考慮氫負荷響應(yīng)的化工園區(qū)電–氫耦合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度

李顥然，薛屹洵*，戴鐵潮，常馨月，潘昭光，孫宏斌,

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030002；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

近年來，隨著新能源的大規(guī)模開發(fā)利用，各地都出現(xiàn)了不同程度的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，給社會帶來一定的經(jīng)濟損失[1–2]。電解水制氫作為消納新能源電力的一種有效途徑，已被廣泛應(yīng)用于中國的一些城市與工業(yè)園區(qū)[3]，因此出現(xiàn)了越來越多的電–氫耦合系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對電–氫耦合系統(tǒng)展開了一系列研究。一些研究聚焦于提升電–氫耦合系統(tǒng)的靈活性，以適應(yīng)高比例可再生能源接入的電網(wǎng)。Niaz等[4]提出將堿性電解槽與電池儲能系統(tǒng)集成，以克服可再生能源出力的波動性；Ban等[5]提出了一個同時具有電解槽和燃氣發(fā)電設(shè)施的能源中心，并驗證了該運行模式的可行性及在風(fēng)電消納上的有效性。在電–氫耦合系統(tǒng)的運行調(diào)度方面，范宏等[6]建立了一種氫儲能系統(tǒng)的動態(tài)特性模型，并將其運用到智慧園區(qū)多樓宇系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度中，以此降低多樓宇系統(tǒng)的運行成本；顧玖等[7]提出構(gòu)建一種電–氫一體化站，通過加入一體化站的運行模式，提高了電力系統(tǒng)削峰填谷能力及新能源消納能力；Amin等[8]提出了一種基于熱電聯(lián)產(chǎn)與儲氫融合的風(fēng)能電網(wǎng)日前調(diào)度方案，并通過仿真驗證了所提出方案的有效性；Zhong等[9]提出了一種含有電制氫裝置的微電網(wǎng)實時優(yōu)化模型，并采用預(yù)測控制和短視策略解決優(yōu)化問題；Jun等[10]提出了一個考慮氫氣銷售的電–氫耦合系統(tǒng)模型，綜合考慮儲氫、售氫及區(qū)域電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度以降低系統(tǒng)的運行成本。在電–氫協(xié)同規(guī)劃方面，許傳博等[11]構(gòu)建了一種儲氫優(yōu)化配置模型，通過配置發(fā)電側(cè)新能源站場的儲氫容量，解決風(fēng)光站場的能源消納問題；李奇等[12]提出一種考慮電–氫耦合的混合儲能微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法，建立微電網(wǎng)優(yōu)化配置模型，并提出該微電網(wǎng)運行控制策略；Wang等[13]提出一種輸電與輸氫網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合規(guī)劃方法，量化輸氫系統(tǒng)的靈活性，實現(xiàn)電氫資源的互補。

然而，上述研究僅在樓宇、城市等中小規(guī)模用氫背景下考慮，并不適用于工業(yè)園區(qū)中大規(guī)模用氫的生產(chǎn)環(huán)境，難以保證在工業(yè)背景下的成本問題；同時，上述研究僅考慮了氫氣作為電能儲存媒介的作用，而忽略了氫氣在化工行業(yè)的重要用途。事實上，氫氣作為一種重要的化工原料，在合成氨[14]、甲醇等化工領(lǐng)域有著十分重要的作用，以氫氣為主要原料的氫化工園區(qū)也在中國北方廣泛存在，同時化工行業(yè)的負荷特性決定其具有參與需求側(cè)響應(yīng)的潛力[15]，可以為電力系統(tǒng)提供可調(diào)的靈活性資源。然而，得益于成熟的技術(shù)條件及較低的制氫成本[16]，當(dāng)前大部分氫氣仍來自于化石燃料制氫，如天然氣制氫和煤氣化制氫[17]，這種傳統(tǒng)的化石燃料制氫方式往往伴隨著嚴(yán)重的碳排放問題，不利于中國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，亟需開展以化工園區(qū)為背景的電–氫耦合系統(tǒng)研究。

基于以上考慮，本文對化工園區(qū)場景下的電–氫耦合系統(tǒng)進行了全面研究。建立了涵蓋園區(qū)源–網(wǎng)–荷–儲各角度的電–氫耦合系統(tǒng)各側(cè)設(shè)備的經(jīng)濟調(diào)度模型，在氫源側(cè)，將煤制氫與電解水制氫同時作為園區(qū)氫源，使電解水制氫在園區(qū)中既可以消納富余電力，又可以替代部分煤制氫，實現(xiàn)煤與可再生能源的有機協(xié)同；在氫網(wǎng)側(cè)，提出采用管道實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)的短距離氫氣運輸；在氫負荷側(cè)，充分挖掘氫燃料發(fā)電[18–19]與氫制氨的靈活性，使其作為可調(diào)度的資源。系統(tǒng)調(diào)度以實現(xiàn)園區(qū)收益最大化為目標(biāo)，并加入棄風(fēng)棄光懲罰以實現(xiàn)最大限度消納新能源，綜合考慮園區(qū)電力系統(tǒng)與氫系統(tǒng)的運行約束條件，對系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度進行仿真分析。

1 園區(qū)級電–氫耦合系統(tǒng)架構(gòu)

本文以實際綠氫制氨園區(qū)為基礎(chǔ)[20–21]，構(gòu)建了如圖1所示的化工園區(qū)電–氫耦合系統(tǒng)總體架構(gòu)。園區(qū)內(nèi)風(fēng)、光等可再生能源充足，同時園區(qū)電力系統(tǒng)通過變電站與外部電網(wǎng)進行電力交易，氫源包括煤制氫與電解水制氫，氫氣通過儲氫罐進行存儲，園區(qū)內(nèi)的氫氣使用管道進行短距離運輸，氫負荷包括加氫站、氫制氨，以及使用氫氣作為燃料進行發(fā)電的氫燃料發(fā)電。

圖1 園區(qū)級電–氫耦合系統(tǒng)Fig. 1 Park-level electricity–hydrogen coupling system

整個園區(qū)通過電解水制氫與氫燃料發(fā)電使電力系統(tǒng)與氫系統(tǒng)緊密耦合在一起。在園區(qū)正常運行時，通過外電網(wǎng)與分布式風(fēng)電、光伏對園區(qū)供電，滿足電負荷所需電能。氫氣通過煤制氫與電解水制氫制備，當(dāng)前已被廣泛使用的電解水制氫設(shè)備主要為堿性電解槽（alkaline water electrolyser，AWE）與質(zhì)子交換膜電解槽（proton exchange membrane electrolyser，PEME），而堿性電解槽在工業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)上有更廣泛的應(yīng)用[22–23]，由氫源制備的氫氣先由儲氫罐進行存儲，而后通過管道輸送至氫的各個負荷，當(dāng)前較為成熟的管道輸氫技術(shù)為天然氣混氫運輸，出于安全考慮，一般將氫氣的體積比控制在5%以內(nèi)[24]。在負荷側(cè)，氫燃料發(fā)電與氫制氨通過跟隨電源與電負荷的實時變化情況，同時響應(yīng)分時電價，以達到園區(qū)整體運行成本最低及收益的最大化的效果。

2 化工園區(qū)氫能系統(tǒng)模型

對化工園區(qū)氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進行建模，包括煤制氫、電解槽、儲氫罐、氫制氨、氫燃料發(fā)電機，以及輸氫管網(wǎng)。

2.1 氫源模型

1）煤制氫

煤制氫是指煤在高溫、高壓下與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣與二氧化碳的過程，其化學(xué)反應(yīng)原理如下：

2）電解水制氫

本文依據(jù)電極動力學(xué)建立了堿性電解槽的電流–電壓經(jīng)驗關(guān)系模型：

故電解槽電壓與電流即可簡化為線性形式，根據(jù)電化學(xué)理論與法拉第定律，電解槽的實際產(chǎn)氫量可以表示為：

由于電解槽所用電為直流電，從電網(wǎng)接入的電能需通過整流裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，電的整流過程可表示為：

2.2 儲氫罐模型

在儲氫罐模型中，重點關(guān)注罐內(nèi)總氫氣質(zhì)量的

2.3 氫負荷模型

1）氫制氨

氫制氨是合成氨的重要來源之一，利用氫氣與氮氣在高溫高壓下的反應(yīng)生產(chǎn)氨氣，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

在實際氫制氨工藝中原料往往要進入多反應(yīng)容器，同時配有加壓、冷卻、分離等輔助系統(tǒng)以達到較高的轉(zhuǎn)化率，故氫制氨的生產(chǎn)過程往往也消耗大量電能。Li等[25]基于布勞恩軸向三床絕緣反應(yīng)器（Braun axial three-beds insulation reactor，BATIR），建立了氫制氨模型，證明反應(yīng)器中各變量，包括溫度、輸入電能、輸入氫氣、輸入氮氣、輸出熱能、輸出氨氣之間存在一種線性關(guān)系?；谠撃Ｐ?，給出表征氫氣輸入、氮氣輸入、用電量及氨氣產(chǎn)量之間線性關(guān)系的方程：

2.4 輸氫管網(wǎng)模型

式（19）即為管道穩(wěn)態(tài)方程的線性形式，在實際管道運行中，往往需考慮氣體流向，由此可將式（19）改寫為：

3 電–氫協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為實現(xiàn)新能源就地消納與園區(qū)運行效益最大化的目標(biāo)，建立了如下的目標(biāo)函數(shù)：

3.2 約束條件

1）氫源

氫源約束除了應(yīng)滿足式（2）～（11）的模型，還應(yīng)滿足如下的運行約束：

式（24）表示基于煤制氫容量規(guī)定了其用煤量的上限與下限，式（25）表示基于電解槽容量規(guī)定了電解槽輸入電能的上下限。

2）儲氫

儲氫約束除了應(yīng)滿足式（12）的模型，還應(yīng)滿足如下的運行約束：

式（26）為儲氫罐的容量限制；式（27）表示充氫與放氫的速率限制；式（28）表示假設(shè)每天初始時刻有一個氫氣最低需求量，則在一天的初始時刻的儲氫量應(yīng)大于這一最低需求量。

3）氫負荷

氫負荷約束除了應(yīng)滿足式（14）～（15）的模型，還應(yīng)滿足如下的運行約束：

4）輸氫管網(wǎng)

輸氫管網(wǎng)約束除了應(yīng)滿足式（16）～（22）的模型，還應(yīng)滿足如下運行約束：

式（32）表示氫源出口一般通過壓縮機接入管道，因此可假設(shè)管道在氫源節(jié)點處的壓力為定值；式（33）表示管道承受壓力范圍。

5）電量平衡約束

園區(qū)電力系統(tǒng)應(yīng)滿足如下電量平衡約束：

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

本文所構(gòu)建的調(diào)度模型是含非線性約束的優(yōu)化問題，算例研究在16 GB內(nèi)存、i7–1165G7 CPU的計算環(huán)境下完成。仿真程序使用MATLAB R2021a開發(fā)并使用ipopt求解器進行求解。

本文基于典型化工園區(qū)電氫耦合系統(tǒng)設(shè)計算例，算例電氫耦合系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，P2H為電解水制氫、C2H為煤制氫、HFG為氫燃料發(fā)電、H2A為氫制氨。

圖2 算例電–氫耦合系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 2 Electricity–hydrogen coupling system topology in case studies

由圖2可知，園區(qū)系統(tǒng)由一個11節(jié)點的電力系統(tǒng)和一個7節(jié)點的氫能系統(tǒng)耦合而成。在氫能系統(tǒng)中節(jié)點2設(shè)有電解水制氫，節(jié)點3設(shè)有煤制氫，節(jié)點1、4設(shè)有儲氫，節(jié)點5設(shè)有氫制氨，節(jié)點7設(shè)有氫燃料發(fā)電機，節(jié)點6為加氫站用氫負荷，其中，電解水制氫、氫制氨與氫燃料發(fā)電機分別耦合在電力系統(tǒng)的節(jié)點3、6與11，風(fēng)電與光伏分別在電力系統(tǒng)的節(jié)點7和8，在節(jié)點1處通過變電站與外電網(wǎng)進行電力交易。

分布式風(fēng)電、光伏出力數(shù)據(jù)、園區(qū)總電源、用戶用電負荷數(shù)據(jù)如圖3所示，園區(qū)中加氫站氫負荷數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖3 園區(qū)電量數(shù)據(jù)Fig. 3 Park electricity data

圖4 加氫站用氫數(shù)據(jù)Fig. 4 Hydrogen data for hydrogen refueling station

電解槽參數(shù)采用典型堿性電解槽參數(shù)[26]，參數(shù)值如表1所示，氫制氨運行參數(shù)如表2所示。

表1 堿性電解槽參數(shù)Tab. 1 Parameters of alkaline electrolyzer

表2 氫制氨參數(shù)Tab. 2 Parameters of hydrogen to ammonia

本文采用的電價為分時電價，具體如表3所示。

表3 分時電價數(shù)據(jù)Tab. 3 Time-of-use electricity price

4.2 算例結(jié)果分析

為驗證所提方法的有效性，設(shè)置3個典型場景如下：

場景1：電解槽與氫制氨的運行功率均為可調(diào)，即電解槽跟隨新能源出力，同時考慮氫制氨的需求側(cè)響應(yīng)；

場景2：電解槽無法跟蹤新能源出力，即電解槽處于定功率運行狀態(tài)，氫制氨運行功率可調(diào)；

場景3：不考慮氫制氨的需求側(cè)響應(yīng)，即氫制氨處于定功率運行狀態(tài)，電解槽運行功率可調(diào)。

化工園區(qū)電–氫耦合系統(tǒng)在3種場景下的運行結(jié)果分別如圖5、6及7所示，包括電解水制氫的運行曲線、氫燃料發(fā)電機的運行曲線與氫制氨的運行曲線。

圖5 場景1運行結(jié)果Fig. 5 Operation results of case 1

從圖5可以看出：新能源出力的峰值位于上午的07：00—09：00時與下午的15：00—17：00時，在這些時段，園區(qū)供大于需，若將大量的富余電力送到電網(wǎng)，將帶來巨大的懲罰成本。因此，在場景1中，富余電力通過電解槽轉(zhuǎn)化為氫氣，實現(xiàn)新能源的消納，尤其是在新能源總出力最大的為09：00，電解槽的產(chǎn)氫量也達到了最大值，同時氫制氨也在最大功率運行，盡可能地消納風(fēng)電與光伏。在14：00、19：00時，園區(qū)內(nèi)新能源發(fā)電難以滿足負荷需求?？紤]到此時較高的購電電價，從外電網(wǎng)購電將帶來巨大的購電成本，不利于園區(qū)的收益最大化，因此，園區(qū)在這兩個時刻，利用氫燃料發(fā)電機進行發(fā)電滿足負荷需要。同時，為緩解這些時刻電負荷及氫負荷壓力，氫制氨也處于最小功率運行，從而大幅減少園區(qū)的外購電成本。

從圖6可以看出：在場景2中，電解槽處于定功率運行狀態(tài)時。當(dāng)新能源出力最大時，電解槽運行功率過低而無法消納過剩的新能源電力；當(dāng)園區(qū)負荷最大的時刻，電解槽也無法降低自身功率，反而增大了園區(qū)的購電負擔(dān)。在這種運行方式下，園區(qū)與外界的電力交易更加頻繁且交易電量明顯增加，不利于園區(qū)整體的發(fā)展。

圖6 場景2運行結(jié)果Fig. 6 Operation results of case 2

從圖7可以看出：在場景3中，氫制氨處于定功率運行狀態(tài)，無法為園區(qū)提供可調(diào)的靈活型資源。例如：在可再生電源出力出現(xiàn)低谷的04：00、15：00及19：00時，適當(dāng)降低氫制氨的生產(chǎn)功率，可以減小園區(qū)總負荷，降低購電成本；在可再生電源出力的高峰09：00時，適當(dāng)增大氫制氨的產(chǎn)能，有利于促進新能源的消納，最大限度地減少棄風(fēng)棄光。

圖7 場景3運行結(jié)果Fig. 7 Operation results of case 3

3種場景下園區(qū)與電網(wǎng)的交易電量對比如圖8所示。表4展示了園區(qū)級電–氫耦合系統(tǒng)在不同運行方式下的運行成本及總收益。

圖8 3種場景的交易電量對比Fig. 8 Comparison of transacted electricity quantity for three cases

表4 3種場景的運行成本對比Tab. 4 Comparison of operation cost for three cases

結(jié)合圖8和表4可以看出，在場景2中，由于電力交易的頻繁，導(dǎo)致園區(qū)購電成本大幅增加，總收益也大幅下降。場景3與場景1的對比表明，在考慮氫制氨的需求側(cè)響應(yīng)時，制氨收益基本不變，同時由于加入了可調(diào)的靈活性資源，可以使購電成本與棄風(fēng)棄光懲罰成本進一步降低，進而使園區(qū)總收益提升約21.5%。

5 結(jié) 論

由于新能源電力的裝機容量日益提高，導(dǎo)致大量富余電力從配電網(wǎng)注入輸電網(wǎng)絡(luò)或出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。本文以化工園區(qū)為例，通過電力系統(tǒng)與氫系統(tǒng)的耦合，來解決過剩電力難以消納的問題，在氫源側(cè)，通過電解水制氫來消納富余電力；在氫負荷側(cè)，通過氫燃料發(fā)電機在負荷高峰時刻進行發(fā)電，減少在電價峰時的外購電量。本文從系統(tǒng)的源–網(wǎng)–荷–儲角度，建立了各側(cè)設(shè)備的物理模型，在此基礎(chǔ)上，建立了以化工園區(qū)為例的園區(qū)級電–氫耦合系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型。從案例研究中可以看出，電解槽、氫燃料發(fā)電機、氫制氨通過跟蹤新能源出力與園區(qū)負荷的變化，實現(xiàn)對新能源電力的削峰填谷；同時可以得出，電–氫耦合系統(tǒng)協(xié)同運行的基礎(chǔ)是電解槽跟隨源荷功率變化，可大幅減少園區(qū)購電與棄風(fēng)棄光，在此基礎(chǔ)上，考慮氫負荷側(cè)的需求側(cè)響應(yīng)，充分挖掘園區(qū)的靈活性資源，可以進一步降低系統(tǒng)運行成本，提升園區(qū)總體運行效益。

由于考慮負荷側(cè)的需求側(cè)響應(yīng)可為園區(qū)帶來直觀的經(jīng)濟效益，因此，下一步將對氫負荷側(cè)進行細致研究，建立更精細的模型來進行優(yōu)化調(diào)度。此外，氫燃料電池的熱電聯(lián)供技術(shù)的應(yīng)用也逐漸廣泛，將出現(xiàn)越來越多的電–氫–熱耦合系統(tǒng)，今后可在本研究的基礎(chǔ)上，融合供熱系統(tǒng)，進一步提升能效，降低成本。

（編輯 趙 婧）