考慮氫儲(chǔ)一體化協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化

潘 超，劉繼哲，孫 勇，李寶聚，方家琨，王 堯

（1.東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130031；3.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

在能源轉(zhuǎn)型和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，構(gòu)建以多能耦合為核心的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy systems，IES）對(duì)提升能效水平、增強(qiáng)碳匯能力具有重要意義［1-2］。為突破目前可再生能源面對(duì)的困境，需要拓展傳統(tǒng)系統(tǒng)用能方式，挖掘利用城市多能系統(tǒng)蘊(yùn)含的巨大靈活性［3］。其中，氫能作為未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，具備低碳清潔、長(zhǎng)期儲(chǔ)存、等密度能儲(chǔ)量高及生產(chǎn)消納多元等優(yōu)勢(shì)，是終端用能實(shí)現(xiàn)低碳靈活協(xié)調(diào)運(yùn)行的重要元素［4］。

在電-熱-氫IES 研究方面，我國(guó)東北地區(qū)因地制宜，已在多處風(fēng)光資源豐富的區(qū)域大力發(fā)展電-熱-氫IES［5］。氫儲(chǔ)方式主要采用堿性電解［6］、質(zhì)子交換膜電解［7］、固體氧化物電解［8］這3 種技術(shù)路線，其中固體氧化物電解池（solid oxide electrolytic cell，SOEC）、固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）因其具有高能效、逆向運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，已成為了IES 優(yōu)化的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［9］計(jì)及風(fēng)電不確定性，運(yùn)用氫儲(chǔ)能整合間歇性電源與電力系統(tǒng)的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)［10］考慮氫能系統(tǒng)熱回收利用，分析氫儲(chǔ)能的電-熱協(xié)調(diào)運(yùn)行能力。文獻(xiàn)［11］制定電-氫儲(chǔ)能能量管理策略，并基于此策略完成平抑風(fēng)光波動(dòng)的儲(chǔ)能容量配置。上述文獻(xiàn)主要以電-熱、電-氫耦合為主，提供最優(yōu)配置及協(xié)調(diào)優(yōu)化方案，但忽略了城市級(jí)一體化電-熱-氫多能耦合的互補(bǔ)影響。

在靈活性資源研究方面，相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)中的能源單一性、分配單向性，深度挖掘靈活性資源對(duì)于提升IES 靈活調(diào)控裕度、促進(jìn)源網(wǎng)荷互動(dòng)協(xié)同具有積極作用［12］。文獻(xiàn)［13］通過(guò)調(diào)集多種冷熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)化系統(tǒng)規(guī)劃方案。文獻(xiàn)［14］通過(guò)提高部分棄風(fēng)棄光率，利用配電網(wǎng)安全域方法，制定風(fēng)、光電源消納方案。文獻(xiàn)［15］考慮多種不可控分布式電源和負(fù)荷，構(gòu)建主動(dòng)調(diào)控資源參與配電網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃的決策模型。上述研究大多對(duì)靈活性資源參與IES 調(diào)控進(jìn)行了分析，但對(duì)于含氫能IES 的多能互補(bǔ)及供需互動(dòng)的協(xié)同優(yōu)勢(shì)尚未開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。

在碳排交易及能流刻畫研究方面，文獻(xiàn)［16］將碳交易和碳稅引入系統(tǒng)決策，制定光熱電站及氫儲(chǔ)能的IES 低碳運(yùn)行策略。文獻(xiàn)［17］構(gòu)建計(jì)及統(tǒng)一時(shí)間尺度的順序協(xié)同估計(jì)框架，基于對(duì)稱正定理論，完成IES 協(xié)同狀態(tài)估計(jì)。上述研究的碳交易計(jì)算主要采用宏觀統(tǒng)計(jì)的辦法［18］，即整合各類燃料的消耗總量和碳排放因子計(jì)算碳排放量［19］，但其具有一定的滯后性并脫離了系統(tǒng)的潮流約束，并且無(wú)法直觀呈現(xiàn)出碳排放在能源產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化及消耗的流動(dòng)過(guò)程。

綜上所述，本文對(duì)區(qū)域電-熱-氫IES 低碳靈活調(diào)控進(jìn)行研究，挖掘多能系統(tǒng)多元靈活性資源，提出一種基于負(fù)荷碳排信息的能量溯源方法，描述IES 碳排放流動(dòng)過(guò)程；計(jì)及多能聯(lián)供效益、新能源滲透及低碳減排，建立低碳靈活協(xié)調(diào)模型；以城市區(qū)域系統(tǒng)為研究對(duì)象，模擬多場(chǎng)景多能耦合的調(diào)控效果，分析風(fēng)光出力間歇性和靈活性資源調(diào)整對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并評(píng)估其綜合效益。通過(guò)負(fù)荷碳排放信息流刻畫多能耦合系統(tǒng)互動(dòng)互聯(lián)響應(yīng)，從而對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電-熱-氫能流交互拓?fù)渑c調(diào)控策略

構(gòu)建電-熱-氫IES 多能流交互拓?fù)淙鐖D1 所示。該系統(tǒng)由電熱供／用能及氫能子系統(tǒng)組成，包括電、熱、氫3 種能量流。其中，供能子系統(tǒng)由熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）、風(fēng)電、光伏以及電制熱設(shè)備組成；用能子系統(tǒng)由根據(jù)差異化行業(yè)布局劃分的多種用電負(fù)荷以及生活／生產(chǎn)用熱負(fù)荷組成；氫能子系統(tǒng)由SOEC／SOFC、氫儲(chǔ)能、氫燃料汽車等小型用氫單元以及氫能外送組成。由于市內(nèi)工商以及居民的電、熱能流拓?fù)浯嬖趶?qiáng)相似性，因此基于電熱架構(gòu)的能流調(diào)控具有較高的協(xié)同效果；并且氫能子系統(tǒng)利用電-氫-電（熱）的能量流動(dòng)完成用供／用能的深度交互，便于實(shí)現(xiàn)多能耦合的轉(zhuǎn)化與協(xié)同。在此過(guò)程中，可以考慮將源-儲(chǔ)-荷側(cè)的靈活資源作為參與系統(tǒng)調(diào)控的輔助手段，其中SOEC、SOFC作為電-熱-氫轉(zhuǎn)化設(shè)備，CHP、電制熱設(shè)備作為電熱轉(zhuǎn)化設(shè)備。

圖1 電-熱-氫IES能流交互拓?fù)鋱DFig.1 Topology diagram of electricity-heat-hydrogen IES energy flow interaction

針對(duì)新能源出力的間歇性問(wèn)題，基于電-熱-氫能流交互拓?fù)溲芯繀f(xié)同調(diào)控策略。當(dāng)風(fēng)光供能充足時(shí)，風(fēng)光電源既可選擇上網(wǎng)供電也可選擇電氫轉(zhuǎn)化，由SOEC 吸納功率以氫能形式存儲(chǔ)；當(dāng)風(fēng)光供能匱乏時(shí)，通過(guò)氫電轉(zhuǎn)化的方式，由SOFC 補(bǔ)足系統(tǒng)缺額［20］。在季節(jié)性熱能耗費(fèi)階段，通過(guò)以CHP 為主、電熱轉(zhuǎn)化為輔的途徑滿足供暖需求［21］；同時(shí)發(fā)揮SOFC產(chǎn)電生熱優(yōu)勢(shì)完成氫熱轉(zhuǎn)化補(bǔ)充，以填補(bǔ)系統(tǒng)的熱功率缺額。另外，氫儲(chǔ)可作為能量載體進(jìn)入交通、環(huán)保、化工、冶金等行業(yè)。

2 靈活性資源參與多能耦合建模

電-熱-氫IES 發(fā)揮多能耦合優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多能流互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制緩解供需不平衡壓力，并利用多種靈活資源消納可再生能源。在此過(guò)程中，需構(gòu)建電-熱-氫的多能耦合模型與可控負(fù)荷調(diào)控模型。

2.1 電能替代靈活性資源

2.1.1 電-氫耦合

SOEC、SOFC具有高效、清潔等優(yōu)點(diǎn)，是電-熱-氫IES 的耦合樞紐。通過(guò)建設(shè)SOEC／SOFC 在儲(chǔ)能運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)釋放，以平抑風(fēng)光波動(dòng)，并提升系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納能力［8］，對(duì)應(yīng)模型為：

2.1.2 氫儲(chǔ)靈活性資源

在靈活性需求、自然環(huán)境條件要求下，本文采用鋼質(zhì)碳纖維纏繞大容積儲(chǔ)氫容器作為氫儲(chǔ)裝置，其模型為：

式中：PF表征源側(cè)靈活性；分別為增添第i臺(tái)氫儲(chǔ)前、后的源側(cè)靈活功率；P為源側(cè)最大靈活功率；γ為氫儲(chǔ)匹配度；ηH2、PT、PW分別為清潔能源轉(zhuǎn)化效率、光伏出力、風(fēng)電出力；分別為氫儲(chǔ)總成本、第i臺(tái)儲(chǔ)氫罐成本、儲(chǔ)氫罐運(yùn)維成本、儲(chǔ)氫日進(jìn)量、氫氣密度。

2.1.3 電-熱耦合

抽氣式CHP 相比于背壓式CHP 更具靈活性，有利于與電制熱設(shè)備和SOFC 供熱設(shè)備協(xié)同配合，提高IES的電熱調(diào)節(jié)能力，其模型為：

式中：CCHP為CHP 機(jī)組運(yùn)行成本；P分別為t時(shí)刻CHP 機(jī)組的供電功率、供熱功率；μCHP、WCHP分別為CHP 機(jī)組提升單位熱功率時(shí)電功率的減少值、CHP 機(jī)組供電常數(shù)；為CHP 機(jī) 組 的 特征系數(shù)。

2.1.4 氫-熱耦合

SOFC發(fā)揮氫-熱轉(zhuǎn)化優(yōu)勢(shì)，補(bǔ)充IES熱負(fù)荷相對(duì)缺額，其氫-熱轉(zhuǎn)化模型為：

式中：H、κSOFC分別為t時(shí)刻SOFC 的熱功率、熱電轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.1.5 電制熱靈活性資源

電制熱設(shè)備可以降低CHP 供熱負(fù)擔(dān)，通過(guò)消耗電能為熱用戶提供高品位熱能，為風(fēng)光電能消納提供了一條額外途徑，其模型為：

式中：μEB為電制熱設(shè)備電熱轉(zhuǎn)換效率；H為t時(shí)刻電制熱設(shè)備熱功率分別為t時(shí)刻電制熱設(shè)備功率及其最大值；ωEB、CEB分別為電制熱設(shè)備的電能轉(zhuǎn)換系數(shù)、成本。

2.2 電能靈活性資源

本文的電能靈活性資源以負(fù)荷為主，可分為工用、商用及民用3 類。研究表明［12］，工業(yè)負(fù)荷具有耗電量大、集中可控容量大等特點(diǎn)，可以作為靈活資源參與調(diào)控的主要因素，電能靈活性資源負(fù)荷曲線如附錄A圖A1所示。

根據(jù)差異化行業(yè)布局特點(diǎn)，通過(guò)改變企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)整運(yùn)行時(shí)間等措施，轉(zhuǎn)移削減部分用電負(fù)荷以響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控。對(duì)于可控負(fù)荷，主要分為長(zhǎng)時(shí)（5～10 h）響應(yīng)和短時(shí)（1～3 h）響應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)適用于用電相對(duì)平穩(wěn)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的負(fù)荷，短時(shí)響應(yīng)適用于存在顯著波動(dòng)且用電時(shí)間相對(duì)集中的負(fù)荷。結(jié)合某省工業(yè)用戶調(diào)研統(tǒng)計(jì)情況，依據(jù)負(fù)荷調(diào)整特性選取4 種可控負(fù)荷：可控負(fù)荷1 代表制造業(yè)可控負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定用電量，且具有明顯的升降趨勢(shì)，其調(diào)整特性為長(zhǎng)時(shí)段可轉(zhuǎn)移負(fù)荷；可控負(fù)荷2 代表輕工業(yè)負(fù)荷，具有明顯的波峰和相對(duì)集中的用電時(shí)段，其調(diào)整特性為短時(shí)段高峰平移再分配負(fù)荷；可控負(fù)荷3 代表生產(chǎn)加工業(yè)負(fù)荷，用電量相對(duì)平穩(wěn)，且具有明顯的間歇特性，其調(diào)整特性為長(zhǎng)時(shí)段可提前或延遲負(fù)荷；可控負(fù)荷4 代表冶金業(yè)負(fù)荷，負(fù)荷波動(dòng)明顯且具有較大的峰谷差，其調(diào)整特性為短時(shí)段可削減負(fù)荷。4 種典型負(fù)荷日波動(dòng)曲線及相應(yīng)調(diào)整特性曲線如附錄A圖A2所示。

根據(jù)4 種典型負(fù)荷用電行為及其調(diào)整特性，構(gòu)建其靈活性經(jīng)濟(jì)模型，如式（11）—（15）所示。

式中：CL為負(fù)荷調(diào)控總成本；C(l)為t時(shí)刻可控負(fù)荷l參與調(diào)控的補(bǔ)償價(jià)格；Tb(l)、Tc(l)、Te(l)分別為可控負(fù)荷l的開(kāi)始、持續(xù)及結(jié)束時(shí)刻；ε為可控負(fù)荷參與度；CL(l)、Pt(l)分別為可控負(fù)荷l參與調(diào)控的運(yùn)行成本及其t時(shí)刻的調(diào)整功率；LF為荷側(cè)靈活性；P為t時(shí)刻荷側(cè)最大靈活功率分別為可控負(fù)荷l參與前、后的荷側(cè)靈活功率。

2.3 供能網(wǎng)絡(luò)建模

供能網(wǎng)絡(luò)模型主要由電網(wǎng)和熱網(wǎng)模型組成，其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)類似，均可成為能量轉(zhuǎn)化、流動(dòng)的載體。

2.3.1 電網(wǎng)模型

電網(wǎng)模型采用經(jīng)典交流潮流模型，如式（16）所示。

式中：Px、Qx分別為節(jié)點(diǎn)x注入的有功功率和無(wú)功功率；Ux為節(jié)點(diǎn)x的電壓幅值；Gxy、Bxy分別為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中節(jié)點(diǎn)x、y對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)、電納；θxy為節(jié)點(diǎn)x、y間的電壓相位差；nE為電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.3.2 熱網(wǎng)模型

為了便于描述熱能流動(dòng)，假設(shè)熱網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)回水溫度恒定，且同一時(shí)段熱負(fù)荷需求相同［22］，如式（17）所示。

式中：Ts、To分別為節(jié)點(diǎn)供水、回水溫度；Ta為環(huán)境溫度；mk為管道k的流量，定義管道流量標(biāo)幺值d1=m1/mk、d2=m2/mk、…、dk-1=mk-1/mk、dk=1；λk、Lk分別為管道k的傳熱系數(shù)、長(zhǎng)度；cw為水比熱容參數(shù)；為t時(shí)刻熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j的熱負(fù)荷。

3 基于電-熱-氫交互的碳流拓?fù)涿枋?/h2>

電-熱-氫能量傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，嵌入在各能流中的碳依附于IES中的能量傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)移［23］。隨著異質(zhì)能流的轉(zhuǎn)換，碳排放也隨之在不同能源系統(tǒng)中流動(dòng)［18-19］。本文考慮潮流約束計(jì)算IES 負(fù)荷碳排放，描述多時(shí)間尺度下能量生產(chǎn)與消費(fèi)過(guò)程中碳排放的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

基于分布式并網(wǎng)潮流約束的負(fù)荷碳排模型為：

式中：P為支路潮流分布矩陣PB的第x行第y列元素；pxy為流經(jīng)支路xy的有功功率；P為電源注入矩陣PG的第g行第y列的元素；pgy、G分別為第g臺(tái)機(jī)組接入節(jié)點(diǎn)y的有功功率及電源集合矩陣；P為負(fù)荷分布矩陣PL的第m行第y列的元素；pmy、M分別為第m個(gè)負(fù)荷接入節(jié)點(diǎn)y的有功功率及負(fù)荷集合矩陣；Pz、PN、ξN+K、EN、EG分別為輔助矩陣、節(jié)點(diǎn)有功通量矩陣、N+K階行向量、節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)向量、各電源碳排放強(qiáng)度；N、K分別為PG的行、列數(shù)；RL為負(fù)荷碳排向量。

基于負(fù)荷碳排信息，提出電-熱-氫交互能流溯源方法。熱網(wǎng)碳排放流動(dòng)依附于供熱管道中介質(zhì)的流動(dòng)，遵循碳排放量守恒定律，利用熱負(fù)荷交換能量沿供熱路徑逆向推導(dǎo)熱源碳排，構(gòu)建模型如式（20）所示。

式中：RHL、PHL、EHL分別為熱負(fù)荷碳排向量、熱網(wǎng)負(fù)荷向量及單位熱負(fù)荷碳排強(qiáng)度。

氫能系統(tǒng)集中于分布式電源接入節(jié)點(diǎn)，其碳排依賴于該節(jié)點(diǎn)耦合的電熱負(fù)荷，構(gòu)建模型如式（21）所示。

式中：RH2為氫負(fù)荷碳排量；PHL(c)、PL(c)、EH2(c)分別為氫-熱節(jié)點(diǎn)負(fù)荷、氫-電節(jié)點(diǎn)負(fù)荷、單位氫負(fù)荷碳排強(qiáng)度；c表示氫能耦合節(jié)點(diǎn)。

4 電-熱-氫IES協(xié)調(diào)運(yùn)行模型

考慮電-熱-氫IES 的靈活調(diào)控成本、風(fēng)光消納能力及多能交互碳排，分析靈活性資源參與的電-熱-氫IES協(xié)調(diào)運(yùn)行綜合效益。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

4.1.1 靈活調(diào)控成本

主要考慮系統(tǒng)外購(gòu)成本、設(shè)備成本、運(yùn)維成本以及靈活性資源參與補(bǔ)償成本，定義系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)C1來(lái)評(píng)價(jià)靈活調(diào)控成本，即：

式中：CLOSS、HLOSS、PLOSS分別為電熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)損成本、熱網(wǎng)損耗、電網(wǎng)損耗；Sh、Se、ΔTk，t分別為單位熱網(wǎng)網(wǎng)損成本、單位電網(wǎng)網(wǎng)損成本、熱管道k在t時(shí)刻的首末端溫差；Rx為節(jié)點(diǎn)x所連支路阻抗；分別為系統(tǒng)購(gòu)氫成本、上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電成本；nK為熱能系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

4.1.2 風(fēng)光消納能力

構(gòu)建風(fēng)光使用率指標(biāo)C2來(lái)評(píng)價(jià)新能源消納能力，即：

4.1.3 多能交互碳排

定義多能交互碳排指標(biāo)C3來(lái)評(píng)價(jià)IES 環(huán)境效益，即：

式中：Pup為上級(jí)購(gòu)電量；ψ1為上級(jí)電網(wǎng)單位電量碳排放系數(shù)；sum（·）表示矩陣元素求和。

4.2 約束條件

本文約束條件包括電能平衡約束、熱能平衡約束、氫能平衡約束以及風(fēng)光不確定性約束。其中風(fēng)光不確定性約束，考慮風(fēng)光電源波動(dòng)性和間歇性影響，構(gòu)建基于正態(tài)分布的出力置信水平，確定風(fēng)光出力不確定性區(qū)間［24］。假設(shè)風(fēng)光出力服從基于年功率均值的正態(tài)分布，置信水平取0.95。風(fēng)電和光伏的年功率均值和極限功率示意圖如附錄A圖A3、A4所示，約束的具體表達(dá)式見(jiàn)附錄A式（A1）—（A7）。

4.3 模型求解

基于電-熱-氫IES 協(xié)調(diào)策略的建模求解過(guò)程如圖2 所示。本文采用改進(jìn)種群粒子算法進(jìn)行求解，并利用電-熱-氫交互模型結(jié)合異質(zhì)能流信息，構(gòu)建能流拓?fù)洹Ｍ瑫r(shí)，考慮靈活性資源和輔助決策體系影響，制定多能調(diào)控策略，以實(shí)現(xiàn)IES 的經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保。最后，在不同場(chǎng)景下得出協(xié)同調(diào)控方案，分析電-熱-氫系統(tǒng)的源荷協(xié)同特性。

圖2 電-熱-氫IES低碳靈活協(xié)調(diào)策略Fig.2 Low-carbon flexible coordination strategy of electricity-heat-hydrogen IES

5 算例分析

5.1 基本信息

本文以東北地區(qū)某實(shí)際電-熱-氫耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象，區(qū)域能源架構(gòu)如附錄B 圖B1 所示，其中供用電子系統(tǒng)為47 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，用電負(fù)荷上限為7 792.74 kW；熱能系統(tǒng)為45 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，季節(jié)性熱負(fù)荷上限為1 255.02 kW。區(qū)域能源包含風(fēng)光、CHP 和上級(jí)電網(wǎng)，其中CHP 接在電網(wǎng)根節(jié)點(diǎn)和熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)32，具體參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B1；風(fēng)電及光伏電源接入節(jié)點(diǎn)20、47、43，并將SOEC／SOFC 作為風(fēng)光電源補(bǔ)充安裝于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處，具體參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B2；考慮風(fēng)光波動(dòng)性與間歇性影響，基于其不確定性約束，確定風(fēng)光電源的出力，區(qū)間覆蓋率為1，結(jié)果見(jiàn)附錄B圖B2。根據(jù)熱網(wǎng)布局與區(qū)域?qū)嶋H需求，將SOFC接在節(jié)點(diǎn)1、15、33 處。負(fù)荷為電、熱、氫典型日負(fù)荷，其中4 種典型可控負(fù)荷，即制造業(yè)、造紙業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)及冶金業(yè)負(fù)荷分別位于節(jié)點(diǎn)38、36、10 和26；熱網(wǎng)管道長(zhǎng)度、傳熱系數(shù)等參考文獻(xiàn)［25］；氫負(fù)荷主要由氫能源汽車、SOFC 及其他小型氫負(fù)荷組成。冬季典型用電負(fù)荷、熱負(fù)荷如附錄B 圖B3 所示，峰谷平期電價(jià)見(jiàn)附錄B 表B3，可控負(fù)荷參與調(diào)控的補(bǔ)償電價(jià)見(jiàn)附錄B表B4。

結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況設(shè)置3種供能場(chǎng)景。

1）場(chǎng)景1：考慮季節(jié)性電-熱耦合供能，CHP 機(jī)組、風(fēng)光電源和上級(jí)電網(wǎng)為主要系統(tǒng)供能方式。

2）場(chǎng)景2：考慮氫能參與的電-熱聯(lián)供，通過(guò)SOEC 完成氫儲(chǔ)，利用SOFC 進(jìn)行氫-電、氫-熱轉(zhuǎn)換，在源側(cè)實(shí)現(xiàn)電能替代靈活性資源。

3）場(chǎng)景3：考慮可控負(fù)荷參與多能耦合調(diào)控，在荷側(cè)挖掘靈活性資源協(xié)同潛力。

5.2 IES協(xié)調(diào)場(chǎng)景分析

不同場(chǎng)景中IES 協(xié)調(diào)運(yùn)行多評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的Pareto解集如附錄B圖B4所示。場(chǎng)景1采用電-熱耦合的供能方式，隨著風(fēng)光滲透率的提升，系統(tǒng)運(yùn)行成本增大，碳排放量降低，場(chǎng)景2、3 存在相同的分布趨勢(shì)。場(chǎng)景2 中電-氫、氫-電及氫熱轉(zhuǎn)化的接入，使得經(jīng)濟(jì)成本相比于場(chǎng)景1 指標(biāo)增大10.61 %、風(fēng)光使用率提高2.76 %、碳排放量降低3.893 %、源荷靈活性提升1.353；而在場(chǎng)景3 中隨著靈活性資源參與IES后，各評(píng)價(jià)指標(biāo)都出現(xiàn)明顯提升，其中經(jīng)濟(jì)成本下降4.71 %，風(fēng)光使用率上升2.57 %，碳排放量下降0.943 %，源荷靈活性提升0.213，同時(shí)使得IES 峰谷差降低4.17 %，多目標(biāo)優(yōu)化與靈活性提升結(jié)果見(jiàn)表1。不難看出，系統(tǒng)碳排主要由CHP 和負(fù)荷產(chǎn)生，風(fēng)光資源的接入可以有效降低系統(tǒng)碳排放量，而靈活性資源的參與又改善了風(fēng)光使用率，從而進(jìn)一步降低了碳排效果。另外，SOEC／SOFC 也在一定程度上發(fā)揮了降低系統(tǒng)碳排的輔助作用。

表1 多目標(biāo)優(yōu)化與靈活性提升結(jié)果Table 1 Multi-objective optimization and flexibility improvement results

場(chǎng)景2 中IES 典型日內(nèi)源-荷-儲(chǔ)波動(dòng)時(shí)序特性的分析結(jié)果如圖3 — 5所示。

圖3 場(chǎng)景2的電能時(shí)序變化結(jié)果Fig.3 Time-sequence change results of electric energy in Scenario 2

氫儲(chǔ)能參與后對(duì)供用電系統(tǒng)的影響見(jiàn)圖3。在07:00 — 15:00 的用電高峰時(shí)段，風(fēng)資源短缺但光照資源相對(duì)充足，SOFC 通過(guò)氫-電轉(zhuǎn)化補(bǔ)充電能缺額，SOEC 主要吸納光伏波動(dòng)的盈余電能；在16:00 —21:00 的風(fēng)電出力增大時(shí)段，SOEC 吸收風(fēng)電剩余能量，SOFC 則配合其他電源補(bǔ)充供電；在01:00 —06:00和22:00 — 24:00的用電低谷時(shí)段，CHP 和風(fēng)力資源較充足，SOEC吸收過(guò)剩電能，SOFC則在熱負(fù)荷需求約束下間歇性供電。結(jié)果表明，SOEC／SOFC可以有效平抑風(fēng)光能源波動(dòng)，并提升其使用率。

熱能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程見(jiàn)圖4。高緯度地區(qū)的熱能系統(tǒng)在各時(shí)段具有明顯變化：01:00 — 07:00、19:00 —24:00 為熱負(fù)荷高需求時(shí)段，以CHP 供熱為主，SOFC及其他電制熱設(shè)備協(xié)同供能；19:00 — 23:00 時(shí)段，CHP 平穩(wěn)供能，電制熱設(shè)備逐漸退出工作；11:00 —18:00 時(shí)段，CHP 調(diào)整出力滿足低熱負(fù)荷需求，SOFC與電制熱設(shè)備配合出力。

圖4 場(chǎng)景2的熱能時(shí)序變化結(jié)果Fig.4 Time-sequence change results of thermal energy in Scenario 2

氫能系統(tǒng)變化見(jiàn)圖5，其中氫儲(chǔ)量表示該時(shí)刻氫能的儲(chǔ)備情況。05:00 — 09:00 時(shí)段，SOEC 配合高用電需求和高風(fēng)光產(chǎn)出，吸收能量逐漸增大，氫儲(chǔ)量逐步爬升，且在09:00 — 13:00時(shí)段SOFC逐步釋放氫能，以適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)出力；17:00 — 20:00 時(shí)段，由于風(fēng)光出力降低而電熱需求持續(xù)升高，氫儲(chǔ)量降低以彌補(bǔ)能量短缺；21:00 — 23:00 時(shí)段，用電需求降低，CHP 出力升高滿足熱能需求，SOEC 完成電-氫轉(zhuǎn)化，氫儲(chǔ)增加。

圖5 場(chǎng)景2的氫能時(shí)序變化結(jié)果Fig.5 Time-sequence change results of hydrogen energy in Scenario 2

場(chǎng)景3 中可控負(fù)荷對(duì)IES 調(diào)控的影響分析結(jié)果如圖6、7及附錄B圖B5、B6所示。

圖6 場(chǎng)景3的可控負(fù)荷調(diào)整結(jié)果Fig.6 Controllable load adjustment results in Scenario 3

結(jié)合電能靈活性資源中的負(fù)荷特性分析，制定4 類典型負(fù)荷調(diào)整方案，結(jié)果如圖6 所示。負(fù)荷1 將10:00 — 20:00 時(shí)段的部分用電高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移至00:00 — 08:00 和21:00 — 24:00 這2 個(gè)時(shí)段；負(fù)荷2 將多時(shí)段的高峰負(fù)荷平移再分配于夜間的00:00 —05:00、20:00 — 24:00 時(shí)段；負(fù)荷3 改變工作間歇時(shí)間，將午前負(fù)荷提前1 h，20:00 負(fù)荷延遲2 h；負(fù)荷4將高峰用電時(shí)段進(jìn)行不同程度的削減。通過(guò)制定調(diào)控方案改變負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

場(chǎng)景3通過(guò)調(diào)整可控負(fù)荷改善IES運(yùn)行效益，結(jié)果見(jiàn)圖7。08:00 — 16:00 時(shí)段，風(fēng)力資源較短缺，光照資源較充足，負(fù)荷用電削減；17:00 — 22:00時(shí)段，風(fēng)電出力增加，光伏退出，負(fù)荷用電轉(zhuǎn)移，SOEC／SOFC伴隨源荷波動(dòng)做出相應(yīng)調(diào)整，氫能轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖B5；00:00 — 04:00時(shí)段，CHP與風(fēng)能充足，SOEC持續(xù)吸收電量，并轉(zhuǎn)化為氫能存儲(chǔ)，剩余電能以電制熱形式配合CHP 滿足供熱需求，熱能轉(zhuǎn)化過(guò)程見(jiàn)圖B6；當(dāng)CHP 與熱負(fù)荷間存在差額時(shí)，IES 通過(guò)電制熱設(shè)備和SOFC實(shí)現(xiàn)電-熱、氫-熱轉(zhuǎn)化。

圖7 場(chǎng)景3的電能時(shí)序變化結(jié)果Fig.7 Time-sequence change results of electric energy in Scenario 3

進(jìn)一步研究不同靈活性資源參與模式下IES 的協(xié)調(diào)運(yùn)行效果，結(jié)果如附錄B 表B5 所示。氫儲(chǔ)匹配度升高，經(jīng)濟(jì)投入增加，風(fēng)光消納率提升，碳排放量降低；但是氫儲(chǔ)匹配度過(guò)大時(shí)，負(fù)載增大，易導(dǎo)致源-荷關(guān)系過(guò)度失衡，進(jìn)而影響風(fēng)光使用率和碳排放量，故本文選擇75 % 氫儲(chǔ)匹配度進(jìn)行仿真求解。提高負(fù)荷參與度，可改善IES 經(jīng)濟(jì)成本并減少棄風(fēng)棄光率和碳排放量。

IES多能耦合與靈活資源協(xié)同的結(jié)果表明：

1）氫能與電-熱耦合提高了IES 靈活調(diào)節(jié)能力，通過(guò)多能協(xié)同平抑風(fēng)光波動(dòng)并提升新能源使用率，降低系統(tǒng)碳排；

2）通過(guò)需求響應(yīng)合理調(diào)整負(fù)荷靈活資源，提升了系統(tǒng)的靈活裕度，減小用電峰谷差，促進(jìn)低碳能源的消納與滲透。

5.3 電-熱-氫交互碳流拓?fù)?/h3>

基于電-熱-氫交互的碳排放行為進(jìn)行IES 協(xié)調(diào)運(yùn)行輔助決策，負(fù)荷靈活性資源調(diào)整方案見(jiàn)表2，不同場(chǎng)景下的負(fù)荷碳排放量結(jié)果見(jiàn)附錄B 圖B7，節(jié)點(diǎn)碳排放量對(duì)比見(jiàn)圖8。

表2 不同負(fù)荷靈活性資源調(diào)整方案Table 2 Different load flexibility resource adjustment schemes

圖8 節(jié)點(diǎn)碳排放量對(duì)比Fig.8 Comparison of carbon emission among nodes

對(duì)比表2 中的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷調(diào)控措施與圖8 中的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷碳排放量可知，通過(guò)不同負(fù)荷靈活性資源調(diào)整可改變節(jié)點(diǎn)負(fù)荷碳排，同時(shí)通過(guò)節(jié)點(diǎn)碳排變化可以刻畫負(fù)荷調(diào)整方案。為進(jìn)一步研究碳排對(duì)調(diào)控的表征方法，對(duì)其典型時(shí)段的碳流拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行分析。

1）時(shí)段1：01:00 — 05:00。此時(shí)段內(nèi)CHP與風(fēng)能資源充足，IES 主要由CHP 機(jī)組和風(fēng)電供電，SOEC通過(guò)電-氫轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)過(guò)剩能源，風(fēng)能接入電網(wǎng)的碳排放量為0。同時(shí)，電制熱設(shè)備通過(guò)電-熱轉(zhuǎn)化分擔(dān)熱負(fù)荷。場(chǎng)景3 中以可控負(fù)荷3 為代表的4 類負(fù)荷（即節(jié)點(diǎn)10、26、36和38所連負(fù)荷）調(diào)整緩解風(fēng)能消納的壓力見(jiàn)附錄B圖B7（c），圖8中節(jié)點(diǎn)10的負(fù)荷碳流時(shí)段前移，節(jié)點(diǎn)38 的負(fù)荷碳流降低，結(jié)果表明在靈活資源參與下的IES 碳排放量降低約3 %，時(shí)段1 的碳流拓?fù)浣Y(jié)果見(jiàn)附錄B圖B8。

2）時(shí)段2：10:00 — 17:00。此時(shí)段內(nèi)風(fēng)資源短缺，但光照資源相對(duì)充足，IES主要由上級(jí)電網(wǎng)、CHP和風(fēng)光電源供電，通過(guò)負(fù)荷調(diào)整削減高峰用電量。SOFC 通過(guò)氫-電轉(zhuǎn)化釋放存儲(chǔ)的氫能，并改善電網(wǎng)碳排放量；同時(shí)，通過(guò)氫-熱轉(zhuǎn)化與電制熱設(shè)備緩解熱負(fù)荷壓力。該時(shí)段IES 碳排放量降低約4%，碳流拓?fù)浣Y(jié)果見(jiàn)附錄B圖B9。

3）時(shí)段3：19:00 — 21:00。此時(shí)段內(nèi)風(fēng)電出力增加，光伏退出，IES 主要由上級(jí)電網(wǎng)、CHP 和風(fēng)電供電。風(fēng)電供能范圍減小，SOEC 通過(guò)電-氫轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)盈余電能，同時(shí)SOFC 通過(guò)氫-熱轉(zhuǎn)化與其他電制熱設(shè)備協(xié)同供熱。通過(guò)負(fù)荷調(diào)整促進(jìn)削峰填谷，IES碳排放量降低約5 %，時(shí)段3 的碳流拓?fù)浣Y(jié)果見(jiàn)附錄B圖B10。

通過(guò)典型時(shí)段碳流動(dòng)拓?fù)浞治隹芍涸搮^(qū)域通過(guò)電能替代靈活性資源實(shí)現(xiàn)氫能與風(fēng)光能源的適應(yīng)型交互，同時(shí)補(bǔ)充路徑減輕CHP 供熱負(fù)擔(dān)，并為風(fēng)光資源消納提供新路徑；電能靈活性資源雖不能直接存儲(chǔ)風(fēng)光能源，但通過(guò)負(fù)荷調(diào)整可有效促進(jìn)風(fēng)光消納，使清潔能源的碳排拓展，降低IES碳排。

6 結(jié)論

本文研究了氫能參與IES 的低碳靈活調(diào)控，所得結(jié)論如下。

1）電-熱-氫交互為IES 提供多種供用能模式，兼顧電熱需求與新能源消納。通過(guò)一體化氫儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)電能替代，并深度挖掘靈活性資源潛力，實(shí)現(xiàn)了能量的有序利用，推動(dòng)了能源體系向清潔、高效、靈活轉(zhuǎn)型，促進(jìn)了綠色可持續(xù)發(fā)展。

2）考慮協(xié)同經(jīng)濟(jì)性、能源利用性和低碳技術(shù)性分析IES 靈活協(xié)調(diào)的響應(yīng)效果，可以較好地兼顧經(jīng)濟(jì)成本、可再生能源有效利用、源荷碳排等調(diào)控需求。

3）基于負(fù)荷碳排信息，進(jìn)行電-熱-氫交互能流溯源，通過(guò)碳流拓?fù)淇梢灾庇^反映異質(zhì)能流的碳排動(dòng)態(tài)，為IES電碳耦合與協(xié)同管理提供輔助決策。

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