电力市场环境下的电—氢一体化站优化运行

2022-04-11王晨磊

电力科学与技术学报 2022年1期

顾玖，王晨磊，解大

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

随着风电、光伏发电成本不断地降低，新能源发电已逐步进入平价上网时代，新能源发电的装机量在未来将逐渐扩大[1-3]。然而可再生能源出力具有波动性和间歇性的特点，2019年全国弃风电量约169亿千瓦时，平均弃风率4%；全国弃光电量约46亿千瓦时，平均弃光率2%[4]。大量的可再生能源弃电量给经济造成巨大的损失[5-7]，提高可再生能源的消纳能力，成为当前与未来亟需解决的问题。

针对新能源接入电网的消纳问题，国内外研究人员在储能系统、多能互补以及电力市场设计等多个角度开展研究。在储能系统方面，文献[8]建立了电动汽车充电站的调度策略，以实现风电的波动抑制；文献[9]通过考虑包含电、热、气的广义储能以及可控负荷，实现对综合能源系统的优化运行；文献[10]针对风电消纳问题，提出了含风电—储能的热电联产系统的能量优化函数。针对多能互补，文献[11]构建了电力—天然气(power to gas, PTG)电转气的电—气联合网络经济调度模型。在电力市场设计研究中，文献[12]从可再生能源配额和绿证交易的角度，构建了考虑可再生能源配额的并网风电经济调度模型，分析了其对风电消纳量的影响；文献[13]设计了适应可再生能源配额制的电力市场体系，通过建立消纳量二级市场，刺激市场成员主动购买绿色电能；文献[14]构建了电力市场下构建风电—光伏—储能联合优化运行决策模型，分析了发电设备的出力安排。

随着全球氢燃料电池汽车产业的快速发展，氢气来源和制氢技术备受关注[15]。利用风力发电、太阳能发电等的剩余电力(即调峰谷电及无法上网的富裕电力) 电解水制氢，具有发电成本低、工艺路线低碳环保等优势，被认为是目前实现大规模制氢的理想途径，受到业内普遍重视[16-17]。国内关于氢能在综合能源系统的研究也取得了一定的进展。文献[18]建立了电热氢多源储能系统，用于提升电网的调节能力；文献[19]中考虑了电转气和燃气轮机的协调工作，实现对综合能源削峰填谷和风电消纳的作用；文献[20]以风氢耦合并网系统为研究对象，分别提出系统容量配置和能源管理控制策略，以降低该系统的并网功率波动。通过以上的研究可知，氢能的应用仍处于探索阶段，主要集中在某些特定的应用场景，如风—氢新能源并网系统，以氢能—化工业耦合系统以及含氢能的综合能源利用等。

2016年10月发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》[21]，提出了中国氢能产业的发展路线图，首次对中国中长期加氢站和燃料电池车辆发展目标提出了规划。由此可见，以燃料电池汽车产业为导向的氢能应用场景具有极大的研究价值，但是针对燃料电池汽车产业的高效制氢和加注服务方案的研究较为不足。

基于此，本文以可再生能源大量接入的配电网为例，以大规模燃料电池汽车氢能供应为导向，首先提出一种用于高渗透率配电网下面向新能源消纳的电—氢一体化站建设方案；然后分析了一体化站在多种市场交易场景下的交易策略，并通过建立电—氢能量转换模型，提出了一种电—氢一体化站的多目标优化模型；最后通过算例仿真验证该一体化站的经济性以及对电网新能源消纳能力的提升。

1 电—氢一体化站的结构设计

1.1 电—氢一体化站组成结构

电—氢一体化站是融合电解槽制氢站、储氢站和燃料电池发电站的智能一体化站，在提供最基本的燃料电池汽车加氢服务的同时，站内的燃料电池发电系统实现了参与电网的调频辅助服务市场以及支撑配电网电压稳定等。电—氢一体化站的整体构架包括调度中心、电解水制氢站、储氢系统、燃料电池发电站及氢气加注站5个部分，如图1所示。

图1 电—氢一体化站总体结构Figure 1 Overall structure of electricity-hydrogen integrated station

1)调度中心。调度中心负责电—氢一体化站的运行的稳定和安全，其主要包括处理采集系统的数据、监视站内主要设备、电—氢能量转换系统以及电网系统的运行状态。根据监控数据以及一体化站的运行策略，控制一体化站内各子系统的运行。

2)制氢系统。制氢系统是一体化站的核心模块，具有氢气制造、消纳电网中波动电能的作用。本文采用目前主流的碱式电解槽来实现制氢，碱性电解槽通过电能破坏水分子的氢氧键以获得氢气和氧气，其效率一般在75%～85%。

3)储氢站。储氢站是一体化站中氢气的储存场所，充当氢能的中转、储存的作用。由于高压氢气存储效果较好，不存在氢气蒸发现象，因此一体化站采用该方式。储氢站中氢气的去向包括向加注站传输氢气、将氢气供给站内的燃料电池发电系统。

4)燃料电池发电系统。燃料电池发电系统是一体站中另一个能源转换系统，将站内储存的氢气通过燃料电池发电供给电网，以支持电网的调频调峰任务，提高电网运行的可靠性和效率。

5)氢气压缩系统与加注站。压缩系统实现了氢气不同气压等级的转化，压缩后的氢气可存储到高压储氢系统或者直接供给加注站。除此之外，加注站是面向用户的窗口，加注站中氢气的来源包括高压储氢系统和制氢系统的直接产出2个方面。根据燃料电池车的车载储氢压力不同，加注机设置不同的气压等级的独立喷嘴，实现气压的二次转化。

1.2 一体化站的功能设计

能量转换系统可灵活控制一体站的运行状况，配合一体化站主控系统的调控，一体化站可以实现以下3个主要功能。

1)削峰填谷。一体化站根据电网的调频需求量，改变一体化站的运行状态和不同状态下能量流动的方向和大小，以达到对电网负荷削峰填谷的效果。

2)可再生能源消纳。一体站可以利用储氢站平抑电网中波动的、间歇的可再生能源发电，从而提高该区域负荷的电能质量。同时，在低负荷时对富余的风电和光伏发电进行吸收，降低可再生能源的弃风(光)率。

3)向燃料电池汽车供氢。供氢是一体化站的基础的功能，也是其核心的业务。一体化站通过电能交易以及一体化站内部的优化运行，实现大规模高效地制氢商业化模式。

2 一体化站的运行状况

2.1 一体化站参与市场的情况分析

根据一体化站的功能设计，结合电力市场的各类市场特点，分析了一体化站参与主能量市场交易以及可再生能源市场，以实现削峰填谷和可再生能源消纳2大主要的功能。一体化站参与市场的基本框架如图2所示。

图2 一体化站参与市场的基本框架Figure 2 Basic framework of integrated stations that participates in the market

2.2 “主能量—调频”两级市场交易

电价是电力市场的核心，一体化站作为综合能源系统，其在主能量市场交易过程中只需关注电价的高低即可。在电价高时，一体化站将储氢站中的氢能通过燃料电池发电；在电价低时，一体站通过电解槽制氢储在储氢站中，从而起到削峰填谷的作用。由于调频市场的电价更高，且一体站通过氢发电的调频速率较快，因此一体站在调频辅助市场可获得更高的收益。通过在“主能量—调频”两级市场中差异化的电价方式，一体化站可实现运行成本的优化，在主能量市场不同电价下一体站的购电策略如图3所示。

图3 一体化站在分时电价下的购电策略Figure 3 Power purchase strategy of integrated station under time-of-use price

2.3 可再生能源市场交易

当配电网中含有大量的可再生能源时，将对配电网中负荷的正常运行造成电能质量下降的问题。基于此，本文根据日前的一体化站同一母线上的相邻负荷的负荷上报量，对可再生能源产生的波动性电能进行消纳。可再生能源市场下一体化站与各市场主体的交互策略如图4所示，与一体化站接于同一母线的有该区域的其他用电负荷。

图4 可再生能源市场下一体化站与市场主体的交互Figure 4 Interaction between integrated stations and market entities in the renewable energy market

一体化站具体的交互流程如下。

1)区域负荷上报日前负荷需求。

2)一体化站上报日前站内可供调频容量，与调度中心签订消纳可再生能源合同和电能质量合同，负责该区域负荷的电能质量稳定。

3)电网调度中心根据区域的频率、电压实时的波动情况，调节电—氢一体化站的运行模式以及制氢系统和燃料电池的运行功率。

4)对于电网来说，一体化站需负责区域负荷的用电质量和电网频率、电压稳定；否则需向电网和用户缴纳罚金。在此基础上，消纳过剩的可再生能源，从而提高系统的可再生能源的消纳能力，减少弃风弃光现象。

3 市场环境下一体化站优化运行模式模型

3.1 市场环境下一体化站优化运行模式模型

3.1.1 目标函数

电—氢一体化站的运行同时涉及到与电网和气网的双向互动，包括竞价购电、参与可再生能源市场、参与调频辅助服务市场。同时，一体化站还需向燃料电池汽车提供加氢服务。

电—氢一体化站的优化运行是以负荷侧一体化站的运行商的角度来看待问题，以一体化站总运行成本最小为目标函数，即

minC=min(Ctr+CT)

(1)

式中C为一体化站总运行成本；Ctr为一体化站参与外部电、氢气能源交易成本；CT为一体化站内部设备运行成本。

1)参与外部电、氢气能源交易成本。一体化站的能源交易成本可分为2种，一体化站与电网的能源交易、一体化站与氢负荷用户的能源交易。

则能源交易的总成本为

(2)

2)站内能量转换设备运行成本。一体化站的运行成本是各个设备的运行成本之和，即

(3)

3.1.2 约束条件

1)氢能功率交换约束。

(5)

2)储氢系统约束。

(6)

3)电功率交换约束。

(7)

4)能量传输约束。电解槽制氢功率为

(8)

根据文献[22]，氢燃料电池的简化输出电功率为

(10)

压缩机耗能与储氢罐的输入氢量有关，则压缩机耗能为

(11)

4 仿真算例

4.1 一体化站基本数据输入

本文以某配电网实际数据运行为例，一体化站的关键设备配置如表1所示。该区域的分时电价如表和燃料电池汽车的日需求曲线如图5所示，该地区的可再生能源发电预测量如图6所示。除此以外，氢能的售价为37元/kg，新能源的电价为0.29元/(kW·h)，调频服务市场的电价以4元/(kW·h)。一体化站的运行优化模型在Matlab环境下应用Yalmip工具箱建模并调用CPLEX优化工具求解。

表1 算例装置的相关参数Table 1 Related parameters of the calculation example device

图5 分时电价与氢燃料电池汽车需求预测曲线Figure 5 Time-of-use electricity price and hydrogen fuel cell vehicle demand forecast curve

图6 风电与光伏预测值Figure 6 Forecast of wind power and photovoltaics

4.2 一体化站运行状态集求解

为了研究外部的电价变化以及燃料电池汽车加氢需求变化对一体化站运营策略的影响，本文对一体化站的运行状态集进行求解。由于一体化站的主要业务是售氢的服务，氢价的价格远高于电价，且相对稳定。因此，一体化站首先需要满足氢负荷的需求，通过电解槽制取相应的氢量。

对氢负荷、储氢站进行分级，用于一体化站控制指令的判定条件。级别划分的越多，则一体化站运行模式的解集也越多，对优化的效果越好。为了减少计算的时间，类比分时电价，将氢负荷划分为峰荷、腰荷和谷荷。分时氢负荷如图7所示。

图7 分时氢负荷Figure 7 Time-sharing hydrogen load

为了便于一体化站做出运行的决策，本文分析了一体化站的运行方式的全部解集，共分为以下4种运行模式。

1)购电储氢模式。在电价处于谷时或者储氢站的剩余氢量不足时，综合考虑燃料电池汽车的负荷情况以及储氢站的剩余容量，一体化站需从电网中购买电能用于制氢。除去用于当前的氢负荷需求，剩余的氢气将存储到储氢站中。

2)储能支撑模式。在电价处于峰时或者电网有调频调峰需求时，综合考虑当前的储氢站的容量以及调速约束，控制站内燃料电池的发电功率，以达到竞标的调频量。同时，需保证一体化站储氢站的剩余氢量可供于当前和未来的燃料电池负荷的加氢需求。当市场环境下调频服务收益优于氢能存储的损耗成本，一体化站做出支撑电网的决定。

3)双供模式。当氢负荷处于高需求而储能站的输氢速率不足时，综合考虑售氢成本与购电成本，配置制氢站和储氢站的输出占比，使两者同时处于供氢状态。

4)清洁模式。清洁模式是当氢负荷和电网负荷同时处于腰荷时，常规购电成本较高时，通过同时消纳实时电网中过剩的可再生能源制氢以及输出储氢站中的氢能，实现一体化站中储能的节约运行和可再生能源的消纳，此时的氢能供应只来源于可再生能源的不同时间尺度上的转化，因此称为清洁模式。

一体化站的运行方式的全部解集如图8所示。将各个时刻的氢需求和常规电价、清洁能源消纳量、能源转换系数等数据代入到4种解集中计算，以一体化站的运行成本作为目标，可计算出日内一体化站各时刻的运行模式。

图8 一体化站运行方式的解集Figure 8 Solution sets of integrated station operation mode

根据一体化站以上列出的4种运行模式，得到的具体能源流向如表2所示。表2显示了不同模式下所发生的电价场景以及氢负荷场景的特征，并在此基础上显示了不同模式下站内能量流动方向以及不同设备的开关运行状态。为方便描述，SEL为制氢站，SHT为储氢站，SFC为燃料电池发电站，LH2为燃料电池汽车负荷，G为电网。实现能量互动(能量流动的方向采用“→”表示)。

表2 一体化站不同运行状态的能流Table 2 Energy flow of the integrated station in different operating states

开关量状态根据设备类型，分为单向开关和双向开关，μ单向={0，1}，0/1为停运/运行；μ双向={0，1，-1}，0/1/-1为停运/输入/输出。

表3 新能源模型优化结果Table 3 New energy model optimization results

根据电网电价、新能源发电量及氢负荷需求实时变化，一体化站与电网的电能交易优化结果如图9所示；一体化站中的电—氢转换及氢储装置出力优化仿真结果如图10所示。由图9、10可知，在23：00—05：00电网处于谷时电价，氢负荷需求较小，一体化站在购电储能模式下运行，通过电解槽、储氢站、压缩机的协调运行，在满足氢负荷需求的同时，实现对储氢站的高效储氢，并在06：00点时刻，储氢站达到峰值。在06：00—08：00时间段，电价处于腰时价格，氢负荷需求逐渐上升。由于电网中存在着可再生能源发电，一体化站运行在清洁模式。此时储能站含有大量夜间购买清洁能源制好的“低价”氢能，为了节约运行成本和避免氢能在储氢罐中的损耗，此时的一体化站将同时调度储氢装置的输出和制氢装置的输出，保证氢负荷的供应。由于通过购买可再生能源制氢缓解了储能站的氢能供应压力，因此储能站的运行特点是以低速方式输出氢能。而在12：00—16：00时间段，由于一体化站需要保证峰时电价时刻的氢负荷供应，一体化站需要在平时电价购电补充一定量的电能，所以一体化站同时处于双供模式。在09：00—11：00、18：00—22：00电网处于峰时电价时，同时一体化站向电网提供调峰服务获得收益，此时一体化站运行于储能支撑模式，储氢站处于高强度放能的状态。

图9 一体化站与电网交易的优化仿真结果Figure 9 Optimization simulation results of the transaction between the integrated station and the grid

图10 一体化站内部设备运行优化仿真结果Figure 10 Optimization simulation results of internal equipment operation in the integrated station

4.3 优化结果

基于文4.2节的一体化站运行状态解集，结合优化模型的目标函数和约束条件，则弃风弃光率对比如表3所示，一体化站整体的运行成本如表4所示。

表4 一体化站日运行成本Table 4 Daily operating cost of the integrated station

由表3可知，一体化站单日的风电消纳电量达12.27 MW，结合图6、10的优化结果可知，一体化站在夜间将过剩的风电和白天未利用的光伏发电利用来制氢，从而达到降低弃风弃光的效果。从配置一体化站前后地区的新能源发电的利用率变化来看，配置一体化站能够大幅提高了地区的新能源消纳能力。因此，本文提出的一体化站可在满足燃料电池汽车的氢需求的基础上，有效地降低地区弃风弃光现象。

由表4可知，一体化站的日运行成本主要集中在电能购买消耗中，同时新能源的购电成本低于现货市场的购电成本。通过本文的优化算法可得到的不同市场状态下一体化站的多种运行模式，从而实现购电成本以及设备运行成本的最优。虽然在能源转换和存储的过程中有一定的能源损耗，但是氢能的成本更高以及具有可储性的特点，使得一体化站可以实现获利以及削峰填谷的目标。