混合型多能源耦合微电网的研究综述

郑海，陈湘萍

（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳，550025）

0　引言

在过去的半个多世纪里，煤炭作为主要能源为我国提供了近80%的电力供应。然而，随着化石能源的大量消耗引发的一系列问题也随之而来，例如土地退化、海平面上升、水质污染以及全球变暖等，不断影响着人们的日常生活。迫于国际碳减排和环境友好要求的双重压力，使用太阳能技术、风能技术、水力发电技术等清洁、低碳的能源技术发电势在必行。但由于太阳能、风能等可再生能源具有的间歇性和波动性特点，寻求一种高效环保的能源载体充当可再生能源和用户的桥梁成为开发可再生能源的重点。氢能以环保、高效的特点而被认为是最有潜力的能源载体。目前，氢能的主要来源是电解水，电解水制氢装置能够在0%～100%额定功率范围内自适应风电的不稳定功率输出[1-3]，氢储能装置是平滑风电功率波动的重要措施之一。中国煤炭资源储备丰富，石油和天然气资源匮乏，但煤炭含有丰富的碳元素，产生相同的能量时会比天然气和石油排放更多的二氧化碳，这就需要找到煤炭的清洁利用方式或者是将之与其它能源相组合的利用方式。现代煤化工是巨量氢的富集和利用过程[4]，将其和风能及电解水组合利用即是一种能源的组合利用方式。

本文对风能、电解水、煤制甲醇及储能分别作出概述，并以此为基础构建了风电-氢储能与煤化工的多能耦合系统的基本架构。

1　风能

由于风速的易变性和不可控性，模拟风速变化时为了准确地体现风能的随机性和间歇性。通常使用基本风、阵风和渐变风这3种基本模型来模拟风速变化[5]。

（1）基本风模型

基本风通常理解为风电场中平均风速的变化，一般认为基本风速不随时间变化，计算时可以取为常数，即有

式中,VWB为基本风速，单位为m/s,K为常数，单位为m/s。

（2）阵风模型

为描述风速突然变化的特性，可用阵风来进行模拟，风速在突然变化时具有余弦特性。即有

式中,VWG为阵风风速，单位为m/s,Tstart-up为阵风启动时间,Gmax为阵风最大风速,TG为阵风周期。

（3）渐变风模型

渐变风用来描述风速的渐变特性，其变化特性具有线性性。即有

式中,VWR为渐变风速，单位为m/s,Vmax为最大渐变风速值，单位为m/s,Tstart为起始时间，单位为s,Tend为终止时间，单位为s,Tkeep为保持时间，单位为s。

综上，实际经过风力机上的风速可以表示如式（4），表1显示了风在不同风速下发电状况。

当前我国风力发电的主要趋势为[6-9]：① 更髙更大的风电机纽；② 风电生产效率的稳定性逐年提升；③ 风电投资成本逐年下降；④ 增加本地的风电消纳能力；⑤ 集中大规模的风电开发。

表1　不同风速下发电状况[8-9]Table 1 Power generation under different wind speeds[8-9]

2　电解水

电解水的装置如图1所示[10]，阳极制氧，阴极制氢，总反应式为：

在不同酸碱度溶液中，对应的阴极和阳极反应不同。在碱性和中性电解质中，阳极反应式为：

阴极反应式为：

而在酸性电解质中，阳极反应式为：

阴极反应式为：

标准状况下，电解水的热动力学电压为1.23 V（25 ℃，1.01×105Pa），而实际情况中，通常需要施加大于1.23 V的电压（Eop）才能使该过程进行，二者差值即为过电势。

上式（10）中：

ηa—阳极制氧过电势，V2；

ηc—阴极制氢过电势，V3；

ηother—环境电阻等引入的额外电势，V4。

化石燃料制氧和电解水制氢是目前制氢的主要方法[11-13]。与传统的碱性电解水制氢过程相比，质子交换膜（PEM）电解水系统拥有效率高、产氢速度快、结构小巧等优点[14]。但电解槽对各部分组件要求比较高的缺点，比如价格昂贵的聚合物膜、介孔电极和集流器，也限制了其在产氢方面的应用[15]。电解水制氢过程需要使用催化剂，提升催化剂的活性可以降低阴极制氢及阳极制氧的过电势，均可减少电解水制氢的能耗。在酸性电解质中，铂基催化剂性能最优[16]。在碱性电解质中，活性最高的催化剂是铷、铱等贵金属的金属氧化物[17]。

下一步电解水制氢的发展方向[18-20]：① 新的电解槽结构；② 新的电极和横隔膜材料的开发；③ 提高反应温度；④ 可再生能源供电；⑤ 提高总制氢效率。

图1　电解水装置Fig. 1 Electrolysis water device

3　煤制甲醇

煤制甲醇过程是煤间接液化制油及煤制烯烃的基础过程[21-22]。国内甲醇工业的生产原料以煤炭为主，以天然气和焦炉气为辅[23]。近年来，我国甲醇工业处于产能过剩的状态，但甲醇作为中间产品可以生产多种工艺产品， 以甲醇作为原料生产的产品如表2所示。传统煤制甲醇工艺流程图如图2所示[24]。

近年来，国内煤制甲醇产业及技术的发展趋势归纳如下[25-28]：① 煤制甲醇生产装置大型化；② 焦炉煤气在甲醇生产原料的比重逐渐增加；③ 大力发展和选用合适的节能技术；④ 延长甲醇产业链，实现产业升级；⑤ 落后产能逐渐淘汰。

表2　原料甲醇生产的下游产品[29-30]Table 2 Downstream products of methanol production from raw materials

4　储能

储能的方式主要有压缩空气储能、飞轮储能、超导电池储能、铅酸电池储能、抽水蓄能及镍镉电池储能等。储能技术能够使波动性、随机性较强的可再生能源得到“可调、可控”，加强可再生能源的开发利用，也保证可再生能源系统稳定、可靠的运行。储能技术综合性能资料如表3所示。

储能技术的应用需要继续做以下几方面的研究[31-34]：① 高效、核心储能关键技术的研发及利用；② 储能与风力发电的互补利用策略； ③ 储能技术类型选取与储能容量的配置；④ 优化多种储能电池的配置；⑤ 研发电能释放和存储速度快的储能电池；⑥ 研发能量密度大、功率密度大、储能效率高的储能电池。

图2　传统煤制甲醇工艺流程Fig. 2 Process flow of traditional coal based methanol

表3　储能技术综合性能表[35-37]Table 3 Comprehensive performance table of energy storage technology

5　多能源耦合系统

利用风电-氢储能与煤化工多能耦合系统就地消纳风电，成为愈演愈烈的“弃风限电”问题的有效技术路劲之一[3]。虽然现阶段新能源的利用得到大力的开发和利用，但由于风能、太阳能、地热能等能源的随机性、间歇性等特点，使得其大规模的开发利用也有一定的限制，所以开发一种多能源的多能耦合系统极其重要。周涛等[38-39]对包含风电场、超级电容器、氢储能和燃料电池的多能源动力系统协调控制进行研究，结果表明该控制方案能有效优化并网风电的质量。徐晔等[40]从理论上构建了风氢互补发电系统，通过实例验证该系统解决风电并网问题的有效性。

本文以风能、电解水、煤制甲醇、储能为基础，构建了风电-氢储能与煤化工多能耦合系统的基本架构如图3所示。此系统中，以风能作为主要能源供给，氢储能系统中的电解水通过风能提供的电能进行电解以产生氢气和氧气，以平衡风机功率的不稳定输出，达到解决风电过剩的问题，电解水产生的氧作为煤气化时的气化剂送入汽化炉，氢作为最终制甲醇的原料跟CO调成合适的比例制得甲醇。

多能源耦合系统整合了风资源、电解水及煤化工技术，这样不仅可最大程度地利用清洁而丰裕的风资源，还能就近为煤化工产业用户供电，多能耦合系统将风电转换为氢能源储存和产生氧气，即有效地钝化了间歇、随机和波动等风电特性对微电网的不利影响，还能最大限度地减少煤化工生产过程中的原料煤和能源煤的消耗，节省了传统煤制甲醇工艺中空分装置的成本。

图3　多能源耦合系统基本架构[1]Fig. 3 Basic architecture of multi energy coupling system[1]

6　结论

本文以混合多能源为论述对象，对多能源系统里所包含的风能、电解水、煤制甲醇、储能等分别进行介绍。文中首先总结了风能的三种基本模型及风能未来的发展方向，其次概述了电解水在酸性和碱性条件下发生的反应，并总结了电解水的发展方向，然后就煤制甲醇的发展概况及甲醇的利用作了概括，并总结了当前最主要的储能技术，最终，在四种能源的基础上得出多能源耦合系统。