據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2017年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到6.5億kW，同比增長14%；其中，風(fēng)電裝機(jī)1.64億kW，同比增長10.5%，可再生能源發(fā)電裝機(jī)約占全部電力裝機(jī)的36.6%，同比上升2.1%，可再生能源對化石能源的替代作用日益突顯。

2017年我國風(fēng)力發(fā)電量3057億kW?h，同比增長26.3%，棄風(fēng)率為12%。2017年，全國風(fēng)電棄風(fēng)電量同比減少78億kW?h時(shí)。風(fēng)電作為一種清潔能源發(fā)展十分迅猛。雖然棄風(fēng)問題有了較大幅度的緩解，但離可再生能源健康持續(xù)發(fā)展還有一定距離。

如何破解棄風(fēng)限電難題正成為研究人員研究重點(diǎn)之一。風(fēng)電制氫技術(shù)為解決棄風(fēng)問題提供新思路，對于解決風(fēng)電就地消納和發(fā)展分散式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源多途徑高效利用具有重要意義。

風(fēng)電通過電解水制氫儲能，一方面可將氫作為清潔和高能的燃料融入現(xiàn)有的燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電力到燃?xì)獾幕パa(bǔ)轉(zhuǎn)換，另一方面可在燃料電池等高效清潔技術(shù)方面將氫能直接利用。

2017年國內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目張家口沽源制氫站開工，該項(xiàng)目的投產(chǎn)不僅對提升當(dāng)?shù)仫L(fēng)電消納能力具有重要意義，而且更有利于破解風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的瓶頸——棄風(fēng)問題。

氫能既可通過燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏鳛殡娋W(wǎng)調(diào)峰送回電網(wǎng)以提高風(fēng)電上網(wǎng)電能品質(zhì)，又可作為能源載體通過車載或管道方式進(jìn)入工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，如氫進(jìn)入燃?xì)夤艿?、冶金、化工等行業(yè)。與此同時(shí)，風(fēng)電制氫系統(tǒng)也將極大地推動純綠色能源汽車——?dú)淙剂想姵仄嚠a(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

風(fēng)電制氫的基本原理和技術(shù)特征

風(fēng)電制氫技術(shù)是一種將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能通過簡單的處理直接應(yīng)用到電解水制氫的一種新型環(huán)保制氫技術(shù)。

1 風(fēng)電制氫的基本原理

風(fēng)電制氫系統(tǒng)被認(rèn)為是一種清潔“高效的能源利用模式”。制氫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該模式的基本思路是將風(fēng)力所發(fā)電量超出電網(wǎng)接納能力的部分采用非并網(wǎng)風(fēng)電模式直接用于電解水制氫，產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過儲存運(yùn)輸，應(yīng)用于氫燃料電池汽車等。

風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電解水裝置、儲氫裝置、燃料電池、電網(wǎng)等組成。通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電上網(wǎng)與電量比例，最大限度地吸納風(fēng)電棄風(fēng)電量，緩解規(guī)?；L(fēng)電“上網(wǎng)難”問題，利用風(fēng)力發(fā)電的多余電量來電解水制氫，通過壓力儲氫、固態(tài)儲氫等技術(shù)來提高氫的存儲密度。圖2所示為風(fēng)電制氫的電氣結(jié)構(gòu)示意圖，下半部分為風(fēng)電并網(wǎng)部分，上半部分為棄風(fēng)制氫部分。

在風(fēng)電并網(wǎng)部分，風(fēng)電經(jīng)低階的機(jī)側(cè)濾波單元過濾掉一部分諧波，然后經(jīng)過AD-DC整流變換單元，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過直流支撐電路后進(jìn)行逆變，逆變后的交流電經(jīng)過高階的濾波單元，將風(fēng)電的諧波濾去，產(chǎn)生達(dá)到并網(wǎng)需求的高質(zhì)量電能，經(jīng)由升壓變壓器為電網(wǎng)供電；在棄風(fēng)制氫部分，風(fēng)電被濾波后經(jīng)過AD-DC整流變換單元，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過直流支撐電路接入DC-DC電路，將直流電進(jìn)行降壓或升壓處理，使直流電變換為可以制氫的電能，進(jìn)而制氫。

風(fēng)電并網(wǎng)側(cè)與制氫側(cè)應(yīng)進(jìn)行合理的功率分配，在風(fēng)電滿足電網(wǎng)需求的前提下，剩余的風(fēng)能進(jìn)行制氫，做到能源的最大利用。

圖1 風(fēng)電制氫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖2 風(fēng)電制氫電氣結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)電制氫的主要技術(shù)特征

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高適應(yīng)性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅要將電能通過變流裝置輸送至電網(wǎng)，同時(shí)也要將棄風(fēng)能源為氫電解池供電，所以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性提出了較高的要求，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要具有很強(qiáng)的抗風(fēng)波動的能力。

2.2 電解池的高效性、高適應(yīng)性和環(huán)保、安全性

風(fēng)電制氫電解池將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能并電解制氫的過程需保證能源轉(zhuǎn)換的高效性，同時(shí)，制氫功率的波動會對制氫裝置壽命和氫氣純度產(chǎn)生很大影響，這對電解池提出了較高的要求。通過優(yōu)化電解池的電極、催化劑等材料，降低電解成本；提高制氫效率；通過優(yōu)化隔離膜等，提高性能，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的方式，提高電解池抗功率波動性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.3 風(fēng)電制氫控制系統(tǒng)的靈活性、高效性、安全性

風(fēng)電制氫集成控制系統(tǒng)包括制氫、儲氫以及燃料電池等控制系統(tǒng)，通過制氫控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制氫功率的靈活分配，通過控制制氫電壓保證制氫系統(tǒng)運(yùn)行在高效的范圍，并且通過一系列的控制保證制氫、儲氫、用氫系統(tǒng)的安全運(yùn)行，都是風(fēng)電制氫的重要技術(shù)特征。

風(fēng)電制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀

1 國外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的電解水制氫氣在電能產(chǎn)生的環(huán)節(jié)多少都會有污染物的排放，而風(fēng)電制氫技術(shù)是使用“綠色”電力，是真正意義上的清潔技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電制氫的經(jīng)濟(jì)性與可行性進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

• 2000年，英國的達(dá)盾（Dutton A. G.）等通過總結(jié)歐盟資助的風(fēng)電制氫項(xiàng)目，對風(fēng)電制氫系統(tǒng)的實(shí)用性和風(fēng)電制氫發(fā)展可能遇到的問題進(jìn)行了預(yù)測，指出了風(fēng)能功率波動對電解槽運(yùn)行的影響并提出使風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)的改進(jìn)方法。
• 2003年，瑞典的卡西姆（Kassem N.）等針對對風(fēng)電制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性以及可行性進(jìn)行了評估。
• 2005年佛羅里達(dá)大學(xué)的史瑞夫（Sherif S. A.）等對制氫技術(shù)進(jìn)行了綜述并指出利用風(fēng)能發(fā)電制氫能夠提高風(fēng)力發(fā)電的競爭力。
• 2009年澳大利亞莫納什大學(xué)的霍恩妮（Honnery D. H.）等對全球風(fēng)電制氫的技術(shù)潛力進(jìn)行了評估，并估算每年風(fēng)電制氫技術(shù)潛力為116EJ(1EJ=1018J)。
• 2010年美國學(xué)者巴特爾（Bartels J. R.）等從經(jīng)濟(jì)角度分析了風(fēng)電制氫，得出結(jié)論是生產(chǎn)氫氣是可行的。
• 2012年土耳其的根奇（Genc M. S.）等對世界各國關(guān)于風(fēng)能制氫和氫生產(chǎn)成本的研究進(jìn)行了綜述，并對土耳其風(fēng)電制氫各地區(qū)的制氫經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，根據(jù)風(fēng)能成本計(jì)算制氫成本，并得出了珀納爾巴舍等地區(qū)的氫能年產(chǎn)量。
• 2014年德國學(xué)者班達(dá)里（Bhandari R.）等從生命周期評估角度對風(fēng)電制氫進(jìn)行分析，并得出了風(fēng)電制氫是一種很好的制氫技術(shù)的結(jié)論。
• 2017年伊朗的歐利普（Qolipour M.）等針對伊朗各地區(qū)的風(fēng)光制氫的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評估，經(jīng)研究，風(fēng)電制氫是環(huán)?？尚械模L(fēng)電制氫為解決棄風(fēng)問題提供了新的思路。

近年來，國外學(xué)者也開始針對風(fēng)電制氫的技術(shù)和理論展開了研究。

• 2008年日本的高橋（Takahashi R.）等提出了一種風(fēng)電制氫協(xié)同控制方法，將可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)和氫氣制備裝置安裝在一起，通過輸出平滑的功率曲線減小風(fēng)能波動對電力系統(tǒng)及制氫裝置的影響，并在2010年對這種風(fēng)電制氫系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹及仿真分析，對其工作性能進(jìn)行了評估。
• 2010 年阿根廷拉普拉塔大學(xué)的巴蒂斯塔（Battista H. D.）等提出了由電網(wǎng)輔助的風(fēng)電制氫控制系統(tǒng)，同時(shí)提出一種調(diào)節(jié)電解槽電流值的控制策略，優(yōu)化了氫氣生產(chǎn)效率。
• 2011年西班牙的皮諾（Pino F. J.）等針對電解槽的運(yùn)行溫度對風(fēng)電制氫系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析，并將實(shí)際運(yùn)行溫度與額定運(yùn)行溫度下的氫生產(chǎn)效率進(jìn)行了對比，得出了在實(shí)際溫度下氫生產(chǎn)效率被高估的結(jié)論。
• 2013年西班牙的盧西奧（Lucio J. H.）等對電解制氫風(fēng)力發(fā)電廠進(jìn)行模擬，提出兩種優(yōu)化控制風(fēng)電制氫功率的方法，并進(jìn)行了模擬。
• 2014年敦比亞（Doumbia M. L.）等提出了一種基于模糊邏輯的混合風(fēng)電制氫優(yōu)化管理策略，研究表明通過這一策略能夠提高水電解制氫的性能。
• 2015年曼娜（Sarrias-Mena R.）等針對風(fēng)電制氫，對電解槽和風(fēng)力機(jī)的耦合運(yùn)行進(jìn)行了研究，并對比了所提出的四種不同電解槽的工作特性。

風(fēng)電制氫項(xiàng)目最早由美國提出，他們提出通過發(fā)電機(jī)組陣列連接到電解堆的方式制取氫氣。而在通過把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為氫氣來儲存電能的領(lǐng)域，歐洲則處于領(lǐng)先位置。歐盟計(jì)劃在2060年最終完全實(shí)現(xiàn)不依賴化石能源的可持續(xù)發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要一環(huán)就是將可再生能源以氫的方式大規(guī)模存儲起來并加以應(yīng)用。

歐盟在希臘和西班牙分別實(shí)施了風(fēng)電制氫示范工程，將風(fēng)能與電解水制氫技術(shù)相結(jié)合，涉及到氫能存儲、燃料電池和反滲透海水淡化等技術(shù)，為能源存儲、供電和供應(yīng)淡水提供“綠色”氫能源。2011年德國勃蘭登堡州建成并運(yùn)營世界上第一座風(fēng)力-氫氣混合發(fā)電站。

2014年，德國提出用風(fēng)力發(fā)電制取的氫氣注入天然氣網(wǎng)的構(gòu)想，并建立示范工廠，這成為風(fēng)電制氫的重要開端。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和Xcel能源公司推出一個(gè)示范性風(fēng)氫（Wind2H2）項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和儲存氫，研究如何最大限度地提高可再生能源的使用及優(yōu)化能量轉(zhuǎn)移。

2014年5月，美國發(fā)布了《全面能源戰(zhàn)略》，將“發(fā)展低碳技術(shù)、為清潔能源奠基”作為放眼長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略支點(diǎn)，并明確指出氫能作為替代性能源在交通業(yè)轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用。隨后日本也提出了一系列風(fēng)電制氫的計(jì)劃及應(yīng)用的方案，2016年4月，日本出臺了《面向2050能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略》，將氫能列入重點(diǎn)推進(jìn)的五大技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)今的制氫、儲氫和氫燃料的發(fā)電技術(shù)，擴(kuò)大使用范圍，構(gòu)建零排放的“氫能社會”。

國外的風(fēng)電制氫技術(shù)有了較快的發(fā)展，但仍然存在制氫效率偏低、制氫能耗高等問題。利用風(fēng)電制氫技術(shù)來獲得更低生產(chǎn)成本的氫氣，必然是氫能源推廣應(yīng)用的有效途徑。

總體來講，風(fēng)電制氫技術(shù)尚處于理論研究階段，很多研究才剛剛起步，仍有許多亟待解決的問題：如高適應(yīng)性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，針對寬功率波動電能的功率控制與調(diào)節(jié)方法，適應(yīng)寬功率波動的高功率制氫設(shè)備，更加高效節(jié)電的制氫技術(shù)，風(fēng)電制氫的集成控制及安全等。同時(shí)更加高效安全的儲氫技術(shù)及燃料電池技術(shù)等也對氫能的長遠(yuǎn)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的風(fēng)電制氫技術(shù)的研究起步較晚，且關(guān)于風(fēng)電制氫的研究還比較少。2015年時(shí)璟麗等對風(fēng)電制氫的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，得出了風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)的最關(guān)鍵因素是氫市場，并且風(fēng)電直供經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于外輸氫氣等結(jié)論。華北電力大學(xué)、上海財(cái)經(jīng)大學(xué)、北京綠達(dá)源科技公司等也對風(fēng)電制氫的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及風(fēng)電制氫面臨的問題做出了系統(tǒng)論述。

近年來，國內(nèi)也對風(fēng)電制氫的技術(shù)問題進(jìn)行了初步的研究：

• 2016年，尹文良等基于1.5MW風(fēng)電制氫系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析與仿真研究，建立了不同溫度時(shí)電解槽相關(guān)仿真以及不同風(fēng)速下風(fēng)電水電解制氫系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性。
• 2017年，寧楠等對水電解制氫裝置的寬功率波動適應(yīng)性進(jìn)行了研究，通過對各工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的方法,研究傳統(tǒng)水電解制氫裝置在風(fēng)電寬功率波動條件下的適應(yīng)性。
• 2017年，浙江大學(xué)的張建良等設(shè)計(jì)了風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為風(fēng)能資源的有效利用提供了技術(shù)參考和相應(yīng)工程示范。

我國相關(guān)的項(xiàng)目與工程有：

• 2008年中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提出了海水淡化制氫產(chǎn)業(yè)基地的建設(shè)格局；
• 2013年國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司提出一種大規(guī)模風(fēng)電儲存的新途徑——風(fēng)電制氫和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，并指出大量氫氣的有效儲存和燃料電池技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題；
• 2014年風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范項(xiàng)目立項(xiàng)，該項(xiàng)目為國家風(fēng)電消納積極探索了風(fēng)電與其他形式能源互補(bǔ)利用新途徑；
• 2015年中國鐵道科學(xué)研究院提出了基于非并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)制氫在綠色交通物流中的應(yīng)用模式和途徑；
• 2016年9月我國首座風(fēng)電制氫的70MPa加氫站（同濟(jì)-新源加氫站）在大連建成，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的自主創(chuàng)新；
• 2017年國內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目——河北沽源風(fēng)電制氫站順利開工，它是全球最大容量風(fēng)電制氫工程，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電制氫規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化提供經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。
• 2018年1月，同濟(jì)大學(xué)承擔(dān)的“十二五”863計(jì)劃先進(jìn)技術(shù)能源領(lǐng)域“基于可再生能源控制/儲氫的70MPa加氫站研發(fā)及示范”項(xiàng)目順利通過科技部高新司組織的項(xiàng)目驗(yàn)收，標(biāo)志著中國在氫能技術(shù)領(lǐng)域的研究處于國際先進(jìn)水平。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用風(fēng)電制氫的方式儲能從經(jīng)濟(jì)效益上是可行的。傳統(tǒng)的化學(xué)儲能技術(shù)具有容量小、壽命短等缺點(diǎn)，而風(fēng)電制氫儲能技術(shù)相對于其他儲能方式具有高容量、易運(yùn)輸、無污染的優(yōu)點(diǎn)。隨著儲氫技術(shù)以及儲氫材料的不斷發(fā)展，制氫儲能為實(shí)現(xiàn)能源大規(guī)模存儲提供了可行性。相較于其他儲能方式風(fēng)電制氫有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的儲能，為解決可再生能源的存儲提供了新思路。

氫能作為綠色的新能源，具有環(huán)保、能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點(diǎn)，氫的高能量密度使很小體積的氫能便可產(chǎn)生巨大的能量。風(fēng)電制氫可以推動以氫能為主要能源的新能源時(shí)代的到來，推動工業(yè)、交通乃至人們生活的無碳化，且更環(huán)保。

基于風(fēng)電制氫的儲能技術(shù)，風(fēng)電只需進(jìn)行最簡單的變壓、整流處理，便可以實(shí)現(xiàn)氫能的制取，實(shí)現(xiàn)能量的存儲，相對來講可以省去許多電力電子設(shè)備，節(jié)省成本。

總體看，以德國為代表的歐洲在風(fēng)電制氫技術(shù)方面的發(fā)展相對較快，在制氫、儲氫、用氫領(lǐng)域均有示范性工程。目前氫氣在能源方面主要應(yīng)用在氫燃料發(fā)電、氫燃料電池。氫能應(yīng)用在新能源汽車的進(jìn)程因需要龐大的基礎(chǔ)設(shè)施（如加氫站、輸氫網(wǎng)絡(luò)等）發(fā)展相對緩慢。而我國在氫能利用方面的研究還相對較少。氫能作為可再生清潔能源越來越受到重視，是可再生能源發(fā)展的一個(gè)重要的戰(zhàn)略方向。

風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展前景

風(fēng)電制氫的發(fā)展將會帶動風(fēng)電裝備、氫氣制備、儲氫、運(yùn)營和氫氣應(yīng)用等各行各業(yè)的發(fā)展。首先，在發(fā)電過程中，將會利用到大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、齒輪箱、葉片、電控系統(tǒng)以及塔基、塔架、軸承等基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)運(yùn)而生的便是相關(guān)機(jī)械制造及電機(jī)行業(yè)的發(fā)展，有助于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)等項(xiàng)目的研究和制造業(yè)的升級改造。電解水制氫技術(shù)因性能可靠、高效而具有很好的應(yīng)用前景。

氫能利用主要包括氫的廉價(jià)制取、安全高效儲運(yùn)和規(guī)模應(yīng)用。這也有助于我國對電解水制氫技術(shù)和儲氫技術(shù)的研究，促進(jìn)相關(guān)裝備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。風(fēng)電制氫對我國的燃料電池的發(fā)展也將有很大的推動作用，燃料電池具有很高的發(fā)電效率并避免了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

近年來我國燃料電池已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，不同型號的燃料電池客車及小型車已經(jīng)有廣泛的示范運(yùn)行。

1 非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)將風(fēng)電直接與新型電解水制氫設(shè)備耦合，風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)不并網(wǎng)，消除了風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電100%高效、低成本利用。非并網(wǎng)風(fēng)電制氫過程如圖3所示。非并網(wǎng)風(fēng)電制氫中風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的風(fēng)電只需進(jìn)行最簡單的變壓、整流處理，將電壓通過變壓器調(diào)整到所需電壓，交流電整流為直流電。

在較大的風(fēng)速波動下，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)能發(fā)電就能利用。同時(shí)可根據(jù)風(fēng)量調(diào)節(jié)氫氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)全轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)電能的全部轉(zhuǎn)換。該類制氫用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比并網(wǎng)機(jī)組成本降低30%以上，甚至更多。非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)對于解決能源消納問題十分高效，且其產(chǎn)生的氫能實(shí)現(xiàn)了清潔和可再生等。

圖3 非并網(wǎng)風(fēng)電制氫過程圖

相對于離/并網(wǎng)制氫，非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的氫能綜合利用提供了可能，推進(jìn)了氫能時(shí)代的到來。非并網(wǎng)制氫技術(shù)相對于并網(wǎng)制氫技術(shù)可以產(chǎn)生更多的氫能，可為工業(yè)、交通、居民生活提供必要的氫能源。

非并網(wǎng)風(fēng)電制氫風(fēng)力系統(tǒng)省去了并網(wǎng)所需的大量輔助設(shè)備（變流變壓裝置、濾波系統(tǒng)等），與并網(wǎng)制氫系統(tǒng)相比成本降低；非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)采用直流電，該方式不但避免了交流電上網(wǎng)帶來的相位差、頻率差等問題，而且簡化了控制系統(tǒng)、節(jié)省了成本。

非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)中因風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有上網(wǎng)束縛，經(jīng)過適配的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，大大降低了成本；新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)避免了風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的大規(guī)模脫網(wǎng)事故，同時(shí)也減小了波動的風(fēng)電對電網(wǎng)的沖擊。

總之，非并網(wǎng)風(fēng)電制氫不但為風(fēng)電消納問題提供了新途徑而且促進(jìn)了氫能源行業(yè)的發(fā)展。

2 氫燃料電池汽車

作為氫能主要用途之一，近年來氫燃料電池汽車得到了飛速發(fā)展。燃料電池汽車具有節(jié)能、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為未來新能源汽車的發(fā)展主流之一。

早在1993年，加拿大Ballard公司研制了第一輛可以氫作為燃料的零排放的公交車，引發(fā)了全球性燃料電池電動車的研究開發(fā)熱潮。許多國家相繼投入了大量人力、財(cái)力開展氫燃料電池汽車方面研究，并取得了長足進(jìn)展。2015年日本的豐田公司先后推出了燃料電池轎車“Mirai”和“Clarity”；緊接著，韓國現(xiàn)代也推出了燃料電池版的途勝汽車。2017年在法蘭克福車展上，奔馳發(fā)布了首款量產(chǎn)氫燃料電池轎車（插電式混合動力模式驅(qū)動）。

我國氫燃料電池主要應(yīng)用在公交車、物流車、班車等領(lǐng)域。2017年10月佛山（云?。┊a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園推出的氫能燃料電池廂式運(yùn)輸車，已進(jìn)入小規(guī)模商業(yè)化推廣階段；2017年10月26日世界第一輛氫燃料電池有軌電車在河北唐山實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。2018年1月，74輛氫燃料電池公交車作為張家口市區(qū)公交車輛被正式采購。目前我國發(fā)展燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善，需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，燃料電池技術(shù)在續(xù)駛里程、壽命方面仍需突破。風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展將極大推動燃料電池汽車的發(fā)展，從而改善環(huán)境問題。

3 新型風(fēng)電制氫裝備

目前，電解制氫技術(shù)可分為堿性電解技術(shù)、固體氧化物電解技術(shù)和質(zhì)子交換膜電解技術(shù)等。其中堿性電解技術(shù)由于技術(shù)最為成熟，是商業(yè)化應(yīng)用最為普遍的一類電解制氫技術(shù)。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，應(yīng)用于聯(lián)合系統(tǒng)的電解制氫系統(tǒng)應(yīng)具有不穩(wěn)定電能條件下安全、可靠和高效制氫的能力，即電解制氫系統(tǒng)應(yīng)具有良好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。堿性電解技術(shù)與質(zhì)子交換膜電解技術(shù)相比，其動態(tài)響應(yīng)時(shí)間較短，適用于風(fēng)電制氫系統(tǒng)。相比之下固體氧化物電解技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間比較長，目前并不適合應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電制氫。

風(fēng)電制氫技術(shù)的快速發(fā)展，將帶領(lǐng)風(fēng)電制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的轉(zhuǎn)型升級。寬功率波動高效電解制氫系統(tǒng)將快速發(fā)展，如基于堿性電解制氫的電解系統(tǒng)和基于質(zhì)子交換膜技術(shù)的電解制氫裝備，通過對其材料進(jìn)行升級改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電能安全、高效率、低成本的轉(zhuǎn)換。

電解制氫系統(tǒng)還亟需解決容量偏低的問題，目前的風(fēng)電制氫系統(tǒng)規(guī)模一般在幾兆瓦以內(nèi)，鑒于目前大型的集中式風(fēng)能已經(jīng)達(dá)到了幾百兆瓦甚至更大的發(fā)電容量，電解制氫系統(tǒng)容量的不足將是制約聯(lián)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的一大障礙，研究更大規(guī)模、更高容量的電解制氫系統(tǒng)十分重要。同時(shí)風(fēng)電制氫技術(shù)還將帶動氫燃料電池朝更高功率密度發(fā)展以及儲氫設(shè)備的材料完成進(jìn)一步升級，實(shí)現(xiàn)儲氫設(shè)備的大容量、低成本。

4 未來發(fā)展趨勢

21世紀(jì)是高效、潔凈、安全、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)利用能源的時(shí)代，世界各國也都把能源的利用作為科研關(guān)鍵問題。近年來全球新能源的發(fā)展過程中，風(fēng)能作為能源發(fā)展的重要角色，在我國新能源的發(fā)展中起到了關(guān)鍵性的作用。風(fēng)電制氫不但提供了大量的氫能源，還提供和產(chǎn)出多種有直接經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品。

風(fēng)電制氫技術(shù)利用了成熟的發(fā)電、電解和氫能源應(yīng)用技術(shù)等組合，不斷地?cái)U(kuò)大其規(guī)模，逐步替換傳統(tǒng)的碳能源，通過大規(guī)模的應(yīng)用還可進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)換效率，滿足社會的能源需求，是未來可持續(xù)能源發(fā)展的途徑之一。風(fēng)電制氫對未來的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，例如風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、智能電網(wǎng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、新能源汽車（以氫為燃料電池的汽車）的發(fā)展意義重大。

風(fēng)電制氫需進(jìn)一步研究的關(guān)鍵理論與技術(shù)問題

風(fēng)電制氫技術(shù)與傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)的區(qū)別在于風(fēng)電制氫的電能具有間歇性和寬功率波動性，給風(fēng)力發(fā)電和電解制氫技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前風(fēng)電直接制氫技術(shù)發(fā)展尚不成熟，在風(fēng)電制氫技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)中依然存在很多問題，下面列舉風(fēng)電制氫技術(shù)發(fā)展中面臨和亟待解決的若干問題。

1 離/并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)

離/并網(wǎng)風(fēng)電制氫中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)既要為外電網(wǎng)提供電源，又要為制氫電解池供電；還要適應(yīng)電網(wǎng)的不穩(wěn)定，同時(shí)控制系統(tǒng)還需調(diào)節(jié)風(fēng)電上網(wǎng)與制氫電量比例。高適應(yīng)性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新與發(fā)展對風(fēng)電制氫技術(shù)十分關(guān)鍵。

目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為雙饋式和永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。對永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)和雙饋異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、工作特性及其對風(fēng)電制氫的適應(yīng)性研究仍然需要深入。同時(shí)針對用于風(fēng)電制氫的新型開關(guān)磁阻式以及雙凸極結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)也處于研發(fā)試驗(yàn)階段。

1.1 雙饋異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與永磁同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)在調(diào)速范圍和能量傳遞方面無太大差別。雙饋異步感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功調(diào)節(jié)范圍較大，電能質(zhì)量較高，但其控制方式較為復(fù)雜。直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)主要通過增加磁極對數(shù)從而降低電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，減少了增速齒輪箱部件，其性能可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙饋式。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要無功補(bǔ)償裝置，雖然風(fēng)能利用率相對較高，但造價(jià)高、損耗較大。

上述兩種發(fā)電機(jī)在風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用廣泛，但仍然存在針對風(fēng)電制氫的應(yīng)用適應(yīng)能力不足的問題。因此，在現(xiàn)有發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上專門設(shè)計(jì)面向風(fēng)電制氫應(yīng)用的高經(jīng)濟(jì)性和高適應(yīng)性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為迫切。

1.2 開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是20世紀(jì)90年代以后才提出來的。開關(guān)磁阻電機(jī)研究起步較晚，目前正處于理論實(shí)驗(yàn)研究階段，大功率配套裝置不齊全是當(dāng)前遇到的難題。

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，具有自勵(lì)能力，在自勵(lì)模式下，只需小容量的直流起勵(lì)電源，就可以自動建立電壓，且可直接使用直流電能。若與制氫、燃料電池儲能構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng)，更可以體現(xiàn)分時(shí)勵(lì)磁和發(fā)電的優(yōu)勢。

風(fēng)能充足時(shí)，一方面開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)從燃料電池獲得勵(lì)磁，另一方面又給負(fù)載供電，同時(shí)能夠給電解池供電制取氫，將剩余的電能轉(zhuǎn)換成氫能儲存起來。當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，制氫儲能將釋放出來，供負(fù)載使用。該發(fā)電機(jī)高效、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低，對風(fēng)電制氫來說較為合適。對于非并網(wǎng)風(fēng)電制氫而言，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)將更加側(cè)重于結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、捕獲風(fēng)能能力強(qiáng)、高可靠性和低成本的發(fā)展方向。

1.3 雙凸極發(fā)電機(jī)

雙凸極直流發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子外形與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)相似，為雙凸極結(jié)構(gòu)，是一種較為適合非并網(wǎng)風(fēng)電制氫系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低。秦海鴻等提出了一種雙凸極發(fā)電機(jī)，并對該發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論運(yùn)行原理及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)理論及機(jī)理闡述。若實(shí)現(xiàn)在直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用還需要對理論及其運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行更加深入的研究。目前該發(fā)電機(jī)的發(fā)展尚處于理論基礎(chǔ)研究和探索驗(yàn)證階段。

2 寬功率波動高效電解制氫系統(tǒng)

2.1 電解制氫的方法

電解制氫技術(shù)目前較為成熟，其關(guān)鍵技術(shù)就是電解槽。目前電解槽主要可分為堿性電解制氫、固體氧化物電解制氫、質(zhì)子交換膜電解制氫。

（1）堿性電解制氫：堿性電解制氫是目前最簡單、最成熟的制氫方式之一。堿性水電解裝置大多有雙極性壓濾式結(jié)構(gòu)，可靠性高、能在常溫常壓下運(yùn)行，但存在滲堿污染環(huán)境及制氫效率不高問題。提高電解的效率，消除滲堿問題一直是該制氫方式的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）質(zhì)子交換電解制氫：聚合物電解質(zhì)膜（Polymer Electrolyte Membrane, PEM）電解槽主要也是由兩電極和聚合物薄膜組成，質(zhì)子交換膜通常與電極催化劑成一體化結(jié)構(gòu)。PEM電解槽不需電解液，只需純水，比堿性電解槽安全、可靠。該制氫方式效率可達(dá)到90%以上，但是因其電極多用貴重金屬鉑，價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模應(yīng)用。

（3）固體氧化物制氫：固體氧化物制氫技術(shù)可節(jié)能20%~30%，并且不需要貴重金屬做電極。這大大降低了制氫的成本。發(fā)展提高制氫效率的低成本材料是該制氫方法的關(guān)鍵技術(shù)。在制氫時(shí)提高制氫安全性依然是該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。三種電解槽的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 三種電解槽的對比

2.2 制氫裝置在風(fēng)電寬功率波動條件下的適應(yīng)性問題

風(fēng)電制氫系統(tǒng)的功率輸出波動范圍非常大，制氫功率的波動會對制氫裝置產(chǎn)生一定影響，影響主要有兩個(gè)方面：一是大幅波動對裝備壽命的影響；二是對產(chǎn)品氣體純度的影響。制氫系統(tǒng)中陰極和陽極之間具有透水隔氣功能的薄膜布，防止氫氣和氧氣混合，但是仍有少量氫氣與氧氣滲入隔膜，所以電解裝置中裝有氫氧濃度分析儀，用來監(jiān)測和保護(hù)，防止爆炸。

同時(shí)經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，在寬功率波動中，制氫低功率會導(dǎo)致產(chǎn)生的氣體不純，需要調(diào)整其他工藝參數(shù)保證制氫低功率下的安全運(yùn)行，將電解液循環(huán)量與系統(tǒng)功率同比調(diào)節(jié)，能夠大大提高氣體純度。

所以針對制氫裝置在風(fēng)功率波動條件下的適應(yīng)性問題，改善電解槽結(jié)構(gòu)，采用調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的方法來提高制氫純度是保證系統(tǒng)安全性運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題，如采用電解液循環(huán)量與系統(tǒng)功率同比調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)安全運(yùn)行。

同時(shí)，與風(fēng)電寬功率波動配套的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，合適的控制策略以及具有穩(wěn)定電壓輸出能力的電力電子器件等都將是解決風(fēng)電制氫寬功率波動問題的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 無機(jī)離子膜水電制氫技術(shù)

無機(jī)離子膜水電解制氫設(shè)備從根本上解決了上一代電解制氫設(shè)備由于采用原始的石棉膜片所產(chǎn)生的一系列問題。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

• ①先進(jìn)的無機(jī)堿性離子膜。膜厚僅 0.2mm，且具有離子滲透性強(qiáng)，氫、氧氣體分離度高，陰陽兩電極的電阻值小的特點(diǎn)，因此膜電壓很低，又因電極的極間距幾乎為零，因此在增加電解電流密度時(shí)不會增加槽電壓，發(fā)熱量小，電解效率高，能耗大大降低。
• ②無機(jī)堿性離子膜不易破裂，在堿性溶液中不會發(fā)生溶解，其運(yùn)行安全性比傳統(tǒng)電解槽高。
• ③電解液全自然循環(huán)設(shè)計(jì)，不再采用循環(huán)泵，不僅節(jié)約了泵類所消耗的能耗，也免除了大量繁瑣的維修及維護(hù)工作。

2.4 水電解制氫系統(tǒng)的節(jié)電技術(shù)

水電解制氫的關(guān)鍵是降低電解過程中的能耗，提高能源轉(zhuǎn)換效率。水電解制氫系統(tǒng)包括電解槽制氫和氫氣凈化兩個(gè)系統(tǒng)，電解槽水電解過程中，在電解液中加入添加劑，或低電流密度運(yùn)行，可以降低氫氣生產(chǎn)單位電耗，節(jié)省用電。

針對電解液的材料進(jìn)行改進(jìn)和針對氫凈化系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，均可減小耗電，提高制氫效率。目前商用電解槽法，能耗水平約為4.5～5.5kW?h/m3 H2(標(biāo)準(zhǔn))，能效在72%～82%。

目前，寬功率波動高效電解制氫系統(tǒng)亟需解決關(guān)鍵技術(shù)為電解槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、電能輸入功率波動對電解槽性能影響、控制系統(tǒng)優(yōu)化問題。

當(dāng)前，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已開展了對水電解制氫裝置寬功率波動適應(yīng)性的相關(guān)研究，中船七一八研究所的寧楠等針對KZDQ-20/3.2水電解制氫裝置在改變工作溫度、電解液循環(huán)量的基礎(chǔ)上做了實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)表明，在20%～100%負(fù)荷下的寬功率波動條件下運(yùn)行水電解制氫系統(tǒng)，氧氣中氫的含量穩(wěn)定在1.04%～1.10%之間，能夠滿足水電解系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

目前中國船舶重工集團(tuán)已針對風(fēng)電系統(tǒng)研發(fā)出全自動的柜體式風(fēng)電制氫裝置，氫產(chǎn)量可達(dá)1.5N?m3/h，產(chǎn)品氫氣純度可達(dá)99.5%。寬功率電解池不但提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率，而且有助于電解制氫系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，在寬功率波動下，高效電解制氫設(shè)備的開發(fā)至關(guān)重要?，F(xiàn)有的一些主要制氫廠家的制氫設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 電解水制氫設(shè)備參數(shù)

3 風(fēng)電制氫的集成控制及安全

風(fēng)電制氫作為一種新興產(chǎn)業(yè)，因其自身發(fā)展和生產(chǎn)性質(zhì)特點(diǎn)，未形成固定形式，其運(yùn)行管理包含氫氣制備、傳輸和應(yīng)用環(huán)節(jié)中的安全服務(wù)工作，保證氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，降低各種損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，確保運(yùn)行安全和人身安全。

風(fēng)電制氫-燃料電池系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫系統(tǒng)、壓縮儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)及相關(guān)協(xié)調(diào)控制單元組成。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及電解制氫系統(tǒng)通過判斷棄風(fēng)量大小來確定是否開始制備氫氣；根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)的容量和質(zhì)量及本地負(fù)荷的實(shí)際需求和儲氫系統(tǒng)的運(yùn)行情況等協(xié)調(diào)控制，決定了燃料電池系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的工序協(xié)作。

在風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈中，包括氫氣制備在內(nèi)，氫能傳輸、應(yīng)用以及加氫站各個(gè)環(huán)節(jié)都對消防、安全和管理提出了極高要求，包括氫氣的升壓、儲存和加注技術(shù)及其系統(tǒng)，除滿足耐壓特性外，對流速和流量信息有精確要求，同時(shí)還需滿足計(jì)量收費(fèi)的要求。

3.1 電解制氫系統(tǒng)的控制

電解制氫系統(tǒng)控制主要包括輸出電壓控制、壓力控制、液位控制、電解槽溫度控制、電解槽循環(huán)量的控制、氫氧純度的控制等。輸入端經(jīng)變壓器和整流柜整定出供電解槽使用的直流電，需要整流柜控制輸出電壓，保證制氫系統(tǒng)的運(yùn)行功率在0~100%可調(diào)。

電解制氫設(shè)備設(shè)定可正常運(yùn)行的工作壓力，確保設(shè)備起動后，壓力可以在50%~100%額定工作壓力范圍內(nèi)可調(diào)。氫氣和氧氣可通過電解液液位控制實(shí)現(xiàn)隔離，避免發(fā)生爆炸。電解槽溫度控制是確保隔膜無損壞的關(guān)鍵。

電解液在系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)以帶出設(shè)備產(chǎn)生的氣體和熱量，有效避免電解槽干燒現(xiàn)象。電解制氫設(shè)備中需加入氫氧濃度分析測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氫氣純度的監(jiān)測和控制，若氫氣純度達(dá)不到要求時(shí)控制電解系統(tǒng)停止運(yùn)行，防止爆炸，保證制氫安全。

3.2 儲氫系統(tǒng)的控制策略

現(xiàn)有氫能傳輸方式主要為高壓儲氫、液氫和固態(tài)儲運(yùn)，有關(guān)氫氣大規(guī)模輸運(yùn)管道的研究還在進(jìn)行中。壓縮儲氫系統(tǒng)的控制策略主要包括充氫過程和供氫過程控制策略。壓縮儲氫系統(tǒng)包括緩沖瓶的壓力傳感器、高壓儲氫瓶的高壓壓力傳感器、溫度傳感器和供儲系統(tǒng)中的氫氣泄露傳感器等。供氫過程的控制主要通過給高壓儲氫裝置發(fā)送信號完成供氣過程，高壓儲氫裝置通過減壓器進(jìn)行氫氣的釋放，在減壓器設(shè)有低壓壓力傳感器，可監(jiān)測減壓器是否故障，保證儲氫供氣系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3.3 燃料電池和直流微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要包括輔助系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)等，燃料電池在收到系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)命令后，輔助系統(tǒng)啟動并自檢，自檢成功后反饋燃料電池系統(tǒng)的最大輸出能力和最大加載能力，控制系統(tǒng)通過對變流器目標(biāo)功率的控制，控制燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。風(fēng)電制氫與微網(wǎng)部分的基本控制框架如圖4所示。

圖4 風(fēng)電制氫基本控制框架圖

針對風(fēng)電制氫中主要應(yīng)用直流的特點(diǎn)，開展相應(yīng)的直流微網(wǎng)研究是目前的研究重點(diǎn)之一。直流微網(wǎng)由分布式發(fā)電單元、儲能裝置及負(fù)荷按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)。

風(fēng)電產(chǎn)生的電能可通過簡單的變流技術(shù)之后通過制氫的方式并入直流微網(wǎng)，通過儲氫系統(tǒng)和燃料電池完成電能的存儲轉(zhuǎn)換；電能再經(jīng)升壓變流之后，在需要的時(shí)候?yàn)橛脩糌?fù)載或電網(wǎng)提供電能。微電網(wǎng)控制靈活、能源利用率高，適合風(fēng)電制氫中電解負(fù)載對風(fēng)能變化靈活調(diào)整和組合的特點(diǎn)，在解決寬功率范圍風(fēng)能波動、高適應(yīng)性能量轉(zhuǎn)換、離/并網(wǎng)切換、負(fù)荷供電可靠性上有著極大的優(yōu)勢。

風(fēng)電制氫技術(shù)中引入直流微網(wǎng)為分布式能源開發(fā)和多能耦合儲輸系統(tǒng)應(yīng)用和研究提供了新的方向。在滿足本地用戶對電能質(zhì)量和安全要求的同時(shí)，大大減小了對電力系統(tǒng)或分布式能源的影響。風(fēng)電并網(wǎng)與離網(wǎng)的協(xié)同運(yùn)行，既可使風(fēng)能利用率提高，又可以減小對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)靈活地為用戶負(fù)載以及電網(wǎng)完成電能輸送，是一種靈活、可靠、環(huán)保的技術(shù)方案。

4 適應(yīng)風(fēng)電制氫的大容量電力電子裝置

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷發(fā)展，相關(guān)的電力電子技術(shù)也在不斷的探究和完善，很多技術(shù)都在不斷地探索中，如充分利用電能的全功率變流技術(shù)、關(guān)于逆變器的調(diào)制策略、改善電能質(zhì)量的網(wǎng)側(cè)濾波器技術(shù)和低電壓穿越技術(shù)等。

但是目前針對風(fēng)電制氫的電力電子裝置研究較少，國內(nèi)外只有少數(shù)學(xué)者展開了研究，由于風(fēng)電制氫需要考慮風(fēng)能的寬功率波動性對制氫效率以及制氫設(shè)備壽命的影響，而合適的電力電子器件可以在承受寬功率風(fēng)電輸入的前提下，為制氫裝置提供較為穩(wěn)定的電壓輸入，所以研究適合用于風(fēng)電制氫的大容量、寬功率波動的電力電子器件也尤為重要。

在制氫輸入端的DC-DC變流器對風(fēng)電制氫的影響很大，研究具有寬功率輸入承受能力以及穩(wěn)定電壓輸出能力的DC-DC變流器將會大大提高制氫效率，是風(fēng)電制氫的關(guān)鍵技術(shù)所在。

目前國內(nèi)外針對風(fēng)電制氫的電力電子裝置研究較少，周杰等對熱電領(lǐng)域的六種DC-DC變換器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，這為風(fēng)電制氫的變流器結(jié)構(gòu)提供了參考。徐琪等針對適用于風(fēng)電制氫的Cuk變換器進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并對電解槽的負(fù)載特性進(jìn)行了仿真分析，最后基于DSP搭建了Cuk變換器的實(shí)驗(yàn)裝置，使用可編程直流電源模擬風(fēng)電輸出，并采用改變電路占空比的方法保證輸出電壓穩(wěn)定，使其滿足了電解槽負(fù)載的需求，為風(fēng)電制氫的電力電子器件研究提供了參考。

總體來講，適應(yīng)風(fēng)電制氫的大容量電力電子裝置的研究仍處于起步階段，研究具有寬功率輸入承受能力、穩(wěn)定電壓輸出能力的DC-DC變流器具有重大意義，適應(yīng)大功率風(fēng)電制氫的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、更穩(wěn)定的控制系統(tǒng)等都將是未來研究的重要方向。

結(jié)論

本文對于風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了深入分析和總結(jié)。一方面風(fēng)電制氫能改善風(fēng)力發(fā)電大量“棄風(fēng)”問題。另一方面氫能作為一種清潔高效能源在當(dāng)前具有很大的應(yīng)用潛力。氫氣是最重要的工業(yè)氣體和特種氣體，許多領(lǐng)域和行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

在倡導(dǎo)綠色發(fā)展的時(shí)代，氫能作為一種清潔能源有望得到巨大發(fā)展。總體來講，以德國為代表的歐洲在風(fēng)電制氫技術(shù)方面的發(fā)展相對較快，國內(nèi)外相關(guān)研究相對較少，風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展仍然面臨諸多關(guān)鍵問題，如成熟的風(fēng)電制氫發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、針對風(fēng)電抗功率波動的電解槽優(yōu)化、高壽命的燃料電池、大容量的儲氫設(shè)備以及安全的控制系統(tǒng)和適用于風(fēng)電制氫的電力電子裝置等，都尚需加大研究力度，實(shí)現(xiàn)突破。