“電-氫”綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展分析

摘

要：以電為核心的綜合能源服務(wù)有助于支撐電網(wǎng)安全、可靠、綠色、高效運(yùn)行，而氫能在該領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鑒于此，從“電-氫”綜合能源系統(tǒng)和含綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行技術(shù)兩方面，分析了國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，以此為基礎(chǔ)闡述了“電-氫”綜合能源系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)清潔能源和氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：綜合能源；電能；氫能；電網(wǎng)0

引言隨著綜合能源的發(fā)展，電網(wǎng)進(jìn)一步朝著清潔、高效、安全、穩(wěn)定的方向發(fā)展，國(guó)網(wǎng)公司也在2020年發(fā)布了《關(guān)于在各省公司開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的意見(jiàn)》的相關(guān)文件，提出了利用能源革命的有利時(shí)機(jī)提升綜合能源服務(wù)作為主營(yíng)業(yè)務(wù)。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(shè)，取得了一定的積極成效，但實(shí)際應(yīng)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(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)力弱、綜合能源系統(tǒng)缺乏對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的有效支撐調(diào)節(jié)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，國(guó)網(wǎng)公司亟需積極探索新的綜合能源生產(chǎn)和服務(wù)形式，突出以電能為中心，發(fā)揮公司固有優(yōu)勢(shì)提供有競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)行。1

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析隨著氫能和燃料電池技術(shù)被納入國(guó)家二十大能源戰(zhàn)略發(fā)展技術(shù)，我國(guó)氫能源應(yīng)用發(fā)展迅速。2022年3月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)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(lái)國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。從氫能的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃來(lái)看，其有望在我國(guó)迎來(lái)新的發(fā)展，未來(lái)必將在新能源領(lǐng)域占據(jù)一席之地。然而，受制于氫發(fā)電與電解制氫是兩種完全不同的生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)去這一綜合能源供應(yīng)模式一直未能形成。電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)的耦合關(guān)系，構(gòu)成了能量雙向流動(dòng)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(chǔ)能綜合能源的新型主動(dòng)配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行，而需要構(gòu)建以氫能為電儲(chǔ)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(guò)對(duì)其工作機(jī)理、優(yōu)化運(yùn)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(wù)形式，更有利于在突出電能供應(yīng)核心主體地位的同時(shí)提供更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的其他能源服務(wù)供給。本文從以下兩個(gè)方面概述和簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)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(yùn)行技術(shù)。1.1

“電-氫”綜合能源系統(tǒng)國(guó)際上，2009年美國(guó)華盛頓國(guó)家新能源實(shí)驗(yàn)室K.

W.Harrison首次提出風(fēng)電等可再生能源與電解水系統(tǒng)相結(jié)合制氫并與煤化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合制取甲醇等二次能源的系統(tǒng)構(gòu)架。其后，2015年，德國(guó)建成了世界上首座風(fēng)-氫循環(huán)電廠，該電廠通過(guò)風(fēng)電高峰時(shí)段的電制氫過(guò)程將部分電能存儲(chǔ)，在風(fēng)電低谷時(shí)段通過(guò)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(diào)度曲線發(fā)電的能力，基本解決了風(fēng)電等新能源出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性問(wèn)題，具有非常好的推廣應(yīng)用價(jià)值。相對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)能而言，電-氫雙向轉(zhuǎn)化全壽命周期內(nèi)無(wú)環(huán)境污染。國(guó)內(nèi)對(duì)電-氫綜合能源系統(tǒng)的研究應(yīng)用，也是首先從解決風(fēng)電、光伏的消納問(wèn)題出發(fā)。但與歐美不同的是，目前的應(yīng)用主要是電制氫，氫主要作為化工原料和動(dòng)力燃料。圖1為國(guó)家863項(xiàng)目“基于可再生能源制/儲(chǔ)氫研發(fā)與示范”的示范應(yīng)用工程（2016年），其運(yùn)營(yíng)為風(fēng)光新能源消納和氫燃料電池汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展打開了技術(shù)窗口。在國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)網(wǎng)總部科技項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)、新疆大學(xué)及國(guó)內(nèi)的多個(gè)能源研究單位于2017年在新疆等地初步建成了風(fēng)電-氫能與煤化工的多能耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。上述風(fēng)-電-氫-煤綜合能源系統(tǒng)已具備了氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)的雛形，但在推廣應(yīng)用方面，還存在以下問(wèn)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(duì)本地大型新能源電站消納問(wèn)題不突出；但配網(wǎng)側(cè)分布式電源發(fā)展迅猛，配網(wǎng)對(duì)高滲透分布式光伏的消納未來(lái)是一個(gè)重要問(wèn)題。（2）江蘇工業(yè)發(fā)展，對(duì)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(duì)電網(wǎng)調(diào)峰需求明顯，“電-氫”綜合能源的“儲(chǔ)能”化運(yùn)行很有必要。（4）對(duì)于未來(lái)包含氫儲(chǔ)能的主動(dòng)配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行，目前還未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外有研究報(bào)道。1.2

含綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行技術(shù)含氫儲(chǔ)能綜合能源的配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行技術(shù)國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)研究報(bào)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(yùn)行技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已有較多研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)（IPGES）運(yùn)行優(yōu)化開展了相關(guān)研究。美國(guó)麻省理工大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)研究了穩(wěn)態(tài)能量流建模的相關(guān)技術(shù)。英國(guó)實(shí)驗(yàn)室研究了天然氣和電力系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控策略，以線性化方式簡(jiǎn)化天然氣管網(wǎng)模型，利用線性優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量流的求解。清華大學(xué)則采用分布自治決策的方式對(duì)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(jìn)行了研究。河海大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步考慮了新能源出力、電力系統(tǒng)負(fù)荷和燃?xì)庳?fù)荷的耦合性，以此建立了概率最優(yōu)能量流的數(shù)學(xué)模型。然而，以上研究均對(duì)于天然氣系統(tǒng)建模進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只關(guān)注了穩(wěn)態(tài)特性而忽略了其慢動(dòng)態(tài)特性，從而導(dǎo)致優(yōu)化的結(jié)果與實(shí)際工況有較大偏差。美國(guó)電科院（EPRI）在前述基礎(chǔ)上考慮了系統(tǒng)的慢動(dòng)態(tài)特性，建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以此實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量流的求解。與電-氣系統(tǒng)相似，電-氫系統(tǒng)一樣具有“慢”調(diào)節(jié)特性，在EPRI的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)日前-日內(nèi)兩層三階段運(yùn)行決策，在日前計(jì)劃中先給出電-氫系統(tǒng)的基礎(chǔ)指令，日內(nèi)以調(diào)節(jié)量最小為目標(biāo)之一，能夠保證系統(tǒng)在相對(duì)“慢”特性調(diào)節(jié)中具有對(duì)電網(wǎng)的“實(shí)時(shí)”優(yōu)化能力。華北電力大學(xué)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(shè)計(jì)模型，考慮配電線路、燃?xì)夤艿赖囊?guī)劃和運(yùn)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(yùn)行成本為目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃和應(yīng)用場(chǎng)景分析。通過(guò)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(jì)性。但如前述，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)雖可提供熱、冷等異質(zhì)能量，但對(duì)于配電網(wǎng)而言僅是一種可控的發(fā)電設(shè)備，其對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)支撐作用顯然無(wú)法與既具有“儲(chǔ)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。該研究充分考慮電網(wǎng)運(yùn)行的不確定與綜合能源系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)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(wèn)題，但其應(yīng)用受市場(chǎng)規(guī)則和預(yù)測(cè)概率密度函數(shù)精度制約。在我國(guó)當(dāng)前的電網(wǎng)運(yùn)行體制下，加上新能源預(yù)測(cè)精度還相對(duì)較低的現(xiàn)實(shí)條件，該方法實(shí)際價(jià)值較小。2

“電-氫”綜合能源中的關(guān)鍵技術(shù)分析針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，本文總結(jié)了“電-氫”綜合能源的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，主要包括以下4個(gè)方面：（1）“電-氫”綜合能源系統(tǒng)建模與交互耦合作用機(jī)理研究。研究綜合能源系統(tǒng)典型設(shè)備單元?jiǎng)澐趾臀锢硇阅苤笜?biāo)，分別對(duì)系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)立設(shè)備和耦合類設(shè)備建模。擴(kuò)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(jī)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(yùn)行策略研究?？紤]負(fù)荷和清潔能源出力的隨機(jī)性以及自身運(yùn)行“慢速”特性，基于模型預(yù)測(cè)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(yùn)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(wèn)題。（3）“發(fā)電-電解”一體可逆燃料電池本體關(guān)鍵技術(shù)研究。分析電池核心性能指標(biāo)的影響因素；研究新型電極結(jié)構(gòu)，提高發(fā)電與電解過(guò)程的反應(yīng)效率；分析發(fā)電與制氫過(guò)程的耦合機(jī)理，結(jié)合金屬儲(chǔ)氫技術(shù)，優(yōu)化一體式可逆燃料電池堆的運(yùn)行。（4）基于“電-氫”綜合能源協(xié)同優(yōu)化的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行技術(shù)研究。建立包含“電-氫”綜合能源系統(tǒng)的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃模型，形成“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”優(yōu)化配置方案；基于典型場(chǎng)景劃分，研究基于“電-氫”綜合能源協(xié)同優(yōu)化的主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行