摘 要： 發(fā)展大規(guī)模風/光互補制儲氫系統(tǒng)，對推進我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)節(jié)能減排和新能源高質(zhì)量發(fā)展具有重要和深遠的意義。當前風/光制氫相關(guān)研究以制氫技術(shù)為主，尚缺乏從核心裝備、運行控制到安全保護多方位多角度的系統(tǒng)性梳理。首先概述了大規(guī)模風/光互補制氫技術(shù)國內(nèi)外的發(fā)展情況;其次從關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展角度對風/光互補制儲氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備、運行控制、保護方式及安全監(jiān)控5個方面進行了分析歸納。最后，展望了大規(guī)模風/光互補制儲氫關(guān)鍵技術(shù)未來發(fā)展趨勢，總結(jié)了未來有待深入研究的技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞： 風/光互補制儲氫系統(tǒng); 關(guān)鍵設(shè)備; 運行控制; 保護方式; 安全監(jiān)控

中圖分類號： TM61

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）04-0001-12

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.04.001

Research Status and Trends of Key Technologies for Large Scale Wind/PV Hybrid Hydrogen Production and Storage System

XING Xiaowen， MU Shujun， FAN Yujian， SUN Xun， ZHOU Yipeng

（Beijing Low Carbon Clean Energy Research Institute， Beijing 102299， China）

Abstract： The development of large-scale wind/PV hybrid hydrogen production and storage systems is of great and far-reaching significance for promoting China's energy strategic transformation， achieving energy conservation and emission reduction and developing high-quality new energy. However， the current research review on wind/PV hydrogen production is mainly focused on hydrogen production technology itself. There is still a lack of systematic review from multiple perspectives， including core equipment， operational control， safety protection and so on. Firstly，the development status of large-scale wind/PV hybrid hydrogen production technology at home and abroad was summarized. Then， from the perspective of key technological development， including the structure， core equipment， operation control， protection methods and safety monitoring of the wind/PV hybrid hydrogen production and storage system were analyzed and summarized. Finally， the future development trends and prospects of large-scale wind/PV hybrid hydrogen production and storage systems were predicted.

Key words： wind/PV hybrid hydrogen production and storage system; key equipment; opertaional control; protection method; security monitoring

0 引 言

氫能作為一種清潔、高效的無碳能源，具有零污染、能量密度高、存儲時間長、安全可控、無地理條件限制、功率變化范圍寬、便于存儲和傳輸?shù)葍?yōu)點。將氫能作為介質(zhì)，通過合理的存儲與控制技術(shù)，可將新能源、電網(wǎng)、氣網(wǎng)、運輸?shù)榷囝愋湍茉淳W(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟主體互聯(lián)，為我國能源轉(zhuǎn)型提供跨越式發(fā)展途徑。

但目前我國制氫還以煤化工為主要手段，存在耗水量大、二氧化碳排放量大等問題，與發(fā)展綠色能源的目標背道而馳。為了實現(xiàn)氫能生產(chǎn)的綠色化，風/光互補制氫技術(shù)近些年來受到了廣泛關(guān)注。風/光互補制氫技術(shù)將綠色發(fā)電和用電完美結(jié)合，通過合理配置與運行控制提升風/光消納率的同時實現(xiàn)零排放。此外，風/光發(fā)電在時間和空間尺度上天然耦合，使得風/光互補發(fā)電技術(shù)在耦合制氫上具有一定的高供電可靠性。

當前，風/光制氫技術(shù)的發(fā)展正在不斷加快，美國、歐盟各國、日本、韓國、加拿大等20多個主體經(jīng)濟體已經(jīng)將氫能（綠氫）提升到了國家戰(zhàn)略層面，均相繼頒布與氫能相關(guān)的能源政策，建設(shè)與新能源發(fā)電結(jié)合制氫、燃料電池離并網(wǎng)運行的電氫清潔能源供給系統(tǒng)［1］。

美國在2014年提出了《全面能源戰(zhàn)略》，明確表示氫能將在交通轉(zhuǎn)型中起到主導(dǎo)作用，并于2021年決定投資5 250萬美元用于風/光制氫技術(shù)研發(fā)，計劃10年內(nèi)將氫能成本降低80%。日本于2016年制定了《面向2050能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略的計劃》，旨在推動綠電制氫、儲氫、氫發(fā)電技術(shù)發(fā)展，構(gòu)建清潔無污染的“氫能社會”［2］。歐盟從第五框架研究計劃開始積極推動了一系列綠電到氣（P2G）項目，到2017年，歐盟電轉(zhuǎn)氣示范項目運行/建成50余項，計劃項目30項，其中60%項目是以氫氣為最終產(chǎn)品［3-9］。此后，歐盟又于2020年發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》，計劃到2030年歐盟安裝40 GW可再生能源制氫裝置，同時制定包含交通運輸、建筑、工業(yè)能源與原料、發(fā)電等氫能終端多領(lǐng)域應(yīng)用路線，逐步構(gòu)建氫能綜合應(yīng)用體系。為了繼續(xù)擴大氫能供給，2022年歐盟委員會和歐洲氫能貿(mào)易協(xié)會組成“清潔氫伙伴關(guān)系”，通過資金支持綠氫生產(chǎn)、存儲和分配等環(huán)節(jié)。

我國基于新能源的制氫技術(shù)研究起步較晚，目前以示范研究類項目居多，但政府已開始重視氫能綜合利用技術(shù)研究，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也漸趨活躍，國家“十四五”規(guī)劃和《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》已將氫能作為前瞻謀劃的未來產(chǎn)業(yè)列入其中［10］。

目前國內(nèi)關(guān)于風/光互補制儲氫技術(shù)的研究主要集中在中央企業(yè)研究所和高校［11-17］，其中國家電網(wǎng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院啟動了“氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究”，已初步具備氫儲能系統(tǒng)試驗?zāi)芰Γ?4］。國家能源投資集團北京低碳清潔能源研究院于2022年初在河北張家口建成了國內(nèi)首座10 MW級風光互補制儲運用氫一體化示范工程，為北京冬奧會提供綠色氫能。2023年6月，由中國三峽新能源與滿世投資集團合資建設(shè)的內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項目成功制取了第一方氫氣，后期預(yù)估年產(chǎn)氫氣約1萬噸、氧氣約8萬噸。同年8月11日，中國能建投資的甘肅張掖市光儲氫熱綜合應(yīng)用示范項目正式建成，是中國西北地區(qū)首個光、儲、氫、熱綜合應(yīng)用一體化項目，把外送剩余的新能源電量進行存儲，在“風光無限”的河西走廊探索綠色氫能的多元應(yīng)用。

目前，風/光互補制氫技術(shù)仍處于小規(guī)模示范階段，現(xiàn)有可再生能源相關(guān)研究多以制儲氫裝備技術(shù)為主，尚缺乏系統(tǒng)級的梳理。本文將圍繞風/光互補制儲氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、耦合制氫運行控制方式、保護配置和安全監(jiān)控系統(tǒng)等進行全面分析和歸納，從技術(shù)和應(yīng)用兩個方面對大規(guī)模風/光互補制儲氫系統(tǒng)未來的研究方向提出了建議方案。

1 風/光互補制儲氫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風/光互補制儲氫供電方式如圖1所示。

風/光互補制儲氫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可依托現(xiàn)已發(fā)展成熟的交流微電網(wǎng)架構(gòu)或直流微電網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)。與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)不受無功、頻率、相角、趨膚效應(yīng)等影響，控制實現(xiàn)簡單且運行效率高，本文主要對基于直流微電網(wǎng)的風/光互補制儲氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行探討及分析。

不管依托哪種供電形式的微電網(wǎng)，風/光互補制儲氫系統(tǒng)均分為并網(wǎng)型系統(tǒng)和離網(wǎng)型系統(tǒng)。其中并網(wǎng)型系統(tǒng)既可按照調(diào)度指令運行在并網(wǎng)模式，又可依據(jù)規(guī)劃或因電網(wǎng)故障運行在孤島模式;而離網(wǎng)型系統(tǒng)因地理位置或者系統(tǒng)配置約束只能運行在孤島模式［18］。

圖1 中的風/光互補制儲氫系統(tǒng)包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、電解水制氫裝置、儲能裝置、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸送等關(guān)鍵設(shè)備與氫氣應(yīng)用。通過調(diào)度需求或者協(xié)調(diào)控制策略定向地調(diào)節(jié)風/光輸出功率、儲能充放電功率及制氫需求功率，可最大限度地利用風電和光伏發(fā)電量，進一步提高風/光發(fā)電利用率，解決大規(guī)模風/光 “消納受限”問題。此外，風/光發(fā)電電解水產(chǎn)生的氫氣和副氧，作為多用途的高密度清潔能源和儲能裝置，既可通過工業(yè)輸送管道進入工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，又可通過燃料電池或者氫內(nèi)燃機發(fā)電反饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)“削峰填谷”。

1.2 關(guān)鍵設(shè)備

電解水制氫、風力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能設(shè)備作為系統(tǒng)內(nèi)最小單元，均通過電力電子變換器接入母線。與此同時，風/光互補制儲氫系統(tǒng)通常需要與電網(wǎng)聯(lián)合運行，在設(shè)計層面需要考慮通過并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)連接。此外，氫氣的制造和存儲設(shè)備也不可或缺，關(guān)系到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1.2.1 各設(shè)備及系統(tǒng)接口變換器

（1）制氫特種電源：電解槽由若干小室串聯(lián)組成，每個小室電壓大約為2 V。由于制造工藝的差異，任何小室的工作狀態(tài)都會影響電解槽整體性能，因此需綜合考慮氫氣產(chǎn)量、氫氣傳送距離、傳送擁堵以及小室串聯(lián)個數(shù)，這意味著大容量電解槽整體將呈現(xiàn)出低壓大電流特性。在風/光互補制儲氫系統(tǒng)中，電解槽通常經(jīng)降壓型直流直流（DC/DC）變換器并入母線，其中Buck變換器最具代表性［15，19-20］。當電解槽端口電壓較低時，受電壓增益約束Buck變換器輸出效率將大幅度降低，為了解決這一問題，提出一系列改進型降壓變換器，如帶開關(guān)電感、開關(guān)電容、三電平及帶觸頭變壓器Buck變換器［21-24］。除了滿足低壓特性外，通常還要求供給大電流，一般采用多個開關(guān)管并聯(lián)方式分擔電流，但這種方式要求所用開關(guān)管特性一致或者盡量一致，實現(xiàn)比較困難。為了解決這一問題，可將多個變換器并聯(lián)，在各路開關(guān)頻率一樣的條件下，通過交錯導(dǎo)通實現(xiàn)大功率輸出，可有效減少電路紋波和降低濾波電容。為了同時滿足低壓大電流需求，提出帶開關(guān)電容交錯Buck、高電壓增益Buck、磁耦合高增益Buck和帶耦合電感多相交錯三電平Buck等類型變換器［25-28］。上述拓撲均通過實驗驗證其高性能和高效率，但受大功率制氫系統(tǒng)近萬安培電流限制，仍無法單獨直接作為制氫電源使用，需要通過合理整合、模塊化設(shè)計提出新拓撲結(jié)構(gòu)。

（2）風力發(fā)電接口變換器：風力發(fā)電通常通過交流直流（AC/DC）整流器接入直流供電系統(tǒng)，隨著機械制造業(yè)的成熟，風電單機容量呈現(xiàn)出遞增趨勢。風電單機容量的不斷增大，迫使變換器設(shè)計與制造也迎來了新的挑戰(zhàn)。受當前絕緣柵雙極晶體管（IGBT）耐流限制，通常以高電壓小電流的形式實現(xiàn)大功率發(fā)電。文獻［29-33］設(shè)計了多種不同類型升壓變換器拓撲，其中包括基于諧振DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)、基于諧振開關(guān)電容DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及基于改進三電平的DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)等。但上述拓撲結(jié)構(gòu)均在發(fā)電機端采用二極管不控整流，無異于增加了風電機轉(zhuǎn)矩脈動，并不適用于大功率發(fā)電機。為此，文獻［34］設(shè)計了基于模塊化多電平變換器（MMC）的整流風電接口變換器，文獻［35-36］提出了一種基于串聯(lián)IGBT的混合三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。文獻［37］設(shè)計了一種模塊化多電平矩陣變換器以取代傳統(tǒng)背靠背拓撲，但這種高壓變換器并不適合作為風電接口變換器接入低壓風/光互補制儲氫系統(tǒng)。

（3）光伏發(fā)電接口變換器：在基于直流供電系統(tǒng)的風/光互補制儲氫系統(tǒng)中，光伏通常經(jīng)升壓型DC/DC變換器接入母線，其中Boost變換器最為常見。針對光伏系統(tǒng)，文獻［38-41］設(shè)計了不同的接口變換器，包括基于磁耦合開關(guān)電感Boost變換器、基于Boost的混合變換器、基于浮點輸出交錯輸入的Boost衍生變換器和帶電壓倍增單元的交錯并聯(lián)Boost變換器等，該類拓撲均具有高效率、高電壓增益和輸入電壓的特點。此外，還提出一系列多相Z源DC/DC變換器［42］和多端口DC/DC 變換器［43-45］。其中文獻［42］以輸入端與輸出端串聯(lián)的形式提高系統(tǒng)電壓增益，文獻［43-45］為了進一步提高變換器在直流系統(tǒng)中的效率，通過設(shè)計三端口變換器將電池儲能裝置與光伏發(fā)電有效結(jié)合。目前，現(xiàn)有關(guān)于光伏接口變換器拓撲的研究已經(jīng)深入各個應(yīng)用領(lǐng)域，但對于大規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電仍以中高壓拓撲為主。

（4）儲能裝置接口變換器：儲能裝置作為風/光互補制儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在孤島運行模式下為制氫設(shè)備提供可靠保證。通常儲能裝置經(jīng)雙向升降壓型DC/DC變換器接入直流母線?，F(xiàn)有研究主要涉及的拓撲結(jié)構(gòu)有雙相Buck/Boost變換器、交錯并聯(lián)Buck/Boost變換器、Z源雙向Buck/Boost變換器、高電壓增益Buck/Boost變換器、三電平交錯并聯(lián)Buck/Boost變換器及帶高頻變壓器的雙有源Buck/Boost變換器等［26，28，46-49］，應(yīng)用場合以電動汽車、中低壓直流微電網(wǎng)、配電網(wǎng)為主。而對于低壓大電流的直流風/光互補制儲氫系統(tǒng)而言，簡單的交錯并聯(lián)Buck/Boost變換器更為可靠和安全。

（5）并網(wǎng)接口變換器：風/光互補制儲氫系統(tǒng)通常經(jīng)過DC/AC變換器接入交流電網(wǎng)，其容量大小和運行控制方式對系統(tǒng)內(nèi)部和交流側(cè)都有極大的影響。對于規(guī)模較大的風/光互補制儲氫系統(tǒng)，可能需要多臺DC/AC變換器并聯(lián)，現(xiàn)有研究關(guān)于并聯(lián)DC/AC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)、運行控制討論較多。在設(shè)計適用于風/光互補制儲氫系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器時，需要滿足多種要求。在系統(tǒng)并網(wǎng)運行方式下，能夠提供制氫設(shè)備所需能量及母線電壓支撐，能夠滿足交流電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求，包括電壓波動、諧波等;還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)孤島運行模式與并網(wǎng)運行模式的平穩(wěn)過渡。

1.2.2 電解槽

電解水制氫中目前主流的電解槽有3種，分別是堿性電解槽、固體聚合物電解槽和固體氧化物電解槽。堿性電解槽的發(fā)展時間最長、技術(shù)最為成熟，國內(nèi)已完全商業(yè)化，其優(yōu)點是成本低，缺點是占地面積大、電解效率低（50%～60%）。固體聚合物電解槽采用極薄的質(zhì)子交換膜代替堿性電解槽中的隔膜和堿液電解質(zhì)，其優(yōu)點是電解效率高（70%～80%）、占地面積?。▔A性電解槽的1/6），缺點是售價較高，目前國外已商業(yè)化，Proton等多家公司已研發(fā)出兆瓦級設(shè)備，并在P2G場景中實際應(yīng)用，國內(nèi)還處于初期探索階段。固體氧化物電解槽目前處于實驗室早期開發(fā)階段，其電解效率可高達90%，但需要解決高溫運行問題［1］。不同電解水制氫技術(shù)對比如表1所示。表1中，從工作溫度、應(yīng)用現(xiàn)狀、單機最大產(chǎn)氫規(guī)模、電解效率及成本方面對不同電解水制氫技術(shù)進行了比較，綜合來看，對于規(guī)模較大的應(yīng)用場景，宜采用堿性電解水制氫技術(shù)。

1.2.3 儲氫裝置

大規(guī)模制儲氫系統(tǒng)中儲氫裝置必不可少，儲氫材料和儲氫技術(shù)的選擇關(guān)系到整個可再生能源制氫系統(tǒng)的運行控制、能量管理，以及系統(tǒng)經(jīng)濟性和安全性。

儲氫技術(shù)包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種技術(shù)［50-54］。不同儲氫技術(shù)優(yōu)缺點及應(yīng)用場景對比如表2所示。氣態(tài)儲氫是指將氫氣壓縮在儲氫容器中，通過增壓來提高氫氣的容量。其是一種應(yīng)用廣泛、簡便易行的儲氫方式，成本低、充放氣速度快，可在常溫下進行。目前國內(nèi)35 MPa儲氫產(chǎn)品已商業(yè)化，70 MPa儲氫產(chǎn)品處于研發(fā)階段，國外已有470 MPa的商業(yè)化儲氫產(chǎn)品。液態(tài)儲氫是一種深冷的氫氣存儲技術(shù)。其具有儲氫密度高、存儲時間長等優(yōu)點。目前，日本多個城市、華盛頓、慕尼黑、柏林、哥本哈根等均有液態(tài)儲氫罐的加氫站，國內(nèi)還沒有該類型儲氫裝置。固態(tài)儲氫的方式分為物理吸附儲氫和化學法儲氫。其中物理吸附儲氫是指利用功能材料及吸附原理進行氫的可逆存儲?；瘜W法主要包括金屬氫化物儲氫、無機物儲氫、有機液態(tài)氫化物儲氫等。相比氣態(tài)及液態(tài)儲氫，固態(tài)儲氫技術(shù)具有體積儲氫密度高、安全性高，不需要高壓容器和隔熱容器，可得到高純度氫的優(yōu)點，但價格昂貴，目前國內(nèi)外還處于實驗室研究階段。

2 風/光互補制儲氫系統(tǒng)運行控制

風/光互補制儲氫是一種通過風力發(fā)電、光伏發(fā)電耦合制氫的綜合能源系統(tǒng)，在提高風力、光伏發(fā)電效率及滲透率的同時可提供工業(yè)或醫(yī)療所需氫氣和氧氣。如何對風/光互補制儲氫系統(tǒng)中風力發(fā)電、光伏發(fā)電、制儲氫設(shè)備及交直流接口變換器進行協(xié)調(diào)控制，保證風/光互補制儲氫系統(tǒng)高效、可靠、經(jīng)濟和安全運行，是目前風/光互補制儲氫穩(wěn)定運行控制研究關(guān)注的重點。

考慮到風/光互補制儲氫系統(tǒng)以微電網(wǎng)為基本架構(gòu)，按照微電網(wǎng)系統(tǒng)運行控制方式，其可采用主從控制、對等控制和分層控制。但風/光互補制儲氫系統(tǒng)運行控制方式又與微電網(wǎng)存在若干區(qū)別，氫氣產(chǎn)量受儲氫罐約束并不等同普通負載，其在運行時存在一個等效SOC，這點類似于電池儲能裝置。為了更好地利用制氫裝置和儲氫裝置的全局信息，分層控制方式被廣泛用于該系統(tǒng)中。風/光互補制儲氫系統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 風/光互補制儲氫系統(tǒng)設(shè)備層控制

設(shè)備層控制主要指對風/光互補制儲氫系統(tǒng)內(nèi)物理層關(guān)鍵設(shè)備（如雙向 DC/AC變換器、雙向DC/DC變換器、制氫系統(tǒng)、風力發(fā)電和光伏發(fā)電等）的本地控制，基于本地信息實現(xiàn)自身一些簡單控制目標。設(shè)備層控制的主要目標是維持直流母線電壓平衡、實現(xiàn)系統(tǒng)瞬態(tài)功率平衡等。針對不同性質(zhì)的物理層設(shè)備，對應(yīng)的控制方法主要有恒壓控制、交直流互聯(lián)功率控制、最大功率跟蹤控制、制氫電源電壓控制、電池儲能恒流充放電控制或下垂控制等［55］。從穩(wěn)定直流母線電壓角度出發(fā)，恒壓控制通常是風/光互補制儲氫系統(tǒng)中最基本的控制方式：并網(wǎng)運行模式下，可通過并網(wǎng)DC/AC變換器控制母線電壓;孤島模式下，可采用儲能裝置或者制氫設(shè)備穩(wěn)定直流母線電壓。

2.2 風/光互補制儲氫系統(tǒng)層協(xié)調(diào)控制

風/光互補制儲氫系統(tǒng)層協(xié)調(diào)控制的主要目標是實現(xiàn)該系統(tǒng)的自治控制和優(yōu)化運行。參照直流微電網(wǎng)運行控制方式，其系統(tǒng)層協(xié)調(diào)控制方式可采用無通信互聯(lián)的母線電壓信號技術(shù)和有通信的分層控制體系實現(xiàn)。

2.2.1 無通信互聯(lián)的母線電壓信號控制技術(shù)

基于直流母線電壓信號（DBS）的控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于直流微電網(wǎng)中［56-59］。該方法無須通信網(wǎng)絡(luò)，通過綜合考慮母線電壓紋波、最大電壓跌落量將直流母線電壓劃分為若干區(qū)域，系統(tǒng)內(nèi)并網(wǎng)DC/AC變換器、儲能裝置、制氫電源、有限可控模式下的風/光發(fā)電設(shè)備按照檢測的直流母線電壓變化量來決定自身運行方式。同時，保證在任何電壓區(qū)域至少有1個設(shè)備采用下垂控制或恒壓控制穩(wěn)定直流母線電壓，以確保瞬態(tài)功率平衡。與傳統(tǒng)直流微電網(wǎng)不同，在風/光互補制儲氫系統(tǒng)中，制氫電源作為主要負載應(yīng)最大化吸收風/光發(fā)電量，又因其可控，在設(shè)計DBS控制方式時可讓其主動參與系統(tǒng)層的協(xié)調(diào)控制。無通信互聯(lián)的風/光互補制儲氫系統(tǒng)運行控制如圖3所示。圖3中，系統(tǒng)具有3種運行模式：并網(wǎng)變換器控制模式、儲能裝置控制模式及制氫電源控制模式。在運行控制中，各設(shè)備間不需要任何通信網(wǎng)絡(luò)，僅根據(jù)檢測到的直流母線電壓信號便可平滑切換控制方式，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，易于實現(xiàn)各設(shè)備的“即插即用”。但基于DBS的控制技術(shù)因缺乏全局信息，無法對儲能裝置和制氫電源進行有效管理，更無法實現(xiàn)系統(tǒng)層面的優(yōu)化運行及中長期功率平衡配置。

2.2.2 有通信的分層控制體系

針對規(guī)模較大的風/光互補制儲氫系統(tǒng)，DBS協(xié)調(diào)控制方式具有一定的約束性，此時需考慮有通信的分層控制體系。

按照分層控制結(jié)構(gòu)，可將風/光互補制儲氫系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制分為2層［60］?；谕ㄐ诺娘L/光互補制儲氫系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制如圖4所示。

第一層系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制的主要目標是根據(jù)風/光互補制儲氫系統(tǒng)實時運行狀態(tài)、儲能裝置容量、儲氫罐壓力等，對直流母線電壓和功率動態(tài)分配進行控制，實現(xiàn)風/光互補制儲氫系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，進而提高電能質(zhì)量?，F(xiàn)有風/光互補制儲氫系統(tǒng)規(guī)模較小，通常采用集中通信集中控制的方式實現(xiàn)該層控制目標，如東北電力大學孔令國教師團隊采用該控制方法對所建風/光氫綜合能源系統(tǒng)進行實時控制［15，61-62］，但集中通信集中控制易發(fā)生單點故障，且控制架構(gòu)固定，不適用于大規(guī)模系統(tǒng)，可參照直流微電網(wǎng)分層控制技術(shù)，采用集中通信分布式控制和分布式協(xié)同控制［55］。

第二層系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制為能量管理，主要目的是根據(jù)風/光發(fā)電出力預(yù)測、制氫系統(tǒng)需求、儲能充電狀態(tài)（SOC）、電力市場價格，按照擬定優(yōu)化運行目標和系統(tǒng)約束做出決策，制定系統(tǒng)運行調(diào)度策略，實現(xiàn)對風/光發(fā)電、儲能裝置、制氫電源所需功率及交直流側(cè)交換功率的靈活調(diào)度，以保證系統(tǒng)經(jīng)濟運行。該層控制一般采用數(shù)學方法和人工智能方法實現(xiàn)，如混合整形規(guī)劃算法［63］、深度強化學習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［64］。

第一層系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制與第二層系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制可通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，第一層執(zhí)行第二層指定的長期規(guī)劃指令，更多通信內(nèi)容可參照文獻［65］。

3 風/光互補制儲氫系統(tǒng)保護技術(shù)

風/光互補制儲氫系統(tǒng)保護涉及電和氣2個方面的理論體系和技術(shù)規(guī)范?；谥绷魑㈦娋W(wǎng)構(gòu)建的風/光互補制儲氫系統(tǒng)的電氣部分保護本身缺乏統(tǒng)一規(guī)范準則、執(zhí)行導(dǎo)則和實際操作經(jīng)驗;對于氫氣部分，氫氣屬于易燃易爆氣體，危害和破壞力極強。如何統(tǒng)籌2個方面技術(shù)以確保整個系統(tǒng)安全運行也需要展開相應(yīng)研究。本節(jié)將從接地方式、 故障類型和保護方式3個方面，以及電氣和制氫2個角度對現(xiàn)有技術(shù)進行綜述。

3.1 風/光互補制儲氫系統(tǒng)接地方式

為了避免電解槽外殼帶電造成巡檢人員觸電等意外事故發(fā)生，通常電解槽中每個小室均需通過軟管連接到總管，然后總管接地［66］，電解槽經(jīng)特種電源作為用電設(shè)備接入直流供電系統(tǒng)。

根據(jù) IEC 60364-1《低電壓電氣裝置第1部分：基本原則、一般特性的評定和定義》，直流系統(tǒng)接地形式可分為 TT、IT 和 TN 3種［55］。其中TT表示直流母線直接接地，用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分直接接地，且兩接地點電氣上完全獨立;IT表示直流母線不接地或經(jīng)高阻抗接地，用電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分直接接地;TN表示直流母線直接接地，用電設(shè)備外露導(dǎo)電部分接到保護線上，然后保護線并入直流母線接地點。TT和TN系統(tǒng)發(fā)生接地故障后會有較大的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象，故障容易被檢測到，需要快速切除以免影響用電設(shè)備的正常運行;IT系統(tǒng)發(fā)生故障后，故障電流很小，用電設(shè)備輸入電壓受影響程度很小，在短時間內(nèi)能夠保證用電設(shè)備正常供電。

考慮到電解槽在正常運行中需要可靠穩(wěn)定的電源，在負載調(diào)整過程中盡可能慢地升降電流，以便及時調(diào)節(jié)鹽水、鹽酸、軟水等流量［67］。同樣，在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時也需要滿足電解槽對調(diào)節(jié)時間的要求?？紤]到電解槽對供電電源的要求，建議風/光互補制儲氫系統(tǒng)采用IT接地方式。

3.2 風/光互補制儲氫系統(tǒng)故障類型

風/光互補制儲氫系統(tǒng)故障可分為接地故障和極間故障，這取決于直流供電系統(tǒng)。其中接地故障依據(jù)接地阻抗大小可分為高阻接地和低阻接地;極間故障多指極間短路故障，故障阻抗較小。此外，按照故障位置不同，可分為交流網(wǎng)側(cè)故障、直流母線故障、支路故障。故障類型如表3所示。

在IT接地系統(tǒng)中，不管是直流母線還是支路發(fā)生接地故障，故障電流和電壓變化都非常小，接地故障的快速檢測、定位及切除仍是直流保護的難點之一;而極間故障檢測與定位相對容易，故障電流上升速度極快，造成的危害極大，對故障切除響應(yīng)時間的要求極高。制氫支路電解槽在運行中電解電流大，一旦電解槽發(fā)生接地故障，接地點便會形成火花，嚴重時可能會引起氫氣爆炸［68］。

此外，風/光互補制儲氫系統(tǒng)運行在并網(wǎng)模式時，若交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障（單相接地故障和兩級短路接地故障）或者三相交流負載不平衡，往往會導(dǎo)致交流系統(tǒng)三相電壓不平衡并出現(xiàn)負序分量，直流供電側(cè)電壓出現(xiàn)2次、4次等偶次諧波。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備安裝位置不同，所在線路的線路阻抗也不相同，就會使得某些線路阻抗較小的線路分擔更多的諧波電流，甚至超出其額定容量，進而導(dǎo)致直流母線電壓不穩(wěn)定，甚至影響整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［69-70］。

3.3 風/光互補制儲氫系統(tǒng)保護方式

本文從直流保護設(shè)備和保護配置2個方面對風/光互補制儲氫系統(tǒng)的保護方式進行詳細闡述。

3.3.1 直流保護設(shè)備

直流熔斷器和直流斷路器作為2種常見保護裝置，近年來得到了快速發(fā)展。其中直流熔斷器是一種短路和過電流保護裝置，主要依靠熔體熔斷后產(chǎn)生斷口來開斷電路，電流越大，其單位時間內(nèi)發(fā)熱越多，相應(yīng)的熔斷時間越短。目前市場的直流熔斷器能夠有效開斷3～5倍額定電流以上的電流，但對于3～5倍額定電流以下的過載電流其斷開能力有限［71］。

快速直流斷路器是直流供電系統(tǒng)中運行控制和保護的關(guān)鍵設(shè)備，其在應(yīng)用過程中應(yīng)實現(xiàn)如下基本功能：合閘狀態(tài)下，滿足溫升和絕緣指標，能夠承載工作電流;分閘狀態(tài)下，滿足絕緣要求，能夠提供可靠的隔離斷口;接到故障指令后，能夠快速可靠地完成分、合閘動作，且分斷時間滿足系統(tǒng)指標［72］。依據(jù)技術(shù)路線的不同，快速直流斷路器可分為3種：空氣直流斷路器、直流固態(tài)斷路器和混合式直流斷路器。其中空氣直流斷路器是以交流斷路器滅弧技術(shù)為基礎(chǔ)改進而來的，其通態(tài)損耗低，技術(shù)成熟，應(yīng)用經(jīng)驗豐富，但切斷故障電流時間長，限流效果差;直流固態(tài)斷路器以電力電子器件作為開關(guān)，由相應(yīng)的控制單元和吸收組件構(gòu)成，鑒于電力電子器件動作的快速性，直流固態(tài)斷路器具有毫秒級分斷能力、分斷不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點，但固態(tài)斷路器在通態(tài)時損耗相對較大、過載能力差，分斷能力有限，且實現(xiàn)成本較高。為了解決空氣直流斷路器和固態(tài)斷路器存在的問題，學者和企業(yè)提出了不同結(jié)構(gòu)的混合式直流斷路器，具體有零電壓型、零電流型和混合型。其中零電壓型受自關(guān)斷電流水平和價錢限制，適用于中小電流水平場合;零電流型分斷時間短，可分斷大的短路電流，但其控制復(fù)雜，附屬設(shè)備較多，價格昂貴;混合型將零電壓型和零電流型的優(yōu)點發(fā)揮到了極致，但同時也具備二者的缺點，可靠性相比前兩種較低。從電力電子器件發(fā)展速度來看，直流固態(tài)斷路器和混合式斷路器具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.3.2 保護配置

風/光互補制儲氫系統(tǒng)發(fā)生故障后，保護配置需要快速、準確地進行故障檢測和定位，然后快速切除故障，確保系統(tǒng)內(nèi)其余部分仍能安全可靠運行。針對直流微電網(wǎng)，已有不少文獻對其保護配置進行了探討。文獻［73］添加小型電感并將其作為測量元件，結(jié)合瞬時故障電流和電流變化率構(gòu)建了反時限保護方式。為了減少反時限保護的響應(yīng)時間和提高保護精度，文獻［74］提出了一種基于諧振頻率和瞬時功率的保護方法，采用諧振第一個周期的諧振頻率和瞬時功率作為故障特征量，基于本地數(shù)據(jù)及控制糾正通信延遲造成的斷路器不正確動作。文獻［75］設(shè)計了一種固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)，通過分析直流故障特性總結(jié)出故障電流方向最終收斂于反向特性，基于方向電流保護方式為固態(tài)斷路器提供動作指令。為了抑制直流供電系統(tǒng)中故障電流的上升速度和峰值，文獻［76］在固態(tài)斷路器中增加限流電抗和故障電流限流器等裝置，由于斷路器中增加了限流電路，直流系統(tǒng)成為有邊界直流線路，該研究基于此設(shè)計了邊界特性保護原理。隨著智能檢測設(shè)備在保護區(qū)域的廣泛應(yīng)用，文獻［77］提出了一種基于疊加電流的單元保護方式，相比于電流差動保護和方向保護，疊加電流方法能夠提升保護系統(tǒng)的性能。目前直流微電網(wǎng)部分的保護配置研究均局限于方法的討論，還未應(yīng)用于實際工程，仍有待進一步完善和改進。

對于電解水制氫部分，氫氣既有有利于安全的屬性，也有不利于安全的屬性。相比其他燃料，其爆炸范圍更寬，點火能很低，最小點火點僅為0.02 mJ。一般來說氫氣爆炸要滿足2個條件：達到氫氣爆炸極限和施加靜電、明火或混合溫度達到527 ℃以上。如果發(fā)生爆炸，氫氣的爆炸能量是常見燃氣中最低的，就單位體積爆炸能而言，氫氣爆炸能僅為汽油的1/22。工程上通常通過安裝探測器報警與排風扇等裝置共同維持氫氣濃度在4%的爆炸下限，并且設(shè)置的探測器靈敏度遠遠低于爆炸下限［78］。此外，電解槽運行過程中配置的接地檢測裝置，通常由接地繼電器、時間繼電器和連接到銅牌上的測量線路組成，正常情況下，電解槽正負級對地電壓基本平衡，一旦系統(tǒng)發(fā)生接地故障，電解槽對地絕緣降低，正負級的測量電壓就會發(fā)生變化，將以電壓偏差的形式在接地繼電器中反應(yīng)出故障情況［68］。但因外在擾動、測量誤差、接線工藝不達標等因素，現(xiàn)有電解槽接地保護存在誤動作、誤報警等問題。針對上述問題，中石化江漢油田分公司提出了3種改進措施：采用隔離變壓器抑制電源串擾;每臺電解槽單獨設(shè)置等電位連接端子箱，匯總后再連接至總接地箱;改進完善測量儀表性能。通過長期驗證，上述3種方法均能解決誤報和誤動作問題［66］。現(xiàn)有關(guān)于電解槽保護配置的技術(shù)頗為成熟，如何將其與直流保護配置結(jié)合并實現(xiàn)風/光互補制儲氫系統(tǒng)的整體運行保護還需深入探討分析。

4 風/光互補制儲氫系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)

風/光互補制儲氫系統(tǒng)的選址通常具有風能、太陽能等自然資源較好且具有大量閑置土地的地點，一般遠離城市中心。為了便于掌握風/光互補制儲氫系統(tǒng)總體運行情況和內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備實施運行狀態(tài)，設(shè)計安裝智能化、數(shù)字化的安全監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。

監(jiān)控系統(tǒng)通常包含數(shù)據(jù)服務(wù)器、風/光互補制儲氫監(jiān)測端、實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、大屏幕等。通過匯總系統(tǒng)內(nèi)部風/光發(fā)電、儲能裝置、電解槽、儲氫罐等關(guān)鍵設(shè)備運行的實時數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)可視化顯示技術(shù)（如目前流行的Web前端技術(shù)），更直接、生動、形象、具體地展示風/光互補制儲氫系統(tǒng)。

文獻［79］針對萊姆頓學院內(nèi)風電制氫儲氫燃料電池系統(tǒng)設(shè)計了一套監(jiān)督控制系統(tǒng)，用來監(jiān)督和控制風力發(fā)電到儲能設(shè)備再到負載消耗之間的功率潮流，同時還可用來計算電解槽和燃料電池的運行軌跡。此外，針對意大利普利亞制氫項目，文獻［80］引入信息與通信技術(shù)設(shè)計了人機交互界面，通過釋放兩個智能分配端口來監(jiān)控INGRID廠區(qū)旁邊的2個充電柱。目前關(guān)于風/光互補制儲氫系統(tǒng)安全監(jiān)控技術(shù)的參考資料有限，如何設(shè)計、安裝和應(yīng)用安全監(jiān)控系統(tǒng)還需進行大量分析與研究。

5 大規(guī)模風/光互補制儲氫技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著國家氫能戰(zhàn)略的不斷推進和新能源發(fā)電技術(shù)的日益成熟，發(fā)展大容量風/光互補制儲氫技術(shù)將為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。

（1）堿性電解制氫系統(tǒng)雖然技術(shù)和市場成熟，但其運行范圍與調(diào)節(jié)速度不能完全適用于新能源發(fā)電系統(tǒng)，而混合制氫結(jié)合了其他制氫裝備特性（如質(zhì)子交換膜制氫），通過特性互補可快速提高制氫系統(tǒng)響應(yīng)速度與擴大運行范圍，因此如何設(shè)計、配置、管理和控制混合制氫系統(tǒng)需要進行更深入的研究。

（2）隨著綠氫在電力系統(tǒng)中不斷滲入，大規(guī)模風/光互補制儲氫技術(shù)在運行控制與能量管理技術(shù)方面需要重新賦能，考慮參與電力市場輔助服務(wù)，如進行柔性調(diào)峰。

（3）大規(guī)模風/光互補制儲氫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行與通信、監(jiān)控系統(tǒng)密切相關(guān)，為滿足未來大規(guī)模大容量風/光制氫發(fā)展需求，應(yīng)提高通信系統(tǒng)的帶寬、可靠性、快速性和兼容性，并與制氫、制甲烷等化工安全需求相結(jié)合，開發(fā)適用于風/光互補制氫系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）為突破大規(guī)模風/光和電解水制氫裝備接入電網(wǎng)帶來的政策與機制限制，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、離網(wǎng)型源網(wǎng)荷儲優(yōu)化配置與集成、系統(tǒng)構(gòu)網(wǎng)控制與能量管理技術(shù)等因素，也是未來大規(guī)模風/光互補制儲氫系統(tǒng)研究的重要方向。

6 結(jié) 語

本文主要從技術(shù)角度闡述了大規(guī)模風/光互補制儲氫系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、核心關(guān)鍵設(shè)備、運行控制、安全保護與監(jiān)控系統(tǒng)。本文僅基于國內(nèi)外已有研究成果進行總結(jié)與思考，旨在對未來大規(guī)模風/光互補制儲氫技術(shù)的進一步研究提供一些思路。雖然目前風/光互補制儲氫關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)已取得一定進展，但規(guī)?；膽?yīng)用還需要配套相應(yīng)的政策法規(guī)和市場機制來支撐。

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收稿日期： 20231221