水電氫能發(fā)展理念與關(guān)鍵技術(shù)研究

梁波　崔磊　劉亞青　桂遠(yuǎn)乾

摘要：為響應(yīng)中國實(shí)現(xiàn)“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”目標(biāo)，加快綠色低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色零碳理念，全面提高水電資源利用效率，在分析國內(nèi)外氫能需求以及制氫技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合水電站低成本電解水制氫工藝，論述了水電氫能技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。探索并提出基于水電站廠用電系統(tǒng)的氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)以及構(gòu)建綠色零碳水電氫能自消納系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式等關(guān)鍵技術(shù)，提出了綠色零碳的保安電源與直流系統(tǒng)設(shè)想。提出的水電氫能發(fā)展思路具有較強(qiáng)推廣價值，可將傳統(tǒng)水力發(fā)電行業(yè)與制氫、儲氫、用氫有機(jī)結(jié)合在一起，推動能源結(jié)構(gòu)升級。

關(guān)鍵詞：氫能; 電解水制氫; 氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng); 水電氫能自消納系統(tǒng); 廠用電系統(tǒng)

中圖法分類號： TK91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.027

0引 言

氫氣具備來源廣泛、清潔高效和應(yīng)用場景豐富等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。作為可燃性氣體，具有燃燒熱值高，燃燒產(chǎn)物環(huán)保以及生產(chǎn)原料易得等優(yōu)點(diǎn)。同時，氫氣使用過程產(chǎn)物是水，可以真正做到零碳排放、無污染、可再生，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支持可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想媒介。目前，氫能被認(rèn)為是最理想的清潔能源，也被看作是最具應(yīng)用前景的能源之一，或成為未來能源的終極形式。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是全球能源技術(shù)革命和轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向，也是中國實(shí)現(xiàn)“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”目標(biāo)、加快綠色低碳發(fā)展、全面提高資源利用效率的重要舉措。

中國部分水電站存在棄水情況，特別是西南地區(qū)水電站棄水情況較為嚴(yán)重。國家能源局統(tǒng)計(jì)資料顯示，2021年1～6月，全國主要流域棄水電量約53.64億kW·h，水能利用率約98.43%。目前棄水電量算法尚未完全統(tǒng)一，根據(jù)不同邊界條件計(jì)算得到的棄水電量存在一定差異[1-3]。而根據(jù)公開資料，2020年四川省棄水電量為202億kW·h，主要棄水電量高度集中在大渡河干流，約占全省棄水電量的53%。若利用棄水電量進(jìn)行制氫，可使得水力發(fā)電企業(yè)增加收益，提高資源利用效率。

目前水電站電能主要通過電力送出，在水電站電力外送過程中容易存在卡脖子情況，如上網(wǎng)電價定價及送出方向自主權(quán)不高[4-5]、調(diào)度運(yùn)行受控[6]等情況。利用水電站電能開展氫能制備，可以擴(kuò)展水電站電能消納渠道。

目前，中國能源體系結(jié)構(gòu)中，電能作為唯一的二次能源，其生產(chǎn)主要依賴煤炭、水能、太陽能、風(fēng)能等一次能源。若能推廣基于水電等清潔電能為載體的氫能，可以拓展中國能源體系結(jié)構(gòu)[7]，增強(qiáng)中國能源安全。2019 年，中國氫能聯(lián)盟發(fā)布《白皮書》指出：到 2050 年，氫能將在中國終端能源體系中占比達(dá)到10%，與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為中國終端能源體系的消費(fèi)主體之一[8]。然而，由于電網(wǎng)終端電解水制氫需要消耗電能過多，導(dǎo)致制氫成本高昂，氫能推廣緩慢;同時目前以火電為主要電源的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，終端制氫也不利于碳減排。因此，實(shí)現(xiàn)水電站電能向氫能的轉(zhuǎn)化，一方面可以解決中國水電站的并網(wǎng)和消納難題，另一方面可以推動中國可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有助于中國能源結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)入氫能社會[9-10]。

本文以水電站內(nèi)氫能開發(fā)和利用為背景，分析了氫能與水電站的結(jié)合特點(diǎn)，提出了基于水電站廠用電系統(tǒng)的氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)，以及構(gòu)建綠色零碳水電氫能自消納系統(tǒng)的水電站氫能開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究思路。

1水電氫能發(fā)展前景

1.1氫能需求

氫氣在中國主要作為化工原料用于生產(chǎn)甲醇、合成氨以及相關(guān)化工產(chǎn)品與化肥;其次是作為燃料，還有少量的高純度氫氣作為工業(yè)原料，如高純度電子氫氣等。根據(jù)預(yù)測，2030年前化工領(lǐng)域氫能消耗持續(xù)增長，2030年后化工領(lǐng)域整體產(chǎn)量將下降，氫能消耗也將隨之下降[11]。但隨著氫燃料電池[11]以及氫能汽車[13-15]等產(chǎn)品的研發(fā)、應(yīng)用和推廣，氫能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的消耗量將大大提升，以能源形式利用規(guī)模將逐漸增大。

氫燃料電池在重型交通領(lǐng)域相比鋰電池具有更強(qiáng)的技術(shù)適應(yīng)性。隨著車重和續(xù)航的提升，燃料電池汽車成本將逐步接近甚至低于純電動汽車。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2020年，全球共銷售氫燃料電池汽車9 006臺，其中，中國1 177臺。截至2020年底，中美日韓氫燃料電池汽車保有量達(dá)到30 185輛，其中，中國年氫車保有量為7 352輛。就銷量結(jié)構(gòu)上看，中國氫燃料電池車以客車和專用車為主。

在終端加氫設(shè)施方面，2020年全球主要經(jīng)濟(jì)體已建成加氫站527座，在運(yùn)營504座。在運(yùn)營加氫站中，歐盟以179座高居榜首，日本以137座緊隨其后，中國以101座全面超過德國的89座位居第三。美國因疫情影響，在運(yùn)營加氫站由2019年的48座降至2020年的42座，韓國則因此實(shí)現(xiàn)趕超，成為在運(yùn)營加氫站第四多的國家。

目前，國際氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)到了關(guān)鍵機(jī)遇期。美國、歐洲、日本、韓國等主要工業(yè)化國家和地區(qū)已經(jīng)將氫能納入國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃，氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化步伐不斷加快。國際氫能委員會預(yù)測，到2050年，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3 000萬個工作崗位，減少60億t二氧化碳（CO2）排放，創(chuàng)造2.5萬億美元的市場規(guī)模，并在全球能源消費(fèi)占比達(dá)到18%。

中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展窗口期已經(jīng)形成。近年來，中國政府對氫能產(chǎn)業(yè)的支持力度不斷加大，以氫燃料電池汽車示范應(yīng)用為牽引，將氫能列入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的組成部分。根據(jù)相關(guān)公開數(shù)據(jù)，中國2020年氫氣產(chǎn)量約為2 050萬t。目前，中國處于氫能市場發(fā)展初期，氫氣年均需求約2 200萬t。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到2025年，中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1萬億元;2030年，中國將處于氫能市場發(fā)展中期，氫氣年均需求將達(dá)到3 500萬t。到2050年，氫氣需求量將接近6 000萬t，實(shí)現(xiàn)CO2減排約7億t，氫能在中國終端能源體系中占比達(dá)10%，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元，成為引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長極。

由此可見，交通運(yùn)輸行業(yè)技術(shù)革新催生旺盛了氫能需求，雙碳目標(biāo)背景下冶金和化工對綠氫也有著巨大的需求，而傳統(tǒng)氫能生產(chǎn)方式無法滿足雙碳政策下的氫能需求規(guī)模，亟待開發(fā)出新的大規(guī)模、可再生能源氫能制備方式。

1.2制氫技術(shù)

中國已具備一定氫能工業(yè)基礎(chǔ)，全國氫氣產(chǎn)能超過2 000萬t，但生產(chǎn)主要依賴化石能源，消費(fèi)主要作為工業(yè)原料，清潔能源制氫和氫能的能源化利用規(guī)模較小。目前國內(nèi)制氫的主要方法有以下4種[16-17]：

（1） 天然氣（含石腦油、重油、煉廠氣和焦?fàn)t氣等）蒸汽轉(zhuǎn)化制氫。天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是較傳統(tǒng)的技術(shù)，以前常用于大規(guī)模的氫氣供應(yīng)場合（5 000 Nm3/h以上）。根據(jù)中國氫氣用戶分散且規(guī)模較小的特點(diǎn)，開發(fā)了低投資和低消耗的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)，非常適合中小規(guī)模的氫氣需求場合。在天然氣豐富地區(qū)，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氫是最好的選擇。

（2） 煤（含焦炭和石油焦等）轉(zhuǎn)化制氫。煤制氫成本較低，但由于煤制氫工藝流程較長，通常適合于中、大規(guī)模的制氫裝置（大于1 000 Nm3/h）。對于沒有天然氣資源的地區(qū)，而且裝置規(guī)模較大，選擇煤炭氣化制氫技術(shù)是非常適宜的。

（3） 甲醇或氨裂解制氫。甲醇或氨裂解制氫流程比較簡單，操作簡便，易于控制，在甲醇供應(yīng)充足的地區(qū)，而且氫氣需求規(guī)模比較小的情況下（200 Nm3/h以下），具有較強(qiáng)的競爭力。

（4） 水電解制氫。水電解制氫氣是最傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)方式，但能耗高、成本高。

目前，國內(nèi)由煤、天然氣、石油等化石燃料生產(chǎn)的氫氣占了將近 70%，工業(yè)副產(chǎn)氣體制得的氫氣約占30%，電解水制氫占不到1%。氫能高昂的使用成本是限制氫能大規(guī)模應(yīng)用的主要限制條件，不同主流制氫方法的成本如表1所列。國內(nèi)外能源企業(yè)結(jié)合其各自優(yōu)勢選擇不同技術(shù)路線，紛紛布局氫能源生產(chǎn)與供給，煤制氫、天然氣制氫、堿性電解水制氫技術(shù)和設(shè)備已具備商業(yè)化推廣條件。

1.3水電氫能發(fā)展優(yōu)勢

在中國，氫能開發(fā)和利用主要集中在燃料電池技術(shù)的研發(fā)，無污染、零碳排放的工業(yè)化大規(guī)模制氫還處于起步階段。政策方面，國家相關(guān)部委已出臺了鼓勵可再生清潔能源制氫的政策，可再生清潔能源中的風(fēng)電、光伏屬于分布式能源，和水電相比，不僅發(fā)電成本高而且發(fā)電容量較小。因此，利用成本低、效率高的水電大規(guī)模制氫有著無可比擬的優(yōu)勢，特別在中國擁有豐富的水電能源情況下，水電氫能的綜合開發(fā)和利用在未來能源革命和氫能社會中將具有極其重要的地位。

中國氫氣的市場大致分為燃料氫、化工氫、能源氫，對應(yīng)的氫氣市場價格分別為：6 MPa化工氫，1～5萬m3/h供應(yīng)量，直供價<1.5元/Nm3;20 MPa工業(yè)氫，100～2 000 m3/h，工業(yè)氫價為3.5元/Nm3;35 MPa以上能源氫，通過加氫站加注，6～20 kg/次，加氫站燃料電池用氫價格（扣除政府補(bǔ)貼）為4.5～5.0元/Nm3。

目前99.9%純度的氫氣一般采用水電解方式制取，電解制氫的電能均直接取自電網(wǎng)。按照0.725元/kW·h的電能采購成本計(jì)算，則2 000 Nm3/h產(chǎn)量的制氫站其全壽命周期的制氫成本約3.3元/Nm3，上述費(fèi)用是考慮建設(shè)成本、運(yùn)維成本及設(shè)備折舊之后的綜合造價。而常規(guī)水電站其上網(wǎng)電價一般在0.25元/（kW·h）以內(nèi)，部分小型水電站上網(wǎng)電站能低至0.08元/（kW·h）仍能保持盈利。若水電企業(yè)開展制氫業(yè)務(wù)，以0.25元/（kW·h）上網(wǎng)電價合算，相同電能若考慮用于電解制氫，按照1 Nm3氫氣售價一般在4.5～5.0元/Nm3考慮，即使考慮新增設(shè)備的基礎(chǔ)投入，氫能的營銷收益將達(dá)到1.14元/kW·h，高于售電收益，即使考慮氫能運(yùn)輸成本，相應(yīng)收益也將高于發(fā)電收益。而在未來氫能社會中，大規(guī)模氫能運(yùn)輸將主要依靠管道傳輸，屆時氫氣的運(yùn)傳輸成本占比將較低。

由此可見，由于水電制氫在源頭制氫，免除了電網(wǎng)輸配電環(huán)節(jié)，使得水電成本制氫具有天然優(yōu)勢。由于氫能高昂的使用成本是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，因此通過水電電能的規(guī)模效應(yīng)，可顯著降低氫能的生產(chǎn)成本，從而促進(jìn)氫能的推廣普及。本文認(rèn)為：未來的氫能社會中，水電站兼具制氫和發(fā)電兩種功能，兩種功能對于水電企業(yè)而言效益相當(dāng)、綜合互補(bǔ)，水電將提供兩種二次能源共同構(gòu)建未來能源體系。

水電制氫本質(zhì)而言，就是利用水的勢差轉(zhuǎn)化為電能，又通過電解水生成氫氣和氧氣，全過程副產(chǎn)品為清潔的水，完全無污染，絕對清潔。

1.4水電氫能前景預(yù)測

（1） 氫能利用有大規(guī)模的前景和空間，特別是交通運(yùn)輸領(lǐng)域能源替代、儲能應(yīng)用等。

（2） 目前氫能生產(chǎn)以化石燃料制氫為主，而國家正大力推動節(jié)能減排相關(guān)措施，未來非化石能源制氫如電解水制氫將有廣闊的發(fā)展前景。

（3） 氫能發(fā)展的限制瓶頸是居高不下的氫能制備成本，如能解決上述限制瓶頸條件，將能極大地推動氫能的發(fā)展。

（4） 水電氫能因采用電解水制氫原理，其高純度氫能非常適合氫燃料電池汽車、氫儲能行業(yè)應(yīng)用。水電制氫生產(chǎn)的低成本氫能，有利于擴(kuò)大氫能的利用規(guī)模，規(guī)模擴(kuò)大后的產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)將進(jìn)一步降低氫燃料電池、儲氫、輸氫的使用成本，推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。氫能利用的推廣，使得氫儲能規(guī)模提升成為可能，使得水電站從前期的發(fā)電為主、制氫為輔，發(fā)展為氫電聯(lián)供，使得常規(guī)水電站也兼具蓄能儲能的作用。

綜上所述，水電氫能的引入將極大拓展氫能的開發(fā)和利用，對氫能產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化，使得上述產(chǎn)業(yè)分析中氫能的劣勢（成本高）大幅減低，而“綠氫”的優(yōu)勢則進(jìn)一步放大。同時，也將對傳統(tǒng)水力發(fā)電的單一功能形成革命性的轉(zhuǎn)變，將發(fā)電與制氫、輸氫、儲氫、用氫有機(jī)地結(jié)合在一起，有力推動全球能源結(jié)構(gòu)的升級和無碳替代。

2構(gòu)建氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)

以水電站廠用電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建水電站氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)利用水電站富余電力制氫、供氫、儲氫、氫燃料電池供電的綜合利用，特別適用于電力富余導(dǎo)致棄水的水電站，能有效提升水電站的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)以常規(guī)廠用電系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造為基礎(chǔ)，包括：電解制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、儲氧系統(tǒng)、氫燃料電池系統(tǒng)等。

圖1為典型的水電站氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)示意圖。水電站廠用電系統(tǒng)母線常規(guī)電源來自發(fā)電機(jī)端，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時可通過外來電源或系統(tǒng)倒送電獲得電源，根據(jù)制氫系統(tǒng)規(guī)模，可選擇采用廠用電中壓系統(tǒng)（如10 kV）或低壓系統(tǒng)（如0.4 kV）接入制氫AC/DC系統(tǒng)，輸出電流為0～10 kA。

電解制氫系統(tǒng)所用電能來自于AC/DC系統(tǒng)，原料水來自用水電站內(nèi)水資源，產(chǎn)生氫氣、氧氣的能力為0～10 000 Nm3/h H2、0～5 000 Nm3/h O2，若廠用電系統(tǒng)為考慮制氫儲能后經(jīng)過專門的改造，則上述產(chǎn)能可進(jìn)一步增加。AC/DC系統(tǒng)為一套整流裝置，輸入端即為廠用電系統(tǒng)交流側(cè)，輸出端為電解制氫系統(tǒng)所需的直流電力。該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體整流系統(tǒng)、控制觸發(fā)系統(tǒng)、操作聯(lián)鎖系統(tǒng)。半導(dǎo)體整流柜具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流等多種運(yùn)行方式。其調(diào)壓范圍為電解制氫系統(tǒng)額定電壓的0～1.0倍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氫氣生產(chǎn)速率。

電解制氫系統(tǒng)由電解槽、附屬設(shè)備、堿箱、補(bǔ)水系統(tǒng)、堿液循環(huán)泵、控制柜、阻火器、一套完整的儀表裝置及微機(jī)控制系統(tǒng)等組成。其中重要核心部件主要是：① 電解槽，用于電解水制氫氣、氧氣。② 附屬設(shè)備，如 H2（O2）堿液分離器、H2（O2）堿液循環(huán)泵、H2（O2）堿液過濾器、H2（O2）分離器、H2（O2）冷卻器、H2（O2）捕滴器、H2（O2）氣水分離器、脫氧器、干燥器、再生冷卻器等。③ 堿箱。④ 補(bǔ)水系統(tǒng)。⑤ 堿液循環(huán)泵。

電解制氫系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣經(jīng)過干燥、過濾等一系列處理后，送入儲氫、儲氧系統(tǒng)。存儲方式包括高壓存儲（壓力15～70 MPa）及低溫液態(tài)存儲等。

該系統(tǒng)一方面可作為儲存系統(tǒng)，通過管道或車輛運(yùn)輸方式直接將氫、氧產(chǎn)品售出;另一方面，可按圖1所示，接入氫燃料電池系統(tǒng)供水電站自身的需要。氫燃料電池系統(tǒng)以水電站自身制氫為原料，可生成直流電力向直流系統(tǒng)供電或通過DC/AC系統(tǒng)向廠用電交流系統(tǒng)反送電，其用途將在第3節(jié)介紹。

2.2運(yùn)行控制策略

廠用電系統(tǒng)的用電負(fù)荷分為常規(guī)廠用電負(fù)荷和制氫負(fù)荷兩大類。廠用電電源包括常規(guī)廠用電電源和氫燃料電池系統(tǒng)電源。

用電負(fù)荷的供電優(yōu)先級為常規(guī)廠用電負(fù)荷>制氫負(fù)荷。常規(guī)運(yùn)行情況下，優(yōu)先保障常規(guī)廠用電負(fù)荷，通過控制制氫速率，使廠用電系統(tǒng)變壓器基本處于滿負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)常規(guī)廠用電負(fù)荷增加時，通過能量管理系統(tǒng)降低制氫速率，減少制氫負(fù)荷，保障常規(guī)廠用電系統(tǒng)用電。當(dāng)常規(guī)廠用電負(fù)荷降低時，通過能量管理系統(tǒng)增加制氫速率，增加制氫負(fù)荷。若存在臨時突然用電負(fù)荷增加，能量管理系統(tǒng)無法及時反應(yīng)的情況時，則利用廠用變壓器短時過負(fù)載能力，同時迅速降低制氫負(fù)荷，減少系統(tǒng)過負(fù)載運(yùn)行時間。

用電電源的優(yōu)先級為常規(guī)取電電源>氫燃料電池系統(tǒng)電源。常規(guī)運(yùn)行工況下，優(yōu)先從常規(guī)廠用電電源系統(tǒng)取電。當(dāng)常規(guī)取電電源失電時，啟用氫燃料電池系統(tǒng)，向負(fù)荷供電。

3構(gòu)建綠色零碳水電氫能自消納系統(tǒng)

水電氫能自消納系統(tǒng)是基于上述制氫、儲能雙重作用的水電站廠用電系統(tǒng)，以氫燃料電池為基礎(chǔ)構(gòu)建保安電源及直流系統(tǒng)，達(dá)到替代柴油發(fā)電機(jī)及常規(guī)蓄電池等綠色零碳的目的。

3.1基于氫能燃料電池的水電站保安電源系統(tǒng)

目前，水電站的保安電源均采用柴油發(fā)電機(jī)冷備用的方式。當(dāng)以柴油為燃料作為水電站保安電源動力源時，戶內(nèi)布置時需要設(shè)置專用的柴油機(jī)房、專用儲油罐室、排煙通道;戶外布置時需要外部連接的運(yùn)輸通道。不論戶內(nèi)、戶外布置的柴油發(fā)電機(jī)均會在運(yùn)行時產(chǎn)生大量的廢氣和噪音，即使是短時運(yùn)行也極不環(huán)保。且水電站設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房和油罐油箱等儲油裝置，消防安全需特殊設(shè)計(jì)和考慮。

氫燃料電池通過DC/AC系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)換為廠用交流電源，接入并替換原柴油發(fā)電機(jī)回路，氫電聯(lián)控裝置通過邏輯判斷水電站廠用電系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)交流電壓母線、正常交流工作電源失電，啟動氫燃料電池為保安負(fù)荷供電;氫電聯(lián)控裝置根據(jù)保安負(fù)荷容量以及負(fù)荷特性，通過輸氫控制單元控制儲氫裝置輸送的氫氣壓力、流量和氫燃料電池輸出的電壓、電流、頻率，保證供電電壓和供電電流的穩(wěn)定，提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)。上述技術(shù)方案中，氫燃料電池采用質(zhì)子交換膜燃料電池，氫燃料電池容量根據(jù)水電站廠用電系統(tǒng)保安負(fù)荷的大小確定。

3.2基于氫燃料電池的水電站直流系統(tǒng)

水電站直流系統(tǒng)是為了給信號設(shè)備、保護(hù)、自動裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分、合閘操作提供直流電源。直流系統(tǒng)在水電站中是一個相對獨(dú)立的電源系統(tǒng)，正常運(yùn)行時由外部提供交流電源，經(jīng)過直流充電裝置整流后提供直流電源，在外部交流電中斷的情況下，由直流蓄電池繼續(xù)提供直流電源，以保證控制、保護(hù)設(shè)備的供電連續(xù)性。目前，水電站直流系統(tǒng)的電池大都采用鉛酸或者鎘鎳蓄電池，無論是鉛酸還是鎘鎳電池，都具有一定的腐蝕性和毒性，不僅需要專門的隔室單獨(dú)布置，而且一旦泄露會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至危及人身安全，因此需要采取相關(guān)防護(hù)措施。此外，蓄電池壽命有限，隨著運(yùn)行時間增加，電池的性能會逐漸下降，當(dāng)蓄電池壽命到期后需要更換新電池以保證系統(tǒng)直流的連續(xù)、可靠供電。

以氫燃料電池替代鉛酸蓄電池，提供了一種完全零排放、清潔環(huán)保的水電站“新直流系統(tǒng)”電源方式?；跉淠艿乃娬局绷飨到y(tǒng)電源的氫氣源可以來自電站棄水發(fā)電的電解氫，氫能燃料電池采用質(zhì)子交換膜燃料電池。氫能燃料電池的容量根據(jù)水電站的直流負(fù)荷確定，容量在100 kW以內(nèi)。在氫燃料電池電堆輸出端設(shè)置電流變送器和電壓變送器，實(shí)現(xiàn)對輸出功率的實(shí)時監(jiān)視。氫燃料電池控制柜采用PLC進(jìn)行閉環(huán)控制，自動調(diào)節(jié)氫燃料電池的工作特性，通過反饋的負(fù)荷電流、電壓等參數(shù)，對氫燃料電池進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，通過設(shè)置傳感器，實(shí)現(xiàn)對電池、儲氫設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)視和發(fā)報(bào)警信號。傳統(tǒng)直流系統(tǒng)由于電池容量有限，不能直接供負(fù)荷，而需要外部供交流電后，經(jīng)充電裝置整流給負(fù)荷供電，蓄電池僅作為備用，而且容量有限，備用時間不超過2 h。采用氫燃料電池后，只需提供足夠的氫氣，直流電源將不受備用時間限制，能夠可靠保障負(fù)荷用電。同時氫燃料電池輸出直流電壓后，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)，直接接到直流主盤，然后由直流主盤給各個負(fù)荷點(diǎn)供電，減少了傳統(tǒng)的充電裝置環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)類型電池需要定期進(jìn)行充電、放電，增加了能耗和運(yùn)行維護(hù)工作量，而且電池具備記憶效應(yīng)，導(dǎo)致電池的性能逐年下降，氫燃料電池不需要定期充放電，而且沒有記憶效應(yīng)。

3.3氫儲能發(fā)電黑啟動系統(tǒng)

水電站廠用電系統(tǒng)在某些特殊情況下會失去所有交流電源，包括機(jī)端自并電源，水電站在長時間全廠停機(jī)并失去所有交流電源的情況下是非常不安全的，因此，水電站往往都要求在廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮在上述情況下能自啟動并恢復(fù)廠用電機(jī)端自供電，即“黑啟動”。電站“黑啟動”的用電負(fù)荷包括電站進(jìn)水口閘門、機(jī)組自并勵起勵電源等負(fù)荷。利用3.1節(jié)和3.2節(jié)的柴油發(fā)電機(jī)和直流電源氫能替代技術(shù)，可以有效兼顧黑啟動電源系統(tǒng)的功用。

4結(jié) 語

雖然目前氫能生產(chǎn)以化石燃料制氫為主，但隨著國家大力推動節(jié)能減排相關(guān)措施，未來非化石能源制氫，如電解水制氫將有廣闊的發(fā)展前景。水電氫能方式的引入，為實(shí)現(xiàn)低成本電解氫產(chǎn)業(yè)化提供了可靠的技術(shù)途徑。本文提出的基于水電站氫電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)以及綠色零碳水電氫能自消納系統(tǒng)，將傳統(tǒng)水力發(fā)電行業(yè)與制氫、輸氫、儲氫、用氫有機(jī)地結(jié)合在一起，可有力推動能源結(jié)構(gòu)升級和無碳替代，解決氫能上游產(chǎn)業(yè)鏈制氫高成本瓶頸，推動擴(kuò)大氫能的利用規(guī)模，從而通過規(guī)模擴(kuò)大后的產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)進(jìn)一步降低氫燃料電池、儲氫、輸氫的使用成本，最終推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。

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（編輯：鄭 毅）