可再生能源多能互补制氢系统的能源形式包括太阳能、水能、风能、潮汐能、生物质能和氢能等，近年来，我国风电并网、水电装机、光伏产业及生物质能等可再生能源利用方面发展迅猛，已经走在世界的前列，但是由于可再生能源本身的间歇、随机、波动等特性，使得电网抗波动能力不足，无法保证系统安全运行，再加上地域限制、消纳能力等因素导致弃风、弃水、弃光问题明显。
为了提升能源系统利用效率及地方消纳能力，综合考虑系统经济性、电网安全性、用户舒适性，我国提出了实施多能互补系统集成优化工程，在能量供给端将各种可再生能源进行整合，在能量输出端将冷、热、电、气等系统进行耦合优化，推动能量供给方式转向低碳高效、就地利用、便捷用户，加快推进能源结构的转变。
当前可再生能源多能互补制氢技术发展尚不成熟，在能源互补及制氢技术等各个环节中都存在很多问题，需要重点发展并亟待解决的关键技术包括多能源的协调控制策略、储能及容量配置、能量管理、电解水制氢技术等。
1 多能互补系统协调控制策略
多能互补系统中能源形式多样，电源及储能装置的耦合对系统的平稳运行条件提高了要求，因此多能互补协调控制策略的研究成为重中之重，不仅要考虑可再生能源、电网、储能、负荷等相结合的方式，还要依靠协调控制策略使能源互补系统实现安全可靠、清洁高效、经济便民等指标。
多能互补系统控制策略不仅需要考虑对可再生能源发电量及负荷消耗等的预测结果，同时，还要考虑本地区的电价、气价等相关情况，优化调度可再生能源系统，实现多种能量的互补调度。
随着分布式可再生能源不断规模化接入电网，电网的频率控制越发困难，国内外学者将预测控制、自适应控制、深度学习等各种算法应用到能源互补发电系统中。
针对目前多能互补发电技术及其相关评价指标缺乏对经济性的考虑，依据灰色预测模型及Weibull 分布模型进行功率预测，提出了一种综合多指标的多能互补策略。
针对可再生能源存在的随机性、波动性给电网带来的强扰动问题，提出了基于比例优先级的采样机制的深度强化学习算法，提高了控制性能及收敛速度，对区域化能源进行最优协调控制，并实现了多能互补系统安全运行。
针对环境效益、经济效益的考虑，对多能互补系统进行优化，通过建立多能互补综合系统混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming, MILP）模型，提出了最优混合潮流算法，研究了综合能源系统规划方法、调度策略、消纳能力等。为了确保多能互补系统达到计划指标，以互补系数为桥梁联合子系统和综合发电系统，建立了全面客观的日内时间尺度综合能源互补系统评价体系。
现阶段，多能互补系统控制技术包括能源接入影响及其控制策略、多能互补优化运行技术、多能互补分层控制技术等方面。而在多能互补优化运行的过程中需要充分考虑能源出力的不确定性、能源的功率调节约束性以及储能等设备的时间转移特性，兼顾可再生能源与柔性负荷两类可控资源。
目前针对可再生能源多能互补系统协同控制策略的研究还处于起步阶段，虽然研究人员在此方面已经进行了一些研究，但是随着各种可再生能源发电技术的不断进步，多能互补系统协调控制的研究难度将不断增加，因此针对多能互补系统不同能源之间存在时间、空间上的差异，综合考虑安全、经济、高效等指标的协同控制策略的研究是必然的。
2 储能及容量配置
我国对可再生能源的研究略晚于西方国家，因此在基础设施及核心技术上存在差距，特别是随着可再生能源多能互补系统的兴起，因能源利用率不高，导致经济效益、环境效益等方面相较于西方发达国家的差异更加明显，而多能互补系统的初衷就在于能源协调互补、节约能源，这也就使得储能技术及其容量配置成为多能互补系统的核心基础，加速了可再生能源的大规模应用。
针对可再生能源的储能技术，改善了风能、太阳能等能源的波动性、间歇性对系统安全稳定的影响，对多能互补系统的发展起到了重要作用。
目前，按照储能形式将应用在可再生能源中的储能装置分为：机械储能（抽水蓄能等）、电化学储能（锂离子电池等）、电磁储能（超级电容器等）、储热、储氢等。
电-氢转换技术能够实现电能与氢能之间的相互转换，相较于其他的储能方式，制氢技术提高了可再生能源的利用率，为能源消纳提供了新的途径，减少了化石燃料的消耗；作为清洁的化工原料，氢气还可以制成燃料电池，转换为电能，储氢技术完成了能量储存及后续的清洁利用，是未来储能方式的重要研究方向。
储氢技术优势巨大，前景广阔，但是由于是近几年的新兴技术，在储氢材料、机理等方面仍存在许多的不足，例如，相同压力的氢气体积是汽油的30倍，而如果继续压缩，则会造成成本昂贵，且安全隐患较大。国内外研究人员为此进行了大量的研究，着重对固态储氢的材料进行总结归纳，并对材料的机理、优缺点进行了比较，提出两种竞争力较强的材料——类碳结构材料和金属及合金材料。
通过对石墨材料的进一步研究，得到新的具有特殊功能的碳基结构，分别是富勒烯和纳米管结构。通过将氢气存储在金属中得到金属氢化物，这种方式被广泛地应用到了许多小型便携式装置领域。此外，其他的氢储能技术也在飞速发展，如多孔材料、液态氢载体、复合氢化物、金属间氢化物等材料和能量的电化学存储、热能存储等技术，越来越多具有储氢潜力的材料和技术将会被发现，促进能源的可持续性发展。
储能系统的功能强大，但是不合理操作可能会导致系统内元件损耗，严重情况下会发生火灾。为了保障系统的安全运行，降低运行成本，需要合理配置各种能源的产能、储存及消纳过程。对多能互补系统的储能容量、功率分配进行合理规划，提高整个系统的经济效益是研究重点之一。
储能系统的运行方式主要有孤岛运行和并网运行两种。
有学者建立了风能、太阳能、电能及氢能等能量互补的多能互补系统，针对孤岛模式下的风电功率模型、光电功率模型、储能系统功率模型等模型，以预测功率、预测负荷、降低运营成本为目标，利用弱鲁棒、多目标求解等优化方法，提出了孤岛运行模式下的多能互补系统容量配置策略，实现了孤岛运行利用最大化及容量最佳配置。
有学者依据菲律宾岛屿对可再生能源互补系统的容量配置方案进行研究，考虑了成本、占地面积等因素，采用熵权重和“与理想解决方案相似的顺序偏好技术”（Technique for Order Preference by Similiarity to Ideal Solution, TOPSIS）方法来评估最佳容量配置，并将其思想应用到了其他离网系统中。
有学者以多能协调优化、最佳运行效益为出发点，在简化的多能互补系统模型中，采用多目标粒子群优化算法，对储能系统的容量配置及经济效益进行了深入研究，并结合相应的示范工程，对其配置方案进行了验证。
有学者提出了一种配电网中考虑经济性和高效性的双层优化配置方法，并且在此基础上实现了短期运行优化布点，使得优化配置方法更符合实际运行情况。
有学者使用遗传算法针对气候、经济等多目标进行优化，考虑了初始成本、生命周期成本和电源概率损失等因素，实现了可再生能源系统的最优化容量配置。
通过研究发现，采用多种可再生能源互补的方式制氢是可行的。传统的储能技术存在寿命短，容量小的缺点，而多种可再生能源制氢储能方式具有运输方便、容量高等优点。储氢方式、储氢材料及容量配置的优化使得可再生能源大范围存储率提高。多种可再生能源互补制氢的存储方式为能量的存储提供了新的解决途径。
针对能源种类不同的多能互补系统，其容量优化方案也存在差异。目前的容量配置方案大多结合以往较为传统的储能系统，或者单一能源下的风电制氢储能、光电制氢储能等，大规模的可再生能源互补系统制氢储能的研究甚少，氢的存储仍然是个挑战，将氢灵活地制成可存储九洲官网(中国)股份有限公司能够提高可再生能源制氢的使用效率。因此，氢能作为未来发展前景广阔的储能方式，制氢储能与多能互补系统的深度耦合利用等技术将是未来的主要研究方向。
3 能量管理
能量管理系统涵盖电网、可再生能源、负荷、储能等能量流，并通过信息流对其进行规划调控，是可再生能源多能互补系统中的重要组成，有利于保障多能互补系统的安全稳定运行。
目前传统电力行业的能量管理系统经过几十年的发展已趋于成熟，由于多能互补系统中包含多种可再生能源，能源自身存在随机性、波动性，各种能源多能耦合时又存在时间、空间上差异，传统的能源管理系统作用不大，为了实现能源的高效利用、能源之间的协同出力及负荷的合理分配，对其进行检测和控制十分必要，因此，亟需在多能互补系统能量管理方面进行深入研究。
可再生能源多能互补系统能量管理方面的研究才刚刚起步，建立系统的理论基础及管理系统还需要研究人员的共同努力。
詹国敏等基于风/光/柴/储能源系统，在考虑各式能源设备的运行约束条件下，提出了一种在并/离网状态下均能稳定运行的能量管理控制策略，在并网下削峰填谷、峰谷套利，在离网下限制功率、自动吸收，对于系统长期稳定运行，延长设备寿命，降低运行成本等方面意义重大。
赵川等基于目前兴起的大数据，搭建了完整的多能互补能量管理系统，完成了多能互补能量管理系统的LINUX 操作系统、NOSOL 数据库及控制器等软硬件设计，构建的能量管理系统，效率比之前提高25%，证明了设计的多能互补能量管理系统具备极高的有效性，同时还指出系统存在的不足，下一步的研究还在进行当中。
同时，分层次分阶段的多互联多能互补系统协同自主优化也是目前广受关注的研究方法之一，有学者基于主动控制的双层两阶段框架，实现能源之间的最优能源供应，一方面授权每个独立的能源系统进行优化，以独立地满足本地需求，并相互协作，获得了能源互联的优点，提出的“两阶段TC框架”保证了协作以分布式和可扩展的方式进行，并且收敛速度很快。
有学者提出了一种两阶段最优协调策略，以提取预测结果作为上层模型，以实际结果作为下层模型，并通过混沌算法改进粒子群算法，实现了多种能量形式的最优协同供应，并使得多能互补系统的经济效益实现了最大化。
目前的多能耦合能量管理系统发展前景广阔，未来的研究重点将集中在多能互补能量管理系统结合目前大数据和智能自主优化设计。在未来，多能互补制氢系统需要更加细化，考虑更多的运行约束条件，考虑多能互补系统从并网到独立运行之间的平稳过渡，同时，精确预测负荷变化才能给能量管理提供可靠依据，保证系统经济性和安全性。
4 电解水制氢技术
在可再生能源互补系统中，将产生的电能利用电解水技术制成氢气和氧气，制得的气体直接供给负荷或者转换为电能并入电网，提高了互补系统能源的利用率，解决了弃电问题，还可以保障电力系统的安全稳定运行，是未来可再生能源大规模化的必由之路。对此，我国及其他一些欧美国家也进行了深入的研究，并在一些项目上加以应用，建立了示范性工程。
电解水技术设备简单、技术成熟、无污染，已经在工业中得以应用，但是因为其成本高、效率低、能耗大等关键问题限制了电解水制氢技术的广泛推广。可再生能源互补系统的发展，对于电解水制氢技术的发展起到了很好的推动作用，降低电解过程的能耗，提高能源转换效率成为目前亟需解决的问题，为此研究人员进行了大量的工作。
依据电解质种类，可以分为碱性、质子交换膜、固体氧化物三种。三种典型制氢技术的对比见表1。传统的碱性电解质制氢不需要昂贵的催化剂且寿命较长，但电能损耗大，难以快速关闭或启动，制氢效率低，不能与具有快速波动特性的可再生能源配合，限制了其应用范围。
与碱性电解质制氢方式相比，质子交换膜避免了使用强碱性液体电解质所带来的缺点，同时，紧凑精简的体积降低了电解池的欧姆电阻，大幅提高了电解池的整体性能，运行电流密度是碱性电解槽的4倍以上，宽范围的运行电流密度更有利于配合可再生能源的波动性，具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低和可实现更高的产气压力等优势，而且，是制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一。
质子交换膜大多采用成本较高的贵金属，而且在使用过程中会降解损耗，主要通过降低催化剂载量、开发合金催化剂等途径降低成本。现阶段催化剂、电解池材料的成本较高，主要解决途径是提高电解池的效率，即，提高膜材料、催化剂与扩散层材料的技术水平。
有学者针对目前聚合物质子交换膜催化剂有限和厚度问题，制造了一种具有三种先进界面特性的不同微孔层的材料，由经济性较高的钛粉制成，改善了交换膜的界面性能和表面粗糙度，使得催化剂利用率提高了3倍。固体氧化物电解水采用固体氧化物作为电解质材料，工作温度在400~1000℃，可以利用热量进行电氢转换，具有能量转换效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点，因而效率可以达到100%。还可与光热发电厂协调配合，使所有输入能源完全为可再生能源。
现阶段，固体氧化物电解水技术处于实验阶段，在电解模式下存在较大的损耗，需要研发新材料来降低损失，提高其在高温下的耐用性。为了提高在中等温度（600~800℃）下固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer, SOEC）中镍基阴极的性能，制备了镍铁双金属阴极，获得了在相同电池电动势下更高的电流及良好的稳定性。为了提高离子电导率，降低电解过程的能耗，获得最大的电压稳定性，使用合成的聚合物电解质制备了双电层电容器，减少了主体聚合物中的结晶，减小了损耗。
表1 三种典型制氢技术对比
对于电解水制氢技术来说，碱性电解水价格低廉，但是能效低；质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解水成本高、耐久性差、无法大规模使用；固体电解水要求工作在较高温度下，目前还在实验室阶段。
在未来，碱性电解水和PEM水电解的成本降幅有限，但仍有投资成本优势，初期经济性更为明显，所以，未来碱性电解水与PEM水电解的研究重点在于成本、效率和灵活性之间的平衡。此外，发展新的低成本、高效率的电解体系也是有效途径。
