基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

岑有奎， 任建文*， 張豪林

(1.華北電力大學(xué)電力工程系， 保定 071003； 2.國網(wǎng)山東省電力有限公司煙臺供電公司， 煙臺 264000)

近年來，可再生能源發(fā)電并網(wǎng)容量不斷升高，并且“十四五”期間新能源仍將繼續(xù)快速發(fā)展[1]。電力系統(tǒng)逐步向高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的趨勢發(fā)展[2-3]。“雙高”背景下，風(fēng)電消納問題顯著。為緩解風(fēng)力發(fā)電的消納困難局面，實(shí)現(xiàn)國家CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值、努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，需要發(fā)展清潔高效的儲能方式[4]。現(xiàn)階段儲能方式主要分為物理式儲能和化學(xué)式儲能兩大類，其中前者的思路是以動(dòng)能或勢能的形式將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化儲存，如飛輪儲能，抽水蓄能等。而飛輪儲能的容量較小，抽水蓄能等儲能方式對自然環(huán)境要求比較高，通過物理方式儲能受限于各種因素。相比之下化學(xué)儲能應(yīng)用范圍更廣?；瘜W(xué)儲能指將電能儲存于蓄電池、超級電容等器件或者基于電化學(xué)技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如電解制氫，煤化工等。將風(fēng)電電能轉(zhuǎn)換為氫能，是一種新的風(fēng)電儲能思路[5-6]。氫能作為一種清潔、高效的能源形式，可以二次利用且無污染，適合大規(guī)模存儲和運(yùn)輸[7]。各種工業(yè)制氫方法中，電解水制氫目前應(yīng)用比較廣泛，具有控制靈活、產(chǎn)氫品質(zhì)較高的特點(diǎn)。將電解水制氫與風(fēng)電耦合，結(jié)合燃料電池的使用，可提高風(fēng)電的品質(zhì)，促進(jìn)風(fēng)電消納，增加風(fēng)電綜合效益。

近年來風(fēng)氫耦合發(fā)電技術(shù)取得了長足發(fā)展。文獻(xiàn)[8]在現(xiàn)有電轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建氫能-天然氣混合儲能，驗(yàn)證了含氫能-天然氣混合儲能電-氣綜合能源微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性。文獻(xiàn)[9]提出的含電制氫裝置的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型同時(shí)滿足了多種形式的負(fù)荷需求。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建的含制氫儲能的電-氣綜合能源經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。文獻(xiàn)[11]考慮了氫能的交互轉(zhuǎn)換，提出了相關(guān)的綜合能源微網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度方法。文獻(xiàn)[12]以儲能經(jīng)濟(jì)效益最大、能量損耗最小以及儲能調(diào)度參與下微網(wǎng)與外網(wǎng)間功率波動(dòng)最小等為目標(biāo)，提出一種電熱氫多元儲能優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[13]提出的由虛擬電廠和虛擬制氫中心構(gòu)成的虛擬棄風(fēng)-制氫聯(lián)合體在促進(jìn)棄風(fēng)消納、降低制氫成本和碳排放等方面具有顯著效果。當(dāng)前，關(guān)于風(fēng)電制氫儲能參與電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究，更多的文獻(xiàn)僅將制氫儲能視為綜合能源系統(tǒng)中多元儲能的一部分，或僅將電轉(zhuǎn)氫視為電轉(zhuǎn)氣過程的中間環(huán)節(jié)來分析其作用，未能充分發(fā)揮制氫儲能參與消納大規(guī)模清潔能源發(fā)電的優(yōu)越性，且大部分研究未考慮清潔能源發(fā)電的不確定性。

首先考慮到風(fēng)電出力的不確定性，采用考慮保守度可調(diào)的魯棒優(yōu)化盒式集合來描述風(fēng)電出力。在此基礎(chǔ)上，以降低系統(tǒng)成本和提高風(fēng)電消納為目標(biāo)，建立了考慮風(fēng)電出力不確定性的優(yōu)化調(diào)度模型。以期利用氫儲能來提升風(fēng)電消納、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，并且向外界出售氫氣，增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的建模

1.1 風(fēng)電出力的不確定性的建模

(1)

考慮到空間集群效應(yīng)和時(shí)間平滑效應(yīng)，分別對每個(gè)調(diào)度時(shí)段加入對所有風(fēng)電場出力預(yù)測總體偏差量的限制，以及對特定的風(fēng)電場加入對所有時(shí)段出力預(yù)測總體偏差量的限制。

(2)

(3)

(4)

(5)

綜上可得描述風(fēng)電出力的集合PW為

(6)

由于式(6)表示的集合是多面體，若ΓS若ΓS和ΓT取整數(shù)，其所刻畫的不確定性最壞的情況必定會發(fā)生在極點(diǎn)上，因此只需考慮多面體的極點(diǎn)集，可表示為

(7)

1.2 基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

氫儲能系統(tǒng)主要由電解槽(electrolyzer, EL)、燃料電池(fuel cell, FC)和儲氫罐(hydrogen tank, HT)組成[15]。圖1為基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)仍以火電為主。風(fēng)電通過輸電工程并入電網(wǎng)。富余的風(fēng)電出力可用于電解水生產(chǎn)氫氣，壓縮儲存在高壓儲氫設(shè)備中，以此來減少棄風(fēng)。儲存于儲氫罐的氫氣可運(yùn)送到加氫站售出，也可以在風(fēng)電出力不足時(shí)通過燃料電池再發(fā)電補(bǔ)充上網(wǎng)，以滿足負(fù)荷需求。

1.3 氫儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

(8)

(9)

(10)

2 基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

所建立的模型旨在利用氫儲能來提升風(fēng)電消納、降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，并且向外界出售氫氣，增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。目標(biāo)函數(shù)為

minF=F1-FH

(11)

F1=FG+FW+FC

(12)

式(12)中：F1為系統(tǒng)總運(yùn)行成本；FH為系統(tǒng)對外售氫的收益；FG為火電機(jī)組運(yùn)行成本；FW為棄風(fēng)懲罰成本；FC為壓縮儲存氫氣成本。

(13)

(14)

(15)

(16)

2.2 約束條件

(1)風(fēng)電出力約束。

(17)

(2)火力發(fā)電機(jī)組約束?；鹆Πl(fā)電機(jī)組約束包括輸出功率上下限約束，最小啟停時(shí)間約束，上、下爬坡約束以及正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束分別為

(18)

(19)

-Rd≤Pi,t-Pi,t-1≤Ru

(20)

(21)

(22)

(3)氫儲能部分相關(guān)約束。燃料電池、電解槽輸出功率上下限約束、氫氣儲存量的上下限約束、氫氣存儲平衡約束分別為

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(4)功率平衡約束。

(28)

上述優(yōu)化調(diào)度模型中，風(fēng)電出力均為未考慮不確定性的預(yù)測值。為了更加貼近實(shí)際情況，需另建立考慮風(fēng)電出力不確定性的弱魯棒優(yōu)化調(diào)度模型以做對比，只需將風(fēng)電出力預(yù)測值置換為用弱魯棒優(yōu)化描述的實(shí)際出力值，其他部分一致，不復(fù)贅述。

3 模型求解

所建立的基于氫儲能的含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型為混合整數(shù)規(guī)劃模型，可在MATLAB R2015b平臺上利用GUROBI 9.0.3求解器進(jìn)行求解。具體步驟如下。

步驟1輸入次日電、氫負(fù)荷預(yù)測值和風(fēng)電預(yù)測出力。

步驟2輸入火電機(jī)組參數(shù)、氫儲能設(shè)備參數(shù)。根據(jù)次日電、氫負(fù)荷預(yù)測值和風(fēng)電預(yù)測出力，考慮設(shè)備的相關(guān)約束條件，以盡量降低系統(tǒng)成本、增加風(fēng)電消納為目標(biāo)，制定火力機(jī)組、氫儲能設(shè)備次日的啟停計(jì)劃和出力計(jì)劃，設(shè)置風(fēng)電的入網(wǎng)功率。

步驟3利用弱魯棒優(yōu)化描述風(fēng)電出力的不確定性，建立考慮風(fēng)電出力不確定性的弱魯棒優(yōu)化調(diào)度模型并求解，制定相應(yīng)的調(diào)度計(jì)劃以應(yīng)對可能由風(fēng)電出力不確定性帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

4 算例分析

所建立的優(yōu)化調(diào)度模型包括10臺常規(guī)機(jī)組，一個(gè)風(fēng)電場和一個(gè)制氫儲能系統(tǒng)?；鹆C(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[17]，具體如表1所示。風(fēng)電場以某總裝機(jī)容量為400 MW的風(fēng)電集群為例。氫儲能系統(tǒng)的容量設(shè)為50 MW[18]，氫儲能系統(tǒng)參數(shù)參考文獻(xiàn)[16]，具體如表2所示。氫氣售價(jià)設(shè)為35 元/kg。當(dāng)?shù)仉娯?fù)荷和氫負(fù)荷[8]相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2所示。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，該地區(qū)風(fēng)電出力相關(guān)預(yù)測數(shù)據(jù)如圖3所示。設(shè)置魯棒保守度調(diào)節(jié)因子為0.5。每1小時(shí)為1個(gè)調(diào)度時(shí)段，一共24 h。

為了更好地分析氫儲能降低棄風(fēng)以及系統(tǒng)運(yùn)行成本的作用，對比是否考慮風(fēng)電出力的不確定性對該系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響，設(shè)置了以下3個(gè)情景。

情景1不含氫儲能系統(tǒng)，不考慮風(fēng)電出力不確定性。

表1 火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Table 1 Parameters of thermal units

表2 氫儲能系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Hydrogen energy storage system parameters

圖2 負(fù)荷需求Fig.2 Load demand

圖3 風(fēng)電場出力Fig.3 Output of the wind farm

情景2含氫儲能系統(tǒng)，不考慮風(fēng)電出力不確定性。

情景3含氫儲能系統(tǒng)，考慮風(fēng)電出力不確定性。

另外，為進(jìn)一步體現(xiàn)氫儲能的經(jīng)濟(jì)性，于情景3設(shè)置氫儲能系統(tǒng)對外售氫。由于當(dāng)?shù)貧湄?fù)荷需求量設(shè)為確定值，且只占系統(tǒng)儲氫量很小一部分，是否售氫對系統(tǒng)運(yùn)行的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此并不影響情景2、情景3相互對照。

4.1 風(fēng)電消納量和系統(tǒng)各部分出力分析

圖4為風(fēng)電出力預(yù)測值、情景1、情景2、情景3實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度風(fēng)功率、情景3風(fēng)電實(shí)際出力隨時(shí)間變化曲線。

圖4 各個(gè)情景中的風(fēng)電相關(guān)出力Fig.4 Wind power related output in various scenarios

圖4中，在時(shí)段0:00—6:00，該地區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁但是當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求較低。對比情景1、情景2電網(wǎng)調(diào)度風(fēng)功率曲線可看出，由于風(fēng)電的反調(diào)峰特性，情景1在該時(shí)段的棄風(fēng)量比較大，而情景2基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的全額消納。這是因?yàn)榍榫?中不含氫儲能系統(tǒng)，而情景2中的氫儲能設(shè)備能利用多余的風(fēng)電電解水制造氫氣，提高了風(fēng)電的利用率。另外，由于情景3中考慮了風(fēng)電出力的不確定性，情景3風(fēng)電實(shí)際出力曲線與風(fēng)電預(yù)測值曲線并不完全重合，這是因?yàn)闆Q策者以更加謹(jǐn)慎保守的態(tài)度應(yīng)對風(fēng)電出力不確定性的變化，風(fēng)電的實(shí)際出力與其預(yù)測值存在著一定的偏差。

圖5描述了情景2中系統(tǒng)各部分設(shè)備的出力及負(fù)荷需求隨時(shí)間的變化。

圖5 情景2中系統(tǒng)各部分出力及負(fù)荷需求Fig.5 Output of each part of the system and the load demand in scenario 2

時(shí)段0:00—5:00中，風(fēng)力強(qiáng)勁但負(fù)荷需求不高，情景2中的風(fēng)電制氫裝置利用富余的風(fēng)電通過電解槽電解水生產(chǎn)氫氣，經(jīng)壓縮存儲到儲氫設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換與存儲，減少了風(fēng)電的浪費(fèi)。而在當(dāng)天的其他時(shí)段，該地區(qū)的負(fù)荷需求增加，燃料電池利用儲存的氫氣發(fā)電滿足電力負(fù)荷需求。

4.2 風(fēng)電出力的表示形式對系統(tǒng)的影響

表3為情景3中不同的風(fēng)電表示形式對系統(tǒng)的影響。與不考慮風(fēng)電出力不確定性的情況相比，以弱魯棒優(yōu)化方法來描述風(fēng)電出力使得棄風(fēng)量增大、系統(tǒng)成本升高，這是因?yàn)檫@種情況下風(fēng)電出力更加貼合實(shí)際情況，系統(tǒng)需另外付出成本來應(yīng)對可能由風(fēng)電波動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。而以傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法來描述風(fēng)電出力時(shí)系統(tǒng)的棄風(fēng)量和成本最高，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)魯棒優(yōu)化設(shè)定風(fēng)電運(yùn)行在條件最惡劣的情況下，風(fēng)電出力波動(dòng)最大，系統(tǒng)為增強(qiáng)應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)能力所付出的成本也最高。相較于傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化，弱魯棒優(yōu)化方法同時(shí)考慮了解的魯棒性和經(jīng)濟(jì)性，降低了問題求解的保守度。

圖6為情景3中魯棒保守度調(diào)節(jié)因子的變化對系統(tǒng)成本的影響?？梢婔敯舯Ｊ囟日{(diào)節(jié)因子越大，系統(tǒng)總成本越高，這是因?yàn)檎{(diào)度員對風(fēng)電出力持更保守的態(tài)度來應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)魯棒保守度調(diào)節(jié)因子取0則相當(dāng)于忽略了風(fēng)電出力的不確定性，視風(fēng)電實(shí)際出力等于預(yù)測值；當(dāng)取1時(shí)，風(fēng)電出力變化范圍最大，調(diào)度決策最為保守，一定程度上犧牲了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性來加強(qiáng)魯棒性，系統(tǒng)有更強(qiáng)的能力來應(yīng)對未知風(fēng)險(xiǎn)。

表3 不同風(fēng)電表示形式對系統(tǒng)的影響Table 3 Impact of different forms of wind power on the system

圖6 魯棒保守度調(diào)節(jié)因子對系統(tǒng)的影響Fig.6 Impact of the robust conservation adjustment factor on the system

4.3 不同情景中系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

由情景1與情景2對比(表4)可知，系統(tǒng)中引入制氫儲能設(shè)備參與調(diào)度降低了火電成本，減輕了火力機(jī)組的調(diào)峰壓力，從而減少溫室氣體排放量，有助于中國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。制氫儲能顯著地提高了風(fēng)電消納水平，從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。由情景2與情景3對比可知，當(dāng)考慮風(fēng)電出力的不確定性時(shí)，系統(tǒng)的總運(yùn)行成本略微升高，這是因?yàn)橄到y(tǒng)需付出更大的成本以應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。由情景3可知，系統(tǒng)對外出售氫氣帶來的收益降低了系統(tǒng)的總成本。除此之外，從長遠(yuǎn)角度看，制氫儲能為當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)或公共交通系統(tǒng)等終端產(chǎn)業(yè)提供氫氣，可帶動(dòng)當(dāng)?shù)仄渌嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，體現(xiàn)了氫儲能相較于其他形式儲能的又一優(yōu)點(diǎn)。

表4 不同情景中系統(tǒng)的成本和收益Table 4 System costs and benefits in different scenarios

5 結(jié)論

為應(yīng)對“雙高”背景下風(fēng)電消納困難問題以及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，結(jié)合風(fēng)電制氫這種新興的儲能方式，提出了基于風(fēng)電制氫的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。得出如下結(jié)論。

(1)相比于風(fēng)電場獨(dú)自發(fā)電上網(wǎng)，引入制氫儲能設(shè)備后系統(tǒng)充分利用棄風(fēng)，有效消納風(fēng)電，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與儲存，降低了火力機(jī)組的發(fā)電成本，減輕了火力機(jī)組的調(diào)峰壓力。同時(shí)相較于其他儲能方式，氫儲能改善當(dāng)?shù)仫L(fēng)電消納情況之余，還可對外售氫，增加額外的經(jīng)濟(jì)收益，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)總體的運(yùn)行成本。另外，氫儲能為當(dāng)?shù)赜脷浣K端產(chǎn)業(yè)提供原料，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

(2)利用考慮保守度可調(diào)的魯棒優(yōu)化描述風(fēng)電出力，能有效應(yīng)對風(fēng)電出力的不確定性，兼顧了求解的魯棒性和經(jīng)濟(jì)性，降低了魯棒優(yōu)化的保守度。