一、專欄概況

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景目標(biāo)下，氫能已經(jīng)成為我國(guó)未來能源低碳綠色發(fā)展的重要拼圖。發(fā)展新能源發(fā)電制氫的綠氫及其系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“綠電-綠氫-電網(wǎng)”多系統(tǒng)深度耦合集成，是拓展電能利用、促進(jìn)能源互聯(lián)互通的重要路徑，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重要的理論和實(shí)踐意義。因此，面向新型電力系統(tǒng)的氫能及其系統(tǒng)集成控制關(guān)鍵技術(shù)研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)。

在上述背景下，《中國(guó)電力》編輯部特邀大連理工大學(xué)袁鐵江教授、西南交通大學(xué)張雪霞教授、同濟(jì)大學(xué)沈小軍教授以及國(guó)網(wǎng)上海電力公司竇真蘭高工作為特約主編，組織策劃了“面向新型電力系統(tǒng)的氫能及其系統(tǒng)集成控制關(guān)鍵技術(shù)”專欄，于2023年7期刊出，責(zé)任編輯蔣東方。本期刊出6篇文章，全部獲得基金資助，其中國(guó)家級(jí)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)。專欄論文有5篇來自特約主編約稿，1篇自然來稿，來稿單位主要為大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)以及省電力公司等高校和科研單位。

二、主要內(nèi)容

專欄的6篇文章聚焦氫能在綜合能源系統(tǒng)中的規(guī)劃、控制及應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)研究。

1.含氫微電網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化配置方面

在氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、容量配置優(yōu)化等研究方面，本專欄刊出華北電力大學(xué)、國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院彭生江等發(fā)表的《基于氫負(fù)荷需求的氫能系統(tǒng)容量規(guī)劃》、大連理工大學(xué)袁鐵江教授等發(fā)表的《考慮源荷不確定性的氫能微網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置》以及國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司盧子敬等《基于多目標(biāo)人工蜂鳥算法的電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置》3篇文章，主要內(nèi)容如下。

1）目前，風(fēng)電/光伏作為大電網(wǎng)電源，其出力的波動(dòng)性、反調(diào)峰特性導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)這一問題，相關(guān)研究通過增加儲(chǔ)能容量去平抑其出力波動(dòng)，但多數(shù)儲(chǔ)能技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化效率不高，尤其是在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和釋放能量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能量損失。氫能是一種清潔能源，具有大規(guī)模、靈活性轉(zhuǎn)化-存儲(chǔ)特性，是未來的主要能源之一，而通過風(fēng)電/光伏電解水得到的綠氫是氫能的重要來源，相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能，綠氫是清潔能源，且具有更大的儲(chǔ)能容量，能夠消納更多的風(fēng)光出力，進(jìn)一步提高可再生資源利用率。《基于氫負(fù)荷需求的氫能系統(tǒng)容量規(guī)劃》提出了一種基于不同氫負(fù)荷水平的新能源制-儲(chǔ)氫系統(tǒng)容量規(guī)劃方法，以合理推動(dòng)風(fēng)、光等可再生能源在電網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展。該方法能夠在滿足區(qū)域氫負(fù)荷需求的同時(shí)，獲得最大程度的經(jīng)濟(jì)收益，并確定了不同運(yùn)行模式下的最佳制氫規(guī)模。此外，該方法還考慮了氫能短缺及棄風(fēng)、棄光的懲罰成本和系統(tǒng)環(huán)境效益。結(jié)果表明，與采用風(fēng)光聯(lián)網(wǎng)不購(gòu)電制氫模式相比，采用風(fēng)光聯(lián)網(wǎng)購(gòu)電制氫模式更為合理和經(jīng)濟(jì)，避免了大容量制-儲(chǔ)氫設(shè)備的冗余配置。

2）風(fēng)光大規(guī)模并網(wǎng)后會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成沖擊，構(gòu)建多能耦合互補(bǔ)、低碳高效的微網(wǎng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)不同類型能源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)風(fēng)電的大規(guī)模就近消納，提高系統(tǒng)的綜合效率是微網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵。《考慮源荷不確定性的氫能微網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置》建立了包含電鍋爐和有機(jī)朗肯循環(huán)（organicRankinecycle，ORC）系統(tǒng)的氫能微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出了一種基于有序聚類和模糊C均值（fuzzyC-means，F(xiàn)CM）聚類的電負(fù)荷-風(fēng)電出力典型日選取方法，構(gòu)建包含投資成本、運(yùn)維成本、購(gòu)氣成本、懲罰成本以及碳排放成本的年化總成本最小為目標(biāo)的容量?jī)?yōu)化配置模型，得到了系統(tǒng)中各設(shè)備的配置容量以及成本大小，并對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行了靈敏度分析。結(jié)果顯示：氫能微網(wǎng)系統(tǒng)考慮了電鍋爐和ORC等設(shè)備的電熱轉(zhuǎn)換功能、電氫轉(zhuǎn)化過程中的余熱回收以及天然氣管道摻氫，實(shí)現(xiàn)了各能源系統(tǒng)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。電鍋爐和ORC設(shè)備的使用，增加了電熱轉(zhuǎn)換途徑，提高了微網(wǎng)消納風(fēng)電的能力，減少了購(gòu)氣需求，使總成本降低了24.84%；氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用，提供了電熱氣耦合途徑，減少了能量損耗，使總成本進(jìn)一步降低了13.37%。基于有序聚類和FCM聚類的電負(fù)荷-風(fēng)電出力典型日選取方法保留了電負(fù)荷和風(fēng)電出力的時(shí)序匹配性，并且在一定程度上可以代表全年的負(fù)荷和風(fēng)光出力數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。利用該方法選取的電負(fù)荷-風(fēng)電出力典型日可以為容量?jī)?yōu)化配置模型提供數(shù)據(jù)支撐，提升優(yōu)化配置模型的計(jì)算速度。在氫能微網(wǎng)中，容量配置結(jié)果會(huì)隨著碳排放價(jià)格和氫儲(chǔ)能投資成本的變化而改變。隨著碳排放價(jià)格的增加，微網(wǎng)傾向于減少天然氣的使用，利用風(fēng)能和氫儲(chǔ)能以滿足負(fù)荷需求，使系統(tǒng)的總成本增加；隨著氫儲(chǔ)能成本的減少，系統(tǒng)的各項(xiàng)成本均有所減小，微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益均更好。

3）儲(chǔ)能憑借功率調(diào)節(jié)和能量時(shí)移能力，為促進(jìn)新能源的規(guī)模化應(yīng)用、提高電網(wǎng)的韌性和經(jīng)濟(jì)性提供有效途徑。在電網(wǎng)側(cè)配置儲(chǔ)能對(duì)提高新能源消納率、平抑新能源波動(dòng)、優(yōu)化電網(wǎng)潮流等方面有重要作用。《考慮源荷不確定性的氫能微網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置》建立基于最小化電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期成本、電壓波動(dòng)與凈負(fù)荷波動(dòng)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，采用多目標(biāo)人工蜂鳥算法對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率、額定容量、接入位置進(jìn)行求解。結(jié)果表明：電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型得出的規(guī)劃方案可在兼具經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高電壓質(zhì)量與凈負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙方共贏；基于人工蜂鳥算法所得儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期成本較原子軌道搜索算法與粒子群優(yōu)化算法分別減小了63.27%與48.71%、凈負(fù)荷波動(dòng)下降了27.20%與43.56%。同時(shí)電壓波動(dòng)較原子軌道搜索算法減小了13.79%，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善較為明顯；電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于僅接入電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可更大幅度地改善系統(tǒng)的電壓質(zhì)量與運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.氫儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略研究

在含氫儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略方面，本專欄刊出國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司王激華等發(fā)表的《基于指數(shù)型下垂控制的氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略研究》1篇文章，主要內(nèi)容如下。

隨著多能源混合儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，氫電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將成為解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電間歇性、波動(dòng)性問題的重要途徑。然而，當(dāng)前的研究大多側(cè)重于對(duì)微網(wǎng)各組成單元的參數(shù)分析，對(duì)于多種異質(zhì)能源耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式考量不足，對(duì)于氫電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配與協(xié)調(diào)控制有待深入研究。在此背景下，《基于指數(shù)型下垂控制的氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略研究》提出了一種考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)和供電均衡問題的指數(shù)型下垂控制策略。在建立質(zhì)子交換膜電解水制氫外特性模型的基礎(chǔ)上，考慮蓄電池荷電狀態(tài)與電池充放電狀態(tài)，對(duì)傳統(tǒng)下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)引入光伏最大功率追蹤和制氫模塊自適應(yīng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定控制。結(jié)果表明考慮蓄電池荷電狀態(tài)的指數(shù)型下垂控制策略，結(jié)合光伏最大功率追蹤控制與基于母線電壓信號(hào)的制氫儲(chǔ)能控制，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)和運(yùn)行模式的平滑過渡，提高了微網(wǎng)可再生能源消納能力。同時(shí)蓄電池荷電狀態(tài)與下垂控制系數(shù)在運(yùn)行過程中逐漸趨近，避免了蓄電池過充與過放，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能使用壽命，提升了系統(tǒng)安全性。

3.氫能應(yīng)用場(chǎng)景研究

本專欄刊出國(guó)網(wǎng)上海市電力公司竇真蘭等發(fā)表的《含氫能汽車負(fù)荷的住宅光-氫耦合能源系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置》、國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院楊國(guó)山等發(fā)表的《基于伊藤過程的電制氫合成氨負(fù)荷隨機(jī)最優(yōu)控制》2篇文章，主要內(nèi)容如下。

1）近年來，氫能汽車技術(shù)飛速進(jìn)步，其以氫氣為燃料，充能速度快、續(xù)航里程高、全程零排放，相較于電動(dòng)汽車有望成為更加綠色便捷的出行方式。因此，有必要建立家庭住宅與氫能汽車耦合的新型供能系統(tǒng)框架并設(shè)計(jì)合理的容量?jī)?yōu)化配置方案。然而，對(duì)于這一特殊建筑對(duì)象而言，現(xiàn)有研究仍暫時(shí)停留在設(shè)計(jì)與建模方面，氫能汽車負(fù)荷接入為系統(tǒng)帶來的效益未能通過實(shí)例體現(xiàn)。《含氫能汽車負(fù)荷的住宅光-氫耦合能源系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置》針對(duì)家用氫能汽車對(duì)住宅能源系統(tǒng)的影響，構(gòu)建電、熱、氫多元儲(chǔ)能耦合光伏/光熱設(shè)備的住宅氫能綜合能源系統(tǒng)，提出基于混合整數(shù)線性規(guī)劃理論的系統(tǒng)容量配置優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。此外，設(shè)置年總投資節(jié)約率和可再生能源利用率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了案例分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后系統(tǒng)年總投資節(jié)約42.21%，可再生能源利用率提升33.32%。同時(shí)設(shè)置電動(dòng)汽車和氫能汽車2種不同移動(dòng)負(fù)荷場(chǎng)景，針對(duì)氫能設(shè)備價(jià)格進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)果表明當(dāng)價(jià)格下調(diào)超過60%后含氫能汽車負(fù)荷的住宅供能系統(tǒng)將更具經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

2）風(fēng)電制氫進(jìn)而合成氨（power to ammonia，P2A）是規(guī)模化消納可再生發(fā)電資源，實(shí)現(xiàn)電力與化工行業(yè)碳減排的潛在技術(shù)路線之一。利用電制氫作為媒介，P2A可作為大型工業(yè)負(fù)荷參與電網(wǎng)能量平衡調(diào)節(jié)。然而，P2A負(fù)荷受化學(xué)工藝及過程控制的限制，負(fù)載調(diào)控慣性較大，當(dāng)風(fēng)電出力偏離預(yù)測(cè)軌跡時(shí)P2A負(fù)荷難以快速響應(yīng)。《基于伊藤過程的電制氫合成氨負(fù)荷隨機(jī)最優(yōu)控制》提出計(jì)及風(fēng)電出力時(shí)序不確定性的P2A負(fù)荷隨機(jī)最優(yōu)控制方法。首先，建立P2A系統(tǒng)柔性調(diào)控的狀態(tài)空間模型。其次，考慮合成氨工段的調(diào)節(jié)慣性與風(fēng)電出力時(shí)序相關(guān)性的耦合影響，基于伊藤過程建模風(fēng)電出力的不確定性，構(gòu)造隨機(jī)動(dòng)力學(xué)約束的P2A系統(tǒng)優(yōu)化控制模型。然后，基于動(dòng)態(tài)軌跡靈敏度分解將隨機(jī)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化問題變換為確定性二階錐規(guī)劃，并采用隨機(jī)模型預(yù)測(cè)控制滾動(dòng)求解。最終，算例分析表明，所提隨機(jī)優(yōu)化控制與確定性控制相比，當(dāng)風(fēng)電出力偏離預(yù)測(cè)軌跡時(shí)，P2A負(fù)荷能夠快速響應(yīng)跟蹤風(fēng)電出力波動(dòng)，在多種場(chǎng)景下均保持90%以上的風(fēng)電消納水平，并維持較大的盈利空間；研發(fā)具有快速爬坡能力的柔性電制氫合成氨工藝，將有助于提升P2A系統(tǒng)風(fēng)電消納能力和收益水平。

三、相關(guān)研究延伸

1.含氫系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置研究

氫是一種具有高能量密度、便于儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)的綠色低碳二次能源，在交通、工業(yè)、建筑和電力等多個(gè)領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用空間，其作為一種理想的終極能源形式引起了全球各國(guó)的大力發(fā)展，美國(guó)、日本、韓國(guó)等多國(guó)均已制定國(guó)家氫能發(fā)展規(guī)劃，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展是各國(guó)實(shí)施能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇[1-2]。而通過風(fēng)電/光伏電解水得到的綠氫是氫能的重要來源，相比于傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能，綠氫是清潔能源，且具有更大的儲(chǔ)能容量，能夠消納更多的風(fēng)光出力，進(jìn)一步提高可再生資源利用率[3]。此外，高比例風(fēng)光的直接并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)沖擊較大，基于氫儲(chǔ)能的快速響應(yīng)能力對(duì)可再生能源波動(dòng)輸出進(jìn)行平抑，可實(shí)現(xiàn)其友好并網(wǎng)[4-5]。可再生能源制-儲(chǔ)氫系統(tǒng)根據(jù)耦合系統(tǒng)所含元素的不同可分為風(fēng)氫系統(tǒng)、光氫系統(tǒng)以及風(fēng)光氫系統(tǒng)[6-7]，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞系統(tǒng)優(yōu)化配置等方面開展研究工作。華南理工大學(xué)的左冠林[8]對(duì)制氫過程進(jìn)行了建模，考慮微電網(wǎng)配置運(yùn)行成本、售電/售氫收益以及低碳制氫所帶來的節(jié)碳收益，建立了綜合優(yōu)化配置模型。西南交通大學(xué)的韓瑩[9]提出一種計(jì)及階梯式碳交易方式的風(fēng)-光-氫儲(chǔ)微電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)的配置方法，引入了階梯式碳交易機(jī)制，并增加了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。蘭州交通大學(xué)的李彥哲[10]提出了一種風(fēng)/光/儲(chǔ)能并網(wǎng)的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮了微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，以總凈現(xiàn)成本最小化為目標(biāo)，以可再生能源利用率和負(fù)荷損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了微電網(wǎng)的容量配置模型。黑龍江科技大學(xué)的朱顯輝[11]基于風(fēng)氫微網(wǎng)，采用粒子群算法和分段線性隸屬度函數(shù)進(jìn)行容量配置。東南大學(xué)的潘光勝[12]基于電氫微網(wǎng)，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和氫氣成本建立雙層混合整數(shù)規(guī)劃模型，突出氫在可再生能源滲透和季節(jié)互補(bǔ)性中的作用。大連理工大學(xué)的袁鐵江團(tuán)隊(duì)[13]基于風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工耦合系統(tǒng)，以設(shè)備一次性投資成本最小為目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)容量配置進(jìn)行求解。由于風(fēng)/光發(fā)電成本的持續(xù)下降，加之電網(wǎng)對(duì)其接納能力有限，離網(wǎng)型風(fēng)/光制氫將成為未來重要的綠氫生產(chǎn)場(chǎng)景，離網(wǎng)型風(fēng)/光制氫在容量?jī)?yōu)化配置（包括電池儲(chǔ)能配置）和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等技術(shù)正在持續(xù)發(fā)展。

2.含氫系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略研究

風(fēng)/光等可再生能源出力具有典型季節(jié)特性，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間尺度電量供需失衡，同時(shí)我國(guó)風(fēng)/光等可再生資源空間分布不均，電量的大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送將成為又一挑戰(zhàn)，采用就地電解水制氫并結(jié)合氫氣儲(chǔ)輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量的跨季節(jié)和跨區(qū)域轉(zhuǎn)移，同時(shí)依靠氫氣發(fā)電技術(shù)可完成電量的異地饋送，從而提升新能源電量的外送能力。含氫系統(tǒng)控制旨在對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，根據(jù)控制優(yōu)化目標(biāo)的不同可將其分為4類，其一是以功率平衡為目標(biāo)，常采用狀態(tài)流程圖進(jìn)行決策，具有簡(jiǎn)單穩(wěn)定的特點(diǎn)。東北電力大學(xué)的蔡國(guó)威針對(duì)風(fēng)電/制氫/燃料電池/超級(jí)電容器混合系統(tǒng)10種運(yùn)行模式，提出了一種能量管理策略，確保在各個(gè)控制單元的作用下，能量協(xié)調(diào)流動(dòng)于混合系統(tǒng)各子單元之間。此能量管理策略不僅使混合系統(tǒng)出力可控，而且提高了風(fēng)能利用率，平抑了直流母線電壓波動(dòng)，平滑了上網(wǎng)功率。其二，在控制中考慮系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，主要目標(biāo)為電解槽/燃料電池等設(shè)備的降解與性能退化，為此通常會(huì)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中加入輔助電儲(chǔ)能或電解水制氫動(dòng)態(tài)特性互補(bǔ)的方案，并在系統(tǒng)控制中將設(shè)備退化作為系統(tǒng)約束或設(shè)計(jì)原則。華中科技大學(xué)的張哲原建立了電氫儲(chǔ)能協(xié)助下的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)狀態(tài)空間模型，并求解可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)柔性并網(wǎng)最小化能量轉(zhuǎn)換損耗的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)充放電功率決策，根據(jù)決策執(zhí)行結(jié)果分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特點(diǎn)。其三，為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化控制，此類策略因考慮了系統(tǒng)運(yùn)維、啟停等經(jīng)濟(jì)成本，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。同濟(jì)大學(xué)的聶聰穎建立了電解槽、超級(jí)電容工作特性約束和系統(tǒng)總初始投資成本最低約束，提出了一種基于低通濾波的堿性電解槽-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能配置方法及流程，制定了基于超級(jí)電容SOC狀態(tài)的氫-超混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。德黑蘭理工大學(xué)的ARDEHALI M.M.等利用優(yōu)化的模糊邏輯控制器，研究時(shí)變電價(jià)對(duì)并網(wǎng)電氫混合可再生能源系統(tǒng)中儲(chǔ)能性能的影響。最后是綜合考慮技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的系統(tǒng)控制方案，塞維利亞大學(xué)的VALVERDE L等研究了以氫為中間儲(chǔ)能介質(zhì)的混合可再生能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電解槽和燃料電池在穩(wěn)定功率或部分負(fù)荷下運(yùn)行的可能性，定義了六種運(yùn)行控制模式，但其優(yōu)化問題的復(fù)雜求解進(jìn)一步增加了工程應(yīng)用的難度。

目前對(duì)于耦合系統(tǒng)的研究大多側(cè)重于對(duì)各組成單元的參數(shù)分析，對(duì)于多種異質(zhì)能源耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式考量不足，對(duì)于氫電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配與協(xié)調(diào)控制有待深入研究。而仿真技術(shù)是了解掌握耦合系統(tǒng)運(yùn)行特性以完成系統(tǒng)控制方案的主要技術(shù)途經(jīng)，也是開展工程建設(shè)前的驗(yàn)證與風(fēng)險(xiǎn)防御的關(guān)鍵舉措。因此構(gòu)建高精、面向不同應(yīng)用場(chǎng)景的多時(shí)空尺度電-氫耦合系統(tǒng)仿真模型是今后應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)。

3.面向電力平衡調(diào)控的綠氫化工技術(shù)

可再生能源電解水制取“綠氫”并進(jìn)一步合成氨、醇等化工產(chǎn)品，是氫能應(yīng)用的主要場(chǎng)景，也是促進(jìn)新能源消納，實(shí)現(xiàn)電力、化工行業(yè)深度脫碳的重要技術(shù)方向。針對(duì)電制氫合成化工產(chǎn)品作為電力負(fù)荷調(diào)控的研究，目前尚處于起步階段。甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院的彭生江提出了工業(yè)領(lǐng)域氫負(fù)荷的預(yù)測(cè)方法。袁鐵江團(tuán)隊(duì)對(duì)含大型氫負(fù)荷的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃做了初步探索，指出氫負(fù)荷的加入能夠顯著降低棄風(fēng)棄光水平，提高可再生能源的利用率。

綠氫化工作為電力負(fù)荷，按照《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》精神，有望憑借柔性調(diào)控能力，作為需求側(cè)響應(yīng)資源參與電力平衡調(diào)控。首先，綠氫化工作為電力負(fù)荷，可將自身作為獨(dú)立主體或與當(dāng)?shù)仫L(fēng)光發(fā)電、儲(chǔ)能等共同構(gòu)成虛擬電廠參與中長(zhǎng)期、日前及現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，并在價(jià)格信號(hào)激勵(lì)下通過生產(chǎn)負(fù)載、發(fā)電、儲(chǔ)能聯(lián)動(dòng)參與電力需求側(cè)響應(yīng)以獲取額外的經(jīng)濟(jì)收益。堪薩斯州立大學(xué)的EDMonDS L[41]將電制氨與農(nóng)村微電網(wǎng)結(jié)合，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電價(jià)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，降低制氨成本近三分之一，同時(shí)減少電壓越限和線路擁塞。丹麥技術(shù)大學(xué)的ZHENG Y將電轉(zhuǎn)甲醇加入日前電力市場(chǎng)，通過魯棒優(yōu)化處理電價(jià)不確定性，降低運(yùn)營(yíng)成本4.5%。清華大學(xué)的WU S將風(fēng)光發(fā)電與電制氨打捆作為虛擬電廠參與年度、月度、日前、現(xiàn)貨電力與氫、氨市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，通過負(fù)荷靈活性和氫氨多級(jí)緩沖，降低噸氨平準(zhǔn)化成本7%。其次，綠氫有提供調(diào)頻輔助服務(wù)的潛力。清華大學(xué)的CHENG X[44]提出風(fēng)-氫打捆系統(tǒng)響應(yīng)AGC信號(hào)的下調(diào)/上調(diào)功率分配策略，以兼顧調(diào)頻容量與設(shè)備利用率。根特大學(xué)的SAMANI A E[45]通過調(diào)整電解槽和壓縮機(jī)負(fù)載，在維持合成反應(yīng)器工作壓力條件下研究碳捕集制甲酸參與調(diào)頻的控制方法。

綜上所示，綠氫化工作為氫能在荷側(cè)的應(yīng)用，具備大規(guī)模接入電力系統(tǒng)、作為新型靈活性資源參與新能源消納、電力平衡調(diào)控的潛力。若能降低成本、提升靈活性，并在并網(wǎng)接入時(shí)提供輔助服務(wù)，則綠氫制氨/醇的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性將有望超過傳統(tǒng)化工。但現(xiàn)有綠氫化工相關(guān)研究主要集中于技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及規(guī)劃方面，需進(jìn)一步明晰其作為電力靈活性資源參與電力需求側(cè)調(diào)控的策略與控制方法，提出綠氫化工與風(fēng)光電源、儲(chǔ)能、外部電網(wǎng)相互協(xié)調(diào)的安全穩(wěn)定控制與能量管理技術(shù)，以滿足并、離網(wǎng)條件下的平衡調(diào)節(jié)需求，促進(jìn)新能源規(guī)模消納。除此之外，在可再生能源強(qiáng)波動(dòng)性和化工生產(chǎn)平穩(wěn)性的共同要求下，還需明晰各工段調(diào)控特性，以克服電力-綠氫-化工耦合系統(tǒng)所面臨的多時(shí)間尺度能量不平衡問題。

4.氫能應(yīng)用場(chǎng)景

氫可以直接以純凈形式使用，或作為合成液態(tài)或氣態(tài)氫基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源載體（氨）的基礎(chǔ)。目前大多數(shù)氫氣用于工業(yè)領(lǐng)域，直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放，其中煉油廠、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)消耗氫能比例分別為33%、27%、11%，另外3%的氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)[46]。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫能可以廣泛用于能源企業(yè)、交通運(yùn)輸、工業(yè)用戶、商業(yè)建筑等領(lǐng)域[47-49]，如圖4所示。既可以通過燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車、軌道交通、船舶等領(lǐng)域，降低長(zhǎng)距離高負(fù)荷交通對(duì)石油和天然氣的依賴；還可以利用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、燃料電池技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供暖供電。

氫用于工業(yè)用戶中的途徑有：

（1）煉油，加氫處理和加氫裂化去除雜質(zhì)，提高中間餾分油的精收效率；

（2）化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工業(yè)原料和燃料；

（3）鋼鐵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐及堿性氧氣轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中常用的焦炭和天然氣。基于氫的合成燃料儲(chǔ)存更容易，可利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施輸送，為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019年11月，德國(guó)蒂森克虜伯鋼鐵集團(tuán)正式注入杜伊斯堡9號(hào)高爐；奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠6MW電解制氫裝置投產(chǎn)，開啟了氫能冶金時(shí)代。中國(guó)寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開始可再生能源制氫-氫能冶金立項(xiàng)，探尋循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可行性。

氫作為潛在的交通燃料，被視為石油和天然氣的清潔替代品。氫動(dòng)力系統(tǒng)因其零碳排放和廣泛的適應(yīng)性有望成為交通運(yùn)輸部門實(shí)現(xiàn)快速減排的少數(shù)選擇之一，綜合考慮工作溫度、催化劑穩(wěn)定性、電效率、比功率/功率密度等指標(biāo)，最常用于交通運(yùn)輸行業(yè)的是質(zhì)子交換膜電池。目前氫能燃料電池用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域主要包括：

（1）道路運(yùn)輸，如小型汽車、公共汽車、卡車和其他貨車；

（2）海事行業(yè)，如船舶、港口；

（3）鐵路和航空；

（4）其他特殊領(lǐng)域，如救援車輛、深海裝備等。相比于純電動(dòng)汽車，氫燃料電池汽車、卡車及叉車的燃料加注時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)，但氫燃料汽車的綜合能量利用效率僅為25%左右，雖然高于傳統(tǒng)合成燃料內(nèi)燃機(jī)汽車的15%，但遠(yuǎn)低于純電動(dòng)汽車約70%的綜合能量利用效率，研究表明當(dāng)燃料電池成本為75~100美元/kW時(shí)，氫燃料電池汽車可以在續(xù)航里程為400~500km內(nèi)與純電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)，氫燃料電池汽車對(duì)于有更高里程要求的消費(fèi)者更有吸引力。目前氫在海事、鐵路和航空領(lǐng)域的應(yīng)用處于示范階段，主要用于輔助動(dòng)力單元，而歐洲碳排放交易體系的不斷擴(kuò)大為氫能在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提供了潛在的空間。2019年11月，中國(guó)首列氫燃料電池有軌電車在佛山投運(yùn)。2020年1月，美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合能源部啟動(dòng)氫燃料電池應(yīng)急救援車H2Rescue項(xiàng)目，基于氫燃料電池/鋰電池混合系統(tǒng)，開啟微電網(wǎng)搭建、供熱和供水一體化研究。

目前，全球氫能發(fā)電比例很小，約占總發(fā)電量的0.2%。隨著對(duì)能源行業(yè)深度脫碳要求的進(jìn)一步提高，氫能應(yīng)用于能源企業(yè)路徑主要有：

（1）氫為燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池提供燃料，作為備用電源或離網(wǎng)供電，為易停電和偏遠(yuǎn)地區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施（如醫(yī)院，通信基礎(chǔ)設(shè)施等）提供備用電源，成為電力系統(tǒng)的一個(gè)靈活性電源；

（2）氫轉(zhuǎn)化成氨，與煤粉共燃，降低傳統(tǒng)燃煤電廠的碳排放強(qiáng)度；

（3）氫以壓縮氣體、氨或合成甲烷的方式儲(chǔ)存，平衡電力需求和可再生能源的間歇性波動(dòng)。日本和韓國(guó)均明確了在能源企業(yè)中使用氫或氫基燃料的目標(biāo)，日本希望在2030年氫發(fā)電能力達(dá)到1GW，韓國(guó)氫路線圖設(shè)定目標(biāo)是2022年電力行業(yè)中燃料電池裝機(jī)容量為1.5GW，2040年達(dá)到15GW。2020年2月，北美擬投資可再生能源—?dú)浒l(fā)電樞紐項(xiàng)目替代1800MW的Intermountain 燃煤電站，為南加州提供可靠的清潔能源，從2025年開始，每年春、秋兩季將有538MW可再生能源用來制氫，可再生能源制氫成本可能低至1.5~2.9美元/kg，氫氣將儲(chǔ)存在地下鹽洞，通過100%氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。

在住宅建筑領(lǐng)域，75%的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合（氫氣摻混比例為0~20%），通過基于燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池的CHP技術(shù)，利用現(xiàn)有建筑和能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性和連續(xù)性的熱能、電力供應(yīng)，從而取代化石燃料CHP。基于燃?xì)廨啓C(jī)的CHP可通過布雷頓-朗肯循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱、電聯(lián)供，氫氣通過高溫燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行燃燒，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃燒形成的高溫蒸汽通過余熱鍋爐吸收產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)小汽輪機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)排汽作為熱源提供熱量，整體循環(huán)效率可達(dá)55%。日本某微型氫燃?xì)廨啓C(jī)向社區(qū)供應(yīng)2.8W熱能和1.1MW電力[54]。基于燃料電池的CHP最常用的是PEMFC和SOFC技術(shù)。CHP中的2種類型的電池都可以由熱或功率驅(qū)動(dòng)，并且由于其緊湊的尺寸可以部署為微型CHP。它們既可以直接用氫氣作為燃料，也可以用天然氣或沼氣作為燃料，而在裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫氣。如果產(chǎn)生的熱量具有足夠高的溫度，則該系統(tǒng)還可以通過吸附（三聯(lián)產(chǎn)）提供冷卻，整體運(yùn)行效率可達(dá)60%。“Ene-Farm”項(xiàng)目從2009年開始，已相繼投入30多萬套微型CHP單元，單元成本已從3.5萬美元降至0.9萬美元。此外，100%的純氫可通過氫鍋爐用于建筑供熱，但氫氣價(jià)格需低至1.5~3.0美元/kg時(shí)，才能與天然氣鍋爐和電動(dòng)熱泵競(jìng)爭(zhēng)。2019年6月，由BDRThermea 研制的世界第1臺(tái)純氫家用鍋爐在荷蘭羅森堡投入使用，初始供暖量將滿足總熱量需求的8%，該項(xiàng)目與荷蘭北部海上風(fēng)電制氫、鹽洞儲(chǔ)氫及格羅寧根氫燃料電池列車構(gòu)成了荷蘭氫能利用藍(lán)圖的雛形。

雖然氫能已經(jīng)在未來能源系統(tǒng)中的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈中基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，氫能供應(yīng)鏈中制氫技術(shù)的成本問題，長(zhǎng)距離、大容量?jī)?chǔ)運(yùn)經(jīng)濟(jì)安全問題及終端加氫設(shè)施成本等問題仍是目前亟需解決的。