摘要：針對分布式光伏出力的不確定性特征對系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，提出了一種計(jì)及光伏出力不確定性的氫能綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。首先，搭建氫燃料電池的熱電輸出控制模型和氫能綜合能源系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)模型;然后，在光伏出力預(yù)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過分析光照強(qiáng)度變化的不確定性以修正光伏出力預(yù)測曲線;最后，以最小化系統(tǒng)日運(yùn)行成本為目標(biāo)函數(shù)，建立包含光伏、氫燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的氫能綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型。算例分析結(jié)果表明，考慮光伏出力不確定性對氫燃料電池輸出的影響，可使系統(tǒng)設(shè)備的出力更加合理，對降低運(yùn)行成本、提高氫能綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性具有積極作用。

　　關(guān)鍵詞：氫能綜合能源系統(tǒng);氫燃料電池;光伏;經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;不確定性

　　0引言

　　隨著能源、電力與用戶之間的聯(lián)系日趨緊密，能夠滿足熱、電等多種負(fù)荷需求的綜合能源系統(tǒng)脫穎而出，成為能源領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。可再生能源項(xiàng)目高速發(fā)展的同時(shí)，電網(wǎng)建設(shè)滯后帶來的消納問題成為不容忽視的技術(shù)難點(diǎn)，將棄電用于制氫儲(chǔ)能，既能夠克服電解水制氫成本高的問題，又能夠解決能源消納問題[2]。

　　能源論文范例： 談互聯(lián)網(wǎng)終端電力能源服務(wù)技術(shù)

　　包含可再生能源、熱電聯(lián)產(chǎn)CHP(CombinedHeatingandPower)機(jī)組、制儲(chǔ)氫及氫燃料電池HFC(HydrogenFuelCell)的氫能綜合能源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電、供熱等多能源供應(yīng)需求，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)清潔電力到清潔氣體能源的大規(guī)模存儲(chǔ)，是解決可再生能源消納、平抑功率波動(dòng)性和間歇性的重要手段之一。目前，關(guān)于綜合能源系統(tǒng)結(jié)合氫燃料電池的研究取得了一定的進(jìn)展，氫燃料電池的供電技術(shù)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[3-4]。自日本開發(fā)了氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者開始圍繞利用氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)特性改善綜合能源系統(tǒng)的電-熱耦合開展了優(yōu)化調(diào)度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面的研究[5]。

　　文獻(xiàn)[6]提出了一種考慮風(fēng)電出力隨機(jī)特性的氣電互聯(lián)氫儲(chǔ)能綜合能源系統(tǒng)，驗(yàn)證了考慮需求響應(yīng)、氫儲(chǔ)能對風(fēng)電消納以及降低系統(tǒng)日常運(yùn)營成本具有積極的作用;文獻(xiàn)[7]提出了在綜合能源系統(tǒng)中加入電制氫裝置，以促進(jìn)能源轉(zhuǎn)化，滿足各類負(fù)荷需求;文獻(xiàn)[8]在含氫儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)中考慮了風(fēng)電出力的隨機(jī)性、需求響應(yīng)等因素，在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電的消納;文獻(xiàn)[9]在所提熱電聯(lián)產(chǎn)模型中加入了氫燃料電池作為調(diào)節(jié)裝置，以提高氫能的高品位使用，同時(shí)著重于余熱的再電氣化以提高多種能源之間的耦合利用效率;文獻(xiàn)[10]著重分析了燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)輸出特性以及系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)關(guān)系，基于算例驗(yàn)證了熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

　　但是，文獻(xiàn)[6-8]只是將氫燃料電池作為儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)可再生能源消納，并未涉及燃料電池輸出特性的研究;文獻(xiàn)[9-10]考慮了燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)特性，但未擺脫“以熱定電”的限制，削弱了機(jī)組的調(diào)峰能力，且沒有考慮新能源出力的不確定性，使得新能源消納能力略顯不足。

　　結(jié)合上述問題，本文提出了一種計(jì)及光伏PV(PhotoVoltaic)出力不確定性的氫能綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。通過分析光照強(qiáng)度不確定性對光伏出力預(yù)測曲線進(jìn)行修正，保障優(yōu)化計(jì)算過程中對光伏出力預(yù)測的精確性，建立以日運(yùn)行成本最小為優(yōu) 化目標(biāo)的氫能綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，基于算例驗(yàn)證了考慮光伏出力不確定性可以使得各設(shè)備出力更加合理，能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1氫能綜合能源系統(tǒng)模型

　　氫能綜合能源系統(tǒng)包含光伏機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)GT(GasTurbine)、燃?xì)忮仩tGB(GasBoiler)、氫燃料電池等出力設(shè)備，電解槽EL(ElectroLyzer)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備以及儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫等儲(chǔ)能設(shè)備。本節(jié)主要對氫燃料電池的熱電輸出控制模型和氫能綜合能源系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

　　1.1氫燃料電池的熱電輸出控制模型

　　氫燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電、熱和水，其產(chǎn)出的電能和熱能相互影響，存在“此消彼長”的關(guān)系，研究其運(yùn)行機(jī)理對于滿足負(fù)荷需求以及提高氫燃料電池的產(chǎn)能效率十分重要。因此，在考慮氫氣供給速度、反應(yīng)堆溫度等影響因素的前提下，建立氫燃料電池的熱電輸出控制模型。在理想情況下，單電池反應(yīng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓為1.229V，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于活化極化、歐姆極化和濃差極化等過程存在過電壓損耗，輸出電壓達(dá)不到理想值[11]。

　　電、熱輸出功率主要與氫氣供給速率、活化極化過電壓損耗、歐姆極化過電壓損耗、濃差極化過電壓損耗相關(guān)，而3種過電壓損耗主要與氫燃料電池的工作溫度相關(guān)，因此可以通過控制氫氣供給速率和燃料電池的工作溫度決定電、熱輸出功率比例。為了使氫燃料電池工作在正常溫度(60~80℃)下，需要在雙極板內(nèi)的冷卻水通道內(nèi)通入冷卻水以保持其工作在合理溫度范圍內(nèi)，冷卻水流速越快，則被帶走的熱能越多，因此氫燃料電池的工作溫度由冷卻水流速vH2O和熱輸出功率QHFC共同決定，氫燃料電池的熱輸出功率又分為循環(huán)水帶走的有用熱功率Qy和散發(fā)到空氣中的無用熱功率Qf。

　　1.2熱力系統(tǒng)模型

　　1.2.1熱力模型

　　氫能綜合能源系統(tǒng)以氫燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為熱源，以換熱器為媒介，經(jīng)由供熱管道和回?zé)峁艿缹?shí)現(xiàn)熱能流動(dòng)，共同構(gòu)成循環(huán)熱力系統(tǒng)。本文不考慮管道中的熱能損耗，因此熱力模型包括熱負(fù)荷功率方程和功率守恒方程。

　　1.2.2熱電耦合元件模型

　　在氫能綜合能源系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的耦合元件包括氫燃料電池和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，兩者同時(shí)發(fā)電以及供熱，增加了綜合能源系統(tǒng)熱能與電能間的轉(zhuǎn)換靈活性。氫燃料電池通過控制氫氣供給速率和氫燃料電池工作溫度決定電、熱輸出功率比例。

　　2光伏出力預(yù)測誤差分析

　　目前光伏出力短期預(yù)測方法包括時(shí)間序列預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及支持向量機(jī)SVM(SupportVectorMachine)等[14-15]。其中，支持向量機(jī)是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理的預(yù)測模型，可以最大限度地提高學(xué)習(xí)機(jī)的泛化能力，在樣本數(shù)據(jù)較少的情況下也可以得到相對較小的預(yù)測誤差。

　　4算例分析

　　為了驗(yàn)證本文所提運(yùn)行策略的有效性，設(shè)計(jì)了如下3種方案進(jìn)行對比分析。方案1：在氫能綜合能源系統(tǒng)中，氫燃料電池僅考慮電出力，光伏出力采用預(yù)測曲線。方案2：在氫能綜合能源系統(tǒng)中，氫燃料電池考慮熱電聯(lián)產(chǎn)，光伏出力采用預(yù)測曲線。

　　方案3：在氫能綜合能源系統(tǒng)中，氫燃料電池考慮熱電聯(lián)產(chǎn)，光伏出力采用修正曲線。通過對比方案1和方案2，確定氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)特性對系統(tǒng)運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性的影響;通過對比方案2和方案3，確定考慮光伏出力不確定性對系統(tǒng)運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性的影響。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備出力上下限及運(yùn)維成本數(shù)據(jù)如附錄C表C1所示，系統(tǒng)主要能量輸入為天然氣，其低熱值為9.7kW·h/m3，單價(jià)為2.5元/m3。

　　熱電耦合分析方案1的電、熱功率結(jié)果。在00:00—06:00時(shí)段內(nèi)，光伏發(fā)電功率為0，電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng);在10:00—14:00時(shí)段內(nèi)，光伏發(fā)電功率較大，主要由其滿足電負(fù)荷需求，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)基本不工作;在17:00—22:00時(shí)段內(nèi)，負(fù)荷需求增加，光伏發(fā)電功率逐漸減少至0，此時(shí)主要依靠燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池提供電能。由于方案1僅考慮氫燃料電池的電出力，熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t供應(yīng)。

　　由于方案2中氫燃料電池同時(shí)參與電、熱供應(yīng)，電負(fù)荷由光伏、燃?xì)廨啓C(jī)和氫燃料電池供應(yīng)，熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)、氫燃料電池和燃?xì)忮仩t供應(yīng)，相較于方案1，方案2考慮了氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)作用，主要體現(xiàn)在熱負(fù)荷供應(yīng)中，燃?xì)廨啓C(jī)出力明顯較小，燃?xì)忮仩t出力略微減小，在10:00—14:00時(shí)段內(nèi)光伏出力較充足的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)基本不出力，燃?xì)忮仩t出力大幅減少，這使得天然氣消耗大幅降低，而在系統(tǒng)運(yùn)行成本中，天然氣耗費(fèi)成本所占比重較大，表明考慮氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)作用對降低系統(tǒng)運(yùn)行成本的效果較明顯。

　　方案3中主要是對光伏預(yù)測出力曲線進(jìn)行修正，從光伏出力預(yù)測曲線及修正曲線可以看出，預(yù)測值略大于修正值，雖然其誤差值較小，對系統(tǒng)影響的較小，但仍會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。對比方案2和方案3的熱功率結(jié)果可以看出，當(dāng)光伏出力減小時(shí)，氫燃料電池的輸出功率有所減少，出現(xiàn)熱負(fù)荷供應(yīng)能力不足的情況，此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)對熱負(fù)荷缺額進(jìn)行供應(yīng)，而燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在“以熱定電”模式，產(chǎn)熱的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電能，會(huì)對電負(fù)荷供應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。

　　由于光伏出力預(yù)測誤差較小，相較于方案2，方案3下設(shè)備的出力變化不明顯，但是由于預(yù)測誤差的存在，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的工作時(shí)間加長，這勢必會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命，加之預(yù)測誤差對各設(shè)備出力的細(xì)微影響，導(dǎo)致氫能綜合能源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

　　4.3優(yōu)化結(jié)果及運(yùn)行成本對比

　　氫燃料電池的總出力、燃?xì)廨啓C(jī)的電出力、燃?xì)忮仩t的熱出力通過分析光照強(qiáng)度的不確定性對光伏出力預(yù)測曲線進(jìn)行修正后，對氫燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的出力產(chǎn)生了一定的影響，對燃?xì)忮仩t的出力幾乎無影響，在10:00—18:00時(shí)段內(nèi)，修正曲線略小于預(yù)測曲線，此時(shí)氫燃料電池的總出力有所減少，燃?xì)廨啓C(jī)的電出 力有所增加。

　　由于光伏機(jī)組是利用自然資源發(fā)電，其發(fā)電成本基本上可以忽略不計(jì)，本文中的系統(tǒng)日運(yùn)行成本只考慮了天然氣耗費(fèi)成本和設(shè)備運(yùn)維成本。方案1和方案2的區(qū)別在于方案1僅考慮氫燃料電池輸出電能，方案2考慮了氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)特性。方案1、2中氫燃料電池的效率分別為37.44%、69.90%，系統(tǒng)日運(yùn)行成本分別為7502.0、5721.5元，表明控制氫燃料電池的熱、電輸出功率可以提升系統(tǒng)的能源利用率，減少化石燃料的使用，降低運(yùn)行成本的同時(shí)減少了碳排放。

　　方案2和方案3的區(qū)別在于在方案3考慮了光伏出力的不確定性，基于光照強(qiáng)度的不確定性修正光伏出力預(yù)測曲線。由于方案3中光伏出力略微減小，氫燃料電池的效率有所下降，增加了化石燃料的使用，其系統(tǒng)日運(yùn)行成本增加了23.3元。雖然日運(yùn)行成本小幅增加，但是提高光伏出力預(yù)測的精確性可以降低對系統(tǒng)設(shè)備出力的影響，使設(shè)備出力更加合理，從而提高氫能綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

　　5結(jié)論

　　本文綜合考慮氫燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)特性和光伏出力的不確定性，提出了計(jì)及光伏出力不確定性的氫能綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型，并通過分段線性化處理將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性化模型進(jìn)行求解。仿真算例結(jié)果表明：通過控制氫燃料電池的電、熱輸出功率比例，可以改善系統(tǒng)“以熱定電”的局限性，提高系統(tǒng)的能源利用率，大幅降低系統(tǒng)的天然氣耗費(fèi)成本;考慮光照強(qiáng)度的不確定性以修正光伏出力預(yù)測曲線，雖然略微增加了運(yùn)行成本，但是可以降低光伏出力預(yù)測誤差帶來的影響，優(yōu)化設(shè)備出力，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

　　本文所提模型能夠在較大程度上克服氫燃料電池電、熱輸出功率之間的制約關(guān)系，同時(shí)考慮了光伏出力的不確定性對氫燃料電池輸出的影響，隨著可再生能源的大力發(fā)展，其可以進(jìn)一步減少化石能源的使用率，加快低碳電力的發(fā)展，有效地提高能源利用率與系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對于構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)以及早日實(shí)現(xiàn)碳中和具有重大的意義。

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　　作者：韓子?jì)?，李正文1，張文達(dá)2，劉凱1，董鶴楠3，袁鐵江2