考虑碳排放和混合燃烧特性的氢混燃机精细化建模及应用EI北大核心CSCD

随着混氢天然气技术发展,氢混燃机成为未来电-混氢天然气城市综合能源系统的关键技术节点。为此,该文分别对混氢天然气网和氢混燃机进行特性分析,并搭建考虑多气体组分混合的混氢天然气网与氢混燃机耦合架构。从多学科信息融合角度出发,采用阿伦尼乌斯方程和系统热力学分别对氢混燃机的碳排放和混合燃烧出力特性精细化建模,并基于实例参考范围验证所提模型的合理性。在此基础上,将氢混燃机模型应用到优化调度中,以系统总运行成本最低为目标函数,计及城市配电网、混氢天然气网以及用户单元内部运行约束,建立电-混氢天然气城市综合能源系统优化调度模型。以耦合混氢天然气系统的某实际城市配电网为算例进行验证,结果表明,基于电转气的天然气网掺氢运输和本地储氢供应均能有效提高电网的可再生能源消纳水平,其风电利用率之差不超过2.12%,但前者的总运行成本比后者少4.31%,能够降低系统总运行成本的同时有效促进用户侧低碳减排。     

考虑混氢天然气的综合能源系统低碳经济调度

提出考虑混氢天然气的电-气综合能源系统低碳经济调度策略,协同调度P2G设备中电制H2和电制CH4 2种电-气转换过程,以混氢天燃气（hydrogen enriched compressed natural gas,HCNG）的形式满足终端燃气需求,以改善系统的运行性能。经改进的IEEE 14节点电力网和比利时20节点天然气网耦合系统进行验证,结果表明,所提IEGS调度策略可在提高风电转换效率、实现碳减排的同时,保障用气需求,提升系统运行的经济性。     

计及辅助服务的电-气-氢综合能源系统优化调度

氢能是中国能源行业低碳化转型的重要支撑。电制氢技术可将电网难以消纳的新能源转换成绿氢注入天然气管道,实现绿氢的远距离传输与利用。文中提出一种计及绿氢注入的电-气综合能源系统优化调度模型,且计及电网辅助服务以支撑高比例新能源消纳。首先,建立了计及绿氢注入及管道管存的天然气系统准动态运行模型;然后,构建了计及调峰与灵活备用的辅助服务的综合能源系统灵活运行模型。最后,算例测试量化评估了电制氢及多能协同对于支撑新能源消纳及提高系统运行灵活性的价值,并且分析了新能源渗透率、管道掺氢比限制对于综合能源系统调度结果的影响机理。     

计及氢气-天然气混输的气电综合能源系统动态最优能流计算

利用可再生能源电解水制氢并注入天然气管道进行跨区域输运和利用，能够有效改善“三弃”现象，助力能源系统低碳转型。然而，氢气与天然气物化性质存在较大差异，掺氢后气网各管道、节点气质不均一，压力、流量等运行工况发生显著变化。该文建立了含掺氢环节的气电综合能源系统动态最优能流模型，重点推导了计及分布参数效应的混氢天然气动态潮流方程，反映节点处氢气质量分数与气体流速的定量关系和传输网络中各管道气质差异，揭示掺氢后气网动态过程的关键特征。同时，为降低优化问题求解难度，将模型中难以处理的双线性项等价重构为具有物理意义的新变量，并采用低掺氢比假设等简化方法进一步消除模型非线性，从而将非凸非线性问题转换为线性规划问题。该模型在反映异质气体注入对系统能流分布的影响的同时能够适应大规模优化问题的求解要求。最后通过仿真算例验证了所提模型的合理性和有效性。     

电-氢-混氢天然气耦合的城市综合能源系统低碳优化调度

混氢天然气(HCNG)技术可有效解决大规模电制氢面临的纯氢运输成本高的问题。针对大规模风光消纳与城市综合能源系统(UIES)低碳优化调度问题，在源-网-荷-氢协同优化框架下，提出考虑电-氢-HCNG耦合与需求响应的UIES低碳优化调度方法。对电-氢-HCNG耦合单元运行特性进行建模，并引入用户单元需求响应机制，以系统运行成本最小为目标，建立UIES低碳优化调度模型。通过算例分析对所提模型进行验证，结果表明电-氢-HCNG耦合单元与用户单元需求响应机制的引入能够有效促进风光消纳，提高UIES低碳性。     

考虑天然气混氢的园区综合能源系统电制氢优化配置

电制氢和天然气混氢技术在促进可再生能源消纳、降低系统碳排放量方面具有良好的理论研究和工程应用前景。面向含高比例可再生能源的园区综合能源系统,提出一种计及天然气混氢及跨季节存储的电制氢优化配置方法。首先梳理了含氢园区综合能源系统的运行框架和能量流动关系,建立园区内部能源生产、转换与存储设备的数学模型,其次以设备的年化投资成本、园区综合能源系统的年度运行成本和碳交易成本最优为目标,提出电制氢优化配置模型。最后通过算例分析表明电制氢及天然气混氢技术的引入可提升可再生能源的消纳能力,降低系统的整体经济成本和碳排放量,并分析了电解槽投资成本、混氢体积分数上限以及经济性和低碳性成本权重系数变化对规划运行结果的影响。关键词：园区综合能源系统;电制氢;天然气混氢;碳交易;跨季节储氢;优化配置 中图分类号：TM732     

考虑氢能绿证的电-氢综合能源系统机会约束优化调度

随着“双碳”目标的提出，氢能产业迎来重要的发展阶段，氢能生产、运输、存储的关键技术不断突破，电力网络和输氢网络之间有望呈现深度耦合。基于输氢网络的详细模型，提出了一种电力系统和输氢系统联合优化调度模型。考虑电制氢的绿证效益，构建计及绿证交易的电-氢综合能源系统日前调度模型；在确定性模型的基础上，采用机会约束处理风电波动带来的不确定性，构建电-氢综合能源系统的机会约束优化调度模型；通过算例测试验证所提模型的有效性，研究绿证价格和机会约束对调度结果的影响，并分析电制氢机组参与平抑波动的情况。     

电-热-氢综合能源系统鲁棒区间优化调度

该文采用鲁棒区间法挖掘电-热综合能源系统协调运行的潜力,以缓解风电功率的不确定性对电力系统的运行稳定性的影响,并构建风力发电与氢储能系统相结合的风-氢混合系统,考虑氢储能系统的热平衡需求,以充分发挥氢储能系统的储能效率,平抑风电的波动性。首先,介绍了考虑氢储能系统接入的电-热综合能源系统结构,并构建其数学模型;然后,以区间形式考虑风电的不确定性,构建含风电的鲁棒区间优化调度模型,使系统在所有风电出力允许区间内,均满足允许约束条件;再次,建立一种含风-氢混合系统的电-热综合能源系统鲁棒区间优化调度模型,采用对偶理论将原模型转化为单层模型进行求解,最坏情况下的风电不平衡功率由可调机组根据时变参与因子进行调整;最后,以PJM-5节点电力系统与6节点热力系统和辽宁省北部太和综合能源系统为例对所提模型进行分析,验证了模型的有效性。     

计及高阶方程分段线性化的港口电-氢综合能源系统优化调度

现有电-氢综合能源系统模型存在制氢、储氢装置模型不准确的问题，影响了系统运行调度的安全性。考虑储氢装置内氢气在高压状态下温度-压强的动态特性，建立港口电-氢综合能源系统优化调度模型。通过电解水制氢技术储存风光发电多余的电能，在此基础上协调电力和氢气的负荷需求，有效地提高了新能源利用率并保证了系统的安全稳定运行。对高压储气罐的温度-压强高阶非线性模型进行分段线性化处理，在保障较高精度的同时大幅提高了求解效率。典型港口综合能源系统算例验证了所提方法的有效性。     

计及碳成本的电-气-热-氢综合能源系统经济运行策略

为构建低碳可持续能源系统,推动我国未来能源系统转型,文章聚焦能源系统中低碳与清洁,建立了考虑经济与碳排放的电-气-热-氢综合能源系统日前调度模型。首先,在综合能源系统网络中,考虑负荷不确定性建立了电网潮流模型以及热网、气网的动态潮流模型。在能量转换设备中考虑到氢能的清洁、高效、安全等优点,引入电转氢(power to hydrogen, P2H)设备和氢储能设备。考虑到燃气轮机、燃料电池等余热浪费,引入有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)余热发电将剩余热能转化为电能,提高能源利用效率。其次,考虑以系统运行成本和环境成本为目标函数,给出电-气-热-氢的综合能源系统最优运行调度方案。最后针对多种优化运行模式进行仿真分析,结果表明,文章提出的电-气-热-氢综合能源系统优化运行策略能够有效保证运行的经济性和环保性。     

含电转气的电-气互联系统风机失效的风险调度模型

基于燃气机组和电转气(P2G)装置的含风力发电的电-气互联系统正快速发展,电网故障和机组自身故障造成的风电机组失效给互联系统的安全运行带来了较大的风险。目前,关于电-气互联系统的运行调度较少计及系统存在的风险,而燃气轮机和P2G装置的控制策略给系统风险带来的影响不可忽略,独立电力系统中的调度方法难以直接应用于电-气互联系统。为此,基于电-气互联系统的运行特性及风机失效风险,建立了考虑P2G的电-气互联系统的风机失效风险指标,并基于该指标建立了以风机失效风险最小、燃煤机组煤耗成本最少的多目标优化调度模型,以权衡系统运行过程中风险与煤耗成本之间的矛盾。算例结果表明,所提的多目标风险调度模型能够有效降低电-气互联系统的运行风险,提高风电的消纳能力。     

掺氢比例波动时氢混燃气轮机动态响应特性研究

在“双碳”目标的推动下，燃气轮机掺氢及纯氢燃烧技术备受关注，通过可再生能源制取“绿氢”并用于电力生产是未来能源领域的发展方向。而氢气来源的波动势必会引起氢混燃气轮机燃料掺氢比例的变化，为此研究了掺氢比例波动时燃气轮机的动态响应特性。以某F级重型燃气轮机为研究对象，采用模块化建模方法构建了机组的动态模型，对掺氢比例波动时不同负荷下机组关键参数的响应特性及部件运行的安全性进行了仿真分析。结果表明：当氢气掺混比发生波动时，透平入口温度（T3）将出现剧烈波动，在高负荷区将出现T3超温现象，叶片工作环境恶化，影响机组安全运行；氢气掺混比例波动幅度越大，机组负荷越高，T3超温现象越显著；而氢气掺混比例波动对压气机的影响相对较小，压气机仍能维持合理的喘振裕度。     

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。     

含电转气的电–气互联系统可靠性评估

含电转气的电–气互联系统是解决我国弃风限电问题的有效途径,其可靠性评估是系统规划、运行的重要基础。因此,首先计及系统弃风现象,提出基于电转气装置和燃气机组的能流模型、考虑风电弃用的电/气/热负荷削减优化模型;其次,从系统和设备两个角度出发,建立电–气互联系统电力/气量/热力不足期望、弃风期望和电转气装置容量利用率等可靠性指标;再次,考虑元件故障、电/气/热负荷和风电功率的随机性因素,基于所建立的能流模型、负荷削减优化模型和可靠性指标,提出含电转气的电–气互联系统可靠性评估方法;最后,采用该方法在不同风电渗透率、电转气装置容量下,对IEEE14-NGS10电–气互联系统进行可靠性评估分析,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

计及储气的电气耦合系统鲁棒机组组合问题的研究

由电力系统、天然气系统之间的耦合与互联构成的综合能源系统,对于促进可再生能源的消纳,构建经济、环保、高效的能源系统至关重要。从储气系统对电–气耦合系统的作用入手,在考虑机组备用容量前提下,分析并研究了含有储气及可再生能源的电–气耦合系统鲁棒机组组合问题。算例分析表明,在天然气供应量有限的电–气耦合系统中,储气罐对于协调机组出力、解除一次能源对燃气机组的限制等方面具有显著的作用;同时,储气罐的安装位置对于发挥储气罐的作用、提高燃气机组的出力等方面具有重要的影响。     

考虑制氢设备效率特性的煤风氢能源网调度优化策略

风电的反调峰特性导致在调度过程中机组压力大、存在严重的弃风现象,建设大型可转移新能源消纳设备是一个可能的解决思路。该文提出了将大型新能源消纳设备的负荷特性纳入考量的煤风氢能源网综合调度优化策略。首先建立了典型新能源消纳设备——电解水制氢设备的产出模型,研究其在不同运行功率下的效率–功率特性关系。在此基础上,以产出电力与氢气的复合煤风氢能源网整体利益最大化为目标对网内常规机组、风电及制氢设备进行短期调度经济性优化。仿真结果表明,依据消纳设备效率特性关系可制定出更为精准、灵活、经济的调度运行策略,在保证煤风氢能源网风电消纳能力的同时,提高了常规机组和消纳设备的运行经济性。该文为含风电场、制氢设备的煤风氢能源网的经济运行策略制定提供了一个全新的视角。     

氢电综合能源供应微电网的优化调度

利用可再生能源进行制氢和供电是提高微电网经济效益的手段之一。对氢电综合能源供应微电网进行优化调度,可提高系统供能可靠性和可再生能源利用率。建立了氢电综合能源供应微电网的系统结构,利用可再生能源电解水制氢供应氢负荷需求,通过储氢罐存储剩余氢能,采用燃料电池补充电负荷的不足。分析了可再生能源和负荷变化下的微电网运行模式,提出了保证供能可靠性的微电网综合协调调度策略。建立了以系统运行收益最大化为目标函数以及负荷失电和失氢率、弃风与弃光率等为约束条件的微电网优化调度模型。案例分析表明,提出的优化调度方法能够实现氢和电负荷的可靠供应,微电网可以获得较高的收益,同时可再生能源的利用率得到提高。     

考虑氢能交通运输时空特性的电-氢综合能源系统协同优化方法

电-氢综合能源系统(EH-IES)在新时代背景下有巨大潜力,受限于现有输氢管道长度,EHIES可视为由多个氢能子系统(HES)和电力网络耦合而成。若要充分利用EH-IES运行灵活性,可在考虑EH-IES协同优化的同时,利用氢储能的可移动性实现氢能在多个HES之间的最优调度。为此,提出了一种“就地制氢-交互运氢”的运行模式。以EH-IES为研究对象、总运行成本最小为目标函数,考虑氢气长管拖车(HT)运输所需时间与HES交互运行,建立了包含可再生能源、电制氢储氢站(PHSS)、HT、电氢负荷的综合能源系统联合优化模型。通过9辆HT、3座PHSS接入IEEE 30节点系统的算例对比分析了各HES交互对系统优化的影响,结果表明：所建立的优化模型能够减少总运行成本,提升风电消纳水平,提高电力系统运行灵活性,验证了所提模式的有效性与可行性。     

考虑电转气消纳风电的电–气综合能源系统双层优化调度

电转气(power-to-gas,P2G)技术使电力网络与天然气网络的单向耦合转变为双向耦合,其运行特性为风电消纳提供了有效途径。该文提出一种考虑电转气合理利用弃风并考虑天然气系统优化运行的电力–天然气综合能源系统双层优化调度模型。首先,介绍含电转气的天然气系统运行模型;其次,以基于价格的含电转气的天然气系统优化调度为上层模型,基于直流潮流的含风电和电转气的电力系统经济调度为下层模型,构建电–气综合能源系统双层调度模型;再次,根据下层模型的Karush-Kuhn-Tucher(KKT)条件将双层模型转化为单层模型,并对非线性方程进行线性化,从而将非线性模型转化为混合整数线性规划(mix-integerlinear programming,MILP)问题,并调用CPLEX求解器进行求解;最后,通过算例分析验证所提出模型的合理性与有效性,并证明电转气可以有效提高电网的风电消纳能力。     

综合能源天然气网混氢输运的仿真与调度综述

发展清洁、安全、高效且来源广泛的氢能对建设低碳清洁的能源结构体系至关重要。天然气网混氢输运是综合程度更高的综合能源系统,通过将氢气掺混进入天然气管网,实现高效、经济的氢气大规模消纳和长距离运输。提出了综合能源天然气网混氢输运的2个关键问题：考虑掺混过程瞬态特性与输运过程分布参数特性的混氢输运天然气管网仿真方法和考虑管材、气网设备和用户终端设备约束的混氢输运天然气管网调度方法。在此基础上,综述了现有文献中氢气的掺混特性、输运特性、瞬态特性、冷凝和渗透特性及混氢天然气对管材、设备的影响。最后,总结了世界范围内现有的混氢示范项目,提出了综合能源天然气网混氢输运的未来研究方向。