初 壯，趙 蕾，孫健浩，孫 旭

考慮熱能動態(tài)平衡的含氫儲能的綜合能源系統(tǒng)熱電優(yōu)化

初 壯，趙 蕾，孫健浩，孫 旭

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在綜合能源系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)通過熱電聯(lián)產(chǎn)機組、電鍋爐等裝置耦合，對系統(tǒng)內(nèi)電能和熱能進行協(xié)調(diào)管理，可提高系統(tǒng)的運行靈活性，為系統(tǒng)消納可再生能源提供新途徑。為此，提出了一種考慮熱能動態(tài)平衡的含氫儲能的綜合能源系統(tǒng)熱電優(yōu)化模型。首先，建立氫能系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)內(nèi)電解槽、氫燃料電池等設(shè)備進行精細(xì)化建模，挖掘氫能的利用潛力，提高了系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。然后，基于用戶對室溫要求的模糊性，引入熱功率松弛項使熱能保持動態(tài)平衡，提高了系統(tǒng)設(shè)備出力的靈活性。最后，以綜合能源系統(tǒng)運行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，以能量平衡、網(wǎng)絡(luò)安全為約束條件，建立綜合能源系統(tǒng)熱電優(yōu)化模型。仿真結(jié)果表明，所提模型可在滿足用戶用能需要的同時降低系統(tǒng)的運行成本，提高風(fēng)電消納水平。

熱能動態(tài)平衡；氫能系統(tǒng)；氫燃料電池；熱電優(yōu)化；綜合能源系統(tǒng)

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，推動能源向多元化、清潔化轉(zhuǎn)型，對構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新一代能源體系具有重要意義[1-3]。突破傳統(tǒng)能源系統(tǒng)形式，發(fā)展電、熱等多能流耦合的綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)，提高能源利用效率和可再生能源消納，已成為世界能源領(lǐng)域的必然選擇[4-6]。在IES中，電能和熱能是主要的能源形式，也是人類生產(chǎn)、生活的基本能源需求，對電能和熱能進行合理調(diào)度，可在滿足社會用能需求的同時，增加各機組可調(diào)度的空間，提高系統(tǒng)的運行靈活性[7]。

目前，面向IES的熱電優(yōu)化調(diào)度，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一定的研究，為IES的優(yōu)化運行奠定了基礎(chǔ)。近幾年來，氫燃料電池等熱電耦合設(shè)備和一些儲電、蓄熱等儲能設(shè)備逐漸在IES中得到應(yīng)用。氫能作為一種清潔低碳的二次能源，具有熱值高、來源廣、污染低及儲存運輸方便等優(yōu)點。隨著制氫技術(shù)的發(fā)展及電動汽車的普及[8-9]，氫能的需求越來越大。在制氫技術(shù)中，電解水工藝簡單，生產(chǎn)過程無污染，是制氫的重要發(fā)展途徑。通過電解水實現(xiàn)電氫轉(zhuǎn)換，將能源合理利用，形成以氫能為轉(zhuǎn)換媒介的IES，對提高系統(tǒng)經(jīng)濟性、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義[10-11]。文獻[12]考慮了P2G(power-to-gas)兩階段運行過程，結(jié)果表明P2G在促進風(fēng)電消納的同時，可提高系統(tǒng)的運行效益；文獻[13]指出利用制氫-氫燃料電池可實現(xiàn)產(chǎn)熱、產(chǎn)電一體化，并為系統(tǒng)引入新的能源，從而改變能源網(wǎng)熱電調(diào)節(jié)的靈活性；文獻[14]研究了含氫能流的綜合能源系統(tǒng)配置問題，顯著提高了能量利用率和系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。因此，在系統(tǒng)中加入制氫系統(tǒng)可調(diào)節(jié)熱電供能的靈活性，促進富余電能消納，為系統(tǒng)提供輔助調(diào)峰服務(wù)。

然而，IES中電、熱各能流動態(tài)特性差異巨大，這給熱電機組等熱電耦合設(shè)備的調(diào)度帶來了問題：一方面，電能的調(diào)度時間尺度要小于熱能的調(diào)度時間尺度，在熱能調(diào)度時間尺度內(nèi)，機組電功率多次變化，而熱功率要保持不變，這給系統(tǒng)運行調(diào)控帶來了困難；另一方面，電負(fù)荷、熱負(fù)荷存在峰谷不一致現(xiàn)象，使問題變得更加復(fù)雜。

基于此，文獻[15]從能量特性差異出發(fā)，建立了一種混合時間尺度調(diào)度模型，對電能、熱能采用不同的時間分辨率進行調(diào)度。文獻[16]建立了電-熱分時間尺度平衡的優(yōu)化調(diào)度模型。針對熱負(fù)荷高峰期導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力減弱的問題，文獻[17-19]考慮了用戶供熱需求的柔性和供熱網(wǎng)的儲熱特性，利用電、熱能流的互補特性提升IES的運行靈活性。文獻[20]基于用戶對供熱舒適度感知的模糊性，建立了熱負(fù)荷需求響應(yīng)不確定性模型。文獻[21]將室內(nèi)熱負(fù)荷曲線轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷區(qū)間，使熱負(fù)荷成為一種柔性可調(diào)負(fù)荷，進而參與熱需求響應(yīng)。以上研究證明，熱負(fù)荷表現(xiàn)為用戶的溫度需求。當(dāng)熱能供需差較小時，室溫沒有明顯變化，對用戶舒適度影響極小，這一特點使其可作為調(diào)度資源參與優(yōu)化調(diào)度，且無須增加投資。文獻[22]從熱網(wǎng)側(cè)熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電耦合關(guān)系、供暖與電力負(fù)荷峰谷矛盾出發(fā)，利用采暖負(fù)荷熱動態(tài)特性，松弛熱功率實時平衡約束，緩解了熱電解耦約束。文獻[23]在水溫約束中引入自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對水溫約束進行松弛化處理，使系統(tǒng)利用熱動態(tài)特性最大程度地消納風(fēng)電。可見，在熱力系統(tǒng)能量平衡約束中引入熱功率松弛項，松弛熱功率實時平衡約束，提高系統(tǒng)的靈活性與經(jīng)濟性，是熱電優(yōu)化要解決的關(guān)鍵問題。

綜合上述分析，本文在引入氫能系統(tǒng)的同時考慮了熱能動態(tài)平衡，研究了二者相互作用對于IES的經(jīng)濟性、風(fēng)電消納及靈活性等方面的影響。首先，分析氫能在IES中的利用機理，建立氫能系統(tǒng)模型，分析源側(cè)、網(wǎng)側(cè)能流特性；其次，基于用戶對供熱溫度的感知具有模糊性，引入熱功率松弛因子，將熱力系統(tǒng)作為調(diào)度資源參與系統(tǒng)調(diào)度，并引入靈活性指標(biāo)，用以考察各機組可調(diào)節(jié)能力的變化；最后，建立IES熱電優(yōu)化調(diào)度模型。仿真結(jié)果表明，兩者同時作用可在滿足用能需求的同時提升系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

1 綜合能源系統(tǒng)運行框架

IES的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，“源”端包括上級電網(wǎng)、上級氣網(wǎng)、風(fēng)機和光伏，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備主要包括燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t、電鍋爐和氫能系統(tǒng)等。儲能裝置包括儲氫罐、儲熱罐。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C為熱電聯(lián)產(chǎn)機組，可以在消耗天然氣的同時產(chǎn)生電能和熱能；電鍋爐將高峰時的風(fēng)電或低價電能轉(zhuǎn)換為熱能；而氫能系統(tǒng)中包括電解槽和氫燃料電池等熱電氫耦合元件，電解槽可將富余的電能通過電解水產(chǎn)生氫氣，傳輸給氫燃料電池產(chǎn)生電能和熱能，緊密地將電-熱耦合起來，通過調(diào)整各個設(shè)備的出力使得整個系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài)。

在IES運行時，電負(fù)荷首先由風(fēng)電、光伏進行供應(yīng)，不足的部分由上級電網(wǎng)、燃?xì)廨啓C及余熱發(fā)電裝置進行補充。在用電低谷期，電鍋爐和電解槽開始運行，以促進富余風(fēng)電或低價電能上網(wǎng)，實現(xiàn)風(fēng)電全部消納；在用電高峰期，電價處于峰段，為減少向上級電網(wǎng)購電，電鍋爐和電解槽不工作，由燃?xì)廨啓C供電。熱負(fù)荷主要由燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐進行供應(yīng)，在用熱高峰時，為降低供熱壓力，電鍋爐、氫燃料電池及儲熱罐承擔(dān)部分熱負(fù)荷，以滿足較高的供熱需求。

2 氫能系統(tǒng)模型

2.1 氫能系統(tǒng)工作原理

在清潔能源充裕時，利用電制氫技術(shù)將富余的清潔能源進行轉(zhuǎn)換和存儲，是消納棄風(fēng)和優(yōu)化風(fēng)電調(diào)度的重要技術(shù)手段。氫能系統(tǒng)包括電解水制氫環(huán)節(jié)、氫轉(zhuǎn)電環(huán)節(jié)、氫氣甲烷化環(huán)節(jié)與儲氫環(huán)節(jié)，其工作原理如圖2所示。

圖2 氫能系統(tǒng)工作原理

然而，在氫能系統(tǒng)中，氫轉(zhuǎn)電環(huán)節(jié)產(chǎn)生的其他能量被輔助設(shè)備消耗或轉(zhuǎn)化為熱能散失。為提高氫能系統(tǒng)能源利用效率，可將余熱進行利用，氫能系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能源自燃料電池電堆。本文充分考慮其熱電耦合關(guān)系，對電解槽和燃料電池進行建模并將氫氣、天然氣等統(tǒng)一折算為功率量綱。

2.2 電解水制氫環(huán)節(jié)

在電解槽中，電力通過電解的方式將水分解為氫氣和氧氣。電氫功率關(guān)系可表示為

2.3 氫轉(zhuǎn)電熱環(huán)節(jié)

氫燃料電池可實現(xiàn)氫能與熱能、電能之間的耦合，本文中電解水生成的氫氣是氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)的唯一來源，構(gòu)建氫燃料電池模型為

氫燃料電池產(chǎn)生的熱能經(jīng)換熱器傳遞給熱網(wǎng)，傳遞到熱網(wǎng)的熱能為

2.4 氫氣甲烷化環(huán)節(jié)

電解槽產(chǎn)生的氫氣可利用甲烷反應(yīng)器實現(xiàn)氫-甲烷的轉(zhuǎn)化，制取的甲烷可注入天然氣網(wǎng)或供應(yīng)其他燃?xì)鈾C組。氫能由氫燃料電池轉(zhuǎn)化為電、熱能，相比于轉(zhuǎn)化為天然氣后再經(jīng)由燃?xì)鈾C組燃燒供應(yīng)，減少了能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，可降低梯級轉(zhuǎn)化造成的能量損耗，且氫能的能效高于天然氣，不會產(chǎn)生碳排放，故本文不考慮氫-甲烷環(huán)節(jié)。

2.5 儲氫環(huán)節(jié)

電解水制氫環(huán)節(jié)產(chǎn)生的氫氣，一部分輸入到甲烷反應(yīng)器制取甲烷，一部分經(jīng)由氫燃料電池產(chǎn)生電能和熱能，剩余的經(jīng)由儲氫罐進行存儲。儲氫罐模型可表示為

3 綜合能源系統(tǒng)建模

3.1 熱力系統(tǒng)

典型的熱力系統(tǒng)主要由熱源、熱網(wǎng)、熱交換站和熱負(fù)荷共同組成，負(fù)責(zé)熱能的生產(chǎn)、傳輸、交換和使用。熱力系統(tǒng)供熱管網(wǎng)分為一次管網(wǎng)和二次管網(wǎng)，二者通過熱交換站進行熱量交換。熱交換站在一次管網(wǎng)中為熱負(fù)荷，在二次管網(wǎng)中為熱源，如圖3所示。熱力系統(tǒng)中一次管網(wǎng)相當(dāng)于傳輸系統(tǒng)，二次管網(wǎng)相當(dāng)于分配系統(tǒng)。由于二次管網(wǎng)較短，能耗可以忽略，故本文僅考慮一次管網(wǎng)，將熱交換站作為熱負(fù)荷分析。熱網(wǎng)由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的供熱管網(wǎng)和回?zé)峁芫W(wǎng)組成，傳熱介質(zhì)通過供熱管網(wǎng)將熱源產(chǎn)生的熱能傳輸給熱負(fù)荷，然后通過回?zé)峁芫W(wǎng)傳送到熱源，由此形成循環(huán)回路。

圖3 熱力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

由于熱力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在一定相似性，故將熱源、熱交換站和管道連接點看作節(jié)點，管道作為支路，管道內(nèi)水的流動方向定義為支路方向，對熱力系統(tǒng)進行建模。

3.1.1熱能動態(tài)平衡模型

由于用戶對供熱溫度的感知具有一定模糊性，在一定范圍內(nèi)改變供熱溫度不會影響用戶的用熱體驗。由ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，人體對熱的感知可由預(yù)計熱舒適度PMV指標(biāo)評定，當(dāng)PMV處于±1之間時，對用戶舒適度影響不大[24]。對此，可以引入熱功率松弛項，在一定范圍內(nèi)對供熱量的大小進行松弛化處理，選取以某時段內(nèi)供熱總量平衡的方式進行熱能優(yōu)化。即有

同時為避免在優(yōu)化時出現(xiàn)室溫總處于下限的情況，需要對平均溫度進行約束，以保證供熱質(zhì)量[16]，其表達式為

3.1.2供熱管道模型

供熱管道的運行工況通常用節(jié)點流量連續(xù)性方程、節(jié)點溫度混合方程、供熱管道溫度損失方程和供水及回水溫度約束條件進行描述，詳見文獻[18]。

3.1.3設(shè)備模型

1) 燃?xì)忮仩t模型

燃?xì)忮仩t通過燃燒天然氣產(chǎn)生熱能，其模型為

2) 儲熱裝置

在IES中，儲熱裝置可將低谷時多余熱能進行存儲并在負(fù)荷高峰時釋放，具有削峰填谷的作用。

(1) 儲放熱功率約束

(2) 狀態(tài)約束

3.2 電力系統(tǒng)

為降低系統(tǒng)的求解難度，本文電力網(wǎng)絡(luò)潮流模型采用直流潮流模型，不考慮電網(wǎng)的無功功率約束及電壓幅值約束。具體方程為

3.3 電熱耦合系統(tǒng)

3.3.1燃?xì)廨啓C模型

在熱電優(yōu)化調(diào)度中，燃?xì)廨啓C在產(chǎn)電的過程中，可利用余熱鍋爐收集輸出的熱能，供給熱負(fù)荷實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。然而，傳統(tǒng)的供能方式中供電與供熱相互耦合，無法與熱、電負(fù)荷實現(xiàn)最優(yōu)的供能比。基于有機朗肯循環(huán)(organic ranking cycle, ORC)的余熱發(fā)電裝置可以利用燃?xì)廨啓C在發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱進行發(fā)電，通過促進余熱消納的方式改善系統(tǒng)的熱電耦合性能，其運行結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 燃?xì)廨啓C運行結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C的總輸出功率為

燃?xì)廨啓C的發(fā)電、余熱功率模型為

燃?xì)廨啓C發(fā)電后產(chǎn)生的余熱一部分經(jīng)余熱鍋爐回收，供給熱負(fù)荷；另一部分經(jīng)ORC余熱發(fā)電裝置進行發(fā)電，供給電負(fù)荷。其數(shù)學(xué)模型為

3.3.2氫能系統(tǒng)模型(見式(1)—式(4))。

3.3.3電鍋爐模型

電鍋爐可將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能進行供熱，以提升系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。其轉(zhuǎn)換模型為

3.4 系統(tǒng)的靈活性評估

綜合能源系統(tǒng)的靈活性可表示為系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)可調(diào)度資源維持實時能量供需平衡的能力[26]。本文以系統(tǒng)的調(diào)節(jié)容量作為系統(tǒng)靈活性的評估指標(biāo)，其值越大，說明系統(tǒng)應(yīng)對供需側(cè)資源波動的能力越強。系統(tǒng)的靈活性可表示為

4 IES調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所構(gòu)建的IES優(yōu)化調(diào)度模型是在滿足電、熱負(fù)荷及電力、熱力系統(tǒng)安全約束的前提下，通過最優(yōu)分配各設(shè)備出力及儲能裝置出力，使系統(tǒng)整體經(jīng)濟性達到最優(yōu)。為了提高風(fēng)、光消納，在系統(tǒng)運行成本中加入棄風(fēng)、棄光懲罰費用，其目標(biāo)函數(shù)為

1) 購能成本

2) 運行維護成本

3) 棄風(fēng)、棄光懲罰成本

4.2 約束條件

4.2.1電力系統(tǒng)約束

1) 風(fēng)光出力約束

2) 電網(wǎng)潮流約束

3) 電網(wǎng)功率平衡約束

4.2.2熱力系統(tǒng)約束

1) 熱力網(wǎng)絡(luò)約束(見式(5)—式(10))。

2) 熱網(wǎng)功率平衡約束

4.2.3設(shè)備運行約束

1) 爬坡約束

2) 設(shè)備容量約束

4.2.4其他約束

1) 氣網(wǎng)交互功率約束

2) 氫平衡約束

求解所建模型前需確定優(yōu)化問題的控制變量及狀態(tài)變量?？刂谱兞考磧?yōu)化變量，包括購氣量、購電量、各設(shè)備的供電供熱量、熱力系統(tǒng)熱負(fù)荷、熱網(wǎng)各節(jié)點供回水溫度及儲能裝置的儲能量等；狀態(tài)變量受控制變量的調(diào)節(jié)，主要包括燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C的耗氣量、氫燃料電池的耗氫量、電網(wǎng)各節(jié)點電壓及支路功率等。

4.3 模型線性化處理

本文所建模型中，燃?xì)廨啓C的熱電效率為三次函數(shù)，故為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。在對模型求解時，將燃?xì)廨啓C熱電聯(lián)產(chǎn)模型先進行分段線性化處理，然后再進行分段平均化處理，對每個分段區(qū)間，調(diào)度模型變?yōu)榛旌险麛?shù)線性規(guī)劃問題。在對模型求解時，使用Yalmip工具箱中的Cplex求解器針對優(yōu)化問題在Matlab中快速求解。

5 算例分析

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為驗證算法的有效性，對圖1所示的綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度分析。本文算例采用改進的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)與8節(jié)點熱網(wǎng)耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。電網(wǎng)線路參數(shù)見IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)模型，并將各負(fù)荷參數(shù)擴大到1.2倍[27]；熱網(wǎng)管道參數(shù)及負(fù)荷分布見文獻[28]，總負(fù)荷為2.78 MW。

圖5 綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5.2 場景設(shè)置

為對比分析本文所提模型對IES優(yōu)化結(jié)果的影響，設(shè)置以下4種場景，如表1所示。表中“√”和“×”分別表示考慮和不考慮該因素的影響。

5.2.1不同場景下的系統(tǒng)運行成本分析

4種場景下的運行成本對比如表2所示。由表2可知，場景4的系統(tǒng)總運行成本最低，且棄風(fēng)光懲罰為0，相較于場景1，總運行成本減少了5484.4元，由此可見考慮熱能動態(tài)平衡與氫能系統(tǒng)可為IES提供能源優(yōu)化空間。場景2比場景1總運行成本低的原因主要在于：場景2考慮了熱能動態(tài)平衡，熱能供需無需保持時刻平衡，利用電負(fù)荷和熱負(fù)荷的互補特性，調(diào)整各階段機組出力，系統(tǒng)各設(shè)備出力相對靈活，從而降低系統(tǒng)運行成本。而場景3相比于場景1總運行成本低的主要原因在于：場景3充分考慮了氫能各能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，有效挖掘了氫能的利用潛力，而氫能供能的主要來源是上級電網(wǎng)在低谷電價購電和在夜間富余風(fēng)電，減少了購氣費用。

圖6 典型日電負(fù)荷及風(fēng)光預(yù)測曲線

圖7 熱負(fù)荷及環(huán)境溫度曲線

表1 場景對比

表2 4種場景下運行成本對比

5.2.2風(fēng)電消納率分析

4種場景下的風(fēng)電消納率如圖8所示。在08：00—18：00時段內(nèi)，系統(tǒng)電負(fù)荷水平較高、熱負(fù)荷較低，日間可用風(fēng)電較少，因此電網(wǎng)可充分消納風(fēng)電；在18：00—23：00時段內(nèi)，風(fēng)電出力逐漸升高，此時電負(fù)荷處于高峰狀態(tài)，可實現(xiàn)風(fēng)電全部消納。

圖8 風(fēng)電消納率對比

在00：00—06：00時段內(nèi)，場景1與場景2未加入氫能系統(tǒng)，由于風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，此時段風(fēng)電處于高發(fā)期，而用戶用電處于低谷期，風(fēng)電一部分被電負(fù)荷直接消納，一部分經(jīng)由電鍋爐轉(zhuǎn)化為熱能，供應(yīng)給熱負(fù)荷。雖然場景2考慮了熱能動態(tài)平衡，使棄風(fēng)量略微減少，但還是產(chǎn)生了棄風(fēng)現(xiàn)象。而場景3與場景4，IES將富余的風(fēng)電輸入電解槽中，使棄風(fēng)量大為減少。相比于場景3，場景4考慮了熱能動態(tài)平衡，兩者相互配合實現(xiàn)了風(fēng)電的全部消納。經(jīng)分析，說明考慮加入氫能系統(tǒng)比熱能動態(tài)平衡對風(fēng)電消納的效果更為明顯。

5.2.3各場景下系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果分析

圖9為不同場景下各設(shè)備最優(yōu)電出力情況。在10：00—15：00時段，光伏出力較大，電能主要以風(fēng)電、光伏為主，燃?xì)廨啓C不工作；22：00—07：00時段為風(fēng)電高發(fā)期，為促進風(fēng)電上網(wǎng)，電鍋爐開始運行，將夜間富余風(fēng)電轉(zhuǎn)換為熱能，但場景1還是產(chǎn)生了棄風(fēng)現(xiàn)象；而場景3加入了氫能系統(tǒng)，電解槽可將低谷時段電能和富余風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫能，相當(dāng)于將此時段的富余風(fēng)電進行存儲。在系統(tǒng)中，電解槽是唯一的氫能來源，處于長期開機狀態(tài)，以供給氫燃料供熱、發(fā)電所需氫能。而燃?xì)廨啓C主要負(fù)責(zé)在電負(fù)荷高峰時進行調(diào)峰發(fā)電，在15：00—22：00時段，電負(fù)荷需求逐漸升高，電負(fù)荷達到高峰，而電價處于峰段，為減少向上級購電，電解槽及氫燃料電池減少出力甚至不出力，燃?xì)廨啓C開始工作。

圖10為不同場景下各設(shè)備最優(yōu)熱出力情況。場景1與場景2主要熱能供應(yīng)由燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐承擔(dān)；夜間為風(fēng)電高發(fā)期，為滿足較高的熱負(fù)荷需求，電鍋爐將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低購氣量。場景3、場景4加入了氫能系統(tǒng)，在風(fēng)電高發(fā)期和電價低谷期，氫燃料電池承擔(dān)了部分熱負(fù)荷，減少了燃?xì)忮仩t的熱出力。場景2與場景4考慮了熱能動態(tài)平衡，引入熱功率松弛項，此時系統(tǒng)的供需時刻無需保持平衡，各設(shè)備熱出力相對靈活，降低了熱負(fù)荷峰谷差。

場景4在加入氫能系統(tǒng)的同時考慮了熱能動態(tài)平衡，一方面緩解了夜間高熱負(fù)荷與風(fēng)電高峰間的矛盾，有效提高了風(fēng)電上網(wǎng)空間；另一方面，將熱負(fù)荷作為調(diào)度資源參與系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，提高了熱負(fù)荷的靈活性，從而挖掘了系統(tǒng)的調(diào)峰潛力。兩者同時作用，在保證用戶用能需求的前提下，降低了系統(tǒng)棄風(fēng)成本及用能成本，可實現(xiàn)風(fēng)電的全額消納，最終使系統(tǒng)一天內(nèi)的運行成本降低。

5.2.4最優(yōu)調(diào)度結(jié)果下靈活性評估

不同場景下系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)如表3所示。與場景1相比，場景2、場景3與場景4的總靈活性都有所提高。場景2與場景1相比，電出力機組的向下靈活性有所下降，說明在考慮熱能動態(tài)平衡后，犧牲了部分電出力機組的靈活性，但在整個調(diào)度過程中，熱出力機組獲得了更大的靈活性，總體調(diào)節(jié)靈活性有所上升。場景3和場景4由于加入了氫能系統(tǒng)，熱出力機組與電出力機組都有了更大的調(diào)節(jié)靈活性。場景4同時考慮了熱能動態(tài)平衡和氫能系統(tǒng)，具有最大的靈活性和調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)應(yīng)對供需側(cè)資源波動的能力最強。

表3 4種場景下系統(tǒng)靈活性指標(biāo)

5.2.5熱負(fù)荷與凈供熱功率對比

如圖11所示，考慮熱能動態(tài)平衡后，熱力系統(tǒng)的凈供熱功率曲線和熱負(fù)荷曲線不完全同步，系統(tǒng)需根據(jù)凈供熱功率曲線合理安排各設(shè)備出力。在熱負(fù)荷高峰時，系統(tǒng)將供應(yīng)不足的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷期，以緩解調(diào)峰壓力，從而降低系統(tǒng)的運行費用。例如，01：00—06：00為全天電負(fù)荷最低谷、熱負(fù)荷最高峰，富余的風(fēng)電通過電鍋爐轉(zhuǎn)化為熱能，為緩解調(diào)峰壓力，在滿足用戶舒適度的同時，將此時段的高峰熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移到10：00—15：00熱負(fù)荷低谷時段。

由圖11可以看出，場景2與場景4雖然都考慮了熱能動態(tài)平衡，但其供熱量在有些時刻是不同的，這是因為場景4在考慮熱能動態(tài)平衡的同時加入了氫能系統(tǒng)，在一定程度上調(diào)整了系統(tǒng)的供能方式。尤其在20：00—22：00時段，場景2的供熱量較高，場景4供熱量與熱負(fù)荷保持相同，這是因為此時段的電價較高，為了減少運行成本，氫能系統(tǒng)減少出力，導(dǎo)致供熱量較少。而場景2中熱能主要依靠燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐供熱，在這種運行方式下系統(tǒng)供能不受購電電價的影響，為了平衡熱負(fù)荷，在夜間高峰時減少供熱量，此時段供熱量較高。

圖11 凈供熱功率與熱負(fù)荷對比

由此可以看出考慮熱能動態(tài)平衡后，各設(shè)備熱出力不僅受熱負(fù)荷峰谷特性的影響，還受系統(tǒng)供能方式的影響。系統(tǒng)通過靈活調(diào)節(jié)各設(shè)備供熱量，使系統(tǒng)保持經(jīng)濟性最優(yōu)。

5.2.6熱能動態(tài)平衡對供水溫度的影響

圖12、圖13分別為場景3和場景4中熱網(wǎng)各節(jié)點的供水溫度變化。由圖12可知，不考慮熱能動態(tài)平衡時，熱源節(jié)點1供水溫度變化趨勢與熱負(fù)荷需求基本相同。由圖13可知，考慮熱能動態(tài)平衡后，節(jié)點1夜間供水溫度較高，這是因為此時段熱負(fù)荷需求較高，為滿足熱需求，與風(fēng)電電氣距離較近的電鍋爐開始運行，提高了節(jié)點溫度，消納了更多棄風(fēng)；而在10：00—15：00時段，節(jié)點1的供水溫度最低，此時熱負(fù)荷需求最小，供熱僅靠燃?xì)忮仩t和氫燃料電池維持，電鍋爐不出力。在15：00—21：00時段，節(jié)點7供水溫度較高，這是因為此時段熱負(fù)荷需求逐漸升高，為了維持供熱管網(wǎng)平衡，余熱鍋爐開始運行。

圖12 場景3各節(jié)點供水溫度

圖13 場景4各節(jié)點供水溫度

6 結(jié)論

本文從電熱耦合特性出發(fā)，加入氫能系統(tǒng)，并利用IES中電熱的優(yōu)勢互補特性，考慮了用戶供熱需求的柔性，兩者同時作用，緩解了夜間高熱負(fù)荷與風(fēng)電高峰間的矛盾，挖掘了系統(tǒng)的調(diào)峰潛力。通過算例分析，得到以下結(jié)論。

1) 在系統(tǒng)中，建立氫能精細(xì)化模型，研究氫能的多方面效益，利用氫燃料電池的電熱特性，發(fā)揮氫能高能效的優(yōu)勢，減少能量損耗，并改善了系統(tǒng)熱電調(diào)節(jié)的靈活性，促進了風(fēng)電消納，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2) 將熱力系統(tǒng)作為可調(diào)度資源，利用熱網(wǎng)的熱能動態(tài)平衡特性可提高綜合能源系統(tǒng)的用能靈活性，降低熱負(fù)荷的峰谷差，在確保用能需要的同時進一步降低系統(tǒng)運行成本。

3) 本文所提出的調(diào)度模型為日前優(yōu)化調(diào)度模型，雖提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，但沒有考慮具體的能量調(diào)控策略。在IES實際運行時，還需根據(jù)當(dāng)前風(fēng)光出力、負(fù)荷需求等進行實時調(diào)控，這是后續(xù)研究的重點。

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Thermoelectric optimization of an integrated energy system with hydrogen energy storage considering thermal energy dynamic balance

CHU Zhuang, ZHAO Lei, SUN Jianhao, SUN Xu

(School of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China)

In an integrated energy system, the power and thermal systems are coupled by combined heat and power units, electric boilers and other devices. Coordination in the management of electricity and heat in the system can improve operational flexibility and provide a new way of absorbing renewable energy. To this end, this paper proposes a thermoelectric optimization model for an integrated energy system with hydrogen storage considering dynamic thermal balance. First, a hydrogen energy system model is established, in which a refined model is formulated of electrolyzers, hydrogen fuel cells and other equipment in the system. It fully taps the utilization potential of hydrogen energy to improve operational economy. Second,based on the ambiguity of user requirements for room temperatures, thermal power relaxation terms are introduced to maintain thermal energy dynamic balance and improve the flexibility of equipment output. Finally, a thermoelectric optimal dispatch model of integrated energy systems is established, in which minimizing operating cost of an integrated energy system is taken as the objective function, and the energy balances and network securities are taken as the constraints. The simulation results show that the proposed model can reduce the operating cost and improvewind power consumption while meeting user energy demand.

thermal energy dynamic balance; hydrogen energy system; hydrogen fuel cell; thermoelectric optimization; integrated energy system

10.19783/j.cnki.pspc.220758

國家自然科學(xué)基金項目資助(52077030)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077030).

2022-03-31；

2022-08-25

初 壯(1973—)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行及配電網(wǎng)運行分析；E-mail: chuzhuang@ hotmail.com

趙 蕾(1999—)，女，通信作者，碩士研究生，研究方向為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。E-mail: zhaolei321666@ 163.com

(編輯 姜新麗)