引言在社会经济发展中，能源是重要物质基础之一。在世界经济迅速发展环境下，天然气、石油等能源资源消耗越来越大，导致全球环境以及能源危机越来越严重，成为人类发展过程面临的主要问题之一[1]。在此情况下，风能、太阳能以及生物质能等新能源发电方式越来越受到人们的重视，太阳能和风能的应用更广泛。太阳能和风能都是可再生能源，分布广泛，无污染，所以可以进行大规模开发利用[2]。但是，风能和太阳能在应用中也存在一定不足，主要是两者均随天气、气候变化而变化，具有间歇性、波动性以及随机性等特点，在应用中无法保障连续提供稳定能量输出，稳定性严重不足。大规模风能和太阳能发电会对当地电网运行稳定性造成不良影响，因此需要保障发电的稳定性[3]。为促进多种能源的结合使用，构建风光储氢一体化可再生系统，在实现多能互补的基础上，为绿色供电稳定性提供保障。1风光储氢一体化可再生系统构建背景2021年12月8日，中央经济工作会议精神指出要正确认识和把握“碳达峰、碳中和”。国家对于可再生资源应用越来越重视，提出尽快形成减污降碳激励约束机制，实现对碳应用的有效控制。目前最为理想的供电方案即风光储氢一体化供电系统，在此系统中采用的风能以及太阳能等都属于可再生能源[4]。风能和太阳能的应用有助于减少市电消耗，进一步降低基站供电成本，也有助于降低化石燃料燃烧，实现对空气污染问题的有效解决。在此情况下，针对风光储氢一体化可再生系统设计具有重要应用价值。2风光储氢一体化可再生系统设计理论（1）太阳能发电。太阳能发电原理不是利用热过程，而是将太阳能直接转换成电能。在光伏效应的半导体器件应用下，促进太阳能向电能的转换。截至目前，已经有超过100种不同材料、不同用途以及不同结构的光伏电池[5]。太阳能发电和风电类似，存在出力不稳定以及间歇性问题，因此需要重点研究大型太阳能发电并网问题。（2）风能发电。风能本身具有随机性，因此需要结合风力大小对发电系统进行实时控制，以此有效实现风力发电机组的启动、停机等操作，实施故障保护。风力发电场在运行过程中可以和大电网并网运行，不设置储能系统[6]。（3）新能源联合发电系统。风光储联合发电系统的组成包括风力发电单元、储能系统、光伏发电单元以及智能控制调度系统等。应用风能和太阳能可以实现能源采集的互补，光伏发电具有一定可靠性，维护成本也比较低，但造价较高；风力发电可以产生较高电量，造价以及维护成本低，但可靠性偏低。风光储联合发电系统的应用，可以改善能源危机以及环境污染等问题，降低风光发电单独输出电力影响电网，对稳定性起到改善作用[7]。3多能互补下的风光储氢一体化可再生系统设计及其应用场景3.1工程概况以内蒙古某个新能源制氢联产无碳燃料配套风光发电一体化示范项目为例开展论述。本项目立足达茂旗经济社会发展需求，充分发挥区域能源资源禀赋优势，基于荷随源动的新能源消纳新技术，打造绿色能源生产—转化—供应的一体化新流程，实现新能源高比例消纳与低成本储运，提升区域可再生能源消纳比例；打通可再生能源—交通—化工产业新链条，助力电力、交通、化工领域低碳化发展。为了保障系统供电运行稳定性，配置一定的储能与储氢，对系统起到功率支撑以及缓冲的作用。新能源制氢联产无碳燃料项目流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.014.F001图1新能源制氢联产无碳燃料项目流程项目选择在内蒙古自治区包头市达茂旗境内，为充分利用电解水制氢与无碳燃料厂房屋顶资源，在满足防爆设计要求的前提下，在项目厂房屋顶安装1.5 万kW光伏发电。建设1座15 万m3/h新能源电解水制氢设备，此设备的年产量达7 万t，氢气纯度达到《氢气 第2部分：纯氢、高纯氢和超纯氢》（GB/T 3634.2—2011）高纯氢指标，可以实现对下游无碳燃料厂用氢要求的满足。针对投资造价、能量转换效率与负荷调节能力等因素进行综合考量，最终确定选择应用碱性水溶液电解制氢技术，通过计算发现，在年利用小时为5 200 h的情况下，每年生产下游无碳燃料39 万t。3.2一体化设计方案在本次设计中，针对基站负荷供电实际需求，在可再生能源供电系统中加入储氢模块，以此为市电和油机使用提供保障，有效防范可再生能源出力不稳定对电网运行稳定性的不良影响。风光储氢可再生能源一体化系统设计如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.014.F002图2风光储氢可再生能源一体化系统设计能源供电系统设计中，采用交直流混合微网结构设计，与传统交流微网相比，可以将部分交直流变换装置简化[8]。风电、光伏等发电主要为直流电，能够降低系统运行损耗，节省成本。直流微网无须考虑频率稳定和无功等问题，可以有效实现可再生能源间的协调控制。在系统设计中，在传统开关电源组合应用的基础上，加入了3个模块，即太阳能模块、风电模块以及储氢模块。风光储氢可再生能源一体化系统设计中，能量管理系统可以实现对不同电源的协调优化控制，是整个系统的控制核心。充分利用风电、光伏以及氢能，将其转变为直流电源输出，系统功能为：（1）可以实现对太阳能、风电最大输出功率的实时有效跟踪，确保能够在其最大功效下开展工作。（2）可以实时判断可再生能源运行条件，对其控制策略实现精准控制。（3）能够对系统运行状况实时监测。（4）针对系统运行过程中的过压、过流和欠压等情况，提供保护机制。（5）设置远程通信接口。可再生能源电能产出中会出现波动性以及间歇性，会对供电稳定性以及可靠性产生影响，因此在设计过程中加入储能模块，为供电系统正常运行提供保障。可再生能源处理量比较大的情况下，在能够实现对基站负载正常供电需求的满足基础上，剩余电量可以用于制氢，在可再生能源出力不足的情况下使用。风光储氢可再生能源一体化系统中存在比较多的电源种类，多能源系统协调控制通过统一能量管理系统实现，相应的控制顺序为：风电较为充足的情况下，可以对可再生能源优先使用进行供电；风电出力较大的情况下，基站负载供电，多余电量用于氢制备；风光处理不足的情况下，由氢气和风电共同为基站供电，减少市电、油机使用。3.3系统应用场景3.3.1系统接入方案设计本次系统设计提出2个接入系统方案，方案一为主要方案，方案二为备选方案。方案一：将新能源电站所发电力汇集至3座220 kV升压站，再汇集至500 kV汇集站，通过双回500 kV线路送至制氢站，新建220 kV降压站2座，500 kV线路长度为50 km。项目整体通过单回500 kV线路与电网保持联络备用，线路长度约66 km。方案二：将新能源电站所发电力汇集至2座220 kV汇集站，通过双回220 kV线路送至制氢站，新建220 kV升压站1座，220 kV线路50 km。本次系统整体通过双回220 kV线路与电网保持联络备用，线路长度约5 km。根据当地地区电网规划，上述2种方案均具备可行性，接入系统最终方案需要通过相关部门的审批。3.3.2系统运行场景常规工况下，电解水制氢与合成无碳燃料的负荷根据风电的出力情况实时进行调整。新能源出力变化率过快时，通过电化学储能及储氢设施起到一定的平衡作用。新能源制氢：新能源出力满足电解水制氢系统最低负荷时，制氢系统的负荷跟随新能源出力情况实时进行调整，通过电化学储能系统充放电进行削峰填谷或平滑出力，满足制氢需求。新能源出力小于电解水制氢的最低负荷要求时，如果储存的氢气可以满足合成氨系统的连续运行，制氢系统可以暂时停止运行，保持热启动状态；如果下游储氢设备已经排空，则需要补充下网电，保障制氢与合成氨系统维持在最低负荷下运行[9]。绿氢合成无碳燃料：氢气供给能力小于合成无碳燃料设备最小负荷时，储氢系统作为缓冲，保障合成无碳燃料系统连续稳定运行。储氢罐排空时，则需要补充下网电以保障制氢与合成无碳燃料系统维持在最低负荷下运行。制氢与合成无碳燃料由新能源电站和电网作为双电源供给，通过购买绿证实现系统全绿电驱动。智慧能源管控系统：通过建设智慧能源管控系统，最大化利用清洁能源，稳步提升可再生能源电量就地消纳比重，打通可再生能源—交通—化工产业链条，助力电力、交通、化工领域低碳发展，创新商业模式，提升整体效益[10]。3.3.3系统应用中的控制措施风光储氢一体化系统智能控制主要是实现对整个风电发电系统时间功率输出曲线的改善，减少分布式电源接入对整个电网所产生的不利影响。在储氢电池的应用下，存储和适当存在较大不确定性的风能以及光能，将不稳定能源转变为稳定且具备较高利用价值的产品。可以进一步提升电网对可再生能源的吸收以及接纳能力，基于能量存储系统有效调整电网负荷，为电网提供削峰填谷功能。风光出力存在一定不确定性，通常无法实施调度，相应控制方案的建立就是有效确定储能装备的充放电过程，为系统可以能够最大限度实现控制目标提供保障[11]。控制方案的确定要建立在可靠数据预测以及控制目标基础上，制定具体控制目标。可再生能源具备波动性以及间歇性特点，对供电运行稳定性以及可靠性造成不良影响，因此系统设计中加入储能模块，为系统正常运行提供保障。在可再生能源能量交租情况下，实现对基地负载正常供电提供保障的基础上，剩余电量可以进行制氢，在电力不足情况下使用。系统中存在较多能源，各能源实施协调过程中，均借助统一能量管理系统实施控制，相应的控制方式为：（1）在风光较为充足情况下，可以对风电和光伏为基站电量进行使用，满足供电需求。（2）在风光出力较大情况下，可以进行负载供电，将多余电量进行制氢。（3）在风光出力不足情况下，氢气和风光共同努力发电，可以实现对基站负载供电需求的满足，降低市电应用。（4）在风光出力不足且氢能量也无法满足供电需求下，可以采用风光和市电共同供电。在控制过程中，可以先对风电和光伏日发电量实施预测，在能量管理系统中纳入预测结果，系统结合之前设定的控制策略，实现对风电、光伏、市电以及储氢单元等的控制，控制结果会统一在监控单元反馈出来。对于不同电源用电的优先级分别为：风光系统、氢能、市电，实现对基站负载供电需求的满足。4多能互补下的风光储氢一体化可再生系统应用效益评估4.1系统具体应用和配置基站负载功率存在差异，以4种典型应用场景作为研究对象，完成相应的配置。在配置中，如果是300~600 W小型基站，先对风电和光伏供电进行使用，氢能量的储备瓶数也较少；如果是1.5~3.0 kW较大基站中，对供电可靠性具有一定要求，需要适当提升储氢单元、风电以及太阳能控制器，以此实现对供电需求的满足。典型应用场景及配置如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.014.T001表1典型系统应用场景及配置项目基站负载/W3006001 5003 000应用场景无线天线微型站宏基站多网基站太阳能控制器48 V/20 A×1台48 V/50 A×1台48 V/20 A×2台48 V/20 A×3台风电控制器600 W×1台1 kW×2台2 kW×2台2 kW×4台储氢瓶数量/瓶51520304.2系统应用效果评估4.2.1经济效益评估在系统应用效果评估中，假设基站设备平均用电功率为1 kW，供电为直流48 V，日用电平均为24 kWh。在系统配置中，太阳能电池板为2 kW，3台1 kW风机，风电日发电量为13.8 kWh，光伏日发电量为9.9 kWh，可以满足正常负载用电需求。与单纯使用市电相比，每日可以节约23.7 kWh市电，年节省量可达到8 650.5 kWh。将其转换为标准煤用量，可节省3 201千克标准煤，减少二氧化碳排放7 937 kg、粉尘排放2 178 kg、氮氧化物排放121 kg、二氧化硫排放241 kg。一体化可再生系统在应用中，不但可以降低煤炭用量，也有助于降低环境污染因素排放量，具有较好的社会效益和经济效益。4.2.2运行及维护成本评估对不同系统供电模式展开分析，在传统供电模式应用中，油机和人工成本相对偏高，因此在系统维护中具有较高成本；风光互补+市电+油机+蓄电池供电模式在应用中，可以降低油机和人工费用，但蓄电池在应用中更换折旧费比较高，存在可再生能源供电不稳定等情况，会增加系统维护成本。本次设计的风光储氢供电模式，在系统运行过程中维护成本比较低，对油机以及市电的依赖性较小，在系统运行中也可以采用废旧动力电池，降低系统运行以及维护的成本。通过计算发现，在长期运行中，前5年传统供电模式的成本较低，但此模式下供电成本增速较快，另外2种供电模式在运行中均加入新能源供电系统，成本增速较慢。运行到第5年，加入新能源的2个供电系统成本差异不大，但运行到第8年时，风光储氢供电模式运行成本依旧较低，供电成本低，可以取得更好的经济效益。从长远视角和节能环保角度分析，本次完成的风光储氢供电系统化可以提升供电可靠性，取得良好的社会效益和经济效益。不同系统供电模式运行及维护成本如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.014.T002表2不同系统供电模式运行及维护成本评估供电模式油机耗油和加油人工费蓄电池维护及更换折算可再生能源发电维护控制系统维护合计风光储氢供电模式0.50.81.50.53.3风光互补+市电+油机+蓄电池供电模式22.50.50.55.5蓄电池供电模式—————市电+油机+蓄电池供电模式52.500.58万元5结语未来发展中，为鼓励可再生资源的开发和应用，减少可再生资源发电对电网运行稳定性的不良影响，可以从电网侧入手，实现对电网建设的良好规划，以此进一步提升电网运行智能化控制以及调度水平，确保可以第一时间送出可再生能源发电。可以从电源侧入手，应用多种储能方式，为可再生能源发电波动性实施抑制，将可再生能源发电部分或全部存储，依照实际需求对其进行应用。风光储氢一体化可再生系统能够实现对系统的智能化控制和调度，以此实现对可再生能源的充分应用，最大化保障电网运行稳定性。多能互补下的风光储氢一体化可再生系统基于传统风光互补供电模式，将储氢作为可再生能源供电的备用，可以进一步实现对可再生能源供电的充分应用，减少对市电的应用，在系统中加入储氢模块，有助于降低风电、光伏波动所致不良影响。风光储氢一体化可再生系统的设计和应用，可以实现对国家绿色可持续发展要求的有效满足，降低基站电费支出，为供电可靠性提供有效保障。在可再生资源供电技术不断开发和发展基础上，进一步降低制氢成本，降低系统运行成本。未来，可再生能源供电必定会成为供电发展新趋势。