基于电压偏差和SOC的电氢耦合系统多源协调控制策略

在公路直流微电网中,电动汽车充电行为的时间特性和充电方式特性会对直流母线电压造成不同程度的冲击,高渗透率的电动汽车负荷对“源-荷-储”协调控制提出新的挑战。通过分析公路直流微电网的交通负荷特性和微源特点,提出了一种基于直流母线电压偏差的电氢耦合系统多源协调控制策略。此控制策略以蓄电池作为调压核心元件,通过检测变流器端口直流母线电压波动来实现协调自洽运行,无需通信即可实现系统的功率平衡。为避免蓄电池因荷电状态(SOC)过界而退出运行,设计了一种多源自适应下垂控制器,使氢能单元主动响应SOC变化,减少蓄电池SOC管理造成的不平衡功率,抑制SOC向边界值的趋近速度,实现SOC的动态平衡。最后,在Matlab/Simulink中验证了所提控制策略的有效性。

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。

配电网与分布式电氢耦合系统的交互策略研究

针对新能源大规模接入给配电网安全运行带来的影响,开展了含混合储能的分布式电氢耦合系统与配电网间的多时间尺度交互策略研究。首先,提出分布式电氢耦合系统与配电网之间的平衡服务机制、需求响应机制等多元交互机制;其次,基于博弈理论,制定了电氢耦合系统与配电网之间的中长期与短期交互策略;最后,以某一典型区域的配电网与分布式电氢耦合系统为例进行仿真分析。算例结果表明:氢储能因其跨周期特性在中长期交互中具有优势;电化学储能响应迅速更适合短期交互;相较于单一形式储能系统,电氢混合储能系统能够有效降低峰谷差,提高系统收益,更契合现有配电网体系。

电-碳-气-绿证市场耦合下的电氢耦合系统运行优化研究

随着碳排放权与可再生能源配额制的推进,建设以电市场为主导的碳绿联合市场将成为未来电力市场发展的重要方向,而电氢耦合系统的高灵活性是实现风光规模化发展的重要方案。基于这一背景,该文构建了计及经济、稳定、环境3方面最优的电–碳–气–绿证市场耦合下的电氢耦合系统多目标运行优化模型。为验证模型的有效性,选取某地电氢耦合系统进行算例分析,比较5种情景下的运行结果。结果表明,电–碳–气–绿证联合交易机制下,所建立模型可在提高系统经济效益的同时,提升系统供能稳定性,降低碳排放量。

考虑氢储动态效率的电氢耦合微网长期容量优化

双碳目标下风光氢联系日益密切,合理的容量优化是保证电氢耦合系统稳定运行的有效途径。针对风–光–氢储–超级电容联合运行的独立微网,提出了一种长期容量优化方法。通过考量氢储系统的动态效率,优化产氢和耗氢设备的工作区间,制定了合理的微网运行控制策略。为反映真实的风光气象因素长期变化趋势,基于皮尔森相关系数和灰色滚动预测法进行典型日长期预测,得到了模型输入样本。以微网的经济性、可靠性和低碳性综合最优为目标构建了容量优化模型,并采用非线性动态权重的多目标粒子群算法求解出Pareto集,同时引入隶属度分析法给出了最佳规划方案。仿真结果表明:相比于当前研究成果,所提方法得益于对氢储单元动态特性的分析和输入样本的改进,能够给出更优越的配置结果。

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。

电氢耦合典型应用场景分析及经济性评估

氢能作为零碳二次能源,对于构建低碳可持续能源系统、加快中国能源体系转型具有重要意义。基于这一背景,聚焦电氢耦合典型场景,系统地阐述了电氢耦合的概念及其关键特征,提出了电氢耦合系统在加氢站、乡村、产业园区、工业园区和海岛5种典型应用场景。通过构建经济性评估指标体系,以加氢站典型场景为例,论证其经济性,并通过敏感性分析得出售氢价格、投资费用、电价和日加氢量这4个因素对电氢耦合应用的经济性具有较为明显的影响。其中,售氢价格、日加氢量的影响较大,故合理的氢气定价及稳定的加氢量对于电氢耦合的未来商业化发展至关重要。

考虑电氢耦合和碳交易的电氢能源系统置信间隙鲁棒规划

为了提高低碳背景下新能源的消纳和推动清洁能源网络的发展,该文提出了考虑电氢耦合和阶梯碳交易的电氢能源系统双层鲁棒规划模型。通过在电氢能源系统鲁棒规划模型中引入阶梯碳交易机制,来引导系统对碳排放量的控制,从而降低电氢能源系统中的碳排放;并通过电氢耦合的混合储能进行负荷转移以平抑可再生能源出力波动,降低购电成本,减少弃风弃光。针对系统中风、光的间歇性和不确定性,采用多场景置信决策理论求解不确定性参数下的鲁棒规划方案。鉴于该文所构建的鲁棒规划模型具有高维非线性和求解难度大特点,采用改进型基于淘汰锦标赛机制的烟花算法对所构建的模型进行求解。最后通过算例仿真结果表明所提出的模型和方法具备削峰填谷作用,并可以有效提高新能源的消纳和降低系统的碳排放量。

大规模电氢耦合系统:中欧大型能源企业的技术视角分析与展望

可再生氢作为一种低碳清洁的二次能源,在实现碳达峰、碳中和的能源转型进程中扮演重要角色。在回顾总结中欧可再生氢能行业发展近期政策导向的基础上,剖析中欧大型能源企业的氢能战略和技术布局异同,以及现阶段欧盟在电氢耦合领域的研究热点,为我国科学合理地构建大规模电氢耦合系统,稳步形成可再生氢能的高效多元应用生态提供科技创新思路。

能源转型背景下电氢耦合项目的经济性研究现状与趋势

氢能作为一种清洁高效的二次能源,以其资源丰富、对环境无污染等优势被视为实现能源转型的重要推力。以2016—2022年WOS数据库中收录的电氢耦合项目经济性研究论文为统计源,借助COOC和VOSviewer软件分析电氢耦合项目经济性研究领域的研究现状与趋势发现:研究热点主要集中在可再生能源制氢、氢储能、氢能应用系统的平准化成本分析、系统成本最优方案及考虑绿证的项目经济性等方面。电氢项目经济性研究未来的发展趋势为:(1)储能/加氢一体站在交通领域应用的经济性研究;(2)探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、煤制油气以及冶金等行业应用的经济性研究;(3)不同碳减排激励机制对电氢耦合项目经济性的影响研究。

基于模型预测控制的离网电氢耦合系统功率调控

能源低碳化转型是目前能源改革必由之路,而氢能在能源去碳化进程中扮演着越来越重要的地位,由风、光与氢能构成的离网电氢耦合典型低碳能源系统,具有显著低碳、绿色的特点。针对离网风光发电不稳定及供能系统低碳化需求问题,该文提出基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的离网电氢耦合系统功率调控方法。氢作为能源低碳化变革中重要能源载体,为风电光伏离网供能系统提供主要的中间稳定环节。该文构建典型离网电氢耦合能源供给系统架构,其中氢储能系统包括碱性电解槽-储氢罐-质子交换膜燃料电池,建立电氢耦合系统线性离散状态空间模型,基于具有较好在线优化动态控制性能的MPC方法,对系统进行功率平衡优化调控。通过典型日算例仿真分析,验证所提系统架构的合理性及系统功率调控的鲁棒性与有效性。

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。

计及氢能多元利用特性的电氢耦合系统容量优化配置方法

氢能作为清洁能源,可与风能等可再生能源结合,为系统提供低碳运行方案。首先,在传统电氢耦合系统的基础上,引入天然气及碳捕集系统,设计了计及氢能多元利用特性的电氢能源系统优化配置模型。然后,建立了将氢能零污染发电和甲烷化两种应用途径相结合的系统模型,以系统等年值成本最小为目标函数,通过改进粒子群算法对构建模型进行寻优求解,得到了系统各设备最优容量配置方案。最后,通过算例对比,证明了优化方案在成本最低时,可支配碳配额增加,具有环保性。

电氢市场主体参与电力市场的路径及发展展望

随着世界各国氢能发展战略的出台,电氢耦合成为备受关注的方向。电氢市场主体作为电力系统的灵活调节资源,能够助力实现双碳目标下新型电力系统的安全经济运行。中国电力现货市场建设稳步推进,致力于通过电价信号引导电力系统的资源配置,电氢市场主体能够通过参与电力市场降低其购电成本并获得额外收益,进而促进电氢产业的发展。为此,首先从技术可行性和商业模式的角度综述了已有电氢市场主体参与电力市场的相关研究;总结现有电力市场机制下电氢市场主体的参与方式;提出电氢负荷参与电能市场的投标模型和提供调频服务的机会成本计算模型并进行算例验证,在此基础上结合中国电力现货市场建设现状,为促进电氢市场主体参与电力市场提出了待解决的问题和建议。

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。

基于水下储氢的抽水蓄能电站与电解制氢耦合储能系统构想及分析

伴随着新型电力系统的构建,大规模可再生能源并网,抽水蓄能、氢储能等储能电站加快建设,未来将成为新型电力系统的重要组成部分。但受抽水泵站抽水能力、蓄水库容、自然环境等因素限制,抽水蓄能电站的蓄能功率、总容量存在上限,存在较大死库容,蓄水体积无法得到充分利用,且设计建成后,一般无法扩容或增建。该文结合国内外抽水蓄能电站改造及水下储氢的技术特点,提出一种抽水蓄能电站与电解制氢耦合储能系统的设计构想,将传统抽水蓄能电站与PEM电解制氢、氢燃料电池系统耦合,通过水下储氢气囊提升抽水蓄能电站死库容利用率,设计该系统9种运行工况和关键参数,分析该系统在可再生能源消纳能力、电力系统调节能力、经济效益、安全性等方面的提升效果,为新型储能参与新型电力系统建设提供参考。

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。

计及多元不确定性的氢电耦合微电网多阶段动态规划方法

针对传统单阶段规划设计方法存在的初始投资成本高、源荷匹配性弱、经济性不足的缺点,提出了一种氢电耦合微电网多阶段动态规划方法,可确定各设备的最优配置容量和投资时机,并基于混合优化架构增强模型对多元不确定性的适应能力。其中,设备在规划周期内投资成本的波动不确定性特征以随机概率场景描述,可再生分布式电源出力和负荷需求不确定性则以不确定场景集合处理。在此基础上,进一步考虑微电网规划周期内的负荷增长率、设备性能衰退等动态因素,提升规划方案对未来动态信息变化的适用性,并最终构建随机-鲁棒混合整数线性规划模型描述微电网的多阶段动态规划问题。仿真结果表明,与传统的单阶段规划模型相比,所提方法的总成本降低近5.0%,初始投资成本降低近13.9%,投资回收期缩短近32.9%,有利于提升微电网规划方案的经济性。

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。