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离网型可再生能源发电制氢能量管理技术需求分析与展望
水电水利规划设计总院
邱一苇1 ，朱 杰1 ，曾扬俊1 ，周 毅1 ，周步祥1 ，李汶颖2
（1. 四川大学电气工程学院，四川省成都市 610065；2. 清华四川能源互联网研究院，四川省成都市 610213）
0 引言
1 离网型ReP2H系统构型
1.1 主要构成元件
1.2 典型组网构型分析
2 多时间尺度能量管理框架
2.1 长期生产与市场运营计划
2.2 日前/日内生产调度
2.3 实时能量平衡控制
3 能量管理关键影响因素模拟分析
3.1 模拟系统设置
3.2 能量管理关键参数灵敏度分析
3.3 储能衰减分析
4 能量管理支撑技术研究展望
4.1 含制氢负荷及构网储能的离网系统稳定分析
4.2 负荷调控框架下的制氢灵活性量化
4.3 氢气汇集、输送、存储及氢负荷调控
4.4 储能系统分析与优化控制
4.5 故障处理及黑启动
5 结语
以下为正文内容节选：
摘要：离网型可再生能源发电制氢（ReP2H）相较于并网型，具备规划灵活、电能成本低、无并网接入成本及运行方式限制等优势，但因无外网支撑，其自身平衡难度大，设计及运行难以兼顾安全和经济性。针对上述问题，面向离网型 ReP2H 系统中电力网络、制氢、氢储运、氢负荷之间物质及能量平衡的多时间尺度动态行为，归纳能量管理框架，并通过简单系统的8760h 生产模拟分析关键影响因素。进而，分析其中长期生产与市场运营计划、日前/日内生产调度、实时能量平衡控制等功能模块的技术需求，总结关键难题及待研究方向，包括离网系统稳定性分析、制氢灵活性量化、氢气汇集/输送/存储及氢负荷调控、储能系统分析与优化控制、故障穿越及黑启动等，以期为离网型 ReP2H 系统研究及工程应用提供参考。
关键词：可再生能源；氢能；绿氢化工；电力系统；能量管理系统
受电力、能源、化工、冶炼等行业脱碳需求牵引，多国已将绿氢列为能源战略方向。据不完全统计，中国 2023 年批准或开工的可再生能源发电制氢（renewable power-to-hydrogen，ReP2H）工程规模已超 39 GW。受经济目标驱动和法规制约，ReP2H 系统需尽量消纳当地可再生电力，降低碳排放量，同时避免对公共电网的冲击。
接入方式上，ReP2H 系统可分为并网型和离网型。其中，并网型 ReP2H 系统虽能从外部电网获得频率、电压支撑，运行控制难度较低，但其并网接入、用电成本均较高，运行方式（上/下网电量、平衡方式、电能质量等）受规范严格限制，在经济性、监管审批、绿色认证等方面均存在挑战。
相较而言，离网型 ReP2H 系统不依赖于外部电网，可根据风光资源、氢需求空间分布灵活规划，具备电能成本低、无并网接入投资与运行限制等优势，但因无外网支撑，其“源-网-氢-储-化”全流程设计及运行仍存在技术难点。目前，国内实施的风光制氢一体化工程主要为并网型，系统规模达百兆瓦、千兆瓦级。离网型则仍处在探索阶段，获批项目数量少于并网型。迄今为止，虽已有百兆瓦级项目获批，但仅个别工程投运，规模不超过 25 MW。离网型 ReP2H 系统的技术难点可归结为安全和经济两方面。
安全方面，除涉及稳定、电力电量平衡等电力系统共性问题外，制氢、储氢、用氢生产调度也会影响电力侧运行方式。所涉不同时间尺度动态行为间的交叉将影响电力平衡模式，使之呈现不同于一般电力系统的特征。
经济方面，目前绿氢相比于化石燃料制氢竞争力尚有限。现阶段，离网型 ReP2H 系统电力侧投资比重超 80%。即便计及绿色溢价，绿氢经济性仍依赖于风光发电、制氢、储能、储氢资源的充分利用。因此，需协调上述环节，借助生产优化挖掘绿氢经济潜力、提升市场竞争力。
为克服上述难点，需针对离网型 ReP2H 系统研制能量管理 系 统（energy management system，EMS）。学界虽已展开探索，但现有研究或面向发电、制氢装置，或专注于应对短时发电波动的一、二次调节，或仅关注日前/日 内生产计划，尚未形成覆盖“源-网-氢-储-化”全流程多时间尺度能量平衡、运行优化的能量管理技术体系。
针对以上不足，首先，本文分析离网型 ReP2H 系统的潜在构型；然后，针对其不同工艺环节之间的多时间尺度能量平衡、优化控制需求，归纳分层能量管理框架；最后，分析各环节技术需求，总结关键难题，为研究及应用提供参考。
离网型 ReP2H 系统将风、光等一次可再生能源变换为电能、氢能，最终变换至成品氢或氨/甲醇等化学品。所涉及能量转换、传输、存储元件简要介绍如下：
1）可再生能源发电 。现阶段以风电 、光伏为主。其作为 ReP2H 系统构成部分的研究现状可参见文献等。此外，业界亦在尝试以新兴发电技术制氢，如光热、潮汐能制氢等。
2）电力网络。将电气元件互联形成独立电力系统。因大功率直流组网、控保技术尚未成熟，国内大型 ReP2H 工程主要为交流组网。其构型与氢储运系统拓扑共同决定全系统平衡方式，在 1.2 节将作简要分析。
3）储能。可分为构网储能和能量储能。前者提供暂态频率、电压参考及支撑，后者则服务于制氢、氢负荷的平稳生产。此外，储能亦承担风光持续低出力、系统失电等极端情况下的支撑、黑启动。适当控制下，上述功能也可由一套装置承担。其支撑作用及技术需求分别在 4.1 和 4.4 节中讨论。
4）制氢机组。作为电氢能量转换的关键元件，其由整流电源、电解槽、气液处理框架等构成。目前，已规模应用的制氢整流电源包括晶闸管半控型、绝缘栅 双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）全控型等，其调节能力、电能质量各异，定量对比见文献［27-30］。电解槽方面，国内大型陆上工程以碱性（alkaline，ALK）或碱性与质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）混联为主，海上风电制氢工程则二者皆有应用。其适用规模、效率、灵活性各有不同，相关综述文献已较多，故不再作详细讨论。上述因素对能量管理的影响在第 2 章和 3.2 节中分析。
5）氢储运。通过管网等将氢气汇集送至氢负荷，通过管存效应、储罐平抑流量波动，以提升供氢平稳性，并在风光持续低出力、故障失电时为用氢负荷提供缓冲，辅助安全停机。以气态储氢球罐为例，其储氢成本较相同能量的电化学储能低 1~2 个数量级。因此，储氢与储能配合对能量平衡、经济性提升将起到关键作用。储氢、输氢相关讨论可参见文献等。
6）氢负荷。目前，国内工程以化工应用为主，包括直接耦合氨/甲醇合成、石油炼化或注入化工园区公共管网。不同类型氢负荷对供氢平稳性要求不同，须在能量管理中重点关注，见 3.3 节分析。
2.2 日前/日内生产调度
2.3 实时能量平衡控制
3 能量管理关键影响因素模拟分析
3.1 模拟系统设置
3.2 能量管理关键参数灵敏度分析
3.3 储能衰减分析
4 能量管理支撑技术研究展望
4.1 含制氢负荷及构网储能的离网系统稳定分析
4.2 负荷调控框架下的制氢灵活性量化
4.3 氢气汇集、输送、存储及氢负荷调控
4.4 储能系统分析与优化控制
4.5 故障处理及黑启动
5 结语
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