梅建春，錢君霞，趙盛杰，宋鵬程，馬鴻娟，黃雪正

（江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210036）

0 引言

作為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要路徑之一，近年來，我國新能源發(fā)電發(fā)展迅猛。截至2021 年9 月底，我國可再生能源裝機(jī)容量9.94億kW，其中風(fēng)電裝機(jī)容量為2.97億kW［1］。但目前國內(nèi)供電仍以火電為主，考慮電網(wǎng)供用電平衡，大規(guī)模新能源發(fā)電上網(wǎng)受到限制，受電網(wǎng)輸送能力、調(diào)峰調(diào)頻及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行要求等因素的影響，部分風(fēng)電場可能存在棄風(fēng)現(xiàn)象。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2021年1月至2021年9月，我國風(fēng)電平均利用率為96.9%，棄風(fēng)電量約為147.8 億kWh［1］。風(fēng)電場棄風(fēng)不僅降低了可再生能源利用率，同時也導(dǎo)致風(fēng)電場收益減少，風(fēng)電發(fā)展受到一定制約，亟需尋找解決途徑。

針對新能源消納問題，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界展開了深入研究。文獻(xiàn)［2］從機(jī)理和關(guān)鍵因素角度出發(fā)，詳細(xì)分析了新能源消納問題，并提出3種主要的消納措施，即提高電源調(diào)節(jié)能力、加強(qiáng)電網(wǎng)傳輸通道建設(shè)和推廣電能替代，加強(qiáng)需求側(cè)管理。文獻(xiàn)［3］-文獻(xiàn)［4］考慮電網(wǎng)與熱網(wǎng)或氣網(wǎng)耦合運行實現(xiàn)新能源消納。文獻(xiàn)［5］-文獻(xiàn)［6］提出配置一定量儲能，利用儲能的時間調(diào)節(jié)能力平穩(wěn)風(fēng)電場出力曲線，提高風(fēng)電消納能力。在新能源消納相關(guān)研究中，氫能也常被視為一種儲能形式參與可再生能源調(diào)節(jié)［7］。文獻(xiàn)［8］對風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)行了展望，表明風(fēng)電制氫不僅為風(fēng)電消納提供了新途徑，對促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有重要意義。文獻(xiàn)［9］提出在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用風(fēng)電制氫技術(shù)。事實上，氫能作為一種能源形式，在交通運輸、儲能、工業(yè)、建筑等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。受價格因素影響，全球氫能的主要來源為天然氣制氫，而水電解制氫量占比不到0.1%［10］。電解水制氫受電價影響較大，其中用電成本占總成本的74%左右［11］，降低電價成本是推廣并發(fā)展電解水制氫的重要手段之一。一方面，隨著風(fēng)力和光伏發(fā)電技術(shù)的提高，其發(fā)電成本逐步下降，利用可再生能源發(fā)電制氫成為可能［12-13］；另一方面，隨著風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量的不斷提高，富余可再生能源發(fā)電量增加，利用棄風(fēng)、棄光發(fā)電制氫顯著降低了用電成本。文獻(xiàn)［14］提出利用電解制氫消納棄風(fēng)電量，并通過多屬性決策模型計算最優(yōu)容量配置。文獻(xiàn)［15］-文獻(xiàn)［16］則對微電網(wǎng)和多能耦合系統(tǒng)中的制氫容量進(jìn)行了優(yōu)化配置。

值得注意的是，上述規(guī)劃研究多基于統(tǒng)計性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對于電解水制氫的實際分時用電情況關(guān)注較少，規(guī)劃準(zhǔn)確度較低。因此本文提出基于規(guī)劃地區(qū)往年風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù)模擬生成以小時為時間尺度的風(fēng)電出力曲線，再根據(jù)電網(wǎng)消納空間得到棄風(fēng)電量，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)優(yōu)化求解電解水制氫容量配置。最后通過算例分析驗證所提規(guī)劃方法的有效性。

1 制氫簡介

1.1 制氫種類

氫能作為一種二次能源，其制取途徑主要分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫，考慮不同方法制氫過程中的碳排放強(qiáng)度差異，所得氫氣分別被稱為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。雖然電解水制氫環(huán)保效益更高，但受成本等因素影響，在可再生能源/電解水制氫技術(shù)尚未完全成熟的情況下，憑借技術(shù)成熟和成本較低的優(yōu)勢，化石能源制氫成為現(xiàn)階段氫氣的主要來源。

未來隨著化石能源的減少，以及為了減少CO2排放，灰氫和藍(lán)氫的制取比例將逐漸減小，而作為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要路徑之一，使用綠色清潔的綠氫將成為主要趨勢。由灰氫逐漸過渡至綠氫，未來的制氫格局將以綠氫為主，灰氫和藍(lán)氫共存。

1.2 電解水制氫

電解水制氫通過水電解破壞氫氧鍵制取H2，并副產(chǎn)高價值O2，制取過程簡單，綠色環(huán)保，但因其成本較高而難以推廣，其中電能成本占比70%～80%左右，因此采用低成本電能成為降低成本的主要途徑之一。電解水化學(xué)表達(dá)式如式（1）所示。

目前主要有堿性電解水（Alkaline Electrolyzed Water，AlEW）、質(zhì)子交換膜電解水（Proton Exchange Membrane electrolysis of water，PEM）和固態(tài)氧化物電解水（Solid Oxide electrolysis of water，SOEC）3 種主流電解水制氫技術(shù)。其中以AlEW 電解技術(shù)最為成熟，目前國內(nèi)外該技術(shù)市場應(yīng)用最為廣泛；近年來，PEM電解技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅速，PEM 電解具有電流密度高，運行部署靈活等優(yōu)勢，但目前主要以示范應(yīng)用為主；而SOEC電解制氫技術(shù)目前仍處于技術(shù)研發(fā)階段，未來發(fā)展前景良好。3種電解水制氫技術(shù)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電解水制氫技術(shù)比較Table 1 Comparison of hydrogen production technology from electrolytic water

2 棄風(fēng)時序出力曲線

2.1 負(fù)荷時序曲線

本文利用年度負(fù)荷預(yù)測和典型日負(fù)荷曲線模擬日負(fù)荷曲線［17］，如式（2）所示。

式（5）中：WY表示年用電量，kWh。

根據(jù)式（5）可得負(fù)荷調(diào)整系數(shù)，進(jìn)而可得各日的負(fù)荷曲線，再根據(jù)負(fù)荷曲線與電網(wǎng)最小出力曲線的差值可得風(fēng)電消納空間。

2.2 風(fēng)電時序出力曲線

從規(guī)劃角度來說，風(fēng)電場日出力曲線預(yù)測較為困難，本文考慮利用歷史風(fēng)電出力數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。由于歷史風(fēng)電數(shù)據(jù)已包含當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)特性，雖然可能存在某一時段內(nèi)預(yù)測出力曲線與實際值相差較大，但年度統(tǒng)計性特征變化較小，因此從規(guī)劃角度來說滿足要求。如當(dāng)?shù)厝狈︼L(fēng)電歷史數(shù)據(jù)，也可采用其他風(fēng)電出力模擬方法計算風(fēng)電出力曲線［18-19］，本文不再贅述。

首先通過歷史風(fēng)電出力和對應(yīng)風(fēng)電裝機(jī)容量可得風(fēng)電出力標(biāo)幺值曲線，再根據(jù)擬建風(fēng)電場裝機(jī)容量可得風(fēng)電場模擬時序出力曲線，如式（6）所示。

最后根據(jù)電網(wǎng)的風(fēng)電消納空間與風(fēng)電場模擬時序出力曲線得年棄風(fēng)數(shù)據(jù)，即風(fēng)電模擬時序出力與風(fēng)電消納空間的差值。

3 規(guī)劃模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文計算制氫效益時主要考慮制氫廠的初始建設(shè)成本、后期運維成本、消耗水成本以及售氫售氧收益，則目標(biāo)函數(shù)可表示為：

3.2 約束條件

對于電解水制氫容量，其受到容量上下限約束，如式（8）所示。

值得注意的是，上述規(guī)劃模型在計算收益時，氫氣產(chǎn)量不僅僅受制氫設(shè)備容量限制，還受到每日可供制氫設(shè)備使用棄風(fēng)電量的限制，即某一時段內(nèi)取制氫設(shè)備消耗電量和棄風(fēng)電量較小值進(jìn)行計算。

某一時段內(nèi)，棄風(fēng)電量小于制氫設(shè)備滿負(fù)荷運行消耗電量，則：

式（10）中：LH2表示氫氣體積，Nm3；Qab表示棄風(fēng)電量，kWh；t表示運行時間，h；η表示標(biāo)立方氫氣耗電量，Nm3/kWh。

4 模型求解

本文所建立的利用電解水制氫消納棄風(fēng)電量的規(guī)劃模型為非線性規(guī)劃模型，通過粒子群算法求解［20-21］。相比于傳統(tǒng)優(yōu)化算法，粒子群算法作為一種智能算法，其具有求解常規(guī)凸優(yōu)化算法無法實現(xiàn)的非凸問題的能力，且簡單易實現(xiàn)。本文粒子群算法主要求解過程如下：

步驟1 以電解水制氫容量作為粒子，并隨機(jī)生成一定種群數(shù)量的粒子群，對種群位置、數(shù)量和其它參數(shù)進(jìn)行初始化。

步驟2 以制氫收益作為適應(yīng)度值并計算，保存粒子最優(yōu)位置和最優(yōu)適應(yīng)度值。

步驟3 判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)，若否則轉(zhuǎn)至步驟4，否則轉(zhuǎn)至步驟6。

步驟4 利用式（11）和式（12）對粒子位置和速度進(jìn)行更新。

步驟5 計算并比較當(dāng)前適應(yīng)度值與歷史最優(yōu)適應(yīng)度值，若當(dāng)前適應(yīng)度值更優(yōu)，則作為最優(yōu)適應(yīng)度值保存，并保存其對應(yīng)的粒子最優(yōu)位置，轉(zhuǎn)至步驟3。

步驟6 輸出粒子群最優(yōu)位置和最優(yōu)適應(yīng)度值，計算結(jié)束。

圖1 電解水制氫容量規(guī)劃求解流程圖Fig.1 Flow chart for planning and solving hydrogen production capacity of electrolytic water

5 算例分析

本文通過修改的IEEE14 節(jié)點電力系統(tǒng)和比利時2021年風(fēng)電數(shù)據(jù)［22］進(jìn)行模擬，并假設(shè)并網(wǎng)風(fēng)電場裝機(jī)容量為100 MW，模型中參數(shù)取值如表2所示。

表2 主要制氫方式比較Table 2 Comparison of main hydrogen production methods

5.1 制氫容量規(guī)劃結(jié)果

以1 h 為時間尺度，以效益最大化為目標(biāo)，計算所得制氫容量配置為16.852 9 MW 時，運行期間最大效益為2 500.4萬元。模擬風(fēng)電出力和棄風(fēng)數(shù)據(jù)如圖2所示，計算過程如圖3所示。

圖2 風(fēng)電出力和棄風(fēng)Fig.2 Wind power output and wind power abandonment

圖3 粒子群算法計算過程Fig.3 Calculation process of particle swarm optimization

5.2 效益分析

本文模擬總棄風(fēng)電量為3 865 MWh，通過本文方法配置制氫設(shè)備消納棄風(fēng)電量為2 335.7 MWh，可以看出，由于以最大效益為目標(biāo)，配置的制氫容量小于棄風(fēng)規(guī)模，仍然存在一定量棄風(fēng)。

比較以本文方法、風(fēng)電平均利用小時數(shù)和最大棄風(fēng)容量確定制氫容量，所得計算結(jié)果及成本分解如表3所示。

表3 不同計算方法比較Table 3 Comparison of different calculation methods

由表3 可知，由于本文方法與基于風(fēng)電平均利用小時數(shù)兩種方法都包含了棄風(fēng)數(shù)據(jù)的年平均特性，因此所得制氫容量基本相同，但本文所提方法充分考慮了數(shù)據(jù)的時間特性，故容量配置更為精確，且總效益更高。

而基于最大棄風(fēng)容量計算，其總效益最低且為負(fù)值，分析其成本可知，雖然所有棄風(fēng)電量都被利用，但建設(shè)成本過高，導(dǎo)致收益降低。

6 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)風(fēng)電制氫規(guī)劃方法主要基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性，首先以規(guī)劃地區(qū)風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成以小時為時間尺度的風(fēng)電時序出力曲線，繼而得到棄風(fēng)數(shù)據(jù)，最后以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，基于詳細(xì)棄風(fēng)數(shù)據(jù)求解得到電解制氫設(shè)備容量。算例分析驗證了該方法的有效性，且通過比較不同方法，驗證了該方法的經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu)。

本文所提方法雖然精確度較高，但較為依賴風(fēng)電數(shù)據(jù)，后續(xù)將繼續(xù)研究更為精確簡便的方法。