配电网与分布式电氢耦合系统的交互策略研究

吴启亮，谭彩霞，章雷其，刘 敏，赵 波，张雪松，谭忠富

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

0 引言

配电网供给端与负荷端的平衡是保障其安全稳定的基础和前提［1］，但在“双碳”目标下，随着新型电力系统的构建，配电网运行面临两方面的挑战。一方面，大规模的分布式能源接入配电网时，分布式能源的随机性与波动性加剧了配电网供给端的不确定性，导致配电网发生供需不平衡［2］，亟需平衡服务。另一方面，电力系统中传统的灵活性资源为火力发电机组与抽水蓄能电站等，由于火力发电机组装机容量占比下降以及抽水蓄能电站建设进程缓慢，在负荷侧峰谷差不断拉大的情况下，配电网亟需削峰填谷服务［3］。

针对配电网面临的挑战，现有研究重点集中于通过降低源、荷端的不确定性来解决。文献［4］通过场景削减法降低风电的不确定性，构建了配电网的多时间尺度协调调度模型。文献［5-6］考虑源端风、光新能源出力的不确定性，提出了一种基于双层混合优化算法的配电网运行模型。文献［7］考虑源、荷的不确定性，构建了基于盒式鲁棒的配电网调度模型。文献［8］兼顾配电网的安全性与经济性，构建了基于ADMM算法的配电网双层优化模型。

现有研究表明，一方面，源、荷的不确定性能减少源荷预测不准给配电网带来的影响，但由于无法实现100%的精准预测，配电网还需要通过与其他主体的交互来弥补预测存在的偏差。由风力发电、光伏发电、氢发电机组、电化学储能与电解槽组成的分布式电氢耦合系统既能通过电解槽消纳多余供给以及电化学储能弥补缺额需求［3］，又能调用内部荷端的需求响应进行削峰填谷，所以分布式电氢耦合系统能够同时为配电网提供平衡需求服务与需求响应服务，也即加强配电网与分布式电氢耦合系统的交互研究十分必要。另一方面，在配电网与分布式电氢系统交互中氢能供需具有典型的季节性特征，而需求响应在典型日内进行，为了平衡不同能源之间的时间尺度差异，需进行两者交互的多时间尺度研究。

目前鲜有文献围绕配电网与分布式电氢耦合系统开展研究，大多研究集中在针对电氢耦合系统进行优化。文献［9］提出在氢能参与下能够提高微电网的新能源消纳率。文献［10］考虑系统的功率交互约束，验证了电-氢混合储能在长时间尺度储能上的优越性。文献［11］将电氢系统应用于智慧楼宇，并验证了应用的有效性。文献［12］采用主从博弈提出了电氢系统的运行优化策略。

现阶段关于分布式电氢系统的优化研究存在以下不足：其一，从应用场景来看，分布式电氢耦合系统通过电化学储能与氢储能的协调能够提供不同时间尺度下的电能量与辅助等服务，能够作为服务提供方，但目前仅研究了电氢耦合系统作为智慧楼宇的服务提供方，未发现其为配电网提供服务的应用研究；其二，从交易机制来看，通常考虑分布式电氢耦合系统为其他主体提供的服务为单一的电能量服务与辅助服务，但是服务需求者的服务需求是多元的，目前鲜有同时考虑分布式电氢耦合系统为其他主体进行多元服务的组合；其三，从交易价格来看，服务提供者与需求者的价格通常是基于分时电价等确定的，未充分考虑环境动态变化形成动态价格。

基于此，本文进行分布式电氢耦合系统与配电网的多时间尺度交互策略研究，通过分析耦合系统与配电网的多元交互机制，构建中长期与短期时间尺度下的耦合系统与配电网的交互策略，并进行算例分析。

1 交互架构与多元交互机制

1.1 交互架构

将配电网视为服务需求方，分布式电氢耦合系统视为服务供给方。其实际应用场景为：在配电网与耦合系统之间具有独立的通信线路，配电网在交易平台公布需求信息，耦合系统可通过调度中心与通信电路向配电网上报系统可再生能源预测功率和负载数据以及供给信息。配电网与耦合系统根据双方的博弈函数形成互动量与互动价格后，配电网通过调度中心对耦合系统实施调度。分布式电氢耦合系统与配电网的交互架构如图1所示。

图1 交互架构Fig.1 The interactive architecture

由图1可知，分布式电氢耦合系统中源端包括风力发电机组与光伏发电机组，转化端主要为电解槽，存储端为储氢与电化学储能，荷端主要为对氢能直接进行利用与满足本地的电负荷。分布式电氢系统通过信息控制中心在交易平台上与配电网完成中长期、短期时间尺度上的平衡服务、需求响应交互。

1.2 多元交互机制

基于配电网组织的电能量交易与需求响应调用场景，设计了配电网与分布式电氢耦合系统的多元交互机制。

1.2.1 平衡服务机制

在超额电量供给情景下，分布式电氢耦合系统利用储氢设备随着存储时间的增加其边际价值下降的特性以及灵活储运的特性，能够将春季与初夏的一部分超额电量供给通过电解槽消纳产生氢气并存储在储氢设备中，在夏季与冬季的用能高峰时期进行直接利用，另一部分则存储在电化学储能中。由于氢能供需长期存在季节差异性与不平衡，利用储氢设备跨时间尺度的存储既能解决氢能供需不平衡问题，又能解决配电网超额分布式能源无法消纳问题。

在缺额电量需求情景下，一方面，分布式电氢耦合系统可以利用存储在电化学储能中的电量服务配电网，实现配电网供需平衡；另一方面，利用储氢设备灵活的供能特性满足缺额的电量。由于平衡服务涉及到跨季节的氢能供需，需将其纳入中长期时间尺度进行考虑。

1.2.2 需求响应机制

在负荷高峰阶段，分布式电氢耦合系统调用可中断、可转移的需求响应为配电网削峰。在负荷低谷阶段，分布式电氢耦合系统利用从高峰时段转移过来的负荷需求以及价格激励为配电网填谷。由于需求响应在典型日进行，将需求响应服务纳入短时间尺度进行考虑。

2 中长期交互策略

2.1 交互流程

在中长期时间尺度下，配电网与分布式电氢系统的交互流程如图2所示。

图2 中长期交互流程Fig.2 The medium-to-long-term interaction process

同理，电负荷与氢负荷的长时间需求序列如式（2）所示。

步骤2：计算配电网供给与需求偏差，得到偏差量ΔP͂errorm，具体如式（3）所示。式（3）中的上部分公式为超额电量供给情景，下部分公式为缺额电量需求情景。基于偏差量结果，以接受运行成本最小及源端供给与荷端需求偏差率最小为目标函数在交易中心发布平衡需求。

步骤3：分布式电氢耦合系统根据配电网发布的平衡需求，以平衡收益最大化形成分布式电氢耦合系统的申报平衡量。

步骤4：配电网与分布式电氢耦合系统根据双方的目标函数进行出清，形成平衡服务的均衡出清价格以及分布式电氢耦合系统的出清量。

步骤5：根据出清量与出清价格进行结算与偏差考核。

2.2 目标函数

在长时间尺度下，配电网以偏差率最小、运行成本最小为目标函数与电氢耦合系统进行交互，分别如式（4）与式（5）所示。其中针对运行成本，在缺额电量需求情景下，配电网的运行成本为偏差惩罚成本与接受平衡服务成本之和；在超额电量供给情景下，运行成本即为出售超额电量获取收益的相反数。

在中长期时间尺度下，分布式电氢耦合系统以运行收益最大化为目标函数，同样需要划分缺额电量需求与超额电量需求两种情景，具体如式（6）所示。

电化学储能、储氢设备、电解槽与氢发电机组的年折旧费具体如式（7）所示：

2.3 约束条件

配电网与分布式电氢系统在中长期交互时会受到交互均衡约束、机组上下限约束、电氢系统内部氢能与电能均衡约束、配电网支路容量约束与网络约束。配电网支路容量约束与网络约束参考文献［13］。机组上、下限约束见式（8）。

电能、氢能的交互均衡约束分别如式（9）、式（10）所示：

分布式电氢系统内部氢能与电能均衡约束在电量缺额需求与电量超额供给两种情景下的约束分别如式（11）、式（12）所示：

3 短期交互策略

3.1 交互流程

短期时间尺度与中长期时间尺度的衔接关系为：中长期时间尺度下未满足的需求在短期时间尺度下进行调整弥补，同时在分布式电氢耦合系统中资源一定的情况下，二者在两个时间尺度下进行分配，实现收益最大。考虑目前辅助服务市场机制尚未完善，天津、山东、上海、江苏与浙江开展的需求响应以合约形式进行，所以本文设定的需求响应机制也为合约形式。配电网与分布式电氢系统的交互流程如图3所示。

图3 短期交互流程Fig.3 The short-term interaction process

步骤2：根据步骤1形成的等效出力序列，按式（14）确定配电网的需求响应需求。

步骤3：根据削峰与填谷两种情景，配电网以成本最小和峰谷差最小为目标、分布式电氢系统以收益最大为目标确定需求响应服务的合约价格。

步骤4：配电网与分布式电氢耦合系统签订需求响应合约，配电网跟踪实际情况发布需求响应指令，分布式电氢耦合系统根据配电网的指令与合约执行该指令。

步骤5：根据分布式电氢耦合系统的实际执行情况进行结算与考核。

3.2 目标函数

在短时间尺度下，配电网以峰谷差最小和运行成本最小为目标函数与耦合系统进行交互，分别如式（15）、式（16）所示。

分布式电氢耦合系统的目标函数为需求响应收益最大化，具体如式（17）所示。

3.3 约束条件

配电网与分布式电氢系统在短期进行交互时会受到交互均衡约束、需求响应上下限约束、机组运行约束、分布式电氢系统内部氢能与电能均衡约束、配电网支路容量约束与网络约束。配电网支路容量约束与网络约束、机组运行约束同中长期尺度下的。交互均衡约束、交互量约束与需求响应上、下限约束分别如式（18）、式（19）所示。

分布式电氢系统内部氢能和电能均衡约束分别如式（20）、式（21）所示。

4 算例分析

4.1 基础数据

为了验证本文所提模型的有效性，以某区域典型分布式电氢耦合系统接入配电网为例进行仿真分析。其中单位售氢价格为33.69 元/kg，电化学储能与储氢设备的充放能效率取90%，氢发电设备的发电效率为40%，电化学储能、储氢设备的自放能率设定均设定为1%/月，电化学储能和储氢设备的运行年限分别为10年和20年，电化学储能的容量为4 600 kWh，同时该分布式电氢耦合系统各类成本参数如表1所示［14-17］。

表1 各类成本参数Table 1 Cost parameters

分布式电氢耦合系统的各类设备的上、下限参数如表2所示。

配电网全年的平衡需求如图4所示，配电网全年某典型日的需求响应需求如图5所示，数值为负表征需求缺额，为正表征供给超额。

图4 配电网中长期平衡需求Fig.4 Medium-to-long-term balancing demand of distribution networks

图5 配电网短期需求响应Fig.5 Short-term demand response of distribution networks

分布式电氢耦合系统中长期时间尺度下的风光出力、负荷需求如图6所示，全年典型日的出力与负荷需求如图7所示。

图6 耦合系统中长期风光出力与负荷需求Fig.6 Medium-to-long-term wind-solar output power and load demand in the coupled system

图7 耦合系统短期风光出力与负荷需求Fig.7 Short-term wind-solar output power and load demand in the coupled system

4.2 算例结果分析

4.2.1 中长期交互结果

1）中长期设备出力结果

根据2.2节的中长期交互策略，得到配电网与分布式电氢耦合系统在中长期交互过程中储氢设备、电化学储能与氢发电机组的出力结果如图8所示（由于中长期阶段下的配电网平衡需求也是分摊至每个典型日进行，若按日呈现会有365 个数值，为使图形呈现效果更好，将每月典型日策略结果加总按月呈现），储氢设备与电化学储能数值为正代表设备放能，反之则代表设备储能。

图8 中长期交互出力结果Fig.8 Results of medium-to-long-term interactive output power

由图8可知，从各设备的出力结果来看，在中长期中，电化学储能仅在耦合系统内部电负荷需求与氢能负荷需求较多的1月和8月发挥作用，此时由于储氢设备接近存储容量的最大值，为了降低偏差考核费用，耦合系统选择通过电化学储能放电来满足配电网的平衡需求。与电化学储能相比，氢储能设备在长时间尺度上具有经济优势，一方面氢储能与氢发电机组配合，放电时间长于电化学储能，同时其运行年限长于电化学储能，使得中长期时间尺度下氢储能设备折旧费用较电化学储能低；另一方面，氢储能存储时间与边际成本成反比，而电化学储能长时间存储具有高额的运行成本，使得氢储能设备长时间储氢比长时间电化学储能储电更具经济性。所以氢储能设备利用其跨时间尺度存储具备的优势，能够在整个中长期均发挥作用。

在夏季（6—8月）、冬季（12月、1月）用能高峰期，储氢设备中的氢能通过氢发电机组产电满足配电网的缺额电量需求；在春季（3—5月）、秋季（9—11月）用能低谷季节，通过耦合系统电解槽产生氢气进行直接利用为耦合系统带来收益，由此说明在中长期时间尺度下储氢设备和电化学储能相比具有优越性。

2）中长期出清结果

在中长期阶段下，配电网与分布式电氢耦合系统的出清结果如图9所示。数值为负表征需求缺额出清量，为正表征供给超额出清量。

图9 中长期出清结果Fig.9 Results of medium-to-long-term clearance

由图9可知，出清价格呈现较为明显的季节差异性，其中夏、冬季的出清价格高于春、秋季，这主要由于夏、冬季为用能高峰期，分布式电氢耦合系统为满足配电网的平衡需求会频繁地通过储能设备充放能，增加了系统内部的运行成本，在与配电网交互时其出清价格也会提高。从出清偏差量来看，偏差量占出清量比重较小，说明通过电化学储能与储氢设备的协调控制能够降低交互的偏差量，减少偏差考核成本。进一步基于出清结果得到中长期配电网的整体成本为75 805.01元，偏差率2.21%，耦合系统的整体收益为15 907.38元。

4.2.2 短期交互结果

1）短期设备出力结果

根据2.3节的短期交互策略，得到配电网与分布式电氢耦合系统在短期交互过程中储氢设备、电化学储能与氢发电机组的出力结果如图10所示。

图10 短期交互出力结果Fig.10 Results of short-term interactive output power

由图10 可知，在短期中针对配电网的需求响应服务，耦合系统主要通过荷端的需求响应与电化学储能来满足。在短期交互中，配电网下达指令后，电氢耦合系统响应调度时间短，通过储氢设备匹配氢发电机组与电解槽直接利用氢能无法及时响应配电网调度指令，造成了分布式电氢系统高额的偏差惩罚成本以及配电网的线路投资成本与弃风弃光成本，使得储氢设备在短期中经济性低于电化学储能。所以在短期中电化学储能充分发挥了其优越性，充放电快速且经济性较优。储氢设备仅在能源需求高峰的20：00—21：00 起到了削峰作用，主要是此时电化学储能达到了其功率上限值，只能通过储氢设备来满足配电网的需求响应服务，由于氢发电机组为储氢设备的配套机组，所以其发挥作用时间段与储氢设备一致。

2）短期出清结果

在短期阶段下，配电网与分布式电氢耦合系统的出清结果如图11所示。

图11 短期出清结果Fig.11 Results of short-term clearance

由图11 可知，出清价格随着时间而波动，在午间09：00—12：00与晚间19：00—21：00出清价格较高，其余时段出清价格较低。原因在于09：00—12：00 与19：00—21：00 为耦合系统的用能高峰，其提供需求响应的成本较高，导致出清价格提高。同时从出清量来看，在用能低谷的22：00—06：00与13：00—17：00，配电网与耦合系统的交互为正，耦合系统为配电网提供填谷服务；在08：00—12：00与17：00—21：00，耦合系统为配电网提供削峰服务。进一步基于出清结果得到短期中配电网的整体成本为186.44 元，峰谷差为76.07 kW，耦合系统的整体收益为1 993.26元。

4.2.3 有效性分析

为了验证本文所提策略的有效性，设置了3种系统，并对其在配电网成本、系统收益、峰谷差与偏差率上的表现进行对比。结果如表3所示。

表3 不同系统对比结果Table 3 Comparison of the system parameters

系统1：不含储氢设备，其余设备与本文提出的耦合系统一致。

系统2：不含电化学储能设备，其余设备与本文提出的耦合系统一致。

系统3：同时含有电化学储能设备与储氢设备，也即本文提出的耦合系统。

由表3 可知：系统1 的配电网成本显著上升，同时偏差率增加；系统2的配电网成本与峰谷差增加。由此说明含电化学储能-储氢设备的混合储能电氢系统在降低峰谷差、减少偏差与成本、提高收益方面存在显著优势。

5 结论

本文通过研究分布式电氢耦合系统与配电网的多时间尺度交互策略，并结合算例分析得到以下结论：

1）储氢设备因其运行寿命长、具有存储时间与边际成本成反比的特性，因而在中长期时间尺度下较电化学储能更具优越性。

2）电化学储能能够及时响应配电网调度指令，其偏差惩罚成本远低于储氢设备，在短期中具有优越性，充放电快速且经济性较优。

3）含电化学储能-储氢设备的混合储能电氢系统在降低峰谷差、减少偏差与成本、提高收益方面存在显著优势。