韓華春，李 強(qiáng)，袁曉冬

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

大力推動(dòng)以綠色低碳可再生能源為主體的新型能源系統(tǒng)是全世界各國(guó)的努力方向和必然選擇[1-3]。然而相比傳統(tǒng)火力發(fā)電，以風(fēng)電光伏為主的可再生能源發(fā)電具有極大的波動(dòng)性和間歇性,導(dǎo)致中國(guó)在發(fā)展可再生能源進(jìn)程中面臨較大的可再生能源發(fā)電消納問題[4]。據(jù)國(guó)家能源局公開資料，中國(guó)在2016—2018年中“三棄”電量達(dá)1 000億kW·h以上，每年相當(dāng)于棄掉一個(gè)三峽電站全年發(fā)電量[5]。“三棄”問題在2018年以后開始逐年緩解，但是“3060”碳目標(biāo)的提出使得以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源在未來呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[6]。因此，需采用儲(chǔ)能技術(shù)、需求側(cè)管理和擴(kuò)建輸電基礎(chǔ)設(shè)施等措施來提升可再生能源的利用水平。

電轉(zhuǎn)氣(氫)技術(shù)作為一種新型的能源轉(zhuǎn)換方式，有利于可再生能源消納，近些年得到廣泛地研究與關(guān)注[7-8]。文獻(xiàn)[9]研究了考慮電轉(zhuǎn)氣設(shè)備和風(fēng)電場(chǎng)協(xié)同擴(kuò)建的電氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，可有效地減少輸電線路阻塞和輸電線路的過度投建；文獻(xiàn)[10]評(píng)估了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對(duì)提升電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)的可靠性及提升風(fēng)電消納能力的作用；文獻(xiàn)[11]進(jìn)一步建立針對(duì)計(jì)及電轉(zhuǎn)氣綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以上結(jié)果表明，將富余電能轉(zhuǎn)化為甲烷，注入現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)傳輸或終端消納，是現(xiàn)階段較為經(jīng)濟(jì)且便利的方式。然而，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)需經(jīng)歷電轉(zhuǎn)氫和氫合成甲烷2個(gè)過程，整體轉(zhuǎn)化效率較低，僅在特定條件下具備盈利空間。

考慮近些年國(guó)家對(duì)加氫站及氫燃料電池的補(bǔ)貼與扶持，氫作為一種終端能源在交通、化工、發(fā)電和供熱等領(lǐng)域具備巨大的應(yīng)用潛力[12-14]。相比電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，電制氫技術(shù)不需進(jìn)行二氧化碳加氫合成甲烷反應(yīng)，能源轉(zhuǎn)化效率更高。文獻(xiàn)[15]從全網(wǎng)集中式調(diào)度角度出發(fā)，建立了精細(xì)化的電制氫模型，研究包含火電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和制氫設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度方法；文獻(xiàn)[16]提出一種面向高比例可再生能源消納的以電和氫為能源載體的電氫能源系統(tǒng)，力圖探索適合未來人類社會(huì)的能源系統(tǒng)形態(tài)；文獻(xiàn)[17]從多利益主體角度出發(fā)，基于納什談判理論建立了風(fēng)—光—?dú)涠嘀黧w合作運(yùn)行模型，并采用交替方向乘子法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[18]評(píng)述了風(fēng)電耦合制氫的技術(shù)進(jìn)展，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于利用氫能長(zhǎng)周期大規(guī)模儲(chǔ)能與多元化終端應(yīng)用來平抑風(fēng)電的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性和間歇性，并且從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行策略制定以及全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)三方面對(duì)風(fēng)電耦合制氫前景給出發(fā)展方向建議。以上研究表明，計(jì)及終端氫需求后，電制氫相比電轉(zhuǎn)氣更加經(jīng)濟(jì)高效。然而，已有研究主要在給定的氫需求前提下探討電制氫對(duì)能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行及可再生能源消納的作用，尚未有研究關(guān)注多時(shí)間尺度柔性氫需求，即保證小時(shí)級(jí)、天級(jí)、周級(jí)等不同時(shí)間尺度下的穩(wěn)定氫供應(yīng)對(duì)能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響。

氫作為終端能源應(yīng)用于交通、工業(yè)、發(fā)電、建筑供熱等不同領(lǐng)域時(shí)，在能源供需的時(shí)間尺度上要求不一：比如氫經(jīng)燃料電池發(fā)電時(shí)需滿足實(shí)時(shí)穩(wěn)定的氫供應(yīng)，而用于部分工業(yè)企業(yè)時(shí)只需滿足天級(jí)以上的氫需求量即可[19]。因此，如何利用不同終端需求自身的氫存儲(chǔ)能力，優(yōu)化區(qū)域綜合能源系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以具有需求響應(yīng)能力的柔性氫需求為出發(fā)點(diǎn)，研究柔性氫需求對(duì)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，為未來氫能供應(yīng)鏈建設(shè)及與電力系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系提供一定的參考。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)建模

考慮如圖1所示的簡(jiǎn)化區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)自身配置分布式光伏發(fā)電設(shè)備，并與上級(jí)電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行電能交易，來滿足區(qū)域內(nèi)的電負(fù)荷需求。此外，該系統(tǒng)還配置了電制氫設(shè)備，可將電能轉(zhuǎn)化為氫能來滿足區(qū)域內(nèi)的氫需求。本文分別對(duì)分布式光伏、電制氫、需求側(cè)響應(yīng)和柔性氫需求建模，并給出該優(yōu)化調(diào)度模型的表現(xiàn)形式。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of regional integrated energy systems

1.1 分布式光伏建模

分布式光伏出力具有隨機(jī)性。為保證區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，假定分布式光伏的出力需在一定的置信水平η以內(nèi)，即

(1)

(2)

式中φ(·)為光伏累積分布函數(shù)，并可以改寫為以下標(biāo)準(zhǔn)形式：

(3)

式中φa(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)的累積分布函數(shù)，其與φ(·)的物理意義相同，只是表現(xiàn)形式有所區(qū)別。

因此，在一定的置信水平η，光伏實(shí)際出力需滿足以下約束：

(4)

1.2 電力需求側(cè)響應(yīng)

需求側(cè)響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的削峰填谷，可提升電力系統(tǒng)供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。電負(fù)荷分為基準(zhǔn)負(fù)荷與可轉(zhuǎn)移負(fù)荷，其中假定基準(zhǔn)負(fù)荷是固定且不可調(diào)整的，而可轉(zhuǎn)移負(fù)荷可基于實(shí)際需求在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出，具體為

(5)

(6)

(7)

(8)

1.3 電制氫設(shè)備建模

電制氫技術(shù)是通過電解驅(qū)動(dòng)水生成氫氣與氧氣，其本身輸入輸出特性比較復(fù)雜，呈現(xiàn)非線性特征[20]?？紤]電制氫設(shè)備具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，一般情況下，其轉(zhuǎn)化效率受負(fù)載水平影響很小，因此表征電制氫設(shè)備的輸入輸出關(guān)系和電制氫設(shè)備的輸入電功率采用如下約束：

(9)

(10)

1.4 柔性氫需求

不同于終端電用戶可實(shí)時(shí)從電網(wǎng)獲取電能，終端氫用戶往往需要一定容量的氫存儲(chǔ)能力，比如氫燃料電池車、合成氨廠和煉鋼廠等。不同質(zhì)量氫所包含的能量及用途如圖2所示。由圖2可知，5 kg氫可滿足1輛氫燃料電池車(Toyota Mirai)行駛500 km，22 kg氫相當(dāng)于一臺(tái)50 kW電解槽一天的產(chǎn)量，25 kg氫可滿足一輛氫燃料電池大巴(Toyota Sora)行駛200 km，200～500 kg氫為一座加氫站的加注能力，而3.3 t氫存儲(chǔ)的能量等于目前世界上最大的電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的存儲(chǔ)容量(Hornsdale Power Reserve,129 MW·h)。以上結(jié)果表明，不同的氫需求均需配置相應(yīng)容量的氫存儲(chǔ)設(shè)備。

圖2 不同質(zhì)量氫所包含的能量及用途Figure 2 Energy and uses of hydrogen with different masses

柔性氫需求特指具備一定的氫存儲(chǔ)能力，對(duì)供氫的時(shí)間要求不同的多類型氫用戶，比如某些企業(yè)需保證每天的供氫量相同，而另一些企業(yè)自身有一定的存儲(chǔ)能力，只需保證每周的供氫量一致。在保證安全穩(wěn)定的氫供應(yīng)前提下，根據(jù)每i小時(shí)間隔的總供氫量保持一致的要求，柔性氫需求約束為

(11)

式中 ΔPh為每i小時(shí)間隔的總供氫量。

1.5 優(yōu)化模型

(12)

約束包含功率平衡約束：

(13)

電網(wǎng)交互約束：

(14)

(15)

(16)

優(yōu)化模型還包含光伏出力約束式(4)、需求側(cè)響應(yīng)約束式(5)～(8)、電制氫設(shè)備輸入功率約束式(9)、(10)和柔性氫需求約束式(11)。模型輸入為電負(fù)荷、價(jià)格和系統(tǒng)參數(shù)，模型輸出為與電網(wǎng)交互電功率、轉(zhuǎn)移電功率和設(shè)備運(yùn)行功率。該優(yōu)化模型屬于典型的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可采用商業(yè)求解器Cplex等直接求解。

2 優(yōu)化結(jié)果分析

2.1 算例簡(jiǎn)介

以如圖1所示的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行算例仿真，來驗(yàn)證本文所提模型的有效性。為使仿真結(jié)果更具實(shí)用性，通過采集中國(guó)東部沿海某地區(qū)的小時(shí)級(jí)年電力負(fù)荷曲線作為電負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的PVWatts Calculator計(jì)算年小時(shí)級(jí)單位光伏發(fā)電數(shù)據(jù)。電負(fù)荷和光伏出力具體如圖3所示。此外，電解槽的電氫轉(zhuǎn)換效率為0.613，即每生產(chǎn)1 kg氫需消耗54.3 kM·h電，設(shè)備容量為2 MW，最小負(fù)載水平為0.1[21]；需求側(cè)響應(yīng)中的最大可轉(zhuǎn)移負(fù)荷系數(shù)設(shè)置為0.2。與上級(jí)電網(wǎng)的購售電價(jià)如表1所示。

圖3 電負(fù)荷和單位光伏出力Figure 3 Electric load and unit PV output

表1 價(jià)格參數(shù)Table 1 Price Parameter

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 不同光伏消納比例下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

首先將柔性氫需求的供氫時(shí)間尺度分別設(shè)置為1、6、12、24、168 h，對(duì)應(yīng)的氫需求分別為12.5 kg/h、75.0 kg/6 h、150.0 kg/12 h、300.0 kg/24 h和2 100.0 kg/168 h，研究從小時(shí)級(jí)到周級(jí)尺度下氫需求對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響。為了探究柔性氫需求在不同光伏消納比例中的作用，圖4分別給出光伏配置容量分別為10、15、20 MW下不同柔性氫需求的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比情況。由圖4可知，在不同光伏配置容量下，系統(tǒng)年運(yùn)行成本均隨著供氫時(shí)間尺度的增加而降低。隨著時(shí)間尺度從1 h到6 h，系統(tǒng)的購電成本在不同光伏配置容量下均大幅降低，進(jìn)而使系統(tǒng)總費(fèi)用降低；隨著時(shí)間尺度從6 h到168 h，系統(tǒng)的成本降低逐漸放緩，后期變化很小。以上說明在該系統(tǒng)中，一個(gè)6 h的氫儲(chǔ)氫設(shè)備可有效地提升系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和經(jīng)濟(jì)性。從整體上可知，隨著柔性氫需求供氫時(shí)間尺度的增加，系統(tǒng)購電費(fèi)用、售電費(fèi)用和補(bǔ)貼費(fèi)用均逐漸降低，這有利于緩解對(duì)上級(jí)電網(wǎng)和需求側(cè)響應(yīng)的依賴作用。

圖4 不同光伏消納比例下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Figure 4 Economic comparison under different PV integrations

2.2.2 運(yùn)行場(chǎng)景分析

為了研究不同供氫時(shí)間尺度氫需求對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，圖5～7進(jìn)一步給出15 MW光伏配置容量下電制氫輸入電功率、與電網(wǎng)交互電功率和轉(zhuǎn)移電功率在不同供氫時(shí)間尺度下隨時(shí)間的變化。由圖5可知，在1 h氫需求約束中，電解槽需保持恒功率運(yùn)行來滿足實(shí)時(shí)的用氫需求。當(dāng)時(shí)間尺度增加到6 h時(shí)，電解槽運(yùn)行靈活性迅速提升，在一天的調(diào)度周期內(nèi)主要工作于03：00—04：00、11：00—12：00、14：00—15：00、23：00—24:00電價(jià)低谷和光伏出力高峰時(shí)段，因此系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有所提升，但電解槽啟停過于頻繁(一天內(nèi)啟停3次，其中電解槽由零電功率輸入到有電功率輸入再到無電功率輸入為一次啟停)。而隨著時(shí)間尺度的進(jìn)一步增加，電解槽進(jìn)一步集中于在中午時(shí)段以額定功率進(jìn)行工作，且在一個(gè)典型日內(nèi)只啟停一次。由圖6可知，不同時(shí)間尺度下系統(tǒng)主要在08：00—18:00時(shí)段向上級(jí)電網(wǎng)售電，而在其他時(shí)刻從上級(jí)電網(wǎng)買電。除了時(shí)間尺度6 h下部分時(shí)段從上級(jí)電網(wǎng)的購電功率波動(dòng)較大外，整體上隨著時(shí)間尺度的增加，系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)的交互功率更加平緩。由圖7可知，不同時(shí)間尺度下系統(tǒng)主要將其他時(shí)段的電負(fù)荷需求轉(zhuǎn)移到08：00—17:00時(shí)段光伏出力高峰時(shí)段，且通過需求側(cè)響應(yīng)曲線可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間尺度為1 h時(shí)波動(dòng)最大，隨后隨著時(shí)間尺度增加波動(dòng)越來越小。由以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著氫需求時(shí)間尺度逐漸增大(終端存儲(chǔ)能力逐漸增強(qiáng))，系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行、與上級(jí)電網(wǎng)交易和需求側(cè)響應(yīng)等方面效果顯著。

圖5 不同供氫時(shí)間尺度下的電制氫運(yùn)行分析Figure 5 Operating results of electrolyzes under different hydrogen supply time scales

圖6 不同供氫時(shí)間尺度下與電網(wǎng)交互電功率Figure 6 Operating results of trading power with upper-grid under different hydrogen supply time scales

圖7 不同供氫時(shí)間尺度下的轉(zhuǎn)移電功率Figure 7 Operating results of transfer power under different hydrogen supply time scales

3 結(jié)語

為了研究不同時(shí)間尺度柔性氫需求對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響，本文建立了包含柔性氫需求、需求側(cè)響應(yīng)和光伏出力的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，結(jié)果表明：不同光伏配置下，隨著氫需求時(shí)間尺度逐漸增大，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性逐漸提高，并在設(shè)備運(yùn)行、與上級(jí)電網(wǎng)交易和需求側(cè)響應(yīng)等方面具有優(yōu)勢(shì)。

柔性氫需求有利于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中新能源和氫能發(fā)展，這可為以后普及以電和氫為終端需求的綜合能源系統(tǒng)提供一定的指導(dǎo)作用。通過用能終端的氫存儲(chǔ)增大氫需求的時(shí)間尺度，可自下而上地支撐電制氫的靈活性制氫，有效地提升區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在可再生能源消納，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)和需求側(cè)響應(yīng)的依賴作用，并有效提升系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性。