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| 电氢耦合”的价值要体现用户的经济性，更要体现“新型电力系统”的安全性 |
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发布者：zq1229 发布时间：2024/8/30 9:31:34 阅读：62次 【字体：大 中 小】 |
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电氢耦合”的价值要体现用户的经济性，更要体现“新型电力系统”的安全性
原创 郑贤玲 产业观察者
2024年08月29日 20:27 北京
作者：郑贤玲
编辑：李铭沨
尽管《巴黎协定》后各国提出了雄心勃勃的减碳计划，但《世界能源统计年鉴（2024）》显示，过去几年世界气候变化令人沮丧，尤其是来自亚洲的中国和印度，碳排放还在持续增加；而来自电力系统的数据表明，拥堵的电网已经无法接受更多的波动电源，可再生能源进入到产能过剩和恶性竞争阶段。能源的电气化已经出现了减碳和可再生电源消纳的两难境地，而解决这一问题的核心在于建立“新型电力系统”。
2024年8月6日，国家发展改革委、国家能源局、国家数据局联合发布《加快构建新型电力系统行动方案（2024—2027年）》，8月11日，中共中央国务院关于《加快经济社会发展全面绿色转型的意见》，显然电力系统绿色转型已经迫在眉睫。
新型电力系统是以“承载实现碳达峰碳中和、确保能源电力安全”为前提，以满足经济社会发展电力需求为目标、以最大化消纳新能源为主要任务，以坚强智能电网为枢纽平台，以源网荷储互动与多能互补为支撑的电力系统。这将是一个“清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动”的能源体系。这就要求电力系统能够容纳更大规模的可再生绿色能源，一方面通过智慧能源系统提升可再生能源的上网比例，另一方面还需要建立更加灵活的分布式能源和离网消纳的机制。
我们在前面的访谈文章里提及到“离网制氢”和“电氢耦合”，这些都需电力系统二次设备技术来解决，但“电氢耦合”的经济性是摆在我们面前的一个现实的困境，这不仅需要技术创新和系统创新，更需要理念上的创新。
四方股份是一家以继电保护起家的电力自动化领域的领军企业，公司探索提高可再生能源消纳的解决方案，并涉及氢能与储能业务。为了解智慧能源对新型电力系统、特别是对可再生能源并网和离网制氢的技术支持，我本月拜访了四方股份的新能源业务团队。
——郑贤玲
四方股份（北京四方继保自动化股份有限公司）由中国首台微机继电保护装置的研制者、工程院首批院士杨奇逊教授创办于1994年，长期深耕能源电力领域，为电力的发、输、配、用、储等环节提供继电保护、自动化与控制系统、电力电子、一二次融合、智慧物联等产品及解决方案。公司是国家高科技上市企业（股票代码：601126），总部位于北京，并在武汉、保定、南京、湖州等地设立了多个研发和生产基地，在印度、菲律宾等设有海外子公司。
基于完全自主知识产权的丰富产品体系，四方股份曾荣获国家科学技术进步二等奖两项，省部级及全国社会科技奖170余项，累计获得授权发明专利810余项，软件著作权620余项，主持或参与制定超过490项国际、国家和行业标准，参与国家重点研发计划项目20余项。四方股份设有院士工作站、博士后工作站，拥有包括国家高新技术企业、国家级企业技术中心、国家技术创新示范企业、国家级制造业单项冠军企业、中国电气工业领军企业10强等荣誉资质。
产业观察者：电气化是全球能源发展的共识，但现在我们电力系统好像遇到一些问题，一方面碳达峰碳中和要求更多的低碳能源替代化石能源，而另一方面可再生能源的波动性又给电网带来巨大的冲击。所以现在需要构建承载低碳能源又确保系统安全的“新型电力系统”。公司作为继电保护设备的领先企业，是电力系统安全运行的守护者。站在您的角度，“新型电力系统”与传统电力系统最大的变化是什么？
四方股份：传统电力系统是一个以煤电为主，清洁能源逐步渗透的体系，电网传输的主要是稳定电源，通过变电技术（变压器、变流器、逆变器等）可以承载一部分波动的可再生能源。
“新型电力系统”是一个以清洁能源为主导的能源体系，未来可再生能源发电要占到60%以上，煤电将逐步由提供电力电量的主体电源转变为电力电量并重的支撑性和调节性电源。
产业观察者：也就是说传统电力系统是稳定的煤电能够抵御多大比例的波动电源，而“新型电力系统”则是要用可以储存可运输的煤炭、天然气、氢能等电源来平滑和辅助波动的可再生主体能源。氢能在未来的辅助能源中是来自可再生能源发电的自循环清洁能源。
我理解这个过渡应该是渐进的，“新型电力系统”有两个重点：一是提升电网本身的清洁电力容量，二是建立分布式能源的消纳体系。新型电力系统对电网最大的挑战是系统的稳定性和安全性，作为继电保护、电网自动化和发电厂自动化服务商，四方股份对电力结构调整带来的挑战可以提供哪些技术支持？这里有一个非常具体的技术问题，就是如何在增加可再生能源比例的同时还能够保持电网的安全稳定运行？
四方股份：四方股份一直是电力行业创新解决方案的引领者，推出了分层分布式变电站综合自动化系统，该产品之后获得北京市科技进步一等奖，国家科技奖二等奖，此外，国内市场上第一个220kV 、 500kV 、750kV 的变电站自动化系统，以及第一个 1000kV 特高压变电站自动化系统、第一个全面支持IEC61850 国际标准的变电站自动化系统产品均出自四方股份。
对于如何提升新型电力系统可再生能源的消纳比例，与此同时还能保持电网的安全稳定，有不同的技术流派，如水风光互济、发展灵活火电、加强调度协同等等。
四方股份的工作重点之一是在新能源并网点的前端提供多种解决方案，使得新能源在并网的时刻起，就具有电网友好的特性。这部分工作分为两个部分：一个部分是基于风、光、水、火，储、燃氢燃气轮机等能源发电过程控制，发展电网友好型并网控制系统；而另外一个部分，则是在可再生能源转换的界面上，谋求增加构网型能力。
公司所从事的相关研究工作和解决方案实践，对于我国新型电力系统建设来说，至关重要。
《产业观察者》：《加快构建新型电力系统行动方案（2024—2027年）》的九条行动方案，其中主网能力的提升、提高输电通道中新能源的比例、提高配电网的智能化与调度能力、电力系统则需要更强的储能技术和资源整合能力，这就需要电力系统二次设备提供更优的解决方案。我们看到，四方股份围绕新型电力系统需求、服务清洁能源开发利用，提供安全稳定、并网友好、灵活调控的升压站综合自动化系统、一二次设备集成，以及可实现无人值守、远程控制、智慧运维的新能源集控系统解决方案。
无论是并网还是离网，要解决可再生能源波动的问题，都需要稳定电源和储能来作为调节，而氢能本质是一种长时储能的方案，正因为其他储能时间都比较短，按照目前市场的习惯，通常都会将氢能区别于其他储能，电解水制氢与化工行业的耦合正在构建一个新的产业——“电氢耦合”，这对四方股份来说是从可再生能源消纳中长出的一块新业务。请问公司在“电氢耦合”上的布局如何？
四方股份：公司围绕新型电力系统需求、服务清洁能源开发利用，研发了安全稳定、并网友好的新能源二次设备集成系统，能提供可实现无人值守、远程控制、智慧运维的新能源集控系统解决方案。
在电氢耦合方面，公司开发了一体化电氢耦合调控系统，可以对绿电制氢汇集站和负荷控制站进行一体化协调控制，最大程度实现负荷的稳定调控，以及最大程度负荷电网的并网要求，从而在实现新能源消纳友好的时候，同时实现电网友好。
另外一方面，对于电氢耦合最重要的界面：制氢电源，四方股份也进行了一系列的创新研究，包括基于全控器件的制氢电源、基于IGCT的模块换并列可扩展电源、多端口电氢耦合能源路由器等。现在我们的高端电氢耦合装备，已经可以具备构网型的能力，进一步提升了四方电氢耦合系统的电网友好特性。
《产业观察者》：公司最近中标的相关项目有哪些？
四方股份：2021年度，公司中标并实施了2021年度能源领域首台（套）重大技术装备（项目）、国家先行先试全面启动源网储一体化示范项目、国内首个新一代电网友好绿色电站项目、“全国电力行业设备管理优秀典型案例”项目——三峡乌兰察布新一代电网友好绿色电站示范工程。
2023年度，公司中标我国首个千万千瓦级“沙戈荒”风光火储一体化新能源大基地项目——三峡库布齐沙戈荒先导工程项目，继续保持公司在新能源大基地的领先优势。
2023年公司完成了全球最大、海拔最高水光互补——雅砻江两河口水光互补、柯拉一期光伏项目，助力柯拉项目树立绿色低碳、安全高效的现代能源体系典范；而明阳青州海上风电项目成功并网，进一步提升了公司在大型海上风电的二次设备集成能力。
《产业观察者》：对于即将到来的新型电力系统，公司有哪些前瞻性的科研项目？
四方股份：公司近年来紧跟新型电力系统需求，重点投入适应智能化与多种能源融合发展的技术。
四方股份在氢能领域技术产品布局主要围绕基于大基地氢-电-氢耦合控制系统方案、以及电氢耦合创新储能方案展开，具体包括新能源制氢一体化监控系统、制氢IGBT（以绝缘栅型双极晶体管）和IGCT（以集成门极换流晶闸管）电源、制氢DCS（分布式控制系统）、电-氢-电耦合控制装置等。
公司在变电站数字孪生技术、宽频振荡保护控制技术、柔性直流输电技术、一二次融合技术、工业互联网平台、人工智能和信息安全等领域的创新取得重要进展；持续进行基于自主可控平台的产品研发和规模化应用工作。
公司参与的国重项目配套的慈溪氢电耦合直流微网示范工程完成离网运行试验正式投运，还参与了国家重点研发计划-紧凑型可再生能源电热氢联产系统模块关键技术的研究。
在特种电源领域，四方股份研制的超大容量新能源并网测试电源成功交付，并顺利完成海上平台的测试任务。
在柔性输配电领域，四方股份保持领先，先后中标珠海供电局、佛山供电局等多个紧凑化柔性互联重大科技项目，国网上海研究院低压台区柔性互联系统，南网科技超导储能成套变流器项目等。
《产业观察者》：四方股份的核心能力主要体现在哪里？
四方股份：主要体现在控制技术，公司围绕新能源大基地提供源网荷储/绿电制氢成套一体化系统解决方案，基于负荷多样性区分不同应用场景，包括绿电制氢、绿电制硅等。方案是以公司自主可控一体化调控平台和源网荷储核心控制装备为基础，采用全景监控、负荷预测、智能优化调度、优化协调控制等多专业融合技术的系统及方案。方案涉及发电、输用、用电多种场景。
公司产品包括一体化调控平台和协调控制装置、升压站一次、二次设备及监控软件、预制舱、储能设备、开关柜、制氢控制DCS等。
我们努力通过相关技术和核心能力协助电力系统的安全运行，并通过优化产品设计和系统方案降低新型电力系统的运行成本。
《产业观察者》：绿电制绿氢或者说“电氢耦合”是一个跨专业、跨行业的新产业，四方股份的控制技术主要在哪一端？
四方股份：目前，公司提供的解决方案主要还是在电解水制氢这个环节，针对绿电制氢控制系统，划分为电调、电控、氢调、氢控四部分功能，电调实现发用电计划和预测；电控实现风光储有功协调、氢电耦合优化平衡；氢调实现电解槽群优化分配；氢控实现制氢系统DCS全站控制、电解槽变负载温度和压力优化控制。
四方股份的大基地氢电耦合控制系统方案，通过电调、电控、氢调、氢控分层控制实现新能源柔性制氢，一方面最大程度保证了个体电解槽的制氢电源的稳定性，另外一方面最大程度保证了新能源接入负荷电网要求的各项特性和曲线。
四方股份大基地氢电耦合控制系统方案，通过模型预测等智能控制方法，实现多时间尺度新能源和制氢负荷电调氢调能量管理，实现最大消纳、最大制氢量、最低购电成本等优化目标。
在短时间尺度上，适应新能源发电的波动情况，调整制氢设备的运行功率，实现对新能源的功率响应和高效利用，从而提高新能源消纳能力。
在较长时间尺度上，根据历史数据和预测模型，提前规划制氢的规模和节奏，合理安排储能设备的充放电，以应对新能源发电的季节性和周期性变化。
通过电氢耦合实时协调控制，实现削峰填谷、荷随源动功率跟踪等不同运行模式下新能源、制氢负荷、网电之间的功率平衡。
通过风光储多源协同控制、电解槽轮换分配控制、宽范围变负载温压控制等，实现新能源制氢系统综合效率和电解槽效率提升，减少能量损失。
《产业观察者》：公司在电氢耦合领域有哪些布局？
四方股份：公司基于大基地源网荷储成套产品应用典型业绩包括南疆首个硅基新材料产业项目新疆特变电工若羌县硅基新材料源网荷储一体化调控系统，该项目由545MW新能源电站和20万吨/年高纯硅负荷构成；国内首个实现风光储场站一体化智慧集控、首个储能配置规模达到千兆瓦时的三峡乌兰察布项目，该项目申报成功2021年度国家能源领域首台（套）重大技术装备项目。
四方股份在制氢电源方面也做了技术投入，制氢电源方案包括适用于大容量电解槽的大功率电流源型制氢电源、适用于直流微电网的多端口制氢电源、以及具备电压主动支撑功能的燃料电池变换电源。
作为氢电耦合控制系统的延伸，四方股份在制氢DCS方面也做了很多研究工作，四方已经具备提供“制氢车间”全DCS解决方案的能力。
《产业观察者》：从控制系统的角度，电氢耦合还需要哪些技术攻关？
四方股份：2020年以来，公司在氢能方面先后参加多个国家重点研发项目，包括“可离网型风/光/氢燃料电池直流互联与稳定控制技术（2020年度，国家重点研发计划）”，“紧凑型可再生能源电热氢联产系统模块关键技术（2022年度，国家重点研发计划）”，“用户侧燃料电池微网集成与主动支撑电网关键技术（2023年度，国家重点研发计划）”，形成了一些绿电制氢方面的科技成果。
但现在来看，需要攻克的点还有很多，主要在于提升绿电制氢系统的电网友好特性。从特性上说，电是毫秒级的响应，光伏随着日照，在一分钟内可以发生数次变化，风机虽然有惯性，但也只能保证分钟级的变化率限制，而电解水制氢则是一种工艺过程，稳定才能可靠，这之间就是一对矛盾。
解决这个矛盾，一个有利的工具就是能量流的快速分配。在2020年国家重点研发计划《可离网型风/光/氢燃料电池直流互连与稳定控制技术》课题研究示范工程宁波慈溪氢电耦合直流微网示范工程中，四方股份为其供货全套制氢电源、燃料电池电源、多端口变流器、链式储能变流器等关键变流器设备及全套二次设备，这个系统将绿电、制氢、燃料电池构成一个有机的整体，利用多端口能源路由器实现毫秒级的功率平衡，未来如果能够提升尺度，可以有效解决制氢工艺与新能源电网之间的时间特性配合问题。
而解决这个矛盾的另外一个工具，就是具备源荷互动调配功能的绿电制氢一体化调控系统。我们可以从大时间尺度上调荷，在小时间尺度上调源调储调网，保证制氢的稳定，从而规避电氢过程响应时间上的矛盾。
四方股份在这方面已经做了不少有益的尝试，例如今年投运的南疆首个硅基新材料源网荷储一体化调控系统，该项目由545MW新能源电站和20万吨/年高纯硅负荷构成；国内首个实现风光储场站一体化智慧集控、首个储能配置规模达到千兆瓦时的三峡乌兰察布项目，该项目申报成功2021年度国家能源领域首台（套）重大技术装备项目。
《产业观察者》：全球电氢耦合项目招标很多，电解槽出货量也出现了大幅增长，但国内外真正投运的项目并不多，运行的项目效率也达不到预期。
四方股份：目前有一些绿电制氢项目，目的是利用“绿证置换”的方法，实现绿电认证，项目的目的在于“绿证”，上储能或氢能项目只是过桥，设备安装了不一定运行。
其次，当前的制氢项目一开始就在算经济账，过于注重制氢本身，期望能从制氢的成本、绿氢的应用上闭环投资的价值，制氢类项目从规划、设计、建设、运营整个链条周期较长，项目进度不好预测，项目前期投入也很大，绿氢成本还无法平替传统化工氢气，这样计算项目的投入产出肯定亏损。
再者，可再生能源产业中“强制配储”的机制导致了制氢项目成本的进一步增加。这就造成了源网荷储/绿电制氢项目，批复多但目前落地和投运项目少。
《产业观察者》：我认为现阶段氢能应用的燃料电池汽车与绿氢产业其实是两个不同的逻辑，燃料电池汽车是从上世纪70年代就开始产业化探索，其目的是要摆脱资源约束和环境约束，是要用无限的氢能替代有限的石油天然气，用低碳能源替代高碳能源。
但绿电制绿氢的目的已经是解决可再生能源消纳的问题，也就是解决电力系统自身的问题。黄震院士曾经提到过“外部成本”的概念，如果我没有理解错的话，他的意思是要从制氢给整个能源产业的安全和稳定运行的角度出发，而不是单纯考虑氢气本身的投入产出。您是从电力系统延升过来的业务，更清楚绿氢产业对新型电力系统的意义，您认为发展“电氢耦合”产业应该怎样算账？
四方股份：不错，我们实施绿电制氢，很大程度上是要利用氢来充当二次能源，以平抑新能源的波动，因此，配套新能源场和制氢负荷应当一体化考虑。具体来说：
（1）新能源消纳方面，绿电制氢可以将多余的可再生电力转化为氢气储存起来，从而有效消纳这些不稳定的电力，减轻对电网的冲击；
（2）提供储能手段方面，绿电制氢可以作为一种长期的储能方式，与电池等短期储能方式形成互补；
（3）改善电网的功率因数方面，采用基于IGBT的先进制氢电源后，可以实现四象限控制，制氢设备在运行过程中可以吸收无功功率，有助于改善电网的功率因数，提高电网的电能质量和运行效率。如果我们把注意力放到绿电制氢的电网属性上，也可以解决制氢电源技术水平较低的问题。在制氢电源方面，目前用户多关注经济性，忽视对电网的接入影响及主动支撑，在弱电网下的大规模应用可能会出现系统稳定性问题；
（4）增强新能源外送能力方面，可以构建天然气加氢气的燃气轮机系统，实现电网的灵活性，使电网在应对不同的电力需求和供应变化时更加灵活，提高电网的适应性和可靠性；
（5）缓解电网升级压力方面，随着可再生能源在电网中的比例增加，可能需要对电网进行大规模升级改造以适应其不稳定的特性，绿电制氢有助于减少这种升级改造的需求和成本。
特别的，从电氢耦合、系统效率、柔性生产角度出发，多端口能量路由器是一种小型绿电制氢的解决方案，将系统内多个母线以及制氢、燃料电池端口柔性互联，采用统一协调、统一调度的方式实现电能与氢能的灵活控制，可以很好地提升绿电制氢技术的落地。目前已经出现了个别制储加一体化的加氢站，说明这种应用也是有场景的。
《产业观察者》：您的观点让我再次刷新了认知，产业定位不同，商业模型和经济模型就会不同。“新型电力系统”是在国家能源安全、电力系统安全稳定运行和“双碳”等多重目标下催生出来的新产业，除了您比较的算大账和算小账的问题，是否还有一些资源配置上的问题？你对建议做怎样的设计效率会更高？
四方股份：近年来，各地纷纷推出了源网荷储一体化项目的实施细则，已经对绿电制氢园区的电网属性提出了一般性要求，举例来说，如：
（1）绿电制氢一体化园区如果采用离网型设计，约束较少。但离网型一体化园区，必须自行解决系统暂态稳定问题，一方面有技术挑战，另外一方面投资压力很大。
（2）绿电制氢一体化园区如果采用并网型设计，需要配置储能或者储氢来平抑波动，储能建议考虑15%、4小时；储氢如果能满足4小时制氢要求，储能配置可酌减；
（3）并网型一体化园区，总上网电量不超过20%，不允许下网；也有实际案例是允许瞬时下网40%，不允许上网。无论何种，可总结为上下网的总电量、瞬时电量是受限制的，根据各地的新能源消纳形势、系统稳定裕度来确定。
从这些要求上我们可以看出，绿电制氢园区的电网属性已经逐步得到了重视。但我作为一名电力“学生”，可以从这些要求上感觉到电网企业对于绿电制氢“又爱又恨”的态度。这些要求其实提得很低，但是不提又不行。
在实践中，随着新型电力系统建设的快速推进，对于并网型一体化园区的并网协调控制，如AGC、AVC、一次调频、旋转备用等方面的要求，也会逐渐出现。我们讲要重视绿电制氢项目的电网属性，但是经济账怎么算，如何来分摊，需要有一个统筹。而作为对四方股份这样的长期服务于电网稳定、安全的企业来说，我们会时刻准备着，提供最好的解决方案。
《产业观察者》：如果从产品上看，无论从发电设备、输变电设备、电解水设备、还是合成氨或醇化工技术都属于成熟技术，为什么这些环节组合在一起会偏离预算？“电氢耦合”在技术上存在哪些瓶颈？
四方股份：首先还是一个系统集成问题。目前在绿电制氢项目上，还存在着“能管集控”和“负控集控”两种技术路线，如果我们能在绿电制氢项目的电网属性上达成共识，那就很容易达到技术路线的统一。
绿电制氢项目，首先是电网上的一个能源平衡节点，然后才是氢化工负荷节点，必须“能管”优先，这样才能发挥好绿电制氢项目的优势，即使在未来“同时性”绿证体系完善的时候，系统依然可以发挥重大的作用。
另外，还存在一些技术瓶颈需要突破，例如波动电源制氢设备的寿命问题，电解水制氢的效率进一步提高，氢气的本质安全储存和运输也面临挑战。同时，在面向电网时，电源装备应考虑接入点的系统强度和支撑需求，为电网提供主动支撑，避免弱电网下的系统振荡或电压崩溃，或者充分考虑离网运行下的电压/频率等稳定性问题，将氢和电的稳定可靠从宏观层面的结合，才能实现系统层面的优化运行。
目前还缺乏完善的产业链及有效的协同，包括绿电的供应、电解水制氢设备的制造、氢气的储存和运输等环节都需要进一步发展和协同，包括绿电的供应、电解水制氢设备的制造、氢气的储存和运输等环节都需要进一步发展和协同。
尽管绿电成本在下降，但与传统制氢方法相比，绿电制氢的成本仍然较高，导致项目在经济上受到一定限制；市场需求不足。尽管氢气作为清洁能源具有广阔的应用前景，但目前市场对氢气的需求还相对较小，需要进一步培育和扩大市场需求。
《产业观察者》：虽然上下游的基本上都是成熟产品，但整个产业链还不成熟，从算大账到算小账，让绿氢不仅可以算大账——提供电力系统的安全性和稳定性，同时也可以算小账——实现对灰氢的替代，需要技术降本和规模降本，但这需要政府对氢能的支持来实现规模化过渡，您对发展绿氢产业的政策有哪些期待？
四方股份：我们是装备制造企业，通常是学习和贯彻宏观政策，所以这方面能够贡献的信息不多。从历史上看，电力系统在2006年到2016年经历了大规模建设特高压坚强电网的十年，上马了一大批当时看都是体量很大的项目。如果我们确认了绿电制氢项目的电网属性，也许可以借鉴当时的经验。
《产业观察者》：谢谢您，这一点您和林今教授的观点有相似之处，这个行业建立成功的商业模型很重要，也许政府集中力量可以在系统设计、资源调配和建立标杆项目上发挥更大的作用。让我们一起期待！
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