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海上制氢平台电力系统与电能管控技术研究

2023-11-22 78 上传者：管理员

摘要：闸述了海上多能发电制氢无人平台供配电系统技术方案和电能管控技术方案的研究。研究制氢设备电力需求以及运行工况，对海上制氢平台的电力负荷进行计算和分析。结合风能、波浪能、潮流能等新能源发电特性，提出海上制氢平台电气系统架构和多能互补的电能管控技术方案。该系统结构和控制策略能够有效地利用各类发电装置电能，避免发电装置的频繁启停、无效启动，有效管控各类发电装置间以及与储能装置间电能的交叉应用和转换，提高电力系统的整体可靠性、稳定性。

关键词：
产业布局
多能互补
新能源发电
无人平台
海上制氢平台
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“十四五”时期是优化调整产业布局，形成新发展格局的突破时期，“绿色低碳战略”将成为中国海上能源产业转型升级的重要举措。新能源产业涉及领域宽泛，产业环节众多，发展新能源产业，探索以海上新能源综合利用平台为核心的新能源开发利用模式，尽快占领海上新能源开发利用技术高地，是国内外能源行业研究重点之一[1,2]。

实现多种能源互联与综合利用，促进能量耦合与协同是新能源领域的主要发展方向。当前全球范围内海上新能源综合利用平台建设仍处于起步阶段，仅有少数项目处于商业化开发前期的示范阶段。国内海上新能源综合利用平台研究相对国外滞后，仅处于实验室理论研究及微型装置试验阶段。近年来，国内对于海洋可再生能源开发的政策持续利好，国内多家企业和研究机构都逐步加大了对海上新能源开发利用的投入[3]。

表1 平台各工况设备运行表

本文多能发电制氢无人平台供配电系统技术方案和多能互补发电技术方案的研究，针对新能源供能不连续、不稳定、间歇性强等问题，研究利用氢燃料电池、蓄电池等蓄能装置，为用电设备提供持续稳定的供电。多能互补发电技术方案的研究，旨在根据海上制氢平台用电设备的功率和运行方式、平台规模、布置方案等特征，结合风能、波浪能、潮流能等新能源发电机的电能特点，提出海上制氢平台电气系统架构和多能互补的电能管控技术方案。

1、海上制氢平台电力需求分析

海上制氢平台的电力系统发配电方案研究，以及多种能源发电装置的合理配置和互补利用，需依各类发电装置、储能装置不同的稳定性、周期性等特征，充分发挥和整合电能制氢，最大化氢气产量，对制氢设备、相关辅助设备以及平台配套工艺和公共设备等进行梳理，进而分析各工况对于电源的需求[4]。

1.1 制氢设备电力需求以及运行工况

本文以质子交换膜电解制氢系统（PEM）为例，对制氢设备的主动力电源、辅助电源（包括380V、220V）以及UPS的各工况下用电功率进行梳理和分析。PEM制氢系统的电力负荷设备一般包括整流变压器、整流柜、冷却撬、电解槽等撬块。电能消耗分为两类，一类是电解制氢的主动力电源，另一类是辅助配套设备的电源。

PEM电解槽，以制氢撬机型Hylyzer-1000为例，额定电解功率为5MW，运行范围为5%～125%，系统根据电量功率大小自动调节产氢量，适合风能、太阳能等不稳定的电力来源。

PEM制氢系统的运行过程主要有以下几个阶段：

1）启动过程

(1)按顺序启动冷却撬和整流柜，执行故障监测，排除故障；(2)合闸变压器进线开关，整流变压器上电，其配套散热器运行；(3)整流柜运行正常，合闸直流开关，逐步提高输出电压和电流，开始满功率电解制氢。

2）停机过程

(1)降低整流柜输出电压和电流，至PEM电解槽的最低运行限值，即5%额定功率；(2)将整流柜运行状态改为停止，断开直流开关，断开变压器进线开关；(3)后冷却、吹扫等停机程序；(4)退出冷却撬，将整流柜停机。

3）低状态运行

(1)整流柜、PEM电解槽都以5%的额定功率处于低状态运行；(2) HVAC以50%负荷运行。

1.2 平台电力负荷计算及分析

梳理平台制氢设备外配套的工艺设备、公用设备、仪表、通讯、暖通系统的平台辅助用电需求，结合制氢设备的电力需求分析结果，开展平台电力负荷计算和分析。明晰制氢平台不同工况下的电力需求，为供配电方案和多能互补技术方案研究提供基础。

平台主要用电负荷为PEM电解槽装置，其运行工况主要有冷启动、正常运行、低功率运行、停机等工况，平台还有火灾工况以及无风期的停产工况等。不同工况下的设备运行情况见表1。

2、海上制氢平台电气系统研究

2.1 海上制氢平台电气系统配套研究

本文研究的海上制氢平台基于风力发电机、波浪能发电机、潮流能发电机开展，致力于全平台使用无碳排放的清洁能源生产氢气。同时考虑使用不同容量等级和发电特性的发电装置，为未来各种可能性发电方案的应用提供参考。

制氢设备对于辅助电源的需求包括380V、220V以及UPS等。其中，UPS电源作为控制系统电源保证系统可靠、安全地运行。新能源发电机都具有一定的不稳定性，尤其风力发电机作为制氢橇主动力源。当低于最低运行功率1480kW时将进入停机停产程序，而短时风速的降低或风向的变化导致的停机停产将造成风能的浪费和氢产量的损失。这就需要平台具有一定电能的储能再发电能力，为上述工况提供电源，实现稳定可靠的控制系统供电，以及风力发电机组短时功率下降时的平稳过渡。

表2 发电及储能装置配置

研究平台为制氢平台，氢气资源充足。氢燃料电池具有对环境无污染，装置体积小，发电功率大，技术成熟等特点，可作为风力发电机组短时功率下降时的过渡补充电源，提高风电发电机组的运行稳定性。

目前，海洋平台上普遍采用镍镉电池作为UPS电源的后备蓄电池。此类型储能方案具有多年、大量的海洋油气平台设计和应用经验，可作为控制系统电源以及无风期平台监控电源，保证制氢橇的可靠工作和平台的安全可控。

2.2 海上制氢平台供配电系统架构设计

平台配置的风力发电机（7.25MW）直接接入到主低压开关柜（0.69kV），为补充无功功率，稳定电压波动，该低压开关柜接入1台SVG(0.69kV,3组，每组1Mvar);1套电解制氢装置（5MW）的整流柜撬，通过整流变压器组直接接入到该低压开关柜。

平台配置1套生产低压配电柜，通过2台中压变压器（6.3kV/0.4kV,2500kVA）从主低压开关柜获取电源。

平台配置的波浪能发电机（15kW,6套）通过整流逆变装置，接入到生产低压配电柜，提供电能。

平台配置的潮流能发电机（300kW,3套）通过整流逆变装置，接入到生产低压配电柜，提供电能。

平台配置的氢氧燃料的电池组撬（700kW,2套）通过逆变装置，接入到生产低压配电柜，提供电能。

3、风力发电有效制氢发电量的计算方法研究

根据计算分析，平台制氢撬最低运行功率为1480kW。制氢撬仅在风力发电机组正常运行发电时进行制氢，且制氢撬正常运行对应的风力发电机组功率区间为1480kW～7250kW。即制氢撬并不能在风速达到风力发电机组切入风速后，即可正常运行。

时间内打到扇叶上的空气质量为

式（1）中，v为风速；ρ为空气密度；R为发电机扇叶半径。

扇叶获得的能量为

风力发电机额定功率为

设发电机效率η，则风力发电机的发电功率为

风力发电机的额定功率对应风速为11m/s。

可知，风力发电机发电功率与风速的三次方成正比。

根据公式可计算出某一功率值Pv对应风速为

设制氢正常运行时风力发电机最小功率为Pmin，可由公式计算对应风速Vmin。

则风机由切入风速3m/s至制氢最小运行风速Vmin区间的风力发电机组平均功率值为

设计∆T为风速3m/s至Vmin的小时数。有效制氢发电量为

式（7）中，∆E为∆T区间发电量；Ea为风力发电机组的制氢理论发电量；Ew为风机全年理论发电量。

表3 各工况运行功率

表4 多能互补管控矩阵

根据公式可计算得出1480kW对应风速为6.48m/s，有效制实际发电量为23185.5MWh。准确数据也可通过风力发电机组的风速-功率曲线以及风场风资源数据进行计算[5]。

4、多能互补控制策略研究

4.1 多能互补控制策略的目标和主要内容

合理利用各类发电装置电能，避免发电装置的频繁启停、无效启动，提高电力系统的整体可靠性、稳定性，需对各类发电装置间以及与储能装置间电能的交叉应用和转换进行分析，确定各发电装置和储能装置的角色定位、投入和退出的时机[6]。

4.2 能量管理系统控制策略

风力发电机组是平台生产制氢的主动力源，但由于其不稳定性需由氢燃料电池作为短期的补充稳控的后备电源。波浪能由于其与风速的高度相关性，其周期变化规律与风速相近，作为平台生产制氢的补充能源提供一定的产量贡献。潮流能发电机装置由于其较强的规律性和可预测性，除作为生产制氢的补充能源提高产量外，同时作为无风期镍镉蓄电池组UPS的充电电源，提高UPS系统的自持能力。

基于不同的工况和几种能源的不同状态的分析，形成控制管理策略矩阵。

其中，风力发电Pw，波浪能发电Pb，潮流能发电Pt。

5、结论

本文闸述了多能发电制氢无人平台供电系统技术方案和多能互补发电技术方案的研究，调研和梳理了制氢设备电力需求以及运行工况，对海上制氢平台的电力负荷进行了计算和分析。根据平台用电设备的功率和运行方式、平台规模、布置方案等特征，结合风能、波浪能、潮流能等新能源发电机的电能特点，研究高效、经济的多能互补发电技术研究，提出了海上制氢平台整套电气系统架构和具体配套方案，分析制氢平台的各运行工况，提出了能量管理系统控制策略。该控制策略能够合理地利用各类发电装置电能，避免发电装置的频繁启停、无效启动，有效管控各类发电装置间以及与储能装置间电能的交叉应用和转换，控制各发电装置和储能装置的角色定位、投入和退出的最佳时机，提高电力系统的整体可靠性、稳定性。

参考文献:

[1]纪钦洪,于广欣,黄海龙,等.海上风电制氢技术现状与发展趋势[J].中国海上油气, 2023,35(01):179-186.

[2]李理.我国“十四五”海上风电发展趋势及对策[J].电力系统装备,2021(018):125-126.

[3]王世明,李泽宇,于涛,等.多能互补海洋能集成发电技术研究综述[J].海洋通报,2019, 38(03):241-249.

[4]米万良,荣峻峰.质子交换膜(PEM)水电解制氢技术进展及应用前景[J].石油炼制与化工,2021,52(10):78-87.

[5]姚国平,余岳峰,王志征.如东沿海地区风速数据分析及风力发电量计算[J].电力自动化设备,2004,24(04):12-14.

[6]徐虹.多能互补微网能量管理策略研究[D].北京:华北电力大学,2013.

文章来源:蔡连博,杜银昌,张永革等.海上制氢平台电力系统与电能管控技术研究[J].仪器仪表用户,2023,30(12):5-8.