考慮氫能交通運(yùn)輸時(shí)空特性的電-氫綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法

王 豐，楊函煜，李林溪，黎燦兵，王 晗，常喜強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司,河南省新鄉(xiāng)市 453000；2.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇省南京市 211816；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海市 200030；4.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830011）

0 引言

風(fēng)、光發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性與波動(dòng)性,其大規(guī)模消納一直是一項(xiàng)世界性難題［1］。當(dāng)前,僅依靠電力系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)能力難以就地消納大規(guī)模新能源,而如果能夠打通不同能源系統(tǒng)之間的壁壘,構(gòu)建包含不同能源形式的區(qū)域多能源系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行,將會(huì)有效促進(jìn)風(fēng)、光等可再生能源的消納［2］。氫作為一種優(yōu)質(zhì)的二次能源,具有清潔零碳、可大規(guī)模長(zhǎng)周期存儲(chǔ)以及應(yīng)用場(chǎng)景廣泛等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型以及支撐大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)展和利用的理想互聯(lián)媒介［3］。對(duì)于含高比例可再生能源的地區(qū)而言,一方面電制氫可以提高本地電負(fù)荷水平,為可再生能源提供更大的消納空間；另一方面,通過(guò)電解制取的氫氣能夠?qū)崿F(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等碳密集行業(yè)的深度脫碳,助力中國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。因此,構(gòu)建以電、氫為能源載體的區(qū)域電-氫能源 系 統(tǒng)（electricity-hydrogen integrated energy system,EH-IES）,將會(huì)成為“雙碳”背景下促進(jìn)風(fēng)光大規(guī)模就地消納的有效途徑［4］。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)區(qū)域EH-IES 的優(yōu)化進(jìn)行了多角度研究。部分文獻(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注含氫儲(chǔ)能電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略,以提高電力系統(tǒng)消納高比例可再生能源的能力。文獻(xiàn)［5］考慮在柔性直流配電網(wǎng)中接入氫-電混合儲(chǔ)能,提出了一種源-儲(chǔ)-網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化的兩階段調(diào)度策略。文獻(xiàn)［6］考慮氫儲(chǔ)能的可移動(dòng)性,提出了一種含高比例可再生能源的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,仿真結(jié)果表明,考慮氫儲(chǔ)能的移動(dòng)性促進(jìn)了配電網(wǎng)中可再生能源的消納。文獻(xiàn)［7］在日前安全約束機(jī)組組合問(wèn)題中考慮了包含電轉(zhuǎn)氫（power to hydrogen,P2H）和氫轉(zhuǎn)電過(guò)程的能源樞紐模型,結(jié)果表明該能源樞紐可有效減少棄風(fēng)。文獻(xiàn)［8-9］以最小總運(yùn)行成本為目標(biāo),建立了電-熱-氫多源協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模型并基于最優(yōu)協(xié)同控制理論對(duì)模型進(jìn)行求解,有效減少了棄風(fēng)棄光并提高了電網(wǎng)的靈活性。

此外,部分文獻(xiàn)對(duì)含電、氫等多種能源形式的綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［10］考慮電解槽和甲烷反應(yīng)器的運(yùn)行特性,建立了電轉(zhuǎn)氣的精細(xì)化模型,并分別采用魯棒優(yōu)化和隨機(jī)優(yōu)化處理風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性,建立了綜合能源系統(tǒng)的魯棒隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)［11］考慮P2H 和氫轉(zhuǎn)天然氣的兩階段電轉(zhuǎn)氣技術(shù)及源荷不確定性,提出了一種電-氫-氣-熱綜合能源系統(tǒng)的隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度策略。文獻(xiàn)［12］在主動(dòng)配電網(wǎng)和區(qū)域供熱網(wǎng)的綜合調(diào)度模型中考慮了一種電制氫制熱的策略,結(jié)果表明該策略有利于提高系統(tǒng)的效率和安全性。

總體而言,現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究對(duì)象通常為電力系統(tǒng)與單個(gè)氫能系統(tǒng)構(gòu)成的EH-IES,但受限于現(xiàn)有輸氫管道與輸電線路的長(zhǎng)度及規(guī)模對(duì)比,區(qū)域EHIES 目前可表現(xiàn)為電力系統(tǒng)耦合多個(gè)氫能子系統(tǒng)（hydrogen energy subsystem,HES）的 形 態(tài) 結(jié)構(gòu)［13-14］。不同HES 的新能源消納能力不同,而在風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量較高的區(qū)域,單純依賴HES 就地消納新能源的負(fù)擔(dān)越大,出現(xiàn)棄風(fēng)棄光的可能性也越大?？紤]到氫能的可存儲(chǔ)特性和高能量密度特性,可利用交通工具在各HES 之間進(jìn)行氫能運(yùn)輸,合理調(diào)配氫資源［15］。因此,為更好地實(shí)現(xiàn)新能源的就地消納,區(qū)域EH-IES 的運(yùn)行有必要考慮多個(gè)HES 之間氫資源的協(xié)調(diào)交互。

綜上所述,本文利用氫能的可移動(dòng)性,為促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)光消納并滿足多個(gè)HES 的氫負(fù)荷需求,提出了一種“就地制氫-交互運(yùn)氫”的運(yùn)行模式。首先,建立考慮運(yùn)輸時(shí)間的氫氣長(zhǎng)管拖車（hydrogen tube trailer,HT）交通運(yùn)輸模型；然后,計(jì)及電制氫儲(chǔ)氫站（power to hydrogen and storage station,PHSS）就地電解制氫,建立包含HT 交通運(yùn)輸成本的EHIES 優(yōu)化模型并進(jìn)行求解。

1 EH-IES 結(jié)構(gòu)

本文以改進(jìn)IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造的EH-IES如圖1 所示［16］。由于HES 網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的地理范圍較小,每個(gè)HES 內(nèi)部氫源和氫負(fù)荷通過(guò)短距離輸氫管道相連接,并整體簡(jiǎn)化等效于并入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的相鄰節(jié)點(diǎn),構(gòu)成電力系統(tǒng)耦合多個(gè)HES 的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖1 EH-IES 示意圖Fig.1 Schematic diagram of EH-IES

在該EH-IES 中,電力系統(tǒng)主要包括電源（可再生能源發(fā)電機(jī)組和常規(guī)機(jī)組）、輸電網(wǎng)和電負(fù)荷；氫能系統(tǒng)由多個(gè)HES 組成,而每個(gè)HES 又由PHSS、化石燃料制氫站（fuel to hydrogen station,FHS）、輸氫管道和氫負(fù)荷組成［17-18］。PHSS 是耦合電力系統(tǒng)和各個(gè)HES 的關(guān)鍵組成元件,主要由質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane,PEM）電解槽、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐和氫燃?xì)廨啓C(jī)（hydrogen gas turbine,HGT）組成。對(duì)于氫能系統(tǒng)而言,每個(gè)HES 中的PHSS 從電網(wǎng)受電,通過(guò)P2H 技術(shù)將電能轉(zhuǎn)換為氫能,并將制取的氫氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫罐中。儲(chǔ)存的氫氣主要用來(lái)滿足HES 的氫負(fù)荷,也可通過(guò)氫轉(zhuǎn)電將氫能轉(zhuǎn)換為電能倒送至電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的有功支撐,從而實(shí)現(xiàn)電-氫-電的能量閉環(huán)。而對(duì)于風(fēng)光裝機(jī)容量較高的HES 來(lái)說(shuō),首先,通過(guò)HES 中的PHSS 利用富余的風(fēng)電和光伏發(fā)電就地電解制氫；然后,進(jìn)一步通過(guò)HT 將就地制取的氫氣輸送至其他HES,例如,在圖1 中,將位于節(jié)點(diǎn)29 的PHSS 電解制取的氫氣運(yùn)輸至HES1 和HES3,從而實(shí)現(xiàn)HES 之間的交互。

2 考慮運(yùn)輸時(shí)間的HT 交通運(yùn)輸模型

HT 是實(shí)現(xiàn)不同HES 之間交互的關(guān)鍵元件。在EH-IES 的運(yùn)行中若要實(shí)現(xiàn)HES 的有效互動(dòng),需要合理制定HT 的調(diào)度計(jì)劃,充分考慮HT 在不同HES 之間運(yùn)輸需要一定時(shí)間的實(shí)際情況。因此,建立如附錄A 圖A1 所示的HT 交通運(yùn)輸時(shí)空網(wǎng)絡(luò)模型［19］。該模型主要由一系列表征HT 空間位置和狀態(tài)的0-1 變量之間的邏輯約束組成。上述變量分為4 類:位置狀態(tài)變量、運(yùn)輸狀態(tài)變量、離開/到達(dá)狀態(tài)變量及出發(fā)狀態(tài)變量。位置狀態(tài)變量和運(yùn)輸狀態(tài)變量均為持續(xù)狀態(tài)變量,表示HT 在某時(shí)段處于停留在某HES 或在某條路徑上運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)狀態(tài)；而離開/到達(dá)狀態(tài)變量和出發(fā)狀態(tài)變量則為瞬時(shí)狀態(tài)變量,表示HT 在某時(shí)刻的狀態(tài)變化。

本文僅考慮氫氣在不同HES 之間的運(yùn)輸,其運(yùn)輸所需時(shí)間可表示為:

附錄A 圖A1 中t2時(shí)間斷面包括了該時(shí)段內(nèi)所有的固定弧和移動(dòng)弧。其中,固定弧表示某時(shí)段HT 停留在某HES；移動(dòng)弧表示某時(shí)段HT 在不同HES 間運(yùn)輸。同一時(shí)段HT 只能位于任意一條固定弧或移動(dòng)弧上,表示為:

式（11）表示若t時(shí)段HT 從HESr離開,則在t時(shí)段其必沿某一條以HESr為起點(diǎn)的運(yùn)輸路徑r→r′出發(fā):

3 考慮HES 交互的EH-IES 優(yōu)化模型

本文在EH-IES 的運(yùn)行中考慮氫氣能在不同HES 之間運(yùn)輸,將HT 交通運(yùn)輸模型納入EH-IES優(yōu)化運(yùn)行模型中,建立考慮HES 交互的EH-IES 優(yōu)化運(yùn)行模型。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

該模型的優(yōu)化目標(biāo)是EH-IES 的總運(yùn)行成本F最小,包含電力系統(tǒng)運(yùn)行成本CE、氫能系統(tǒng)運(yùn)行成本CH和HT 的交通運(yùn)輸成本CTr,如式（15）所示。

電力系統(tǒng)運(yùn)行成本考慮火電機(jī)組的燃料成本、啟停成本以及棄風(fēng)棄光懲罰成本。氫能系統(tǒng)運(yùn)行成本為各HES 的運(yùn)行成本之和,每個(gè)HES 的運(yùn)行成本包括PHSS 的運(yùn)行成本和化石燃料制氫成本,而PHSS 的運(yùn)行成本包括電解槽的運(yùn)行成本和HGT成本。電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、氫能系統(tǒng)運(yùn)行成本與HGT 成本如式（16）至式（18）所示。

HT 的交通運(yùn)輸成本包含固定成本和可變成本兩部分。其中,固定成本主要指人力成本,與HT 的運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)有關(guān),而可變成本則與HT 的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸?shù)臍錃饬坑嘘P(guān)［20］。HT 的交通運(yùn)輸成本為:

式中:clabor為固定成本項(xiàng)的成本系數(shù)；cv為可變成本項(xiàng)的成本系數(shù)。式（19）等號(hào)右邊第1 項(xiàng)表示固定成本,第2 項(xiàng)表示可變成本。

3.2 約束條件

首先,應(yīng)對(duì)HES 中的PHSS 的P2H 過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化建模。

1）PEM 電解槽

式中:Te,max為電解槽的最大連續(xù)超載運(yùn)行時(shí)間；Ne,max為調(diào)度周期內(nèi)電解槽運(yùn)行在超載模式的最大時(shí)段數(shù)。

式（27）表示產(chǎn)氫速率與電解功率之間的關(guān)系:

式中:Qeh,t為第h個(gè)PHSS 的電解槽在t時(shí)段的產(chǎn)氫速率；ηe為電解槽的效率；LH2為氫氣的低熱值。

2）壓縮機(jī)、HGT 和儲(chǔ)氫罐

PEM 電解槽電解水制取的氫氣需要經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓后充入高壓儲(chǔ)氫罐中進(jìn)行儲(chǔ)存,式（28）表示壓縮機(jī)在t時(shí)段壓縮氫氣所消耗的電功率［24］:

式（38）至式（40）分別表示火電機(jī)組出力、備用和爬坡約束。

4）棄風(fēng)棄光約束

式（42）和式（43）分別表示棄風(fēng)、棄光約束:

式 中:θn,t為t時(shí) 段 節(jié) 點(diǎn)n的 電 壓 相 角；Xmn為 線 路mn的電抗；Pmn,max為線路mn的最大傳輸功率。

6）氫負(fù)荷供需平衡約束

式（47）至式（49）表示HES 的氫負(fù)荷須滿足供需平衡,其中,式（47）表示t時(shí)段由第k輛HT 從HESr運(yùn)輸至其他HES 的氫氣為HESr內(nèi)所有PHSS 的儲(chǔ)氫罐在t時(shí)段向HT 充入的氫氣之和；式（48）表示由于HT 從HESr至HESr′需要一定的運(yùn)輸時(shí)間,第k輛HT 在t-Δtk r′→r時(shí)從HESr′出發(fā)需要到t時(shí)段才能到達(dá)HESr；式（49）為HESr的氫氣供需平衡約束,表示HES 的氫負(fù)荷由該子系統(tǒng)內(nèi)的PHSS、FHS 和從其他HES 運(yùn)輸而來(lái)的氫氣共同滿足。

7）化石燃料制氫量及碳排放量約束

式（50）至式（52）表示HES 的化石燃料制氫量及碳排放量約束。其中,式（50）和式（51）分別為HESr的煤制氫和天然氣制氫量約束；式（52）為HESr的化石燃料制氫碳排放量約束。

最終,考慮氫能交通運(yùn)輸時(shí)空特性的EH-IES協(xié)同優(yōu)化模型以式（15）為目標(biāo)函數(shù),式（1）至式（14）、式（16）至式（52）為約束條件,并在GAMS 軟件平臺(tái)下調(diào)用商業(yè)求解器Cplex 求解。

4 算例分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

如圖1 所示,EH-IES 共包含3 個(gè)HES,其中,HES1 包括節(jié)點(diǎn)12 至16,制氫儲(chǔ)氫站h1 接入節(jié)點(diǎn)14,氫負(fù)荷分布在節(jié)點(diǎn)12、14 和15,且比例分別為0.3、0.3、0.4；HES2 包括節(jié)點(diǎn)27、29 和30,并在節(jié)點(diǎn)29 接入一座裝機(jī)容量為450 MW 的風(fēng)電場(chǎng)和制氫儲(chǔ)氫站h2,氫負(fù)荷分布在節(jié)點(diǎn)29 和30,比例分別為0.5、0.5；HES3 包括節(jié)點(diǎn)10、17、20 至22,并在節(jié)點(diǎn)20 接入一座裝機(jī)容量為150 MW 的光伏電站和制氫儲(chǔ)氫站h3,氫負(fù)荷分布在節(jié)點(diǎn)17、20 和21,比例分別為0.3、0.3、0.4。此外,為了滿足不同HES 之間氫的運(yùn)輸需求,假設(shè)每個(gè)HES 中均有3 輛可供調(diào)度的HT,即k1、k4、k7 最初位于HES1；k2、k5、k8 最初位于HES2；k3、k6、k9 最初位于HES3。

各個(gè)HES 之間的距離如附錄A 表A1 所示,假設(shè)每輛HT 在任意兩個(gè)HES 之間的行駛速度相同,取 約 為56 km/h［25］；每 輛HT 的 單 次 最 大 運(yùn) 氫 量 為300 kg,最小運(yùn)氫量為0。HT 的交通運(yùn)輸成本中的固定成本項(xiàng)系數(shù)取11.5 美元/h,可變成本項(xiàng)系數(shù)取0.007 2 美元/（kg·km）［26］。

該系統(tǒng)的電負(fù)荷、風(fēng)電和光伏出力的標(biāo)幺值見附錄A 圖A2（a）,3 個(gè)HES 的氫負(fù)荷見圖A2（b）。

各HES 中PHSS 的參數(shù)見附錄A 表A2,各PHSS 中儲(chǔ)氫罐的初始?xì)鈮壕?chǔ)氫罐最大氣壓的1/2。氫氣低熱值為33.3 （kW?h）/kg；PEM 電解槽超載運(yùn)行時(shí)最大功率取1.6 倍的額定功率,效率取0.6,運(yùn)行成本系數(shù)取2.05 美元/（MW?h）［27］,最大連續(xù)超載運(yùn)行時(shí)間為2 h,超載運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)為3 h；HGT 的最大功率為10 MW,最小功率為最大功率的10%,效率為0.5,運(yùn)行成本系數(shù)參考文獻(xiàn)［28］；輸入和輸出壓縮機(jī)的氫氣氣壓分別取其最小與最大氣壓,壓縮機(jī)功率模型中的相關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)［24］；儲(chǔ)氫罐模型中氣體常數(shù)為8.314,儲(chǔ)氫罐體積為500 m3,儲(chǔ)氫罐內(nèi)部溫度為313 K,最小和最大氣 壓 分 別 為20 和60 bar（1 bar=0.1 MPa）,初 始 氣壓為30 bar,氫氣摩爾質(zhì)量為0.002 kg/mol。煤制氫和天然氣制氫的成本分別為1.5 美元/kg 和2 美元/kg；煤制氫和天然氣制氫的單位碳排放量分別為20.2 kg 和10 kg；棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)取100 美元/（MW·h）。為探究本文所提出的“就地制氫-交互運(yùn)氫”模式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響,設(shè)置如下2 個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

場(chǎng)景1:不考慮EH-IES 中各個(gè)HES 之間的交互,即不考慮HT 參與調(diào)度,各HES 相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行。

場(chǎng)景2:考慮EH-IES 中各HES 之間的交互,即考慮HT 的調(diào)度,在不同HES 之間進(jìn)行氫氣運(yùn)輸。

優(yōu)化運(yùn)行環(huán)境為Windows 10 系統(tǒng),英特爾Core i7-8750H CPU,主頻為2.20 GHz,內(nèi)存為8 GB。場(chǎng)景1 求解時(shí)長(zhǎng)約為2 s,場(chǎng)景2 求解時(shí)長(zhǎng)約為14 s。

4.2 HES 交互對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響

4.2.1 優(yōu)化結(jié)果分析

首先,對(duì)兩種場(chǎng)景下系統(tǒng)的整體運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析,其各項(xiàng)運(yùn)行成本如表1 所示。從系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性來(lái)看,與場(chǎng)景1 相比,考慮HT 的調(diào)度后系統(tǒng)的總運(yùn)行成本約減少了2.45%。其中,各分項(xiàng)成本存在較大差異的有棄風(fēng)棄光成本、化石燃料制氫成本和HT 的交通運(yùn)輸成本。場(chǎng)景1 未考慮HT 的調(diào)度,因此,在該場(chǎng)景下未產(chǎn)生HT 的交通運(yùn)輸成本,而場(chǎng)景2 產(chǎn)生了5 523.63 美元的交通運(yùn)輸成本,包括862.50 美元的固定成本和4 661.13 美元的可變成本。

表1 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)的運(yùn)行成本Table 1 Operation cost of system in different scenarios

4.2.2 系統(tǒng)風(fēng)、光消納情況分析

對(duì)于棄風(fēng)棄光成本,可以發(fā)現(xiàn)考慮HT 的調(diào)度顯著減少了系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光,兩種場(chǎng)景下光伏發(fā)電量均實(shí)現(xiàn)了全額消納,而棄風(fēng)電量由場(chǎng)景1 的185.3 MW·h 減少至場(chǎng)景2 的94.5 MW·h。兩個(gè)場(chǎng)景下系統(tǒng)各時(shí)段的棄風(fēng)電量如圖2 所示。通過(guò)分析系統(tǒng)線路潮流發(fā)現(xiàn),在兩種場(chǎng)景中出現(xiàn)棄風(fēng)的時(shí)段內(nèi),連接節(jié)點(diǎn)27 和29 的輸電線路均已達(dá)到最大輸電容量,這表明輸電線路容量不足會(huì)引起嚴(yán)重的棄風(fēng)。而考慮HT 的調(diào)度后,系統(tǒng)棄風(fēng)情況得到明顯改善,主要體現(xiàn)為時(shí)段9 棄風(fēng)電量的顯著減少,產(chǎn)生該結(jié)果的原因可進(jìn)一步通過(guò)分析HT 調(diào)度前后PHSS 的運(yùn)行情況進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 兩個(gè)場(chǎng)景下的棄風(fēng)電量Fig.2 Abandoned wind power in two scenarios

HT 參與調(diào)度前后PHSS 的運(yùn)行結(jié)果如圖3 所示。通過(guò)對(duì)比圖3（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn),位于HES2 且與風(fēng)電場(chǎng)接入同一節(jié)點(diǎn)的h2 在時(shí)段9 的運(yùn)行情況具有明顯差異。在場(chǎng)景1 中,h2 工作在燃?xì)浒l(fā)電模式,而在場(chǎng)景2 中,h2 工作在電解模式,且為超載運(yùn)行,因此實(shí)現(xiàn)了該時(shí)段風(fēng)電的全額消納。而在時(shí)段10 和時(shí)段22—24,雖然在兩個(gè)場(chǎng)景中h2 都工作在電解模式,但由于電解功率不同,造成了兩個(gè)場(chǎng)景的棄風(fēng)具有一定的差異。

圖3 兩個(gè)場(chǎng)景下各HES 中PHSS 的運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Operation results of PHSS in each HES in two scenarios

HT 的詳細(xì)調(diào)度結(jié)果（包括每輛HT 在各時(shí)段的位置狀態(tài)和在不同HES 之間運(yùn)輸?shù)臍錃饬康刃畔ⅲ┤鐖D4 所示。在HT 的位置狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)段,若沒(méi)有相應(yīng)的柱狀圖與之相對(duì)應(yīng),則表明HT 未運(yùn)輸氫氣,如在時(shí)段2,k3 從HES3 出發(fā)前往HES2,此時(shí),k3 運(yùn)輸?shù)臍錃饬考礊?。由圖4 可以看出,HT均從HES2 向其他HES 運(yùn)輸氫氣且送出時(shí)段集中在時(shí)段7—11,這是因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)W1 位于HES2 內(nèi)且該段時(shí)間為風(fēng)電出力高峰期,輸電線路容量不足限制了風(fēng)電的并網(wǎng)功率。為減小棄風(fēng)電量,h2 在該時(shí)段內(nèi)均以較高的功率進(jìn)行電解制氫,如圖3（b）所示,這樣HES2 內(nèi)多余的風(fēng)電便被轉(zhuǎn)換為了氫能。盡管利用HT 運(yùn)輸氫氣具有較高的成本,但該方式能進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)電的利用,其所產(chǎn)生的的綜合經(jīng)濟(jì)效益（如減少的棄風(fēng)成本和化石燃料制氫成本等）大于HT 運(yùn)輸氫氣所產(chǎn)生的的交通運(yùn)輸成本。

圖4 HT 的調(diào)度結(jié)果Fig.4 Scheduling results of HT

由于算例僅存在棄風(fēng),且風(fēng)電出力一直較大,為探究風(fēng)電出力大小對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響以及在風(fēng)電出力減小的場(chǎng)景下本文所提策略的效果,將算例中的風(fēng)電出力降低后進(jìn)行仿真驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn):當(dāng)系統(tǒng)本身存在較嚴(yán)重的風(fēng)光消納問(wèn)題時(shí),本文所提方法對(duì)于改善系統(tǒng)的可再生能源消納情況和提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有較好的效果；而由于天氣等因素,可再生能源出力減小,系統(tǒng)的可再生能源消納問(wèn)題得到緩解時(shí),則需要考慮調(diào)用HT 后所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是否大于HT 的交通運(yùn)輸成本,才能決定是否調(diào)用HT 進(jìn)行氫能的優(yōu)化配置；當(dāng)系統(tǒng)本身就不存在風(fēng)光等可再生能源消納問(wèn)題時(shí),則不再需要在各HES 之間進(jìn)行氫能運(yùn)輸交互。

4.2.3 系統(tǒng)氫負(fù)荷供需平衡情況分析

與場(chǎng)景1 相比,場(chǎng)景2 考慮了HT 的調(diào)度,對(duì)于有氫氣輸入的HES 來(lái)說(shuō),其部分氫負(fù)荷將由HT 從其他HES 運(yùn)輸而來(lái)的氫氣滿足。因此,兩種場(chǎng)景下各HES 的氫負(fù)荷供需平衡情況具有不同之處。從圖5（a）可以看出,場(chǎng)景1 中HES1 和HES2 的氫負(fù)荷都由該子系統(tǒng)中的PHSS 放氫滿足,HES3 的氫負(fù)荷在時(shí)段14—16 和時(shí)段18—21 則全部由煤制氫滿足（因煤制氫與天然氣制氫相比成本更低）,這是因?yàn)閔3 在電負(fù)荷高峰期即時(shí)段15—16 和時(shí)段20—21進(jìn)行燃?xì)浒l(fā)電,儲(chǔ)氫量不足難以滿足上述時(shí)段的氫負(fù)荷,因此,由子系統(tǒng)中的煤制氫滿足。

圖5 兩個(gè)場(chǎng)景下各HES 的氫負(fù)荷供需平衡情況Fig.5 Supply and demand balance situation of hydrogen load in each HES in two scenarios

而在場(chǎng)景2 中,HES2 的氫負(fù)荷仍然全部由該子系統(tǒng)中的PHSS 放氫滿足,HES1 在時(shí)段15—16 和時(shí)段18 的氫負(fù)荷則部分或全部由HT 從HES2 運(yùn)輸而來(lái)的氫氣滿足；類似地,該場(chǎng)景下HES3 中的制氫儲(chǔ)氫站h3 在時(shí)段15—16 和時(shí)段20—21 兩個(gè)電負(fù)荷高峰時(shí)段也運(yùn)行在發(fā)電模式,但是由于HES3 在時(shí)段12—16 的氫負(fù)荷全部由HT 從HES2 運(yùn)輸來(lái)的氫氣滿足,使得h3 儲(chǔ)存的氫氣能夠盡量多地滿足HES3 在后續(xù)時(shí)段的氫負(fù)荷,從而減少了HES3 對(duì)化石燃料制氫的需求。如圖5（b）所示,HES3 僅有時(shí)段19—21 的氫負(fù)荷需要煤制氫提供支撐。因此,場(chǎng)景2 中的化石燃料制氫成本遠(yuǎn)小于場(chǎng)景1。

4.3 靈敏度分析

4.3.1 輸氫成本系數(shù)

由表1 可以看出,系統(tǒng)的總運(yùn)行成本由三部分組成:電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、HES 運(yùn)行成本以及HT 交通運(yùn)輸成本,可見HT 交通運(yùn)輸成本會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。由于場(chǎng)景1 未考慮輸氫成本,因此本節(jié)只針對(duì)場(chǎng)景2 的輸氫成本系數(shù),即clabor和cv進(jìn)行靈敏度分析。

HT 數(shù)量為12 時(shí),輸氫成本系數(shù)以10%為步長(zhǎng)進(jìn)行變化后系統(tǒng)運(yùn)行成本的變化趨勢(shì)如表2 所示。總體而言,相較于不考慮HT 的調(diào)度模式,系統(tǒng)的總成本均相對(duì)較?。ǔ禂?shù)取300%外）。但隨著輸氫成本系數(shù)的上升,系統(tǒng)總運(yùn)行成本也在保持上升。當(dāng)輸氫成本系數(shù)從90%逐漸增至120%時(shí),系統(tǒng)總運(yùn)行成本共上升0.91%,其分項(xiàng)成本存在較大差異,主要表現(xiàn)在HT 運(yùn)輸成本與棄風(fēng)棄光成本上；當(dāng)輸氫成本系數(shù)上升至300%時(shí),考慮HT 的調(diào)度與不考慮HT 的調(diào)度情況相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)輸氫成本系數(shù)從90%增至100%時(shí),分析兩個(gè)場(chǎng)景的HT 交通運(yùn)輸成本組成發(fā)現(xiàn),固定成本無(wú)明顯變化,可變成本由4 004.07 美元上升至4 448.96 美元,上升了11.11%。這是因?yàn)镠T 的運(yùn)輸距離和氫氣量增大導(dǎo)致可變成本上升。值得注意的是,輸氫成本系數(shù)上升后,系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光成本卻沒(méi)有發(fā)生變化,經(jīng)分析線路潮流可知,發(fā)生棄風(fēng)的高峰時(shí)段7—11、22—24 內(nèi)連接節(jié)點(diǎn)27 和29 的線路傳輸功率均已達(dá)到最大值,且二者對(duì)于HT 的調(diào)度策略基本保持一致,因此棄風(fēng)棄光成本無(wú)明顯變化。

當(dāng)輸氫成本系數(shù)從100%增至110%時(shí),棄風(fēng)總量分別為99.33 MW·h、107.41 MW·h,分析HGT發(fā)電功率與電解功率分布特性可知,兩種情況下的PHSS 在時(shí)段7—11 均工作于電解狀態(tài),電解功率隨輸氫成本系數(shù)上升而下降,但二者在整個(gè)調(diào)度過(guò)程的總發(fā)電功率相同。因此,當(dāng)輸氫成本低時(shí),由電解制取的氫能更多地用于滿足氫負(fù)荷,這也使化石燃料制氫成本有所下降。這是由于為了減小棄風(fēng)電量進(jìn)而降低棄風(fēng)成本,h2 在該段時(shí)間內(nèi)需以較高的功率進(jìn)行電解制氫,HT 才可以從HES2 向其他HES運(yùn)輸氫氣,當(dāng)輸氫成本上升后,這種方式的經(jīng)濟(jì)性下降,電解功率隨之降低。

當(dāng)輸氫成本系數(shù)升至300%時(shí),HT 的交通運(yùn)輸成本為0,此時(shí),因輸氫成本過(guò)高,通過(guò)HT 運(yùn)輸?shù)姆绞降木C合經(jīng)濟(jì)效益始終小于HT 運(yùn)輸氫氣所產(chǎn)生的交通運(yùn)輸成本,因此,不選擇對(duì)HT 進(jìn)行調(diào)度。

4.3.2 HT 數(shù)量

考慮到每個(gè)HES 中的初始HT 數(shù)量會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果,本節(jié)對(duì)各HES 中的初始HT 數(shù)量進(jìn)行靈敏度分析。圖6 給出了各HES 含有不同數(shù)量的HT 時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。

由圖6 可知,與不考慮HT 的調(diào)度相比,系統(tǒng)的總成本均有所減小,表明本文所提運(yùn)行模式的有效性。此外,當(dāng)各HES 中的HT 從1 輛增加至3 輛時(shí),HT 的交通運(yùn)輸成本逐漸增加,棄風(fēng)成本逐漸減小,且系統(tǒng)總成本降幅也較顯著。這表明當(dāng)HES 中的HT 較少時(shí),無(wú)法滿足各HES 之間的運(yùn)氫需求,通過(guò)增加HT 可有效提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性并進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)電消納。而當(dāng)各HES 中的HT 從3 輛增加至6 輛時(shí),HT 的交通運(yùn)輸成本和棄風(fēng)成本不再發(fā)生明顯變化,且系統(tǒng)的總成本也基本保持不變。

圖7 給出了各HES 含有不同數(shù)量的HT 時(shí)系統(tǒng)的棄風(fēng)情況。由圖7 可知,系統(tǒng)的棄風(fēng)集中在時(shí)段8—11 和時(shí)段22—24,由于存在運(yùn)輸時(shí)間,HT 僅在第1 個(gè)時(shí)段進(jìn)行氫氣的運(yùn)輸,且僅從HES2 向其他HES 運(yùn)輸。

圖7 各HES 含有不同數(shù)量的HT 時(shí)系統(tǒng)的棄風(fēng)情況Fig.7 Wind power curtailment of system when each HES contains different amounts of HT

表3 給出了各HES 中的HT 從1 輛增加至6 輛時(shí)HT 的調(diào)度結(jié)果。可以看出,當(dāng)每個(gè)HES 中分別有1 輛和2 輛HT 時(shí),各HES 中的HT 全部被調(diào)用；而當(dāng)每個(gè)HES 中的HT 從3 輛增加至6 輛時(shí),整個(gè)系統(tǒng)中被調(diào)度的HT 均為8 輛,這表明此時(shí)已能夠滿足各HES 之間的運(yùn)氫需求。

表3 各HES 含有不同數(shù)量的HT 時(shí)HT 的調(diào)度結(jié)果Table 3 Scheduling results of HT when each HES contains different amounts of HT

當(dāng)每個(gè)HES 中的HT 從3 輛增加至6 輛時(shí),HES1 和HES3 中被調(diào)用的HT 逐漸減少,而HES2中的HT 則始終全部被調(diào)用。這是因?yàn)樵诒疚乃憷袃HHES2 存在向其他HES 的運(yùn)氫需求,而由于調(diào)用其他HES 中的HT 會(huì)產(chǎn)生額外的固定成本,首先調(diào)用該子系統(tǒng)中的HT 滿足運(yùn)氫需求,因此,HT 的運(yùn)輸成本中的固定成本也逐漸減小。此外,通過(guò)調(diào)度HT 減少的主要是第1 個(gè)時(shí)段的棄風(fēng),而由于PHSS 的電解容量有限,在該時(shí)段PHSS 無(wú)法再利用多余的風(fēng)電電解制氫,此時(shí),即使再增加HT 也無(wú)法減少棄風(fēng)。因此,棄風(fēng)成本也不會(huì)一直減小。綜上所述,當(dāng)每個(gè)HES 中的HT 從3 輛增加至6 輛時(shí),系統(tǒng)的固定成本有所下降,但總成本沒(méi)有明顯變化。

上述分析表明,為了提高EH-IES 運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性并促進(jìn)可再生能源的消納,需要對(duì)每個(gè)HES 中的HT 進(jìn)行合理的配置以滿足各HES 之間的運(yùn)氫需求。此外,在對(duì)各HES 中的HT 進(jìn)行配置時(shí),還應(yīng)考慮各HES 之間的運(yùn)氫需求差異（出現(xiàn)棄風(fēng)棄光的HES 向外輸出氫氣的需求較大）,以減少不必要的交通運(yùn)輸成本。

4.3.3 PHSS 儲(chǔ)氫罐容量

由圖3 可知,與風(fēng)電場(chǎng)接入同一節(jié)點(diǎn)的h2 的儲(chǔ)氫罐容量會(huì)影響PHSS 的運(yùn)行狀態(tài)和功率。因此,對(duì)h2 的儲(chǔ)氫罐容量（儲(chǔ)氫罐最大氣壓）進(jìn)行靈敏度分析,系統(tǒng)中共有9 輛HT（每個(gè)HES 中有3 輛）。圖8 給出了當(dāng)h2 的儲(chǔ)氫罐容量由基礎(chǔ)場(chǎng)景（h2 的儲(chǔ)氫罐容量為1.0 p.u.）的80%增加至1.2 倍時(shí)EH-IES的總成本、棄風(fēng)成本和HT 運(yùn)輸成本的變化量以及總成本下降的比例。

圖8 h2 的儲(chǔ)氫罐容量不同時(shí)系統(tǒng)成本的變化Fig.8 Cost changes of system when hydrogen storage tank capacity of h2 is different

與基礎(chǔ)場(chǎng)景相比,當(dāng)h2 的儲(chǔ)氫罐容量減小時(shí),在風(fēng)電高峰時(shí)段h2 的電解功率進(jìn)一步受限,從而棄風(fēng)成本顯著增加。此外,為了釋放儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫容量,增加了HT 的調(diào)用頻次,從而增加了HT 的運(yùn)輸成本,系統(tǒng)總成本也隨之增加。當(dāng)儲(chǔ)氫罐容量減小為0.8 p.u.時(shí),總成本增加了1.92%。相反,當(dāng)h2 的儲(chǔ)氫罐容量增大時(shí),各項(xiàng)成本均減小,當(dāng)儲(chǔ)氫罐容量增大為1.2 p.u.時(shí),總成本減小了1.48%。這是因?yàn)楦蟮膬?chǔ)氫容量使得電解槽在風(fēng)電高峰時(shí)段能以更大功率電解制氫且制取的氫氣可就地儲(chǔ)存,既減小了棄風(fēng),又減少了成本較高的氫氣運(yùn)輸。

5 結(jié)語(yǔ)

EH-IES 中風(fēng)光等可再生能源發(fā)電具有明顯的空間分布差異,本文考慮EH-IES 中不同HES 之間的交互,提出了一種“就地制氫-交互運(yùn)氫”的運(yùn)行模式,旨在通過(guò)促進(jìn)風(fēng)光等可再生能源在空間上的優(yōu)化配置,進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)光消納。首先,建立了考慮運(yùn)輸時(shí)間的HT 交通運(yùn)輸模型；然后,建立了以電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、氫能系統(tǒng)運(yùn)行成本和HT 的交通運(yùn)輸成本之和最小為目標(biāo)的EH-IES 優(yōu)化模型。最后,通過(guò)算例對(duì)比分析了是否考慮各HES 交互對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的影響,仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所建立的HT 交通運(yùn)輸模型的正確性和所提運(yùn)行模式的有效性。主要結(jié)論如下:

1）與不考慮HES 之間交互的場(chǎng)景相比,本文所提運(yùn)行模式下系統(tǒng)總運(yùn)行成本減小了約2.45%,棄風(fēng)電量減少了90.8 MW·h,降低了49%。

2）為探究輸氫成本對(duì)所提優(yōu)化策略的影響,對(duì)輸氫成本系數(shù)進(jìn)行靈敏度分析后可知,所提調(diào)度模式須在一定輸氫成本范圍內(nèi)才有顯著效益。此外,為探究HT 數(shù)量以及PHSS 的儲(chǔ)氫罐容量對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響,進(jìn)一步對(duì)二者進(jìn)行靈敏度分析發(fā)現(xiàn),為提高EH-IES 運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性并促進(jìn)可再生能源消納,需要對(duì)HT 數(shù)量以及儲(chǔ)氫罐容量等資源做出合理的配置以減少非必要成本的支出。

由于本文側(cè)重于利用氫儲(chǔ)能的可移動(dòng)性與PHSS 促進(jìn)新能源就地消納,暫未對(duì)電-氫-電的能量閉環(huán)的效率及收益率進(jìn)行探討,后續(xù)將進(jìn)一步研究此類EH-IES 的投資決策,增強(qiáng)本文所提運(yùn)行模式的實(shí)用性。

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