，氢气贮存罐安装在室外。减压分配盘是为了使用户从氢气贮存罐中获得减压后的氢气，并配有安全阀。

1.2 海上制氢站

通过接收风电机组产生的电能，在电解槽中产生氢气，并通过分离、干燥、提纯等步骤产出纯度99.99%、压力3.0MPa的高纯氢气。高纯氢气通过加压经管道，送至陆上加氢站。水电解制氢系统包括：水电解槽、海水淡化、氢气纯化装置和氢气压缩机等设备，其产生的氧气直接排出大气。

当海上制氢站需要黑启动时，以UPS作为启动电源，先通过备用站用储能电池建立直流母线电压进而建立交流母线电压和频率，逐个投入装置自身用电负荷以及模拟风电机组发电系统，之后可按需求投入其它负荷和电解制氢装置。直流母线通过双向DC/AC变流器实现交直流电流转换，其中交流侧为380V交流母线，接有电解水制氢装置、储氢系统用电、UPS电源等，同时在35kV侧接有无功补偿装置；直流侧为220V直流母线，接有备用站用储能电池，具备与380V交流母线双向变流功能。

1.3 海上风电机组

海上风电机组可接受陆上综合能源监控系统的命令，根据事先约定的控制策略自动调整和控制风电场每台机组的能量输出能力，从而最终实现风电场的有功、无功控制。

综合能源监控系统需要保证风机的安全运行和制氢效益的最大化，主要由自动发电控制子系统和自动电压控制子系统组成来实现对整个风电场的调度及控制。

2 海上风电-氢能综合能源监控系统架构

海上风电-氢能综合能源监控系统的系统典型结构图如图 2所示。它可满足风电机组系统接入、电解制氢、海水淡化、储能电池等的集配电需求，基本实现内部电力电量平衡，并实现负荷预测、发电预测、短时功率平衡、经济调度、电能质量管理等功能。达到自发自用，短时储电，长期储氢，负荷可控的控制要求。

图2 海上风电-氢能综合能源监控系统架构图

2.2 陆上加氢站监控子系统

启动工况时，综合能源监控系统对管道和设备进行氮气置换，待氢气系统中氧气的体积分数≤0.5%且氢气体积分数≤0.4%时，停止氮气置换。氮气置换完成后进行氢气置换，对系统进行氢气置换，待氢气系统中氧气体积分数≤0.4%且氢气体积分数≧99.9%时，氢气系统完成了氢气置换，开启氢气瓶组截止阀，对储氢瓶组提供氢气。

运行过程中，综合能源监控系统通过氢气侧漏仪对环境中的氢气浓度进行监测，当环境中氢气浓度超过0.5%时，启动强制通风机排气，当环境中氢气浓度超过1%时，停机检查。当系统中压力值超过安全阀的设定值时，安全阀通过排放管线对氢气进行泄放。

停机工况时，综合能源监控系统关闭氢气瓶组截止阀，对系统管道和设备进行氮气置换，待氢气系统中氧气的体积分数≤0.5%时，停止氮气置换。

2.3 海上升压站制氢站监控子系统

综合能源监控系统可采用自动调节、顺控和远控操作相结合的控制方式，自动调节包括电解槽和氢、氧分离器的水位控制，顺序控制包括电解槽的投运、停止的控制。

3 海上风电-氢能综合能源监控系统能量管理

3.1 发电预测及计划

综合能源监控系统通过历史数据、实测数据等进行风电场的发电功率预测，配置风电资源监测功能，并配置风力发电功率预测功能。

（1）根据风功率预测系统的预测数据、风电机组的实时运行数据、制氢负荷特性，合理安排风电机组发电机组、制氢计划、储能充放电计划。

（2）可对海上风电场的无功电压运行进行控制。

3.2 分布式电源管理

（1）对风电机组和储能系统进行发电管理，包括风电机组管理、储能荷电状态管理等。

（2）对风电机组进行检修状态管理，对风电机组进行检修挂牌、检修时间设置。

（3）对储能系统的荷电状态进行状态管理，储能荷电状态过高/过低时能够预警。

3.3 制氢负荷管理

（1）具备根据制氢负荷的实时监测数据对制氢计划进行实时管理。

（2）对氢气进行管理，包括氢气消耗统计、剩余氢气计算和显示、氢气存量预警等。

（3）能对各制氢负荷终端实施限电策略，可包括控制轮次、控制时段、功率定值、电量定值等。

结论

本文对海上风电-氢能综合能源监控系统的系统架构、分析了陆上加氢站、海上制氢站、海上风电机组各监控子系统的要求，并给出了能量管理的要求。该系统可满足风电机组系统接入、电解制氢、海水淡化、储能电池等的集配电需求，基本实现内部电力电量平衡，并实现负荷预测、发电预测、短时功率平衡、经济调度、电能质量管理等功能。