基于系統動力學的風氫煤耦合系統容量優(yōu)化配置模型構建及驗證分析

彭生江，楊淑霞

（1.華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206；2.國網甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730030）

1 研究背景與問題提出

煤炭作為我國的主體能源，在能源生產和消費結構中占據主導地位，我國能源結構仍未擺脫“一煤獨大”的局面。在全球能源轉型的大背景下，我國能源消費結構繼續(xù)優(yōu)化，2020 年煤炭消費比重降至57.0%以內，天然氣和水核風光電等清潔能源的消費量占能源消費總量的比重已提高到24.4%［1］?！半p碳”目標背景下，煤炭、煤化工產業(yè)作為支撐我國經濟發(fā)展的重要行業(yè)，需要降低碳排放，推動經濟結構綠色轉型，加快形成綠色生產方式。然而我國油氣資源匱乏，而煤炭相對豐富，現代煤化工產業(yè)依靠技術革新，實現石油和天然氣資源的補充和部分替代，是國家能源生產和消費革命的重要內容。煤化工已成為繼煤電之后，我國消耗煤炭最多的產業(yè)，“雙碳”目標的提出加快促進了我國經濟發(fā)展方式轉型升級，也對煤電和煤化工行業(yè)提出了跨時代的要求，大力推進煤炭轉化過程的節(jié)能和CO2低排放技術發(fā)展，是我國煤資源富集省份面臨的重大而又緊迫的戰(zhàn)略任務。此外，我國西北地區(qū)遠離負荷中心區(qū)，本地電網容量較小，即使電能外送的通道全面建成，能上網的風電量占實際風電發(fā)電量的比例仍較小。風電發(fā)展所受到的制約對我國風煤富集省份實現能源轉型的戰(zhàn)略目標產生較大負面影響，迫切需要新的思路來解決。

氫是一種特殊的二次能源，可考慮以氫能為樞紐，將我國風煤富集省份豐富的風能和煤炭資源在產業(yè)鏈上進行整合，以改變氫的獲取方式為突破口，簡化傳統煤化工過程，拓展和擴大風電利用途徑和規(guī)模，形成風氫煤耦合能源系統（以下簡稱“耦合系統”），實現優(yōu)勢資源的互補互動。風氫煤耦合系統具體包含兩個方向：一是風煤富集省份采用風電進行電解水制氫，消納多余電力，儲存的H2利用氫燃料電池實現氫能循環(huán)利用；二是建立煤化工二次能源系統，為煤化工中煤制天然氣、尿素、聚氯乙烯、乙二醇等煤化工產品的工藝過程提供所需的氫和氧。儲能與可再生能源的耦合對于解決再生能源并網難的問題具有積極作用，是目前國際上研究的熱點［2］。風電制氫能源系統包括風電場、制氫設備、儲氫罐、鋰電池、燃料電池和電氫負荷，并與外部電網和H2網相連接。風電作為清潔能源，是系統內部唯一的電源，向系統提供能量。一方面風電向系統中的用電負荷直接供電，另一方面通過電制氫設備制取H2，并通過儲氫罐進行儲存，向系統內部的H2負荷供氫，當系統中電負荷和H2負荷無法消納全部的風電出力時，風電通過鋰電池和儲氫罐將多余的能量進行儲存，并在風電出力不足時補足能量缺額。為了形成一個“電—氫—電”的能量閉環(huán)，使系統具有更大的靈活性，引入了氫燃料電池設備；當風電及鋰電池等儲能設備同時工作也不能滿足系統用能需求時，需要向外部的電網和H2網中購能。

2 國內外研究現狀與分析

在已有相關研究中，風電制氫方面，Apostolou等［3］將風氫耦合系統分為輔助型并網耦合系統、獨立型離網耦合系統和H2外送型耦合系統，關注氫作為多功能輔助服務或具有多種輸出和配置的風電場的附加裝置；Mirzaei 等［4］針對風電“棄風”嚴重、低電壓過渡能力弱等問題，提出了風氫耦合系統模型及其控制策略，構造了一種電解槽和燃料電池集結于直流母線的結構；鄧浩等［5］提出了包含風力機/電解槽/燃料電池/超級電容的風氫耦合系統；王鳴迪［6］構建了融入風氫耦合系統完整的船舶電力系統。煤化工能源系統方面，主要針對煤氣化、合成CH3OH 過程進行分析，其中煤炭和水經過煤氣化過程生成粗合成氣，通過H2進行氣體調比，經合成反應器生成CH3OH，CH3OH 再與H2、O2混合組成發(fā)電系統產出電能，最后協調并網（見圖1）。煤化工能源方面，何錚［7］提出了把捕集CO2、風電制氫和CO2加氫反應相結合的綠色煤化工的發(fā)展思路；袁鐵江等［8-9］、段青熙等［10］初步構建了風電氫儲能與煤化工多能耦合系統基本架構，針對多能耦合系統中的氫儲能過程，利用宏觀能量描述法（EMR）建立了氫儲能系統模型，揭示了制氫系統中的能量傳遞或轉換機制；Fan 等［11］針對新疆哈密能源產業(yè)發(fā)展問題，提出了風力、光伏、H2儲能與煤化工混合多能耦合系統，旨在實現風能、光伏新能源的利用，最大限度地減少污染和能源消耗；Chen 等［12］提出了一種煤基化工混合能源系統，將可再生能源與煤炭結合起來進行低碳燃料和化學品生產；Buchheit等［13］提出了一種可再生能源風能與傳統穩(wěn)定能源煤炭和核能相結合的混合能源系統；魏繁榮等［14］提出了一種煤風氫能源系統，以發(fā)電和制氫聯合能源網絡的整體效益最大化為目標，對傳統機組風電制氫設備網絡的短期調度經濟性進行了優(yōu)化，為優(yōu)化風電場和大型新能源消費設備能源網經濟運行策略提供了新的思路。

圖1 煤化工能源系統結構

上述研究多集中于風電制氫、風煤耦合生產和煤化工能源系統方面，僅有少數學者從理論階段證實了風氫煤耦合系統的可行性，較少對系統結構和其在實際中的應用路徑進行介紹和分析。風氫煤耦合系統具有強耦合和結構復雜性，需要在已有相關研究的基礎上對其結構和建模方法進行重點研究。為此，本研究建立基于系統動力學理論的風氫煤耦合系統容量配置模型，對風氫煤系統耦合演化過程進行驗證與可靠性檢驗，為進一步優(yōu)化耦合系統容量優(yōu)化配置提供參考。

3 風煤富集區(qū)風氫煤耦合系統動力學模型

3.1 基本假定

考慮風煤富集區(qū)風氫煤耦合系統的復雜性，同時主要參考裴煜等［15］、隨權等［16］、馬騰飛等［17］、張磊等［18］、烏云娜等［19］、劉吉成等［20］、葛鈺潔等［21］、王中郵等［22］的研究，構建風煤富集區(qū)耦合系統動力學模型（以下簡稱“模型”），并對模型做以下假定：

（1）風煤富集區(qū)耦合系統是一個不斷循環(huán)的系統，能源消耗量、火電裝機量、氫儲能量、碳排放量及經濟效益等均不斷變化；

（2）只考慮主要風電制氫與煤化工過程能源消耗、碳排放等因素的動態(tài)演化規(guī)律；

（3）只考慮經濟、人口、能源消耗對碳排放的影響，不考慮系統以外因素影響；

（4）以CO2排放量作為碳排放指標，不考慮能源消耗產生的其他污染氣體排放。

3.2 模型的基本架構

耦合體系包括風能子系統、氫能子系統和煤炭子系統，子系統之間實現物質與能量輸送（見圖2）。在風能子系統中，主要滿足區(qū)域用電需求，可為煤炭產業(yè)提供能源，過剩風能應用于電解水制氫，以氫能為載體將過剩能源存儲，避免“棄風棄電”問題；電解水產生的O2可加入火電機組形成富氧環(huán)境，也可作為煤氣化的催化劑。在氫能子系統中，過剩風能用于電解水能產生部分H2?？稍偕茉粗茪涫俏磥碇髁鳎捎谖覈厥獾哪茉捶A賦狀況，在當前乃至未來的一定時間內，煤制氫是我國較為可靠和經濟的大規(guī)模制氫途徑之一。氫能的主要消納途徑為煤化工加氫、氫燃料電池、氫能源汽車和天然氣摻氫等。在煤炭子系統中，發(fā)展煤化工產業(yè)，推動煤炭向基礎保障性物資轉變，充分發(fā)揮煤炭在構建清潔低碳能源體系中的作用。煤氣化制備CH3OH 過程中消納電解水產生的H2和O2，實現能源高效利用。由于CH3OH 是良好的液態(tài)儲氫和運氫載體，單位CH3OH 產氫量是單位液氫的2 倍［23］。因此CH3OH可在線制氫用于分布式供電，各子系統之間能夠實現物質與能量傳輸以及能源的最大化利用。

圖2 風氫煤耦合系統結構

由于耦合系統各部分發(fā)展建設與生產運行過程是動態(tài)反饋的，共同作用、相互影響的內外部因素對能源系統發(fā)展過程影響顯著，而系統動力學對于分析動態(tài)、多變量、高階次、具有反饋機制的耦合問題具有明顯優(yōu)勢，故引入系統動力學理論，以耦合系統的系統行為以及引起能源生產和消費變化的各個要素作為建模的基礎，結合區(qū)域能源發(fā)展實際，構建風氫煤耦合系統動力學模型。系統動力學以因果關系回路作為構成系統最基本的單元，系統中的信息就隨著因果關系回路流動，對下一個因素產生正影響或者負影響，最終形成一個閉環(huán)，形成如圖3 所示的模型。其中，H2作為連接風電制氫與煤化工產業(yè)的介質起到了至關重要的作用。風電制氫過程生成H2，進行氫儲能，同時，通過氣體分配進入煤化工系統合成CH3OH，又可與CH3OH、O2組成發(fā)電系統最終并網，因此，H2是耦合能源系統的關鍵節(jié)點，在此系統動力學模型中通過綠氫產量來實現兩個子系統之間的耦合連接。一方面，綠氫產量將具有波動性的風能轉化為穩(wěn)定且清潔的H2從而達到平滑風電；另一方面，綠氫可以作為CH3OH 原料氣與氣化爐生產的富碳合成氣摻混，然后經過合成反應器、分離器再精餾，最終生產出合格的CH3OH/二甲醚。從系統動力學內部因素層面上講，綠氫產量在一定程度上與制氫電量、煤炭減少量、CO2減排量、社會經濟效益、供電煤耗、氫氣發(fā)電量、工業(yè)用氫量等因素之間均有緊密聯系。

圖3 風氫煤耦合系統動力學模型

3.3 耦合系統容量配置變量動態(tài)演化規(guī)律分析

以我國新疆地區(qū)2005 年數據作為初始參數，2005 年至2020 年數據作為參考數據，用Vensim 軟件進行耦合系統動力學仿真，仿真步長設置為1 年，結合風氫煤耦合系統動力學模型，模擬其2020 年至2030 年風氫煤耦合能源系統發(fā)展路徑，為國家“十四五”規(guī)劃綠色低碳循環(huán)發(fā)展提供實施策略參考，為“十五五”健全綠色低碳發(fā)展體系提供發(fā)展趨勢預測和把握。模型設置界面如圖4 所示。所有相關變量參數值均取自于歷年《中國統計年鑒》《新疆統計年鑒》《能源統計年鑒》《中國電力統計年鑒》以及相關權威機構風能和煤炭統計數據，部分間接參數通過模型運行選擇反映現實系統的參數值、借鑒現有研究的公認公式及相關參數等方式確定。

圖4 新疆地區(qū)風氫煤耦合系統仿真模型參數設置示意

此外，新疆地區(qū)生產、生活用電量及用電增長率曲線分布見圖5，可知生產用電量逐年遞增，生活用電量占比較小，生產用電和生活用電的總用電量主要受經濟增長影響?！笆晃濉逼陂g，我國風電技術整機水平較低，發(fā)展速度受到限制，裝機水平提升緩慢［24］?！笆濉逼陂g，作為我國風電富集區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)進入了風電產業(yè)大規(guī)?？焖侔l(fā)展階段，風電總裝機容量翻番式增長，但由于本地消納能力有限，所以“棄風”問題開始凸顯［25］?！笆濉逼陂g，新疆由于棄風率連續(xù)4 年偏高而被國家列為風電開發(fā)建設紅色預警區(qū)域，致使當地風電產業(yè)投資受到影響，新增裝機速度明顯下滑，加之電力外送通道工程拓寬了消納渠道，其棄風率在2020 年降至警戒線以下［26］。

圖5 新疆地區(qū)用電量年度分布及增長率

如圖6 所示，對風電與火電裝機容量對比分析發(fā)現，新疆2010—2020 年期間火電裝機容量大規(guī)模爆發(fā)式增長，風電與火電的裝機容量差距逐漸變大，火力發(fā)電量占比基本在0.85 以上。2020 年以來，在新型電力系統建設和“雙碳”目標的推動下，新疆的風電開發(fā)水平逐漸回升，火電裝機增速變緩，火力發(fā)電量占比逐漸下降，風力發(fā)電量占比上升（見圖7）。截至2030 年，火電裝機容量增速基本為零，風電裝機仍保持較高增速，且火力發(fā)電量占比下降至0.45，風力發(fā)電量占比升至0.20。

圖6 新疆地區(qū)風電火電裝機容量對比

圖7 新疆地區(qū)風電火電發(fā)電量占比年度分布

新疆電力與工業(yè)煤炭消耗總量仿真結果如圖8所示，研究發(fā)現工業(yè)、電力煤炭消耗量與經濟發(fā)展水平（煤炭、煤化工產業(yè)作為支撐經濟發(fā)展的重要行業(yè)）及工業(yè)化水平息息相關，其煤炭消耗量隨著經濟技術發(fā)展穩(wěn)步提升。在新型電力系統快速建設的背景下，新疆的新能源裝機及發(fā)電占比隨之提高，電力行業(yè)對煤炭和煤電的依賴逐步減少，考慮到新能源自身不具備調節(jié)能力，所以新疆應根據自身資源稟賦，立足于“以煤為本”，發(fā)揮煤炭的壓艙石作用，逐步減少電力煤炭消耗量。

圖8 新疆地區(qū)總煤炭消耗量年度分布

由圖9 可知，新疆的碳排放量年度變化曲線與總煤炭消耗量變化曲線的發(fā)展趨勢相似，由于發(fā)電供熱、工業(yè)制造等工業(yè)部門是碳排放的主要來源之一，因此這反映了新疆工業(yè)對化石能源有很強的依賴性。隨著工業(yè)經濟的發(fā)展，新疆對于減少碳排放的重視程度也不斷提升，各種減排降碳措施多管齊下，碳排放增速逐漸變緩。在“雙碳”目標下，截至2030 年，新疆在經濟穩(wěn)步增長的同時煤炭消費和碳排放水平均達到峰值，實現了經濟、能源和環(huán)境的協調發(fā)展。

圖9 新疆碳排放量年度變化趨勢

由圖10、圖11 可知，受限于成本及技術等原因，新疆的電制氫技術早期發(fā)展緩慢且規(guī)模較?。?015年以來，隨著風電的大規(guī)模發(fā)展及“棄風”問題的出現，“風電+綠氫”成為降低制氫成本、克服新能源儲存性的最優(yōu)解，同時能夠替代煤化工行業(yè)的灰氫、藍氫，實現煤化工行業(yè)減碳增效及價值重構，綠氫將進入規(guī)?；l(fā)展階段并成為風電與煤化工耦合發(fā)展的紐帶，幫助電網平抑風能波動收益，減少CO2排放，實現環(huán)境效益；同時，工業(yè)用氫每年可帶來幾十億元的氫儲能收益［27］，新疆將在獲得較高氫經濟的同時突破煤炭工業(yè)碳排放居高不下的桎梏，預計至2030 年可減少碳排放量近400 萬 t。綜上，以綠氫為支點的風氫煤耦合能源系統在經濟和技術上均具備一定的可行性，可以最大限度發(fā)揮新疆風電和煤基資源富集的優(yōu)勢，推動新疆進行能源低碳轉型，重構煤化工行業(yè)工藝結構，構建低碳能源新體系。

圖10 新疆綠氫產量年度分布

圖11 新疆氫儲能的經濟收益與CO2 減排量

4 計及不確定性的風氫煤耦合系統容量優(yōu)化配置模型

4.1 風電功率不確定性因素分析

以上建立了風氫煤耦合系統動力學模型，論證了耦合系統容量配置變量動態(tài)演化規(guī)律。然而，在耦合系統的實際運轉過程中，系統子模塊將受到多種不確定性因素影響，這些不確定性因素在風氫煤耦合系統穩(wěn)態(tài)運行中的影響程度不一，但又至關重要，因而考慮不確定性影響因素條件下的風氫煤耦合系統容量配置模型更符合實際情況，基于不確定性因素優(yōu)化配置風氫煤耦合系統可以更好地應用于風煤富集區(qū)域的能源生產與實踐。風電作為風氫煤耦合系統中的唯一電能來源，具有隨機、波動和間歇等特性，系統電力負荷和原料煤清潔的利用需要H2負荷。雖然與傳統電力消費和原料煤生產過程相同，但風氫煤耦合系統的穩(wěn)定性和連續(xù)性更好，因此，耦合系統中風能子模塊清潔能源供能穩(wěn)定性、系統整體經濟性與系統穩(wěn)態(tài)運行可靠性之間的矛盾問題更為突出，其中的不確定性因素尤為重要。綜合考慮新疆地區(qū)能源、經濟和環(huán)境等方面的發(fā)展規(guī)劃，以及新型電力系統建設、“雙碳”目標等國家戰(zhàn)略，本研究認為風氫煤耦合系統運行過程中的不確定性影響因素包括經濟增長因素、火電投資因素、轉入因子因素、碳強度因素、煤炭價格因素、風電投資因素、技術投資因素和人力投入因素。由于自建風電場后無需購電，風電投資影響因素的本質為電網側額定功率不確定性的波動影響，因此，風電投資問題即為風電網發(fā)電功率問題。在實際運行過程中，風電功率不確定性對風氫煤耦合系統影響較大，因而風電功率不確定性問題研究具有緊迫性與關鍵性。

為了確定合理的風電功率計算參數，基于不確定性參數可靠性估值理論，提出風電網發(fā)電的不確定性計算方法，主要涉及以下7 個影響因素：風速變化的不確定性變異系數（δv）、風向變化的不確定性變異系數（δd）、環(huán)境因素的不確定性變異系數（δe）、設備運行狀況的不確定性變異系數（δf）、市場需求的不確定性變異系數（δg）、政策支持的不確定性變異系數（δm）和負荷需求的不確定性變異系數（δp）。因此，風氫煤系統耦合工程中風電網發(fā)電的變異系數δb可表示為：

在《新疆統計年鑒》中的樣本統計過程中，需要對統計值的變異系數進行修正。

式（2）中：δβ為修正后的變異系數；δY為樣本統計值的變異系數；ψβ為變異系數的修正值，。

在長期的工程實踐和科學研究中，人們針對不同地域和不同風電網發(fā)電積累了大量的經驗數據，這些數據可用于估算風氫煤耦合系統的標準差。這些數據大多以變異系數的形式記錄，標準差σβ與變異系數的關系如下：

風電網發(fā)電參數的變異系數如表1 所示。其中，δβ值在不同的試驗情況下獲得，對應一個較大的分布范圍1）。在確定δβ值后，用估計總體均值μ，用σβ估計總體標準差σ，促使風電網發(fā)電隨機變量離散化并基于此構建概率模型。風電功率的不確定性影響因素受環(huán)境影響與市場需求波動較大［28］。在風氫煤耦合系統模型優(yōu)化過程中，需要考慮風電功率不確定性的影響，可以通過建立綜合成本的波動性概率方程對風氫煤耦合系統進行優(yōu)化配置。

表1 風電網發(fā)電參數變異系數賦值

4.2 風氫煤耦合系統容量優(yōu)化配置模型

承載脫碳目標的風氫煤耦合系統對經濟性、節(jié)能性、環(huán)保性以及可靠性提出了較高的要求，通過優(yōu)化校驗揭示系統獨立變量、參數及運行場景與評價指標的影響關系，反映子系統或功能單元與總系統之間的集成關聯關系，對于研究風氫煤耦合能源系統的特性十分重要。基于此，提出風氫煤耦合系統優(yōu)化運行配置方案（見圖12）。

圖12 風氫煤耦合系統運行優(yōu)化配置框架

然而，上述優(yōu)化方案在運行優(yōu)化中缺少了對系統運行可靠性的考慮，特別是其中風能子模塊導致的電能能源供應不確定性，因此，基于上述方法對風電子模塊進一步優(yōu)化，提出風電長期儲能方法，為解決用電需求不足導致的棄風限電問題提供一定借鑒。優(yōu)化方案如圖13 所示，當風電場可穩(wěn)定供電時，儲能電池存儲電能，消納多余電量；當風電場不穩(wěn)定送電或送電量過弱時，儲能電池放電，與風電網共同提供系統所需電能。

圖13 風氫煤耦合系統能源供應優(yōu)化方案

風氫煤耦合系統能源供應優(yōu)化配置模型中加入了儲能電池，其作用主要是將燃料內部的化學能轉化為電能，以較為典型的堿性燃料電池為例，輸出功率為pc。

式（4）中：ηc為儲能電池的產電效率；phc為儲氫罐向儲能電池提供H2的功率。

作為系統儲電單元，當風電場發(fā)電功率充足時，電解槽利用多余電能電解水制得H2，用儲氫罐進行儲存；當風電場功率不足時，燃料電池利用存儲的H2進行輔助放電，以滿足負荷需求。以堿性電解槽為例，該電解槽通過將水電解為H2和O2實現能量的轉換與存儲，輸出功率pλ可表示為：

式（5）中：ηλ為電解槽的工作效率；pwλ為電解槽的輸入功率。

儲氫罐用于儲存電解槽中電解水產生的H2，同時為儲能電池提供燃料。儲氫罐儲存的H2能量為：

式（6）中：Δt為時間間隔；S（t-Δt）為t時刻的上一時刻的儲氫量；為儲氫罐充放效率。

4.3 風氫煤耦合系統容量優(yōu)化配置最優(yōu)解與算例分析

風氫煤耦合系統是一種新能源與傳統能源系統創(chuàng)新耦合方式，風電場及煤化工的具體耦合方式和規(guī)劃方法有待考證。以新疆某裝機容量500 MW 的風電場耦合年產量為5 萬 t 的煤制CH3OH 系統為例，通過遺傳算法求解風氫煤耦合系統優(yōu)化配置最優(yōu)解，驗證優(yōu)化模型的穩(wěn)定性與實際意義。風氫煤耦合系統中的CH3OH 生產工藝見圖14，區(qū)別于如圖15 所示的傳統煤制CH3OH 系統，風氫煤耦合系統中CH3OH 生產工藝所需的H2與O2來自電解槽與儲氫罐，無需空分機分離。CH3OH 生產消耗的電能源自風電場與電網。

圖14 案例風電場風氫煤耦合系統中的CH3OH 生產工藝系統

圖15 傳統煤制CH3OH 生產工藝系統

CH3OH 生產消耗的電能源來自風電場與電網，其中如表2 所示為能源價格表，表3 為傳統煤制CH3OH 系統與耦合系統的相關技術參數，表4 為耦合系統仿真參數。與傳統風電場相比，本研究提出的優(yōu)化配置方案解決了電能無法長期儲存問題，避免了電能浪費的情況出現，降低了成本與負荷缺電率?？芍啾扔趥鹘y煤制CH3OH 系統，假設每生產1 t 的CH3OH，風氫煤耦合系統耗煤量減少0.6 t，耗水量減少2 t，CO2排放量減少2.24 t，消耗電能6.25 MW·h；用熱值表示能耗，傳統煤制CH3OH 系統的能耗為46 892.8 kJ，風氫煤耦合系統的能耗為22 500 kJ，增加電解槽與儲氫罐的投資及電解槽運行成本。采用遺傳算法求解本研究所提規(guī)劃模型，每代種群個體數量為120 個，變異率為0.8，交叉率為0.2，計算精度為10-6，迭代次數為1 000 次。

表2 案例風電場能源使用價格

表3 案例風電場生產CH3OH 的單位能耗

表4 案例風電場風氫煤耦合系統仿真參數

為了分析風電場在不同容量可信度（即等可靠性前提下風電機組可以替代的常規(guī)機組的容量占風電裝機容量的比例）情景下耦合系統的經濟性，提出以下兩種方案：方案1 是在耦合系統內自建風電場與儲能電池，容量可信度根據圖16 典型日等比例提升；方案2 是耦合系統不自建風電場與儲能電池，所需電能以表2 所示的電價購買。

圖16 基于方案1 的案例風電場耦合系統風電出力與CH3OH 生產典型日曲線

以方案1 情境為例，風電場發(fā)電制氫，當風電場供電不足時，調用儲氫罐氫氣用于儲能電池存電供應電量；當儲氫量不足時，向大電網采購一定電量與儲能電池放電共同制氫，保證供氫可靠性。圖17 是方案1 情境下，耦合系統不同風電場可信容量（區(qū)間［0.20,0.36］）對應的優(yōu)化結果；表5 為風電場可信容量度0.20 與0.36 時，耦合系統具體成本與收益情況。

表5 基于方案1 的案例風電場不同容量可信度下耦合系統的成本與收益情況

圖17 基于方案1 的案例風電場耦合系統優(yōu)化結果

研究發(fā)現，隨著風電場的容量可信度增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲氫罐容量減小、系統收益增加，當風電場容量可信度從0.20 增加至0.36，耦合系統風電場典型日總發(fā)電量從2 400 MW·h 增加至4 317 MW·h，規(guī)劃周期購電制氫成本節(jié)省3.09億元，并且無需通過增加電解槽額定運行功率與儲氫罐容量來降低購電成本。由圖18 和圖19 可知，隨著風電場容量可信度增加，電解槽制氫過程越趨平穩(wěn)，當風電場容量可信度增加至0.36 時，耦合系統無需從大電網購電，通過儲氫罐與儲能電池充放配合即可保持H2的穩(wěn)定供應。

圖18 方案1 情境下案例風電場容量可信度為0.20 時耦合系統的運行狀況

圖19 方案1 情境下案例風電場容量可信度為0.36 時耦合系統的運行狀況

將風電場容量可信度為0.36、CH3OH 售價為2 500 元/t，煤制CH3OH 系統壽命為20 年的條件下方案1 與方案2 的運行收益進行對比，結果表明（見表6），方案1 更具經濟性，盡管風電場全壽命周期投資運維成本較高，但在建成耦合系統后無需向電網購買電能制氫；此外，相比于方案2，方案1 規(guī)劃周期內減排2 240 萬t 的CO2，減排收益為20.48億元，若不計風電制氫的減排效益，方案1 的總收益遠不及方案2。因此，為推動能源系統清潔轉型，在風電場建設投資成本較高階段，應為風氫煤耦合系統提供節(jié)能減排激勵機制。

表6 案例風電場風氫煤耦合系統施行方案1 和方案2 的經濟收益對比

此外，通過上述案例分析可知，風氫煤系統優(yōu)化配置模型可大幅減少CO2排放，證明了以氫儲能為媒介的風氫煤耦合系統優(yōu)化配置模型對于實現煤化工領域低碳發(fā)展、推動能源系統低碳轉型意義重大。而且，風電場容量可信度及其投資主體是影響風煤耦合能源系統經濟性的主要因素，因為風電場可信度越高則電價成本占比越低，受電價約束與環(huán)境效益激勵，CH3OH 生產工廠自建與其產量匹配的風電場與儲能電池可使風氫煤耦合系統更具經濟性，此時風電場容量優(yōu)化配置后，電網自建總成本由40.40 億元減少到40.36 億元，棄電率由50.26%減少到18.13%。綜上所述，風氫煤系統優(yōu)化配置模型的可行性得到證實，利用該優(yōu)化模型可有效解決“棄風限電”問題，提高用電效率，實現電能長期儲存目標，減少CO2排放量，綜合來看可節(jié)約成本并增加長期總收益。

5 結論

本研究引入系統動力學理論，建立風氫煤耦合系統動力學模型，利用Vensim 軟件開展系統相關變量的動態(tài)演化規(guī)律分析，對我國風煤富集區(qū)新疆2021 年至2030 年的風氫煤能源系統發(fā)展趨勢進行了預測，得出以下結論：

（1）以綠氫為支點的風氫煤耦合能源系統在經濟和技術上均具備一定的可行性，可以最大程度發(fā)揮新疆地區(qū)可再生、低成本的風電和富集煤基資源的優(yōu)勢，推動新疆能源低碳轉型，重構其煤化工行業(yè)工藝結構，構建低碳能源新體系。

（2）風電功率不確定性對風氫煤耦合系統影響較大，而優(yōu)化后的風氫煤耦合系統運行的經濟性主要受電價約束與環(huán)境效益激勵，在既定配置規(guī)模下可減少排放2 240 萬 t 的CO2；在考慮碳減排效益情況下，風氫煤耦合系統中自建風電場更具經濟性，同時改善了高比例隨機風電并網對電網的沖擊，提高了風電的利用效率和配電網的供電質量。

（3）在風氫煤耦合系統的氫能子模塊中引入儲能電池證實了風氫煤系統優(yōu)化配置模型的可行性，其中CH3OH 生產商自建風電場成本降低400 萬元，負荷棄電率下降32.13%，有效地解決了“棄風限電”問題，提高了用電效率，實現了電能長期儲存的目標。

（4）風電場容量可信度及其投資主體是影響風氫煤耦合系統可行性的主要因素，風電場容量可信度越高則電價成本占比越低，同時隨著風電場容量可信度的增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲氫罐容量減小、系統收益增加，當風電場容量可信度增加至0.26 時，耦合系統無需從大電網購電，通過儲氫罐充放配合可保持H2的穩(wěn)定供應，規(guī)劃周期內的碳減排收益達20.48 億元。

注釋：

1）由于篇幅限制，δβ值的限定取樣和試驗進行條件不在文中詳述，備索。