氢电耦合关键技术研究及工程示范.pdfVIP

第３６卷第２期北方工业大学学报Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．２

２０２４年４月Ｊ．ＮＯＲＴＨＣＨＩＮＡＵＮＩＶ．ＯＦＴＥＣＨ．Ａｐｒ．２０２４

氢电耦合关键技术研究及工程示范

１１２２

李建林，孙浩元，曾飞，袁晓冬

（１．北方工业大学国家能源用户侧储能创新研发中心，北京１００１４４；

２．国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京２１１１０３）

摘要氢能零碳动力产业园氢电深度耦合创新示范工程一期建设的正式投运，有效提升了氢电系统耦合

度，较好地改善了由可再生能源发电与负荷需求不匹配而导致的系统电热响应不佳的问题并充分发挥了氢电耦合

系统在调频、调峰、应急响应等场景中的关键作用。依托工程一期建设的具体实践，本文首先介绍了该示范工程的

建设背景及其核心子系统；随后对一期建设中所采用的混合电解槽协同制氢与容量配置方案、计及性能最优的质

子交换膜燃料电池系统装置级控制策略进行了介绍；最后对工程一期建设进行总结并从加强系统中相关核心设备

的研制与开发、加强氢电耦合全系统下的热电联供集成控制策略研究以及加强氢电耦合系统参与电力系统辅助服

务研究等方面，深入探讨了示范工程后续建设应亟待攻关的重难点。

关键词氢储能；混合电解槽制氢；燃料电池性能控制；氢电耦合系统规划建设

分类号ＴＫ９１

基于氢电耦合的微网系统，是氢能的一种典型源荷互动的动态响应管理［１０－１２］。

利用形式，它的应用不仅可以消纳“弃风弃光”还可为寻求氢电耦合系统间更好的能量管理与调度

以满足负载侧电热氢多种能源需求［１－３］。但在实际方案并验证方案的可行性，江苏省电力有限公司协

运行中仍面临两大问题。１）针对电解槽制氢装置：同多家参与单位以江苏沛县氢能零碳动力产业园为

在新能源发电的波动下，碱性电解槽（Ａｌｋａｌｉｎｅ依托，提出“氢能零碳动力产业园氢电深度耦合创

Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ，ＡＥＬ）技术成熟，寿命长、价格低，但由新工程”示范项目。其中，示范工程园区内包括光

于其非稳态工作、频繁启停以及响应滞后的特性会伏发电单元、蓄电池储能单元、绿电制氢单元、储氢

严重影响系统制氢效率，因此难以适应新能源发电罐、燃料电池多能应用单元以及热电联供单元。园

的波动性；然而，质子交换膜电解槽（Ｐｒｏｔｏｎ区为满足电负荷需求，具有三种电能来源：光伏发

ＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ，ＰＥＭＥＬ）虽在性能电、蓄电池供电以及燃料电池产电。当三者都无法

响应以及与波动电源匹配性方面优势明显，但投资满电负荷需求时，采用向电网购电的方式进行供电；

成本较高，商业大规模应用较少［４－７］。２）针对燃料当系统电能有余富时，可用于蓄电池储能或绿电制

电池装置：由于质子交换膜燃料电池（Ｐｒｏｔｏｎ氢，若前者均达到工作上限且电能仍有剩余时系统

ＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）的“电堆级”可向电网进行售电；园区为满足热负荷需求一方面

木桶效应以及负荷侧电热波动的影响会导致燃料电通过传统的供热装置，另一方面利用燃料电池工作

池系统中功率分配不均匀以及无法保证其稳定工作时所产的余热，当热能有余富或不足时则由储热罐

在最大效率点［８－９］。由此可见，为提高氢电耦合系进行消纳或供应。为加强系统各单元之间的耦合

统规划与建设水平，亟需合理的制氢分配策略、考虑性，提升整个系统的效率和能量利用率，一期建设阶

系统规划成本和能量损失量的容量配置方案和计及段中，该示范工程着重考虑了当前电解槽制氢