“電-氫”綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展分析

袁俊球

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著綜合能源的發(fā)展，電網(wǎng)進一步朝著清潔、高效、安全、穩(wěn)定的方向發(fā)展，國網(wǎng)公司也在2020年發(fā)布了《關于在各省公司開展綜合能源服務業(yè)務的意見》的相關文件，提出了利用能源革命的有利時機提升綜合能源服務作為主營業(yè)務[1]。

目前，江蘇等地已開展了以“冷-熱-電”三聯(lián)供為代表的綜合能源系統(tǒng)建設，取得了一定的積極成效，但實際應用中也存在電能非能量供給主體、在“冷-熱”等類型能量供給市場中競爭力弱、綜合能源系統(tǒng)缺乏對電網(wǎng)運行的有效支撐調節(jié)等現(xiàn)實問題[2-3]。因此，國網(wǎng)公司亟需積極探索新的綜合能源生產和服務形式，突出以電能為中心，發(fā)揮公司固有優(yōu)勢提供有競爭力的用戶用能及工業(yè)原料解決方案，并能有效支撐配電網(wǎng)安全、可靠、綠色、高效運行。

1 國內外研究現(xiàn)狀分析

隨著氫能和燃料電池技術被納入國家二十大能源戰(zhàn)略發(fā)展技術，我國氫能源應用發(fā)展迅速。2022年3月，國家發(fā)改委發(fā)布《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，首次明確氫能在能源體系中的重要定位，提出氫能是未來國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉型的重要載體。從氫能的產業(yè)規(guī)劃來看，其有望在我國迎來新的發(fā)展，未來必將在新能源領域占據(jù)一席之地[4-5]。

然而，受制于氫發(fā)電與電解制氫是兩種完全不同的生產過程，過去這一綜合能源供應模式一直未能形成。電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)的耦合關系，構成了能量雙向流動的閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)典電力系統(tǒng)的優(yōu)化理論和方法，已不能適用于包含氫儲能綜合能源的新型主動配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行，而需要構建以氫能為電儲能媒介，電能為輸入和主體輸出能量形式的綜合能源系統(tǒng)。通過對其工作機理、優(yōu)化運行策略的研究，可有效支撐電網(wǎng)削峰填谷和清潔能源消納，作為一種新的綜合能源服務形式，更有利于在突出電能供應核心主體地位的同時提供更有市場競爭力的其他能源服務供給。

本文從以下兩個方面概述和簡要分析國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)：（1）“電-氫”綜合能源系統(tǒng)；（2）含綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運行技術。

1.1 “電-氫”綜合能源系統(tǒng)

國際上，2009年美國華盛頓國家新能源實驗室K.W.Harrison首次提出風電等可再生能源與電解水系統(tǒng)相結合制氫并與煤化工產業(yè)聯(lián)合制取甲醇等二次能源的系統(tǒng)構架[6]。其后，2015年，德國建成了世界上首座風-氫循環(huán)電廠，該電廠通過風電高峰時段的電制氫過程將部分電能存儲，在風電低谷時段通過氫燃料電池發(fā)電，因此該電廠具備了與傳統(tǒng)火電廠一樣的按調度曲線發(fā)電的能力，基本解決了風電等新能源出力的隨機性和波動性問題，具有非常好的推廣應用價值。相對于常規(guī)儲能而言，電-氫雙向轉化全壽命周期內無環(huán)境污染。

國內對電-氫綜合能源系統(tǒng)的研究應用，也是首先從解決風電、光伏的消納問題出發(fā)。但與歐美不同的是，目前的應用主要是電制氫，氫主要作為化工原料和動力燃料[7]。圖1為國家863項目“基于可再生能源制/儲氫研發(fā)與示范”的示范應用工程（2016年），其運營為風光新能源消納和氫燃料電池汽車的規(guī)?；瘧冒l(fā)展打開了技術窗口。

圖1 我國首座風光互補發(fā)電制氫的70 MPa加氫站（大連）

在國家科技支撐計劃、國家自然科學基金和國網(wǎng)總部科技項目的支持下，清華大學、新疆大學及國內的多個能源研究單位于2017年在新疆等地初步建成了風電-氫能與煤化工的多能耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)架構示意圖如圖2所示。

圖2 風-電-氫-煤綜合能源系統(tǒng)

上述風-電-氫-煤綜合能源系統(tǒng)已具備了氫儲能綜合能源系統(tǒng)的雛形，但在推廣應用方面，還存在以下問題和困難需要解決：

（1）江蘇地區(qū)大型/超大型新能源發(fā)電基地較少，主網(wǎng)對本地大型新能源電站消納問題不突出；但配網(wǎng)側分布式電源發(fā)展迅猛，配網(wǎng)對高滲透分布式光伏的消納未來是一個重要問題。

（2）江蘇工業(yè)發(fā)展，對氫能等需求是分散化的，大容量但低效率的“電-氫”綜合能源系統(tǒng)并不適合。

（3）江蘇地區(qū)對電網(wǎng)調峰需求明顯，“電-氫”綜合能源的“儲能”化運行很有必要。

（4）對于未來包含氫儲能的主動配電網(wǎng)的規(guī)劃與運行，目前還未見國內外有研究報道。

1.2 含綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運行技術

含氫儲能綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運行技術國內外尚未見研究報道。目前，以“冷-熱-電”三聯(lián)供為代表的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行技術，國內外已有較多研究。國內外學者針對電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)（IPGES）運行優(yōu)化開展了相關研究[8-9]。美國麻省理工大學A.Martinez Mares教授團隊研究了穩(wěn)態(tài)能量流建模的相關技術。英國卡文迪許實驗室研究了天然氣和電力系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調控策略，以線性化方式簡化天然氣管網(wǎng)模型，利用線性優(yōu)化方法實現(xiàn)最優(yōu)能量流的求解[10]。清華大學則采用分布自治決策的方式對以電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)為核心的綜合能源系統(tǒng)進行了研究[11]。河海大學相關團隊進一步考慮了新能源出力、電力系統(tǒng)負荷和燃氣負荷的耦合性，以此建立了概率最優(yōu)能量流的數(shù)學模型。然而，以上研究均對于天然氣系統(tǒng)建模進行了簡化，只關注了穩(wěn)態(tài)特性而忽略了其慢動態(tài)特性，從而導致優(yōu)化的結果與實際工況有較大偏差[12]。美國電科院（EPRI）在前述基礎上考慮了系統(tǒng)的慢動態(tài)特性，建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以此實現(xiàn)最優(yōu)能量流的求解[5]。與電-氣系統(tǒng)相似，電-氫系統(tǒng)一樣具有“慢”調節(jié)特性，在EPRI的研究基礎上，通過日前-日內兩層三階段運行決策，在日前計劃中先給出電-氫系統(tǒng)的基礎指令，日內以調節(jié)量最小為目標之一，能夠保證系統(tǒng)在相對“慢”特性調節(jié)中具有對電網(wǎng)的“實時”優(yōu)化能力。

華北電力大學提出了一種基于冷熱電耦合的區(qū)域性綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化設計模型，考慮配電線路、燃氣管道的規(guī)劃和運行，用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為電-氣耦合中心，以綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運行成本為目標，進行設計、規(guī)劃和應用場景分析。通過算例仿真，得到了優(yōu)化的選址定容方案。該研究也證明了耦合電-氣系統(tǒng)比分供系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性。但如前述，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)雖可提供熱、冷等異質能量，但對于配電網(wǎng)而言僅是一種可控的發(fā)電設備，其對電網(wǎng)的優(yōu)化調節(jié)支撐作用顯然無法與既具有“儲能”特性又具有“發(fā)電”特性的電-氫綜合能源系統(tǒng)相比，但其中的多層規(guī)劃配置方法具有較好的借鑒意義[13-14]。該研究充分考慮電網(wǎng)運行的不確定與綜合能源系統(tǒng)調度運行的影響，采用的區(qū)間劃分方法雖然理論上可以較好地解決一定的不確定性問題，但其應用受市場規(guī)則和預測概率密度函數(shù)精度制約。在我國當前的電網(wǎng)運行體制下，加上新能源預測精度還相對較低的現(xiàn)實條件，該方法實際價值較小。

2 “電-氫”綜合能源中的關鍵技術分析

針對目前國內外發(fā)展現(xiàn)狀，本文總結了“電-氫”綜合能源的相關關鍵技術，主要包括以下4個方面：

（1）“電-氫”綜合能源系統(tǒng)建模與交互耦合作用機理研究。

研究綜合能源系統(tǒng)典型設備單元劃分和物理性能指標，分別對系統(tǒng)內獨立設備和耦合類設備建模。擴展建立包含氫能流的耦合系統(tǒng)統(tǒng)一潮流方程，基于靈敏度分析法揭示“電-氫”交互耦合作用機理。

（2）支撐配電網(wǎng)削峰填谷、清潔能源消納的“電-氫”綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略研究。

考慮負荷和清潔能源出力的隨機性以及自身運行“慢速”特性，基于模型預測控制理論，建立“電-氫”綜合能源系統(tǒng)參與電網(wǎng)削峰填谷、清潔能源消納的兩層三階段最優(yōu)運行控制模型；研究混合整數(shù)優(yōu)化求解算法，解決優(yōu)化的全局收斂問題。

（3）“發(fā)電-電解”一體可逆燃料電池本體關鍵技術研究。

分析電池核心性能指標的影響因素；研究新型電極結構，提高發(fā)電與電解過程的反應效率；分析發(fā)電與制氫過程的耦合機理，結合金屬儲氫技術，優(yōu)化一體式可逆燃料電池堆的運行。

（4）基于“電-氫”綜合能源協(xié)同優(yōu)化的主動配電網(wǎng)規(guī)劃與運行技術研究。

建立包含“電-氫”綜合能源系統(tǒng)的主動配電網(wǎng)規(guī)劃模型，形成“源、網(wǎng)、荷、儲”優(yōu)化配置方案；基于典型場景劃分，研究基于“電-氫”綜合能源協(xié)同優(yōu)化的主動配電網(wǎng)最優(yōu)運行策略。

3 結語

本文分析了氫儲能綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，從提高清潔能源消納、主動配電網(wǎng)系統(tǒng)運行安全性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，在氫儲能綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的背景下對風電大規(guī)模接入時主動配電網(wǎng)的優(yōu)化策略、模型和方法等關鍵技術進行了闡述，對于推動清潔能源以及氫儲能綜合能源系統(tǒng)進一步發(fā)展，保證電網(wǎng)清潔、安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟運行，具有重要的理論和工程意義。