氢电耦合系统安全风险研究

氢电耦合系统是新型电力系统不可或缺的重要组成部分,安全性是其规模化应用的前提。以氢电耦合系统为研究对象,对其关键涉氢装备发生的事故进行了汇总与研究,进而应用故障树对氢气泄漏引起的燃烧与爆炸事故开展了氢电耦合系统安全风险评价。研究表明,储氢与压缩设备是易发生安全事故的关键涉氢装备,设计缺陷、密封问题与操作失误是氢安全事故的重要诱因。通过故障树分析可知,存在5种有效避免氢电耦合系统发生氢气泄漏导致火灾或爆炸事故发生的途径。研究获得的氢电耦合系统危险源及基本事件的重要程度可为安全防护措施的制定奠定基础。

考虑多区间划分不确定性的氢电耦合系统鲁棒优化调度

因风电的发电特性常存在波动性和随机性强等缺点,规模化的风电应用仍受到较大限制。氢能和风电等可再生能源的耦合利用不但可以平抑可再生能源波动,而且可以提高风电消纳水平。为此,提出一种基于多区间划分不确定性的氢电耦合系统日前优化调度模型。首先,建立了以风电制氢为核心的系统模型;其次根据风电预测误差概率分布建立不确定集,并对不确定集进行多区间划分,从而建立两阶段鲁棒优化调度模型;然后通过列和约束算法将目标函数分解成主问题和子问题进行迭代求解;最后,通过算例仿真验证了所提方法的优势。

电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统调度

针对我国电氢供需时空分布不均导致新能源利用率低、系统运行成本过高等问题,提出一种电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统调度方法。首先,根据送、受端区域的能源供需特征、电/氢子系统运行特性及甲醇氢载体属性,设计电-氢耦合系统跨区协同运行机制和调度框架,提出电能-甲醇联合输运下的送、受端供需平衡模型,充分利用甲醇的灵活储运能力促进新能源跨时空消纳;然后,构建电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统双层优化调度模型,考虑长时间尺度下的电、氢能量平衡,以天为调度尺度建立上层模型,确定甲醇输运和机组起停方案;考虑短时间尺度下的电力平衡、氢供需平衡约束,以小时为调度尺度建立下层模型,确定送、受端系统各小时的运行计划,从而实现异质能源的跨时空协同互补,保障送、受端区域多时间尺度能量供需平衡;最后,基于改进的HRP 38系统进行仿真分析,结果表明电能-甲醇跨区协同输运能够显著提高系统经济运行水平,促进新能源规模化消纳。

面向高比例新能源接入的电氢耦合系统设想及分析

高比例新能源接入电力系统,其高随机性与波动性将造成系统“源-荷”结构失衡,且高比例电力电子化将导致传统电力系统以同步发电机和机电动态特性为基础的技术特性发生深刻变化。为此,提出了一种采用“送端绿电离网外送-受端离网制氢-氢燃气并网发电”模式的电氢耦合系统,即在送端将新能源电力汇集接入至与交流电网无电气联系的直流输电网络中,在受端满足电解水制氢直流负荷并通过氢燃气发电方式支撑交流电网,从而将大量新能源消纳和新增“西电东送”需求与送端/受端交流电网解耦。所提电氢耦合系统不仅能改善系统电力电量平衡,促进高比例新能源消纳,还能够保障电力系统的安全可靠运行,可为我国高比例新能源电力系统的演进方向提供参考。

双向可逆的集中式电氢耦合系统容量优化配置

针对风光富集地区大型新能源发电厂的弃风弃光问题,利用可逆固体氧化物燃料电池(reversible solid oxide fuel cell,RSOC)结合氢储能的双向转换特性消纳多余风光资源,提出一种双向可逆的集中式RSOC电氢耦合系统容量优化配置方法。首先构建集中式RSOC电氢耦合系统架构,建立发电系统、电氢转换系统等模型;其次考虑燃料电池特性建立RSOC性能衰减模型,考虑特高压通道可用传输能力不确定性生成典型场景;进而建立集中式RSOC双层容量规划模型,上层以运营期收益最大为目标优化RSOC、储氢库容量配置,下层以综合成本最低为目标优化各设备出力,联合粒子群算法与Cplex求解器进行求解。最后通过算例分析,验证RSOC的加入提高了系统经济性及环境效益,同时投资灵敏度分析表明电池单位容量成本是制约系统经济运行的重要因素。

氢电耦合关键技术研究及工程示范

氢能零碳动力产业园氢电深度耦合创新示范工程一期建设的正式投运,有效提升了氢电系统耦合度,较好地改善了由可再生能源发电与负荷需求不匹配而导致的系统电热响应不佳的问题并充分发挥了氢电耦合系统在调频、调峰、应急响应等场景中的关键作用。依托工程一期建设的具体实践,本文首先介绍了该示范工程的建设背景及其核心子系统;随后对一期建设中所采用的混合电解槽协同制氢与容量配置方案、计及性能最优的质子交换膜燃料电池系统装置级控制策略进行了介绍;最后对工程一期建设进行总结并从加强系统中相关核心设备的研制与开发、加强氢电耦合全系统下的热电联供集成控制策略研究以及加强氢电耦合系统参与电力系统辅助服务研究等方面,深入探讨了示范工程后续建设应亟待攻关的重难点。

考虑电动汽车充电方式的热-电-氢耦合孤岛综合能源系统优化配置

为实现热-电-氢综合能源系统在满足多种负荷需求的同时,能有效地降低经济成本,提出了一种以经济性为目标的双层优化配置算法,研究了孤岛综合能源系统的优化配置。首先,搭建了热-电-氢混合耦合综合能源系统(the combined hydrogen,heat and power system,CHHP),然后考虑到设备购置、运维以及燃料电池、电解槽和蓄电池的老化建立了系统总目标函数。再采用上层算法为混合正余弦灰狼算法(gray wolf optimization with sine cosine algorithm,GWO-SCA),下层算法为混合整数线性规划(mixed integer linear programming,MILP)的双层优化配置算法对设备容量进行求解。最后运用算例,验证了该算法的优越性。并对系统中的电动汽车负荷考虑了多种充电方式,讨论了不同充电方式对配置结果和经济成本的影响。结果表明所提优化配置方法能够实现综合能源系统的经济、稳定运行。

考虑氢负荷响应的化工园区电–氢耦合系统协同优化调度

为解决新能源大规模发展下日益严重的弃风弃光现象,中国很多城市及园区开始广泛使用电解水制氢作为消纳新能源的一种有效途径,随之产生了越来越多的电–氢耦合系统,本文以化工园区为例,提出了考虑氢负荷响应的园区级电–氢耦合系统协同优化调度方法。首先,以实际绿氢绿氨工业园区为基础,提出了典型园区级电–氢耦合系统架构,并从系统的源–网–荷–储各角度建立了包括煤制氢、电解水制氢、储氢罐、氢制氨、氢燃料发电机与输氢管网的化工园区电–氢耦合系统模型。其次,以实现园区整体效益最大为目标,并在目标函数中加入弃风弃光惩罚项,同时考虑氢负荷的需求侧响应,使氢制氨作为园区内可灵活调节的资源,基于此进行化工园区电–氢耦合系统协同优化调度。为验证本文所提出优化调度方法的经济性及优越性,对比分析了3种不同运行场景下的优化调度结果。结果表明,电解槽与氢燃料发电机通过跟踪园区内的电源与电负荷的变化情况,实时调整自身出力功率,在保证园区电量平衡的前提下减少与外界的电力交易,减少园区购电成本与弃风弃光,同时,考虑氢制氨的需求侧响应可以在保证经济效益的前提下,进一步减少弃风弃光、降低园区整体运行成本。

基于多仿射决策规则的电-氢耦合系统多阶段鲁棒优化调度

在电-氢耦合系统优化研究中,现有工作未充分挖掘氢负荷灵活分配方式对提升系统运行经济性以及应对新能源发电不确定性的作用。文中分别刻画长管拖车运氢、管道运氢、就地售氢3种氢负荷的运行特性,构建了计及储氢特性的氢负荷在不同时段间优化分配策略。为应对新能源发电的不确定性,以氢负荷作为日前决策量,而储氢、制氢在日内随着随机变量的实现顺序决策,构建了电-氢耦合系统多阶段鲁棒优化问题。为解决传统单仿射决策规则保守性较强的问题,提出了基于多不确定性集的多仿射决策规则求解方法,对随机变量的不同实现采取不同的决策方式。仿真结果表明,氢负荷凭借储氢环节实现了灵活分配,提高了电-氢耦合系统运行的经济效益;多仿射决策规则所得结果的经济性优于单仿射决策规则,并为系统实时运行提供了调度方案。

考虑多约束条件下的电-氢-化耦合系统控制方法

在电-氢-化耦合系统中,电解水制氢装置在消纳风、光等可再生能源或参与电网平衡调控的同时,其变负载运行需满足多约束条件,以保证系统各环节安全稳定运行。针对电-氢-化耦合系统中各环节存在的耦合作用关系,详细介绍了系统核心环节——电解水制氢系统的模型,并提出一种考虑各环节多约束条件下的系统控制方法。对兆瓦级碱性电解槽的模型进行详细分析,包括电化学模型、热力学模型等,同时建立辅助设备压缩机、储氢罐的数学模型;综合考虑电解槽温度、电解槽压力、储氢罐压力、下游煤化工环节用氢等约束条件,提出电解水制氢系统的控制策略。基于MATLAB/Simulink搭建电-氢-化耦合系统的仿真模型,并通过RT-LAB半实物仿真平台,在不同的电网功率指令下,对电-氢-化耦合系统的运行特性进行深入研究,并对所提控制策略的控制效果进行验证。

支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态与关键技术

氢能作为新兴的零碳二次能源,对于推动中国能源体系转型、支撑中国能源安全具有重要意义。为进一步推动氢能与电力系统的深度融合,支撑中国高比例新能源发展,对电氢耦合系统形态与关键技术展开研究。首先,构建了电氢耦合系统的技术框架。然后,从氢能供应链的制-储-输-用4个方面评述相关技术发展趋势,进而从发电侧、电网侧和消费侧3个角度出发论述氢能对电力系统典型场景的关键支撑技术,分析支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态。最后,针对当前电氢耦合系统发展中的问题进行阐述并给出相关政策建议。

电氢耦合系统定碳排运行域分析方法

精准刻画电氢耦合系统的低碳运行空间,有助于量化并充分挖掘氢能系统灵活运行特性对提高新能源消纳、电力系统安全经济运行水平的积极作用。针对目前缺少基于“域”的碳分析方法等问题,提出电氢耦合系统定碳排运行域(CCEOR-EHS)的概念。探索电氢耦合系统的运行机制,提出CCEOR-EHS建模方法;剖析CCEOR-EHS几何特征,构建电氢耦合系统的低碳评估指标体系,全面评估CCEOR-EHS形状特征与低碳运行水平间的关联关系;提出基于逐点仿真法的CCEOR-EHS边界高效求解方法,可视化电氢耦合系统低碳运行空间。采用IEEE标准系统进行仿真分析,验证所提方法的有效性。结果表明CCEOR-EHS可有效反映系统的低碳运行水平、电氢耦合运行关系等,并能为电力系统的低碳运行提供科学的理论支撑与决策依据。