电力系统氢储能关键应用技术现状挑战及展望

电力系统氢储能关键应用技术现状挑战及展望

一、研究背景

可再生能源规模化接入将给电力系统电力电量时空平衡与安全

稳定运行带来巨大挑战。储能作为灵活调节资源将成为解决上述问题

的有效方案之一，氢作为能源低碳化发展的优选能源形式引起了世界

各国的高度重视。近年来，氢能全产业链装备核心技术不断得到突破,

电解水制氢与氢燃料电池等产业进入高速和高质量发展期，促使电-

氢能源形成了融合式的发展趋势，氢储能也因此被作为一种新型储能

技术被广泛的集成到电力系统“源-网-荷”各个环节之中。基于此，

本文针对电力系统氢储能关键应用技术现状进行归纳梳理，从目前技

术发展中分析指出所面临的挑战，并对未来技术发展趋势进行展望。

二、论文所解决的问题及意义

氢储能是构建新型电力系统的重要储能形式，目前，部分学者及

科技工作者在氢储能材料装备、电-氢协同规划设计、电-氢耦合系统

控制等方面均已开展了相关技术及工程示范的初步探索，但关于氢储

能在电力系统中多场景下的应用技术分析仍较为匮乏，且电-氢耦合

系统仍存在动态适应性匹配、灵活高效互动和多时间尺度仿真建模等

一系列问题，电-氢耦合形态与技术体系仍需进一步深入研究。本文

首先通过归纳分析构建了氢储能与电力系统耦合结构，概括总结了氢

储能关键技术现状，然后回顾了氢储能在电力系统中应用技术研究基

础，最后，提炼电-氢耦合发展中存在的技术挑战，并对未来技术发

展趋势进行展望，进而加速推进氢储能在电力系统中的规模化应用。

三、论文重点内容

(1)氢储能与电力系统耦合结构

以氢储能在电力系统“源-网-荷”各环节应用场景为主线，在“源”

侧提出氢储能提升可再生能源的深度消纳与友好并网和燃氢电厂惯

量支撑等典型场景，在“网”侧提出氢储能电站提供惯量支撑及调峰

/调频辅助服务，以及输电阻塞缓解和季节性电量平衡等场景，在“荷”

侧通过构建电-氢-热-冷多能耦合综合系统、氢能建筑/园区及分布式

制加储一体站以实现电力电量支撑、需求侧响应和调频调峰等辅助服

务。氢储能与电力系统耦合结构如图1所示。

图1氢储能与电力系统耦合结构

(2)氢储能关键技术

针对电解水制氢技术、氢气发电技术、氢气储输技术、电解槽/

燃料电池建模四个氢储能关键技术展开论述。总结了各类型电解水制

氢与氢燃料电池的主要性能指标，阐述了不同技术路径下的氢气储输

技术特点，从时空维度总结了目前电解槽/燃料电池建模技术的发展

现状，并根据用能特点分析与新型电力系统构建需求得到氢储能制、

储、输、用关键技术在电力系统中的潜在应用场景。

（3）“源-网-荷”侧氢储能应用技术现状

在“源”侧风/光等可再生能源消纳与友好并网场景下，目前主

要围绕系统优化、系统控制以及制氢/燃料电池多机协同控制开展系

列研究，而燃氢电厂为电力系统提供惯量支撑场景下的研究仍相对匮

乏；在“网”侧场景下，目前研究学者围绕氢储能参与电网辅助服务

与季节性电量平衡两个方面开展部分探索；在“荷”侧场景下，目前

氢储能的主要应用场景是构建氢能建筑/园区，研究方向集中于系统

配置和运行控制两个方面。

（4）“源-网-荷”侧氢储能应用技术挑战

结合目前研究现状，分析氢储能现阶段在电力系统中应用存在的

关键技术挑战，主要总结为面向可再生能源耦合制氢的电解水制氢负

荷动态适应性、高效电解水制氢功率变换器结构及计及氢安全的入网

控制、面向电力系统季节性电量转移的大容量长时储氢技术、面向异

质能源协同的构网型燃料电池电-热耦合挖制以及面向系统规划设计、

系统控制方案开发和工程建设的电-氢耦合系统动态仿真建模5个方

面，并简要讨论了各种技术挑战未来可能的技术方案。

△力

(b)PEMEC

图2适应宽范围强波动工况的AWE/PEM电解水制氢系统“电

-氢-水-热”快速动态响应挑战

P«f

PxQF

(a)交流供电模式

(b)兑流供电模式

图3计及氢储能动态安全约束的变换器入网控制挑战

全参数全响应模型降堆降参数模型

*代表阴阳两极通道，#代衰气液两相

.电力系统多时间尺度匹配

毫秒级秒级分钟级

图4适应电力系统全时仿真的电-氢耦合多时间尺度-多场动

态仿真建模挑战

（5）“源-网-荷”侧氢储能应用技术展望

在氢储能系统层面，氢储能系统仿真模型构建技术、电解水制氢

/燃料电池主动友好型电源拓扑及其控制、构网型燃料电池并网稳定

控制、电解水制氢多槽并联高效均衡控制及气液分离一对多优化匹配

技术等方面将受到关注；在“源”侧，源-网-氢-氨/醇系统所面临的

多主体协同规划与动态柔性控制技术、离网型风/光制氢在无电网支

撑下的系统运行稳定控制、容量优化配置和经济运行等技术将持续发

展；在“网”侧，探索氢储能可盈利的商业推广模式与方案将是未来

重点发展方向，兼顾制氢/燃料电池启停、动态响应特性的调频策略

也将逐步显现，此外，氢储能作为长时储能支撑电网跨时空电量平衡

将得以实现；在“荷”侧，电-氢耦合综合微能网优化配置、协同经

济运行技术、多园区/单体建筑/5G基站聚合参与虚拟电厂构建等将

成为未来技术发展要点，分布式制-储-加氢一体站系统多能耦合系统

能量管理、配网耦合分布式电源及一体站“源-网-站”协同规划设计、

多站协同虚拟电厂建设等技术的突破，将是一体站规模发展的关键。

四、结论

在含高比例可再生能源的新型电力系统建设中，氢储能技术的快

速发展与工程应用将从时空维度为系统提供全面的灵活支撑能力，如

何充分发挥氢储能优势以推进新型电力系统构建问题引起了业界学

者的普遍关注。本文首先针对氢储能在电力系统应用技术现状进行了

深入