- 頭條武漢理工科研人員提出考慮不確定性的電熱氫綜合能源系統規劃方法2022-02-21 作者：侯慧、劉鵬 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在綜合能源系統（IES）高速發展的背景下，武漢理工大學自動化學院、廣東廣順新能源動力科技有限公司的研究人員侯慧、劉鵬、黃亮、謝長君、張銳明，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出考慮風光不確定性的電-熱-氫綜合能源系統多目標規劃方法。研究表明，該方法可以有效應對可再生能源出力的變化，并且能夠兼顧多種規劃需求。
在能源利用、環境效益及技術經濟性等方面，綜合能源系統（Integrated Energy System, IES）支持大規模可再生能源的接入、大規模氫儲能及其他儲能設備的接入，并支持向電氣化交通的轉型，已成為未來能源行業發展的必然趨勢。但其涉及的轉換設備更多，規劃往往也更加復雜，需要在滿足技術經濟性條件下，同時供應多種能量，并實現可再生能源的充分利用。
在綜合能源系統規劃方面，現有研究存在優化目標函數較為單一，規劃結果難以兼顧多方面需求等不足。在綜合能源系統規劃可再生能源出力不確定性處理方面，相對于傳統電網中的可再生能源并網發電，在具有更高靈活性的IES中，如何合理規劃使其更高效地應對不確定因素的變化是其面臨的重要挑戰之一。目前，在IES的規劃中考慮再生能源出力不確定性的研究較少。有些基于場景法的研究，在場景縮減時可能導致極限場景的丟失，基于魯棒優化模型的研究建模和求解過于復雜且難以理解。
在綜合能源系統規劃可再生能源消納方面，電轉氣技術具有良好的能量轉換和時空平移特性，是消納可再生能源多余出力的有效途徑。在實際生產過程中，P2G技術通常被分為電制氫和甲烷化兩個過程，即首先通過電解將水分解成氧氣和氫氣，再將氫氣和二氧化碳合成為甲烷。
有學者對現有電制氫和甲烷化的技術特性進行了研究，從中可知，電制氫的效率為75%～85%，甲烷化的效率為75%～80%，P2G的綜合效率為45%～65%。當系統供電功率出現缺額，起動燃氣機進行放電時，又會導致進一步的能量損耗。
由上述研究可知，經過多次的能量轉換，電力與天然氣能量閉環的效率可能僅為15%～22%，且增加了系統的投資成本。為減少能量轉換過程，并尋求P2G技術更高效的應用方式，有學者對氫氣的儲存和利用進行了研究，認為氫能在未來的高比例可再生能源系統中擁有巨大的應用潛力。有學者率先探索了太陽能離網式燃料電池汽車加氫站的最優規劃，為氫能的推廣利用提供了重要途徑。
綜上所述，針對現有P2G技術能量利用效率較低的現狀，傳統規劃目標函數單一，規劃過程未充分考慮不確定性因素影響的背景下，武漢理工大學等單位的科研人員提出考慮風光不確定性的電-熱-氫綜合能源系統多目標規劃方法，不僅可以有效應對可再生能源出力的不確定性，還能兼顧多種規劃需求。
圖1 電-熱-氫綜合能源系統結構示意圖
他們首先介紹了電-熱-氫綜合能源系統模型結構框架和關鍵設備運行策略，針對模型中現有電轉氣（P2G）技術和熱電聯產機組（CHP）運行策略的不足，提出將P2G生成的氫氣優先供應燃料電池汽車，以及根據可再生能源出力大小切換CHP運行模式等改進措施；其次，針對可再生能源出力不確定性對系統規劃的影響，基于場景法實現了不確定性場景描述，同時以經濟成本最小、風光消納率最大和供能不足最小為優化目標，提出考慮風光不確定性的多目標規劃方法，達到應對不確定性因素影響以及兼顧經濟性、高效性和可靠性的目的；最后，采用改進的混合多目標粒子群算法和模糊隸屬度函數求解設備容量配置方案，結果驗證了所提方法的有效性及合理性。
科研人員通過算例結果分析得出如下結論。
1）優化配置的綜合能源系統各設備充分發揮其功能，基本實現電、熱、氫的同時供應。在運行策略上，通過將燃料電池汽車和加氫站加入到P2G過程中，實現了富余電能的有效利用。通過切換CHP運行模式，可以較好地與可再生能源出力配合，在滿足負荷需求的同時，減少了能量浪費。
2）以經濟成本最小、風光消納率最大和供能不足最小為優化目標對IES進行多目標規劃，可以較好地兼顧經濟成本、可再生能源有效利用和供能可靠性等規劃需求。
3）通過考慮極限場景，可以較為有效地應對不確定性因素的變化。由結果分析可知，所得規劃方案在可再生能源出力波動時具有較強的適應能力。
最后，他們指出，本規劃方法雖然較為保守，但對于孤島運行的IES，這種保守性是有必要的。
以上研究成果發表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“考慮不確定性的電-熱-氫綜合能源系統規劃”，作者為侯慧、劉鵬 等。
