弃风电与制氢联合运行机组容量匹配性研究—基于吉林省长岭龙凤湖风电制氢示范项目

当前在一些存在限电的区域（如吉林、新疆等），送出及地方消纳短期内很难有大的改善，以氢为介质，把弃风电转换为氢气，实现再利用，是当前解决和利用弃风电的一种新运行模式、也是风电等新能源实现存储的一种新方向。从技术层面上如何更好地跟踪风电波动性和间歇性、实现风电场与制氢机组容量最优配置尤为重要。本文依托吉林省长岭龙凤湖风电制氢示范项目，对从宏观限电比例下实现弃风电量利用和微观分析风电机组与电解槽功率匹配两方面进行深入剖析，精准锁定风电场容量和制氢站规模，在不考虑使用大批量昂贵储能设备情况下，保障风电与制氢联合运行生产的安全与稳定。

研究方法

一、数据资料

弃风电量测算数据依据的是示范项目周边已运行风电场33台GW87/1500永磁机组2012年1月1日－2012年12月31日整年的每十分钟运行数据，包括平均风速、实际平均出力等。考虑到已运行风电场所用机型与示范项目相同且都属于平原风电场，所在区域电网运行环境边界条件类似，因此所选的分析数据从技术角度具备代表性，所计算出的结果对未来的风电场具有很大的参考价值。

由于通信故障以及其他原因，参考风电场每台风电机组一年的实际运行数据大约只有48000点，即约335天的运行数据，大约缺失30天的运行数据。

风电机组功率曲线采用GW87/1500机型经认证过的标准空气密度下的动态功率曲线。

风电场区域内通过测风塔测得2012年完整年十分钟数据（NRG数据格式、传感器NRG官网标定）。

二、 分析思路

完整意义上的风电场与制氢站机组容量最优匹配应该从四个维度进行剖析，首先综合考虑市场现有的各种电解制氢设备类型、氢气终端的市场应用需求及氢气允许的掺混比例；其次从宏观的限电比例情况下实现弃风电量利用；第三微观分析电解槽功率与风电机组功率匹配性以保证安全稳定运行；最后从经济评价角度对方案进行测算以保证项目收益率。其中对于市场消纳预测和经济评价部分，此处不再详细介绍。本文主要介绍技术层面部分，从对宏观的限电比例情况下弃风电量利用和微观分析电解槽功率与风电机组功率匹配性的研究，分析探讨一种风电与制氢联合运行机制下机组匹配技术。

弃风电量数据分析

一、 弃风电量数据处理

当风速为V 时，第j台风电机组的理论功率为：

由于通信故障等原因，风电场的每台机组全年均缺失30天的运行数据，为了更加准确地统计和分析风电场的限电数据，我们需要对所有丢失的数据进行补全。具体的方法是：利用Matlab的随机取样函数从已有的数据库中采集缺失天数的数据，实现对缺失数据的补全，获取每台风电机组一年完整的每十分钟实时风速和并网风电功率。

二、弃风电量结果分析

通过限电数据分析，计算出参考风电场一年内存在限电的时间总计为8700小时，一年总的限电电量大约为42294402kWh（33台风电机组），计算出吉林长岭县参考风电场的弃风比例达到32%左右。

从图1－图2的分析结果和表1中的数据来看，参考风电场（33台风电机组）每月均存在弃风，其中限电严重的月份主要是1—5月份和11—12月份，限电较少的月份为6—10月，2月和3月均为限电最严重的月份，6月和7月均为限电最少的月份。从表1可以看出，参考风电场（33台风电机组）2月份和3月份的平均限电功率分别为10763kW和14677kW，6月份和7月份的平均限电功率分别为1158kW和1138kW。

另外，参考风电场（33台风电机组）限电最严重和限电最少的季度为第1季度和第3季度。第1季度和第3季度的平均限电功率分别为9727kW和1464kW。全年的平均限电功率为4868kW 。

图1 长岭参考风电场（33台风电机组）全年每十分钟的平均限电功率

图2 长岭参考风电场（33台风电机组）全年的每月及每个季度的平均限电功率

表1 参考风电场（33台风电机组）每月的平均限电功率

弃风电量与制氢容量匹配分析

基于仅以弃风电量而不用网电进行电解制氢的原则，综合考虑市场现有的各种电解制氢设备类型、氢气终端的市场应用需求，以及氢气允许的掺混比例，从宏观的限电比例情况下弃风电量利用到微观分析电解槽功率与风电机组功率匹配性，实现风电场与电解设备容量匹配。

一、 宏观的限电比例下弃风电量利用

根据上述风电场的限电数据分析结果及限电规律，以及电解制氢设备市场现有的产品容量及类型，并结合项目建设规划以及终端氢气的应用需求，从宏观的限电比例下弃风电量利用角度进行分析。

表2 1.5MW机组在两种电解槽设置方案下满负荷运行测算表

表3 10分钟数据在有效风速区间（3～22m/s）内出现频率统计表

根据以上数据分析，长岭风电场初步按照年利用小时数1800标准小时、风资源评估理论利用小时数2649标准小时测算，限电为849标准小时、限电率为32%，一年总的限电电量大约为42294402kWh（33台风电机组），且弃风率80%集中在冬季。

按照制氢站（一台300 Nm3/h）每天3000m3氢气直销和600m3氢气掺混、只考虑11月—次年5月运行，以210天测算，需消纳弃风电量378万千瓦时。反推风电场规模约0.56万千瓦，依据冬季时段弃风比例推算弃风电量，推导4台1.5MW机组能够支撑。

此外，本研究仍有不足之处：(1)本研究纳入标本量较少，因此指标的诊断价值仍需大样本、多中心的临床研究进一步验证和完善。(2)本研究中IGF-1联合CEA对女性的诊断价值不高，文中没有列出。(3)本研究基于血清循环IGF-1和CEA 2个指标对于CRC的诊断价值进行评价，仅作为一种临床上的辅助筛查方法。

按照制氢站（一台300 Nm3/h和一台600Nm3/h）每天10000m3氢气直销和2000m3氢气掺混、只考虑11月—次年5月运行，以210天测算，需消纳弃风电量1260万千瓦时。反推风电场规模约1.89万千瓦，依据冬季时段弃风比例推算弃风电量，推导13台1.5MW机组能够支撑。

以上分析，仅从宏观的弃风电量消纳上进行测算，风电场4台1.5MW机组搭配一台300 Nm3/h电解槽、13台1.5MW机组搭配一台300 Nm3/h和一台600Nm3/h电解槽，按照限电比例32%测算限电量是完全满足制氢需求的；但是以上只是宏观限电量上的匹配，并没有考虑实际运行中风电波动性和间歇性问题，如果按此方式保证机组运转，还必须配置大量的储能装置，不具备经济性，不建议采纳此种方法进行机组配置。

二、 微观分析电解槽功率与风电机组功率匹配性

一台300 Nm3/h电解槽功率加上其他附属设备的功率约2.0MW，一台600 Nm3/h电解槽功率加上其他附属设备功率约3.5MW，统计风电场（11月—次年5月时段）的平均风速为6.5m/s，对应的1.5MW机组的功率447kW，即约0.45MW；依据测风塔实测数据，统计测算各风速出现频率，结合各风速对应风电机组功率，反推风电场的匹配容量。

在标准空气密度、动态功率曲线下，按照切入风速3m/s、切出风速22m/s风速区间进行推算，分析使用GW87/1500机型，满足一台300Nm3/h电解槽及满足一台300Nm3/h与一台600Nm3/h电解槽满负荷运行所需机组数量测算如表2所示。

分析风电场测风塔完整年实测10分钟数据，重点对11月至次年5月时段10分钟数据在有效风速区间（3～22m/s）内出现的频率进行统计，如表3所示。

综合以上两维度分析，在11月至次年5月时段，在有效风速区间内，4m/s以上风速出现的概率超过90%，风电场平均风速6.5m/s以上出现的频率超过60%，同时在4m/s风速下，保证电解槽满负荷运行所对应风电机组台数为57台，考虑到电解槽在30%～110%范围内可调，也就是说一台300Nm3/h电解槽，以满发功率2MW进行测算，可调功率在0.6～2.2MW区间可保证生产。电解槽的这种特性，也在一定程度上可以跟踪风电的波动性和间歇性，因此，在机组台数一定情况下，在相对较低的风速下电解槽也具备一定的适应性。

通过测算，建议把控制设计阀值锁定在5m/s以上，即一台300Nm3/h电解槽至少配置10台风电机组、一台300Nm3/h和一台600Nm3/h电解槽至少配置28台风电机组；结合电解槽功率可调性(30%～110%)逆向反推，在至少10台风电机组、4m/s风速下可支持一台300Nm3/h运行，在至少28台风电机组、4m/s风速下可支持一台300Nm3/h和一台600Nm3/h电解槽运行；从风速捕捉概率上讲，阀值锁定在5m/s可以捕捉到4m/s风速以上，即90%的风资源能力。

对比从宏观限电比例下的弃风电量利用与微观分析电解槽和风电机组功率匹配性两种方式，第二种方式（功率匹配）得出的匹配台数（至少10台风电机组对应一台300Nm3/h电解槽设备）包括了第一种方式（限电比例）所测算的结果（4台风电机组对应一台300Nm3/h电解槽设备），因此应选用第二种方式进行容量的匹配。

摄影：潘泱

结论

本文基于以弃风电量而不用网电进行电解制氢原则，依据限电数据分析弃风电量分钟、月度、季度分布情况，对从宏观限电比例下弃风电量利用和微观分析风电机组与电解槽功率匹配进行深入剖析，最终实现风电场与电解设备的容量匹配。得到的主要结论如下：

（1）捕捉风速出现的大概率、在不使用大量昂贵的储能设备情况下，最大化利用风资源及减小风电波动性与间歇性对电解槽的冲击，得出至少10台1.5MW风电机组配置一台300Nm3/h电解槽，至少28台1.5MW风电机组配置一台300Nm3/h和一台600Nm3/h电解槽。

（2）本研究只是利用实际运行10分钟数据进行分析，并没有过多考虑暂态状态下波动性的影响，从理论规律上讲风电机组台数配置越多，电解槽跟踪适应风电波动性和间歇性能力会越强，运行系统会越稳定。

（3）本研究只是在现有的限电数据上展开分析，重点是对风电与制氢联合运行机制下机组匹配技术的一种深入剖析与探索，这对后期指导风电与制氢联合运行项目的机组选型、容量配置具有深刻的指导意义。