電力系統氫儲能關鍵應用技術現狀挑戰及展望

一、研究背景

可再生能源規?；尤雽⒔o電力系統電力電量時空平衡與安全

穩定運行帶來巨大挑戰。儲能作為靈活調節資源將成為解決上述問題

的有效方案之一，氫作為能源低碳化發展的優選能源形式引起了世界

各國的高度重視。近年來，氫能全產業鏈裝備核心技術不斷得到突破,

電解水制氫與氫燃料電池等產業進入高速和高質量發展期，促使電-

氫能源形成了融合式的發展趨勢，氫儲能也因此被作為一種新型儲能

技術被廣泛的集成到電力系統“源-網-荷”各個環節之中。基于此，

本文針對電力系統氫儲能關鍵應用技術現狀進行歸納梳理，從目前技

術發展中分析指出所面臨的挑戰，并對未來技術發展趨勢進行展望。

二、論文所解決的問題及意義

氫儲能是構建新型電力系統的重要儲能形式，目前，部分學者及

科技工作者在氫儲能材料裝備、電-氫協同規劃設計、電-氫耦合系統

控制等方面均已開展了相關技術及工程示范的初步探索，但關于氫儲

能在電力系統中多場景下的應用技術分析仍較為匱乏，且電-氫耦合

系統仍存在動態適應性匹配、靈活高效互動和多時間尺度仿真建模等

一系列問題，電-氫耦合形態與技術體系仍需進一步深入研究。本文

首先通過歸納分析構建了氫儲能與電力系統耦合結構，概括總結了氫

儲能關鍵技術現狀，然后回顧了氫儲能在電力系統中應用技術研究基

礎，最后，提煉電-氫耦合發展中存在的技術挑戰，并對未來技術發

展趨勢進行展望，進而加速推進氫儲能在電力系統中的規?；瘧谩?/p>

三、論文重點內容

(1)氫儲能與電力系統耦合結構

以氫儲能在電力系統“源-網-荷”各環節應用場景為主線，在“源”

側提出氫儲能提升可再生能源的深度消納與友好并網和燃氫電廠慣

量支撐等典型場景，在“網”側提出氫儲能電站提供慣量支撐及調峰

/調頻輔助服務，以及輸電阻塞緩解和季節性電量平衡等場景，在“荷”

側通過構建電-氫-熱-冷多能耦合綜合系統、氫能建筑/園區及分布式

制加儲一體站以實現電力電量支撐、需求側響應和調頻調峰等輔助服

務。氫儲能與電力系統耦合結構如圖1所示。

圖1氫儲能與電力系統耦合結構

(2)氫儲能關鍵技術

針對電解水制氫技術、氫氣發電技術、氫氣儲輸技術、電解槽/

燃料電池建模四個氫儲能關鍵技術展開論述?？偨Y了各類型電解水制

氫與氫燃料電池的主要性能指標，闡述了不同技術路徑下的氫氣儲輸

技術特點，從時空維度總結了目前電解槽/燃料電池建模技術的發展

現狀，并根據用能特點分析與新型電力系統構建需求得到氫儲能制、

儲、輸、用關鍵技術在電力系統中的潛在應用場景。

（3）“源-網-荷”側氫儲能應用技術現狀

在“源”側風/光等可再生能源消納與友好并網場景下，目前主

要圍繞系統優化、系統控制以及制氫/燃料電池多機協同控制開展系

列研究，而燃氫電廠為電力系統提供慣量支撐場景下的研究仍相對匱

乏；在“網”側場景下，目前研究學者圍繞氫儲能參與電網輔助服務

與季節性電量平衡兩個方面開展部分探索；在“荷”側場景下，目前

氫儲能的主要應用場景是構建氫能建筑/園區，研究方向集中于系統

配置和運行控制兩個方面。

（4）“源-網-荷”側氫儲能應用技術挑戰

結合目前研究現狀，分析氫儲能現階段在電力系統中應用存在的

關鍵技術挑戰，主要總結為面向可再生能源耦合制氫的電解水制氫負

荷動態適應性、高效電解水制氫功率變換器結構及計及氫安全的入網

控制、面向電力系統季節性電量轉移的大容量長時儲氫技術、面向異

質能源協同的構網型燃料電池電-熱耦合挖制以及面向系統規劃設計、

系統控制方案開發和工程建設的電-氫耦合系統動態仿真建模5個方

面，并簡要討論了各種技術挑戰未來可能的技術方案。

△力

(b)PEMEC

圖2適應寬范圍強波動工況的AWE/PEM電解水制氫系統“電

-氫-水-熱”快速動態響應挑戰

P?f

PxQF

(a)交流供電模式

(b)兌流供電模式

圖3計及氫儲能動態安全約束的變換器入網控制挑戰

全參數全響應模型降堆降參數模型

*代表陰陽兩極通道，#代衰氣液兩相

.電力系統多時間尺度匹配

毫秒級秒級分鐘級

圖4適應電力系統全時仿真的電-氫耦合多時間尺度-多場動

態仿真建模挑戰

（5）“源-網-荷”側氫儲能應用技術展望

在氫儲能系統層面，氫儲能系統仿真模型構建技術、電解水制氫

/燃料電池主動友好型電源拓撲及其控制、構網型燃料電池并網穩定

控制、電解水制氫多槽并聯高效均衡控制及氣液分離一對多優化匹配

技術等方面將受到關注；在“源”側，源-網-氫-氨/醇系統所面臨的

多主體協同規劃與動態柔性控制技術、離網型風/光制氫在無電網支

撐下的系統運行穩定控制、容量優化配置和經濟運行等技術將持續發

展；在“網”側，探索氫儲能可盈利的商業推廣模式與方案將是未來

重點發展方向，兼顧制氫/燃料電池啟停、動態響應特性的調頻策略

也將逐步顯現，此外，氫儲能作為長時儲能支撐電網跨時空電量平衡

將得以實現；在“荷”側，電-氫耦合綜合微能網優化配置、協同經

濟運行技術、多園區/單體建筑/5G基站聚合參與虛擬電廠構建等將

成為未來技術發展要點，分布式制-儲-加氫一體站系統多能耦合系統

能量管理、配網耦合分布式電源及一體站“源-網-站”協同規劃設計、

多站協同虛擬電廠建設等技術的突破，將是一體站規模發展的關鍵。

四、結論

在含高比例可再生能源的新型電力系統建設中，氫儲能技術的快

速發展與工程應用將從時空維度為系統提供全面的靈活支撐能力，如

何充分發揮氫儲能優勢以推進新型電力系統構建問題引起了業界學

者的普遍關注。本文首先針對氫儲能在電力系統應用技術現狀進行了

深入