浅析分布式光伏发电氢储能的系统结构

王春媚，李云梅

(天津轻工职业技术学院，天津 300350)

作为可再生能源大规模发展关键技术的储能起着至关重要的作用。储能系统如何建设、使用，在一定程度上影响着电力结构调整进度。近年来，分布式光伏发展势头迅猛，装机量迅速攀升，推动分布式光伏和分散式储能相结合，“散”可在用户端构建小型微电网，成为大电网的有效补充；“聚”可成虚拟电厂，通过综合调度、控制管理，使电力系统更富有弹性和灵活性。同时，分布式光伏和储能相结合，在用户侧可以发挥保电、降低用能成本、降碳减排等功能，进而疏导储能成本，促进储能产业健康发展。

国家能源局的最新统计数据显示，2021年全国光伏发电新增并网容量达5488万千瓦，同比增长88.39%，在新增电源装机中的占比提升至55%。其中，集中式光伏新增并网容量达2560万千瓦，分布式光伏新增并网容量达2927.9万千瓦。至此，国内分布式光伏累计装机量达1.08亿千瓦，占光伏并网装机容量的1/3。

储能系统作为储存电能的有效方式，大体分为电磁储能、机械储能、相变储能以及化学储能四大类。电磁储能包括超导储能、超级电容储能等。机械储能如抽水储能被广泛应用，飞轮储能作为一种新型的机械储能方式，现仍然处于研究和示范阶段。热力储能则通过材料相变储存或释放能量，目前相关研究处于实验室阶段，尚未进行实际应用。而化学储能中典型运用就是蓄电池储能。

目前较常用的储能方式为电化学储能，包括铅酸蓄电池(组)，锂电池(组)等。电化学储能造价昂贵，以其中使用寿命较短的铅酸电池为例，一般情况下保持性能使用的年限约3-5年。且报废后的电化学储能装置，几乎无法做到完全无害化的回收利用，且需要耗费大量人力物力。在当今节能减排和碳中和的大环境下，这似乎并不是一种特别理想的应用方式。

地球上的“水”蕴含了大量的氢元素。氢能被誉为未来不可或缺的超级能源，采用光伏制氢是促进可持续发展战略的重要组成部分。我们可以通过某种特殊的方法，用光伏发电产生的富余电能来电解水产生氢气，再把氢气储存起来，需要时，让氢气和氧气产生电化学反应产生电能。这也构成了广义上的，光伏发电——储能(储氢)——发电，具备完善功能的系统结构。氢燃料电池将氢气和氧气经过电化学反应之后只生成水和热，整个过程中做到了零污染排放，其关键在于仅消耗空气中的氧气和储备的氢气，而氢气的来源又是通过光伏发电产生的电能电解水产生的。所以从整个过程中来看真正做到资源的循环利用。而氢燃料电池转换效率又足够的高，反应生成物为纯净的水，对环境相当友好，这一系列优点，使氢储能有了取代传统电化学储能的潜力。

一、分布式光伏发电储能系统的常见种类

分布式光伏一般指的是总功率在数千瓦级，规模不大，独立运作的光伏发电系统，运行方式为用户侧自发自用、余电上网以及全额并网等。分布式光伏发电系统倡导的是就近发电、就近并网、就近转换以及就近使用的原则。正是由于这种相对小规模和独立的属性，该种系统常以含储能的并网或离网形式出现，即：光伏组件产生的电能经过电力电子器件的DC/AC转换后并入电网或经DC/DC转换后储存至储能系统中。储能系统是其中重要的一环，很大程度决定了分布式光伏电系统的稳定性、可用性和输出效能。

如果对系统的稳定性、效能有更高的要求，就需要使系统同时具备连接电网和储能的能力。对于包含储能的分布式光伏系统其结构可分为以下几种：

(一)分布式光伏并网后备储能系统

该结构中，光伏组件产生的电能可经DC/AC逆变馈入电网，同时可经DC/DC储存至储能电池。

分布式光伏发电分为全部自用、自发自用余电上网和全额并网三种模式，其三种模式经过用户自主调控，可实现能源的最大化利用。由于光伏发电受辐照量的影响导致发电量不平稳。提升辐照量的方式有使用单轴或双轴支架以及使用光伏组件逐日系统等。但是在无光环境下还是会导致发电停滞。所以在辐照量充足的情况下将多余电能储存，在辐照量不足的情况下释放电能以稳定电网。而在三种模式中全部自用和余电上网都涉及储能这个关键步骤。

光伏组件产生的电能可同时向电网和馈能，也可经调控后按照既定策略选择馈能路径。电能供给负载时，可优先选用电网能量驱动负载，储能可在需要时，经过机械开关，或电力电子开关快速切换电能供给方式。

(二)分布式光伏并网在线储能系统

该结构中，光伏组件产生的电能经DC/DC全部储存至储能电池中。储能再经DC/AC并入电网。一旦电网断电(同时PCC点应与储能逆变系统断开)，储能逆变系统可以无缝接入，供给负载电能，该过程平稳高效不会对负载产生任何影响。

对于分布式光伏并网后备储能系统、分布式光伏并网在线储能系统两种结构的分布式光伏储能系统工作时，有一部分电能并入电网，如使用双向变流作为调控的核心装置，电网也可以将能量反馈入储能系统，这属于典型的微电网系统结构，不在本文讨论之列。

(三)分布式光伏离网储能系统

该系统结构中，光伏组件经DC/DC将电能储存至储能电池中，需要时经过DC/AC离网逆变供负载使用。储能、逆变全过程与电网脱离。该系统要科学的设计与规划，保证光伏组件、储能系统、负载之间的合理匹配。

图1 分布式光伏离网储能系统

二、分布式光伏氢储能系统

所谓分布式光伏氢储能系统，是指把光伏组件的电能用于电解水产生氢气并储存。需要电能时，氢气经氧燃料电池的电化学反应产生电能并输出的一种结构。故一个具备功能的系统，应包括五个主要的部分：分布式光伏组件系统、电解水产氢系统、氢气储存和稳定系统、氢氧燃料电池系统、控制监测系统。

(一)分布式光伏直流母线式电解储氢系统

光伏直驱电解储氢系统，是将光伏组件产生的电能经DC/DC调控后直接驱动电解水系统产氢并储能的过程，该系统结构较为简单，运行时电能利用率高。但该系统受环境影响较大：当光照强度较强时，系统可正常工作，一旦光照强度较弱，光伏组件将无有效的电能输出，电解水和储氢装置会立刻停止工作，导致氢氧燃料电池和负载也不能稳定工作。

图2中所示电解水装置和储氢装置可以多路并联，管理系统可根据系统DC/DC输出功率选择一路或多路电解储氢装置(系统)的接入，用以调节光伏功率，可使系统运行更加合理和高效。

图2 分布式光伏直驱电解储氢系统

(二)分布式光伏交流母线式电解储氢系统

分布式光伏逆变电解储氢系统是把光伏组件产生的电能经DC/DC稳压装置稳压，再经DC/AC逆变成交流电，此交流供电系统可以供给控制系统，监控系统等，使系统的搭建更加遵循一般电气标准，大大增强系统的兼容性，降低系统搭建和运行成本。

再经AC/DC供给电解系统，图中所示电解水装置和储氢装置可以多路并联，管理系统可根据系统AC/DC输出功率，选择一路或多路电解储氢装置(系统)的接入，用以调节光伏功率，可使系统运行更加合理和高效。

图3 分布式光伏逆变电解储氢系统

(三)分布式光伏并网式电解储氢系统

分布式光伏并网式电解储氢系统是把光伏组件产生的电能经DC/DC稳压装置稳压，再经DC/AC逆变成交流电，此交流供电系统可以供给控制系统，监控系统等，使系统的搭建更加遵循一般电气标准，大大增强系统的兼容性，降低系统搭建和运行成本。

再经AC/DC供给电解系统，图中所示电解水装置和储氢装置可以多路并联，管理系统可根据系统AC/DC输出功率，选择一路或多路电解储氢装置(系统)的接入，用以调节光伏功率，可使系统运行更加合理和高效。用以调节电网峰谷电，可使系统运行更加合理和高效。

图4 分布式光伏并网式电解储氢系统

三、搭建一个分布式光伏电解储氢系统

本部分将按照“分布式光伏交流母线式电解储氢系统”的结构搭建一个分布式光伏电解储氢系统。以下将给出该系统的硬件结构参数并对氢氧燃料电池的输出参数进行测试。

(一)系统的硬件组成及参数

1.分布式光伏组件(单体组件)

输出功率：470W；开路电压：52.14V；工作电压：43.28V；短路电流：11.68A；工作电流：10.86A。

2.DC/DC控制器

额定系统电压：220V；空载损耗：≤1.2W；光伏最大输入电压：不低于 300V；最大充电电流：不低于 30A；转换效率：≤98%；MPPT 追踪效率：>99%；具有保护功能： 接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护，反充保护等。

3.稳压及DC/AC系统

稳压电池类型：铅酸免维护；电池容量：12V80AH； DC/AC 装置：额定输出容量：2000VA；额定输入电压：DC220V；额定输出电压：AC220V/50HZ，纯正弦波；波形畸变率：≦4%；动态响应：5%；功率因素：≧0.8；DC/AC 结构：工频隔离。

4.自动电解水系统

采用10组自动电解水系统，每组参数为：输入220V/50Hz，120W；氢气发生器采用去离子水(即纯水)电解，流量可控；氢气纯度：不低于99.99%；输出流量：不低于0.5l/min；输出压力：≤1.25MPa；最大功率达160W。

5.并联式氢缓冲及稳定系统

储氢罐：采用奥氏体不锈钢材料，耐压不低于1.25MPa，使用寿命不低于10年，可缓冲、稳定氢气流量；配置精密压力表，精密压力传感器，modbusRTU/RS485或模拟量4-20mA输出。

具有独特的氢储能安全管理系统：可实现自动监测管理氢气压力，氢气输出，氢气关断等，增强氢气使用的安全性和提高氢气使用的效率。

6.氢氧燃料电池堆

采用10组电堆输出串联，单体电堆额定输出：100W，14V/7.2A；单电池数：24片；反应物质：氢气、空气；供氢品质：干燥，纯度99.99%；供氢额定压力：5.8-6.5psi；供氢额定流量：满负荷运转时1.4L/min；起动时间：<30S；输出电压：DC13-23V；增湿类型：自增湿；冷却类型：空冷；环境温度：5-35℃；电堆工作温度：<65℃。

7.自动控制及监测系统

环境检测传感器：温度检测范围：-40℃～85℃；温度检测精度：±0.5℃；湿度检测范围：0-99.9%RH；湿度检测精度：±3%RH；氢气浓度检测范围 0-40000PPM：传感器供电：DC24V；传感器通讯接口：隔离 RS485 或模拟量输出。

人机界面尺寸：7″；屏幕类型：TFT液晶显示屏；分辨率：800×480；内存：128M；串行接口：RS232/RS485；供电电压：24±20%VDC；自动控制系统：主控模块：AC220V/50HZ输入；14 数字量输入，10 数量输出；支持TCP/IP标准通信方式，可实现高速运算和复杂逻辑控制。

(二)氢氧燃料电池的输出测试

1.单体100W测试条件

氢气纯度：不低于99.99%供氢压力：0.05MPa

供氢流量：不低于1.5L/min测试环境温度：25℃

燃料电池类型：自增湿、空冷型

负载类型：500W/0-2KΩ连续可调电阻

2.单体100W测试数据

表1 氢氧燃料电池输出单体100W测试数据

四、结论

分布式光伏发电一般指的是总功率在数千瓦级，规模不大，独立运作的光伏发电系统。正是由于这种相对小规模和独立的属性，该种系统常以含储能的并网或离网形式出现，即：光伏组件产生的电能经过电力电子器件的DC/AC转换后并入电网或经DC/DC转换后储存至储能系统中。储能系统是其中重要的一各部分，很大程度决定了分布式光伏电系统的稳定性、可用性和输出效能。而在氢能转化成电能的过程中，氢燃料电池的使用起到了至关重要的作用。其优点有反应过程中零污染排放、体积可做大做小灵活多变、工作过程中几乎没有噪音、连续大功率供电和结构简单故障率低等。

相比传统能源，氢能源环保且可持续发展，电化学反应后只产生水，具有零污染、高效率、适合远距离输送的特点。氢能源可以实现气、液、固三态存储，存储过程自耗少、能量密度高、生产方式多样。为实现“碳达峰、碳中和”的目标，我国电力行业的减碳压力不容小觑，同时也孕育着新的机遇和挑战。在“十四五”乃至更长一段时间内，氢能源将会迎来新的发展机会，在减碳进程中扮演重要角色。

随着我国可再生能源发电量逐年增多、装机容量占比不断增大，氢储能系统可参与并网消纳，有效减少弃风弃光率，提高可再生能源综合收益。本文结合国内外氢能源发展现状，分析当前氢储能系统关键技术及制约因素，研究其在电力行业中的应用模式。本文按照“分布式光伏交流母线式电解储氢系统”的结构搭建一个分布式光伏电解储氢系统，结合相关政策研究，提出未来氢储能系统发展建议。

近年来，氢能源作为潜在新兴能源，逐步被纳入地方和中央政府中长期的规划视野当中，《能源法(征求意见稿)》中首次将氢能源列入能源范畴，近几年国务院政府工作报告中。在地方政府层面，山东等多省市就出台了70多条氢能源和燃料电池的激励政策。

光伏制氢，实现了可再生能源生产清洁能源，并可以有效地消纳光伏发电，实现两种重要新能源之间的有效结合应用。在我国为全球第一产氢大国的背景下，随着光伏发电和电解水制氢技术的不断发展，成本的逐渐降低，太阳能制氢将能逐渐满足商业化的需求，多数专家认为太阳能制氢或会成为我国能源安全和能源结构调整的又一生力军。

中国承诺在2030年前，二氧化碳的排放将不再增长，达到峰值之后会逐渐减下去；而到2060年，针对排放的二氧化碳，中国会采取植树、节能减排等各种方式全部抵消掉，因此发展氢能产业是一项关乎国家完成碳中和的大事。我国可再生能源资源充足，也有大量的副产氢资源，相关市场规模宏大，氢能产业有着广阔发展空间。

因此，发展氢能产业，不仅可促使我国减少油气对外依赖，提高能源安全水平，减少大气污染排放，改善生态环境，建设清洁时代美好家园，还能带动能源科技创新、能源结构调整、能源体系变革和可再生资源高效开发利用，对我国能源体系的高质量发展、低碳安全高效能源体系、实现碳达峰碳中和目标、高能耗产业清洁转型、高端装备制造以及汽车等产业创新发展，都具有重大战略意义。