风光储氢综合能源系统容量配置策略优化研究

在风光机组大量扩张下,风能和光能的间歇性和波动性等特点造成了严重弃风弃光现象。为解决该问题,将电解水制氢技术与综合能源系统相结合,并结合储能发电设备,构建风光储氢综合能源系统。首先,建立风光储氢综合能源系统中各单元模型;其次,考虑各单元的约束条件和系统运行特性,建立综合考虑可靠性、经济性及弃电率的多目标容量配置策略。在此基础上,利用MATLAB和商用求解器CPLEX对模型进行配置求解优化,分析系统在有无储氢技术的2种运行模式及系统有储氢技术时,3组权重系数对容量分配的影响。研究结果可为风光储氢综合能源系统容量配置策略优化提供参考。     

考虑低碳制氢的微电网优化配置

“双碳”目标下,为减少弃风弃光量和传统制氢方法的碳排放,同时提升微电网经济性,对考虑低碳制氢的微电网优化配置进行了研究。通过对制氢过程进行建模,提高经济分析的真实性,结合微电网结构建立考虑低碳制氢的微电网模型,综合考虑微电网配置运行成本、售电/售氢收益以及低碳制氢所带来的节碳收益,建立考虑低碳制氢的微电网优化配置模型,并从系统和设备2个角度提出了衡量配置结果的评价指标。通过分析电、氢设备调度逻辑,提出了一种电氢协调调度策略,采用基于动态时间规整距离的K-means聚类和改进的粒子群优化算法求解得到系统优化配置结果。最后,通过算例仿真验证了制氢装置建模和调度策略的有效性,并分析了售氢价格对优化配置的影响。     

新能源-质子交换膜电解槽电制氢容量双层规划模型研究

新能源电制氢是实现“2060碳中和”的关键技术之一。然而,新能源出力具有随机性,且制氢关键设备——质子交换膜（PEM）电解槽投资成本与运行成本高,因此如何为出力功率随机的新能源电站配置兼顾新能源弃电率与制氢系统经济性的PEM制氢系统具有重要意义。以风电制氢为例,首先提出随机波动输入下PEM电制氢系统全寿命周期的成本与收入模型,并以总收入、投资回收期与内部收益率为评估指标支撑系统的经济分析;基于此,针对“风电+PEM电制氢”系统,提出3种双层规划模型,上层模型分别以PEM电制氢系统全寿命周期总成本最小、总收入最大与内部收益率最大作为上层优化模型的目标函数,下层的优化目标为风电场的弃电率最小,并采用MATLAB遗传算法工具箱求解优化模型;最后,以某实际风力发电场为例,验证所提双层规划模型与风电制氢的有效性与经济可行性。     

考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行优化EI北大核心CSCD

随着对减碳需求的持续关注,氢经济迅速发展。氢气管网运输能够解决氢气规模化利用的难题,氢网运行的理论研究将为其应用奠定坚实基础。为此,该文对氢网及相关设备运行展开研究。首先,为弥补现有电解制氢效率理论研究的不足,对电解槽动态制氢效率进行精细化建模,该模型同时考虑制氢功率和老化对制氢效率的影响。在此基础上,以满足氢网负荷需求、氢网络及相关设备运行约束为前提,以实现氢网一天的购电成本最小为优化目标,构建考虑电解槽制氢效率特性的氢网运行优化模型,并进一步将其转化成线性化模型以便于求解。最后,基于某工业园区20节点氢气网络,详细分析氢网潮流分布、电解槽运行策略以及储氢罐容量对氢网运行成本的影响。结果表明:考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行策略会降低氢网实际运行成本,合理配置储氢罐容量有利于氢网效益的最大化。     

计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算

针对“双碳”目标下风电深度消纳及电网灵活性提升的规模化风电制氢经济容量配置问题,该文提出计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算方法,实现单个风电场及省级风电最佳制氢容量计算。在计及电解水制氢系统规模化成本效应的情况下,以净现值最大为目标,考虑电网调峰需求,构建制氢容量经济优化目标函数,对电解水制氢系统的初始投资成本、制氢电价、氢气售卖价格、电解槽转化率和设备退化率等参数进行敏感性分析,并在其基础上预测未来风电场/群制氢经济性。通过吉林省49个风电场进行算例分析,结果表明,风电制氢参与调峰辅助服务市场能够在最大化消纳风电、提升电网动态调节能力的同时,计算出49个风电场及吉林省省级最佳经济制氢容量。该文为风电场/群制氢容量配置提供有效计算方法。     

基于氢能经济的电网大规模风电消纳模式

为提高大规模风电接入未来电网的风电消纳能力,基于电解制氢技术将氢能经济引入电力系统以期促进弃风消纳.参考虚拟电厂的概念设立虚拟制氢中心,组建由虚拟电厂和虚拟制氢中心构成的虚拟弃风-制氢联合体,在对氢气负荷进行简单分类的基础上,考虑新能源弃电过网费减免政策,建立以典型日运行成本最低为目标的虚拟弃风-制氢联合体经济调度模型...     

“双碳”背景下热电机组-储热联合运行消纳弃风策略

在“双碳”目标背景下,针对目前“三北”地区在冬季供暖期存在的大量弃风问题,提出了一种热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。在分析热电机组电热运行特性的基础上,深入研究了“三北”地区在冬季供暖期的弃风机理,分析了配置储热对热电机组调峰容量的影响,讨论了热电机组-储热联合系统运行机制,并基于此制定了热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。建立了包含热电机组、储热系统、火电机组、风电机组的电热综合调度模型。与传统模型相比,所提模型兼顾了系统热、电双重能源平衡,求解过程以系统总煤耗量最低为目标函数。计算结果表明,热电机组配置储热可有效解耦其“以热定电”运行约束,增加系统调峰容量,降低弃风量。     

“双碳”背景下热电机组-储热联合运行消纳弃风策略

在“双碳”目标背景下,针对目前“三北”地区在冬季供暖期存在的大量弃风问题,提出了一种热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。在分析热电机组电热运行特性的基础上,深入研究了“三北”地区在冬季供暖期的弃风机理,分析了配置储热对热电机组调峰容量的影响,讨论了热电机组-储热联合系统运行机制,并基于此制定了热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。建立了包含热电机组、储热系统、火电机组、风电机组的电热综合调度模型。与传统模型相比,所提模型兼顾了系统热、电双重能源平衡,求解过程以系统总煤耗量最低为目标函数。计算结果表明,热电机组配置储热可有效解耦其“以热定电”运行约束,增加系统调峰容量,降低弃风量。     

考虑动态功率区间和制氢效率的电转氢（P2H）设备容量配置优化

考虑大规模风电固有的间歇性、波动性影响,采用电转氢技术将弃风电量转化为可存储再利用的清洁氢能,助力碳达峰与碳中和战略目标。该文选用碱性电解槽作为电转氢设备,研究其制氢效率曲线,构建运行区间规划与经济性规划相结合的优化配置模型。首先分析电解槽平滑跟踪动态功率的区间范围,对设备充当电负荷的运行能力进行限制。然后在此基础上,以设备全生命周期成本与电氢市场交易成本整体最小为目标,对设备容量进行经济性优化。最后采用混沌粒子群优化算法求解模型。算例结果表明,在保障设备产氢质量同时,可有效提升系统运行可靠性并降低投资成本和弃风率。研究成果实现电转氢设备作为灵活负载跟踪可再生能源的功率波动。     

基于氢负荷需求的氢能系统容量规划

在未来能源社会中,氢能将作为能源电力系统的关键环节来实现各种能源的相互转化。为此,提出了一种基于不同氢负荷水平的新能源制-储氢系统容量规划方法,以合理推动风、光等可再生能源在电网中的应用与发展。该方法能够在满足区域氢负荷需求的同时,获得最大程度的经济收益,并确定了不同运行模式下的最佳制氢规模。此外,该方法还考虑了氢能短缺及弃风、弃光的惩罚成本和系统环境效益。结果表明,与采用风光联网不购电制氢模式相比,采用风光联网购电制氢模式更为合理和经济,避免了大容量制-储氢设备的冗余配置。     

特约文章：水电现货竞价关键技术研究进展

电力现货市场是现代电力体系的重要组成部分,对还原电力商品属性、发现价格和优化资源配置起着关键作用。水电受径流随机性影响,丰枯矛盾突出,出力不确定性大;水库受综合利用限制多,梯级电站联系紧,多主体上下游电站信息共享难;加上外送通道不足、断面阻塞严重等现状,水电参与电力现货市场面临诸多挑战。本文针对水电参与电力现货市场“量价”申报涉及的关键科学技术问题,包括市场出清价预测、发电能力优化、竞价策略、水电现货报价决策支持系统等,对国内外研究现状进行总结,对提出的数学模型和算法进行归纳,评述了现有方法的优缺点,对未来发展趋势进行展望,旨在为丰富我国电力现货市场理论和方法及水电企业生产经营提供参考。     

促进间歇性可再生能源发电消纳的水电定价与能量管理策略

小水电站是电力系统中重要的灵活性资源,可以促进风电、光伏等间歇性可再生能源 (intermittent renewable energy,IRE)的开发与利用。在此背景下,研究了促进IRE发电消纳的水电定价与能量管理策略。首先,根据小水电站的日调节能力,将其分为统一调度水电站(coordinately-scheduled hydropower station, CHS)和自主调度水电站(independently-scheduled hydropower station,IHS)两类,并基于Stackelberg博弈提出了包含多个主体的水电定价与能量管理框架。然后,构建了双层优化决策模型,上层用于制定针对IHS的水电峰谷电价,并确定CHS的发电出力,决策目标是弃水量与弃风弃光量的加权和最小;下层用于IHS确定各自的发电功率,决策目标是各自的发电收益最大。接着,应用Karush-Kuhn-Tucker条件与强对偶理论方法将所得到的非凸非线性优化问题转化为混合整数线性规划问题,并采用Yalmip/Gurobi求解器求解。最后,用IEEE标准算例系统对所提方法的可行性进行了说明,仿真结果表明所提出的水电定价与能量管理策略可以提升对IRE发电的消纳。     

考虑可再生能源保障性消纳的电力市场出清机制

以风电、光伏、水电为主的可再生能源已成为中国重要的能源供应形式,也广泛参与到电力市场交易之中。通过市场化机制保障并促进可再生能源消纳,已成为中国电力市场建设,尤其是现货市场建设的一项关键任务。文中将可再生能源的保障性消纳纳入电力市场的机制设计之中,提出了现货市场在发生弃能时触发的出清机制。在现货市场一般性出清计算的基础上,发生弃能时,首先修正弃能机组的投标价格,在保持机组报价序列的前提下进行价区缩放,调整为优先出清的价格接受者;其次,基于修正后的投标信息进行第2次出清,以实现可再生能源的保障性消纳;基于2次出清的结果,提出激励相容的结算补偿机制。为了充分考虑可再生能源的运行特性,文中还在出清模型中特别引入了梯级水电站的水位控制、水量平衡与梯级耦合等复杂约束。最后,基于改进的IEEE 30节点系统对文中所提出的市场机制进行了验证。     

考虑水电制氢的水-氢综合能源系统容量规划

为促进“双碳”目标的实现,将水电系统与氢能相结合可提高水电资源利用率、降低制氢成本,并提升能源系统的清洁程度,助力中国实现能源转型。为此,构建了一个考虑水电制氢的水-氢综合能源系统双层规划模型。在上层中,目标是最大程度降低系统成本,提高系统制氢、储氢能力以及燃料电池性能。而在下层中,目标是最大限度减少日常运行中的负荷损失,以提高综合能源系统中所有设施的利用率。通过综合考虑这两个层面的目标,优化系统的设计和运行策略。最后,以某水电站实际运行数据为基础进行了算例分析。结果显示,氢能设施建立后降低系统成本19.08%,减少弃水流量53.12%,提升了水电站的利用效率,从而验证了所建模型的合理性与有效性。     

考虑弃水电量成本的短期电力电量平衡模型

为提高汛期水电消纳能力,本文在已有成本最小模型中引入弃水惩罚成本,建立了考虑弃水电量成本的短期电力电量平衡模型;针对模型求解过程中难以有效获取满足大规模复杂约束的可行解的不足,避免算法过早收敛和陷入局部最优,提出了基于滚动修正策略的改进粒子群算法。云南省滇中区域电网计算结果表明,相较于成本最小模型,虽然其它能源成本增加了142万元,但汛期弃水电量减少了714万kWh,系统总成本降低了7.04%;相较于弃水电量成本最小模型,虽然弃水电量增加了285万kWh,但火电成本降低了1795万元,系统总成本降低了21.65%;在缺乏调峰容量的时段内,适度安排其他电站进行调峰能够有效减小弃水电量和总成本。     

考虑风险与调峰性能的水光互补中长期调度

传统水光互补中长期调度模型未考虑日内运行风险以及系统的调峰特性,高估了系统的互补性能,由此制定的调度规则难以提升互补系统效能。为此,本文构建长短期决策响应函数,用以定量表征中长期水电出力与日内综合风险率、弃电率、调峰性能指标之间的关系;然后,将决策响应函数嵌套到中长期调度模型中,推求考虑日内风险以及调峰性能的水光互补中长期优化调度规则。以忠玉水光互补电站为实例,研究表明：嵌套决策响应函数的优化调度模型可显著提升系统发电量（增加2.61%）以及发电保证率（由46.7%提高到85.7%）,降低系统剩余负荷标准差（降低10.0%）和综合风险率（由9.51%降低到5.43%）,综合效能更优。     

燃煤电厂碳捕集、利用与封存技术和可再生能源储能技术的平准化度电成本比较

作为同样可调可控的稳定低碳电源,燃煤电厂碳捕集、利用与封存（CCUS）与可再生能源储能技术的成本竞争性值得进一步探究。本文利用学习曲线模型比较了二者平准化度电成本（CLCOE）在2020—2030年间的竞争性变化,也进一步厘清了弃风弃光省份中二者的CLCOE水平。结果表明:目前,燃煤电厂CCUS较可再生能源储能系统具有竞争优势,如果燃煤电厂CCUS难以得到快速发展,到2028年,将丧失与可再生能源储能竞争的可能;到2030年,燃煤电厂CCUS平价上网的碳价需求水平为136~189元/t,但就目前的碳价发展趋势而言,通过碳收益实现平价上网存在难度;在弃光省份,燃煤电厂CCUS可通过调整发电小时数扩大与光伏储能技术的竞争优势;在绝大多数弃风省份,如河北、山西、内蒙、辽宁、吉林、黑龙江、贵州、陕西、宁夏、甘肃和新疆,其燃煤电厂CCUS在现有条件下较风电储能具有绝对的CLCOE优势。     

改进东北电网电价结构促进调峰水电建设

本文结合东北电网实际,介绍了二部制电价及峰谷丰枯电价的算法,通过对２００５年东北电网电价结构分析,说明只有改革电价结构,调峰水电才有生命力。     

考虑多类型水电协调的风光电站容量优化配置方法

为减少风光出力波动性造成的弃风、弃光,利用梯级水电和抽水蓄能等不同类型水电之间的调蓄特性,提出一种多类型水电协调参与风光消纳的联合运行策略。考虑多类型水电站出力、水库库容和联络线传输功率等约束,以风光电站投资建设成本、系统运行维护成本及购电成本最小和风光发电占负荷需求比例最大为目标,建立一种多类型水电协调的风光电站容量优化配置模型,采用基于极限学习机的粒子群算法(ELM-PSO)对模型进行求解。以青海某地区为例,通过仿真分析,得出综合考虑系统经济性和风光发电占负荷需求比例最优的容量配置方案,验证了所提策略和所建模型的可行性及有效性。     

基于梯级水电和高载能负荷功率变化主动响应能力的风光容量优化配置

为有效解决高比例风光消纳问题,提出一种基于梯级水电与高载能负荷功率变化主动响应能力的风光容量优化配置方法。设计高载能负荷配合梯级水电平抑风光出力波动的协调框架;通过刻画基于水头变化的不同时刻间梯级水电的功率调节规律以及基于生产过程的冶炼类高载能负荷功率调节特性,构建考虑系统调节能力约束的风光容量最优配置模型,以风光电站投资建设成本、水火电站运行成本、高载能负荷调度成本以及弃风弃光惩罚成本最低为目标确定风光装机容量。湖南某地区仿真结果表明,所提方法能够更好地应对净负荷功率波动,增加风光并网容量。