彭生江，楊淑霞

（1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730030）

1 研究背景與問題提出

煤炭作為我國(guó)的主體能源，在能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍未擺脫“一煤獨(dú)大”的局面。在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化，2020 年煤炭消費(fèi)比重降至57.0%以內(nèi)，天然氣和水核風(fēng)光電等清潔能源的消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比重已提高到24.4%［1］。“雙碳”目標(biāo)背景下，煤炭、煤化工產(chǎn)業(yè)作為支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)，需要降低碳排放，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快形成綠色生產(chǎn)方式。然而我國(guó)油氣資源匱乏，而煤炭相對(duì)豐富，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)依靠技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)石油和天然氣資源的補(bǔ)充和部分替代，是國(guó)家能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要內(nèi)容。煤化工已成為繼煤電之后，我國(guó)消耗煤炭最多的產(chǎn)業(yè)，“雙碳”目標(biāo)的提出加快促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型升級(jí)，也對(duì)煤電和煤化工行業(yè)提出了跨時(shí)代的要求，大力推進(jìn)煤炭轉(zhuǎn)化過程的節(jié)能和CO2低排放技術(shù)發(fā)展，是我國(guó)煤資源富集省份面臨的重大而又緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。此外，我國(guó)西北地區(qū)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心區(qū)，本地電網(wǎng)容量較小，即使電能外送的通道全面建成，能上網(wǎng)的風(fēng)電量占實(shí)際風(fēng)電發(fā)電量的比例仍較小。風(fēng)電發(fā)展所受到的制約對(duì)我國(guó)風(fēng)煤富集省份實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)產(chǎn)生較大負(fù)面影響，迫切需要新的思路來解決。

氫是一種特殊的二次能源，可考慮以氫能為樞紐，將我國(guó)風(fēng)煤富集省份豐富的風(fēng)能和煤炭資源在產(chǎn)業(yè)鏈上進(jìn)行整合，以改變氫的獲取方式為突破口，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)煤化工過程，拓展和擴(kuò)大風(fēng)電利用途徑和規(guī)模，形成風(fēng)氫煤耦合能源系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“耦合系統(tǒng)”），實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)資源的互補(bǔ)互動(dòng)。風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)具體包含兩個(gè)方向：一是風(fēng)煤富集省份采用風(fēng)電進(jìn)行電解水制氫，消納多余電力，儲(chǔ)存的H2利用氫燃料電池實(shí)現(xiàn)氫能循環(huán)利用；二是建立煤化工二次能源系統(tǒng)，為煤化工中煤制天然氣、尿素、聚氯乙烯、乙二醇等煤化工產(chǎn)品的工藝過程提供所需的氫和氧。儲(chǔ)能與可再生能源的耦合對(duì)于解決再生能源并網(wǎng)難的問題具有積極作用，是目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)［2］。風(fēng)電制氫能源系統(tǒng)包括風(fēng)電場(chǎng)、制氫設(shè)備、儲(chǔ)氫罐、鋰電池、燃料電池和電氫負(fù)荷，并與外部電網(wǎng)和H2網(wǎng)相連接。風(fēng)電作為清潔能源，是系統(tǒng)內(nèi)部唯一的電源，向系統(tǒng)提供能量。一方面風(fēng)電向系統(tǒng)中的用電負(fù)荷直接供電，另一方面通過電制氫設(shè)備制取H2，并通過儲(chǔ)氫罐進(jìn)行儲(chǔ)存，向系統(tǒng)內(nèi)部的H2負(fù)荷供氫，當(dāng)系統(tǒng)中電負(fù)荷和H2負(fù)荷無法消納全部的風(fēng)電出力時(shí)，風(fēng)電通過鋰電池和儲(chǔ)氫罐將多余的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，并在風(fēng)電出力不足時(shí)補(bǔ)足能量缺額。為了形成一個(gè)“電—?dú)洹姟钡哪芰块]環(huán)，使系統(tǒng)具有更大的靈活性，引入了氫燃料電池設(shè)備；當(dāng)風(fēng)電及鋰電池等儲(chǔ)能設(shè)備同時(shí)工作也不能滿足系統(tǒng)用能需求時(shí)，需要向外部的電網(wǎng)和H2網(wǎng)中購(gòu)能。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

在已有相關(guān)研究中，風(fēng)電制氫方面，Apostolou等［3］將風(fēng)氫耦合系統(tǒng)分為輔助型并網(wǎng)耦合系統(tǒng)、獨(dú)立型離網(wǎng)耦合系統(tǒng)和H2外送型耦合系統(tǒng)，關(guān)注氫作為多功能輔助服務(wù)或具有多種輸出和配置的風(fēng)電場(chǎng)的附加裝置；Mirzaei 等［4］針對(duì)風(fēng)電“棄風(fēng)”嚴(yán)重、低電壓過渡能力弱等問題，提出了風(fēng)氫耦合系統(tǒng)模型及其控制策略，構(gòu)造了一種電解槽和燃料電池集結(jié)于直流母線的結(jié)構(gòu)；鄧浩等［5］提出了包含風(fēng)力機(jī)/電解槽/燃料電池/超級(jí)電容的風(fēng)氫耦合系統(tǒng)；王鳴迪［6］構(gòu)建了融入風(fēng)氫耦合系統(tǒng)完整的船舶電力系統(tǒng)。煤化工能源系統(tǒng)方面，主要針對(duì)煤氣化、合成CH3OH 過程進(jìn)行分析，其中煤炭和水經(jīng)過煤氣化過程生成粗合成氣，通過H2進(jìn)行氣體調(diào)比，經(jīng)合成反應(yīng)器生成CH3OH，CH3OH 再與H2、O2混合組成發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出電能，最后協(xié)調(diào)并網(wǎng)（見圖1）。煤化工能源方面，何錚［7］提出了把捕集CO2、風(fēng)電制氫和CO2加氫反應(yīng)相結(jié)合的綠色煤化工的發(fā)展思路；袁鐵江等［8-9］、段青熙等［10］初步構(gòu)建了風(fēng)電氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)，針對(duì)多能耦合系統(tǒng)中的氫儲(chǔ)能過程，利用宏觀能量描述法（EMR）建立了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，揭示了制氫系統(tǒng)中的能量傳遞或轉(zhuǎn)換機(jī)制；Fan 等［11］針對(duì)新疆哈密能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，提出了風(fēng)力、光伏、H2儲(chǔ)能與煤化工混合多能耦合系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、光伏新能源的利用，最大限度地減少污染和能源消耗；Chen 等［12］提出了一種煤基化工混合能源系統(tǒng)，將可再生能源與煤炭結(jié)合起來進(jìn)行低碳燃料和化學(xué)品生產(chǎn)；Buchheit等［13］提出了一種可再生能源風(fēng)能與傳統(tǒng)穩(wěn)定能源煤炭和核能相結(jié)合的混合能源系統(tǒng)；魏繁榮等［14］提出了一種煤風(fēng)氫能源系統(tǒng)，以發(fā)電和制氫聯(lián)合能源網(wǎng)絡(luò)的整體效益最大化為目標(biāo)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)組風(fēng)電制氫設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的短期調(diào)度經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了優(yōu)化，為優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)和大型新能源消費(fèi)設(shè)備能源網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略提供了新的思路。

圖1 煤化工能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述研究多集中于風(fēng)電制氫、風(fēng)煤耦合生產(chǎn)和煤化工能源系統(tǒng)方面，僅有少數(shù)學(xué)者從理論階段證實(shí)了風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的可行性，較少對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其在實(shí)際中的應(yīng)用路徑進(jìn)行介紹和分析。風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，需要在已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)和建模方法進(jìn)行重點(diǎn)研究。為此，本研究建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)容量配置模型，對(duì)風(fēng)氫煤系統(tǒng)耦合演化過程進(jìn)行驗(yàn)證與可靠性檢驗(yàn)，為進(jìn)一步優(yōu)化耦合系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置提供參考。

3 風(fēng)煤富集區(qū)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.1 基本假定

考慮風(fēng)煤富集區(qū)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)主要參考裴煜等［15］、隨權(quán)等［16］、馬騰飛等［17］、張磊等［18］、烏云娜等［19］、劉吉成等［20］、葛鈺潔等［21］、王中郵等［22］的研究，構(gòu)建風(fēng)煤富集區(qū)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（以下簡(jiǎn)稱“模型”），并對(duì)模型做以下假定：

（1）風(fēng)煤富集區(qū)耦合系統(tǒng)是一個(gè)不斷循環(huán)的系統(tǒng)，能源消耗量、火電裝機(jī)量、氫儲(chǔ)能量、碳排放量及經(jīng)濟(jì)效益等均不斷變化；

（2）只考慮主要風(fēng)電制氫與煤化工過程能源消耗、碳排放等因素的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律；

（3）只考慮經(jīng)濟(jì)、人口、能源消耗對(duì)碳排放的影響，不考慮系統(tǒng)以外因素影響；

（4）以CO2排放量作為碳排放指標(biāo)，不考慮能源消耗產(chǎn)生的其他污染氣體排放。

3.2 模型的基本架構(gòu)

耦合體系包括風(fēng)能子系統(tǒng)、氫能子系統(tǒng)和煤炭子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與能量輸送（見圖2）。在風(fēng)能子系統(tǒng)中，主要滿足區(qū)域用電需求，可為煤炭產(chǎn)業(yè)提供能源，過剩風(fēng)能應(yīng)用于電解水制氫，以氫能為載體將過剩能源存儲(chǔ)，避免“棄風(fēng)棄電”問題；電解水產(chǎn)生的O2可加入火電機(jī)組形成富氧環(huán)境，也可作為煤氣化的催化劑。在氫能子系統(tǒng)中，過剩風(fēng)能用于電解水能產(chǎn)生部分H2?？稍偕茉粗茪涫俏磥碇髁?，但由于我國(guó)特殊的能源稟賦狀況，在當(dāng)前乃至未來的一定時(shí)間內(nèi)，煤制氫是我國(guó)較為可靠和經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模制氫途徑之一。氫能的主要消納途徑為煤化工加氫、氫燃料電池、氫能源汽車和天然氣摻氫等。在煤炭子系統(tǒng)中，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)煤炭向基礎(chǔ)保障性物資轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮煤炭在構(gòu)建清潔低碳能源體系中的作用。煤氣化制備CH3OH 過程中消納電解水產(chǎn)生的H2和O2，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。由于CH3OH 是良好的液態(tài)儲(chǔ)氫和運(yùn)氫載體，單位CH3OH 產(chǎn)氫量是單位液氫的2 倍［23］。因此CH3OH可在線制氫用于分布式供電，各子系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)與能量傳輸以及能源的最大化利用。

圖2 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于耦合系統(tǒng)各部分發(fā)展建設(shè)與生產(chǎn)運(yùn)行過程是動(dòng)態(tài)反饋的，共同作用、相互影響的內(nèi)外部因素對(duì)能源系統(tǒng)發(fā)展過程影響顯著，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于分析動(dòng)態(tài)、多變量、高階次、具有反饋機(jī)制的耦合問題具有明顯優(yōu)勢(shì)，故引入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，以耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)行為以及引起能源生產(chǎn)和消費(fèi)變化的各個(gè)要素作為建模的基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域能源發(fā)展實(shí)際，構(gòu)建風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)以因果關(guān)系回路作為構(gòu)成系統(tǒng)最基本的單元，系統(tǒng)中的信息就隨著因果關(guān)系回路流動(dòng)，對(duì)下一個(gè)因素產(chǎn)生正影響或者負(fù)影響，最終形成一個(gè)閉環(huán)，形成如圖3 所示的模型。其中，H2作為連接風(fēng)電制氫與煤化工產(chǎn)業(yè)的介質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。風(fēng)電制氫過程生成H2，進(jìn)行氫儲(chǔ)能，同時(shí)，通過氣體分配進(jìn)入煤化工系統(tǒng)合成CH3OH，又可與CH3OH、O2組成發(fā)電系統(tǒng)最終并網(wǎng)，因此，H2是耦合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中通過綠氫產(chǎn)量來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合連接。一方面，綠氫產(chǎn)量將具有波動(dòng)性的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且清潔的H2從而達(dá)到平滑風(fēng)電；另一方面，綠氫可以作為CH3OH 原料氣與氣化爐生產(chǎn)的富碳合成氣摻混，然后經(jīng)過合成反應(yīng)器、分離器再精餾，最終生產(chǎn)出合格的CH3OH/二甲醚。從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)部因素層面上講，綠氫產(chǎn)量在一定程度上與制氫電量、煤炭減少量、CO2減排量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、供電煤耗、氫氣發(fā)電量、工業(yè)用氫量等因素之間均有緊密聯(lián)系。

圖3 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.3 耦合系統(tǒng)容量配置變量動(dòng)態(tài)演化規(guī)律分析

以我國(guó)新疆地區(qū)2005 年數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)，2005 年至2020 年數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，用Vensim 軟件進(jìn)行耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1 年，結(jié)合風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬其2020 年至2030 年風(fēng)氫煤耦合能源系統(tǒng)發(fā)展路徑，為國(guó)家“十四五”規(guī)劃綠色低碳循環(huán)發(fā)展提供實(shí)施策略參考，為“十五五”健全綠色低碳發(fā)展體系提供發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)和把握。模型設(shè)置界面如圖4 所示。所有相關(guān)變量參數(shù)值均取自于歷年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》《能源統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)年鑒》以及相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)風(fēng)能和煤炭統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，部分間接參數(shù)通過模型運(yùn)行選擇反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的參數(shù)值、借鑒現(xiàn)有研究的公認(rèn)公式及相關(guān)參數(shù)等方式確定。

圖4 新疆地區(qū)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)仿真模型參數(shù)設(shè)置示意

此外，新疆地區(qū)生產(chǎn)、生活用電量及用電增長(zhǎng)率曲線分布見圖5，可知生產(chǎn)用電量逐年遞增，生活用電量占比較小，生產(chǎn)用電和生活用電的總用電量主要受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)影響?！笆晃濉逼陂g，我國(guó)風(fēng)電技術(shù)整機(jī)水平較低，發(fā)展速度受到限制，裝機(jī)水平提升緩慢［24］。“十二五”期間，作為我國(guó)風(fēng)電富集區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)進(jìn)入了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)?？焖侔l(fā)展階段，風(fēng)電總裝機(jī)容量翻番式增長(zhǎng)，但由于本地消納能力有限，所以“棄風(fēng)”問題開始凸顯［25］?！笆濉逼陂g，新疆由于棄風(fēng)率連續(xù)4 年偏高而被國(guó)家列為風(fēng)電開發(fā)建設(shè)紅色預(yù)警區(qū)域，致使當(dāng)?shù)仫L(fēng)電產(chǎn)業(yè)投資受到影響，新增裝機(jī)速度明顯下滑，加之電力外送通道工程拓寬了消納渠道，其棄風(fēng)率在2020 年降至警戒線以下［26］。

圖5 新疆地區(qū)用電量年度分布及增長(zhǎng)率

如圖6 所示，對(duì)風(fēng)電與火電裝機(jī)容量對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，新疆2010—2020 年期間火電裝機(jī)容量大規(guī)模爆發(fā)式增長(zhǎng)，風(fēng)電與火電的裝機(jī)容量差距逐漸變大，火力發(fā)電量占比基本在0.85 以上。2020 年以來，在新型電力系統(tǒng)建設(shè)和“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，新疆的風(fēng)電開發(fā)水平逐漸回升，火電裝機(jī)增速變緩，火力發(fā)電量占比逐漸下降，風(fēng)力發(fā)電量占比上升（見圖7）。截至2030 年，火電裝機(jī)容量增速基本為零，風(fēng)電裝機(jī)仍保持較高增速，且火力發(fā)電量占比下降至0.45，風(fēng)力發(fā)電量占比升至0.20。

圖6 新疆地區(qū)風(fēng)電火電裝機(jī)容量對(duì)比

圖7 新疆地區(qū)風(fēng)電火電發(fā)電量占比年度分布

新疆電力與工業(yè)煤炭消耗總量仿真結(jié)果如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)、電力煤炭消耗量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平（煤炭、煤化工產(chǎn)業(yè)作為支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)）及工業(yè)化水平息息相關(guān)，其煤炭消耗量隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展穩(wěn)步提升。在新型電力系統(tǒng)快速建設(shè)的背景下，新疆的新能源裝機(jī)及發(fā)電占比隨之提高，電力行業(yè)對(duì)煤炭和煤電的依賴逐步減少，考慮到新能源自身不具備調(diào)節(jié)能力，所以新疆應(yīng)根據(jù)自身資源稟賦，立足于“以煤為本”，發(fā)揮煤炭的壓艙石作用，逐步減少電力煤炭消耗量。

圖8 新疆地區(qū)總煤炭消耗量年度分布

由圖9 可知，新疆的碳排放量年度變化曲線與總煤炭消耗量變化曲線的發(fā)展趨勢(shì)相似，由于發(fā)電供熱、工業(yè)制造等工業(yè)部門是碳排放的主要來源之一，因此這反映了新疆工業(yè)對(duì)化石能源有很強(qiáng)的依賴性。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新疆對(duì)于減少碳排放的重視程度也不斷提升，各種減排降碳措施多管齊下，碳排放增速逐漸變緩。在“雙碳”目標(biāo)下，截至2030 年，新疆在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)的同時(shí)煤炭消費(fèi)和碳排放水平均達(dá)到峰值，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖9 新疆碳排放量年度變化趨勢(shì)

由圖10、圖11 可知，受限于成本及技術(shù)等原因，新疆的電制氫技術(shù)早期發(fā)展緩慢且規(guī)模較小；2015年以來，隨著風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展及“棄風(fēng)”問題的出現(xiàn)，“風(fēng)電+綠氫”成為降低制氫成本、克服新能源儲(chǔ)存性的最優(yōu)解，同時(shí)能夠替代煤化工行業(yè)的灰氫、藍(lán)氫，實(shí)現(xiàn)煤化工行業(yè)減碳增效及價(jià)值重構(gòu)，綠氫將進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段并成為風(fēng)電與煤化工耦合發(fā)展的紐帶，幫助電網(wǎng)平抑風(fēng)能波動(dòng)收益，減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益；同時(shí)，工業(yè)用氫每年可帶來幾十億元的氫儲(chǔ)能收益［27］，新疆將在獲得較高氫經(jīng)濟(jì)的同時(shí)突破煤炭工業(yè)碳排放居高不下的桎梏，預(yù)計(jì)至2030 年可減少碳排放量近400 萬 t。綜上，以綠氫為支點(diǎn)的風(fēng)氫煤耦合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均具備一定的可行性，可以最大限度發(fā)揮新疆風(fēng)電和煤基資源富集的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)新疆進(jìn)行能源低碳轉(zhuǎn)型，重構(gòu)煤化工行業(yè)工藝結(jié)構(gòu)，構(gòu)建低碳能源新體系。

圖10 新疆綠氫產(chǎn)量年度分布

圖11 新疆氫儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)收益與CO2 減排量

4 計(jì)及不確定性的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型

4.1 風(fēng)電功率不確定性因素分析

以上建立了風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，論證了耦合系統(tǒng)容量配置變量動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。然而，在耦合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)子模塊將受到多種不確定性因素影響，這些不確定性因素在風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的影響程度不一，但又至關(guān)重要，因而考慮不確定性影響因素條件下的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)容量配置模型更符合實(shí)際情況，基于不確定性因素優(yōu)化配置風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)可以更好地應(yīng)用于風(fēng)煤富集區(qū)域的能源生產(chǎn)與實(shí)踐。風(fēng)電作為風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)中的唯一電能來源，具有隨機(jī)、波動(dòng)和間歇等特性，系統(tǒng)電力負(fù)荷和原料煤清潔的利用需要H2負(fù)荷。雖然與傳統(tǒng)電力消費(fèi)和原料煤生產(chǎn)過程相同，但風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性更好，因此，耦合系統(tǒng)中風(fēng)能子模塊清潔能源供能穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可靠性之間的矛盾問題更為突出，其中的不確定性因素尤為重要。綜合考慮新疆地區(qū)能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的發(fā)展規(guī)劃，以及新型電力系統(tǒng)建設(shè)、“雙碳”目標(biāo)等國(guó)家戰(zhàn)略，本研究認(rèn)為風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不確定性影響因素包括經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)因素、火電投資因素、轉(zhuǎn)入因子因素、碳強(qiáng)度因素、煤炭?jī)r(jià)格因素、風(fēng)電投資因素、技術(shù)投資因素和人力投入因素。由于自建風(fēng)電場(chǎng)后無需購(gòu)電，風(fēng)電投資影響因素的本質(zhì)為電網(wǎng)側(cè)額定功率不確定性的波動(dòng)影響，因此，風(fēng)電投資問題即為風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電功率問題。在實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)電功率不確定性對(duì)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)影響較大，因而風(fēng)電功率不確定性問題研究具有緊迫性與關(guān)鍵性。

為了確定合理的風(fēng)電功率計(jì)算參數(shù)，基于不確定性參數(shù)可靠性估值理論，提出風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電的不確定性計(jì)算方法，主要涉及以下7 個(gè)影響因素：風(fēng)速變化的不確定性變異系數(shù)（δv）、風(fēng)向變化的不確定性變異系數(shù)（δd）、環(huán)境因素的不確定性變異系數(shù)（δe）、設(shè)備運(yùn)行狀況的不確定性變異系數(shù)（δf）、市場(chǎng)需求的不確定性變異系數(shù)（δg）、政策支持的不確定性變異系數(shù)（δm）和負(fù)荷需求的不確定性變異系數(shù)（δp）。因此，風(fēng)氫煤系統(tǒng)耦合工程中風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電的變異系數(shù)δb可表示為：

在《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》中的樣本統(tǒng)計(jì)過程中，需要對(duì)統(tǒng)計(jì)值的變異系數(shù)進(jìn)行修正。

式（2）中：δβ為修正后的變異系數(shù)；δY為樣本統(tǒng)計(jì)值的變異系數(shù)；ψβ為變異系數(shù)的修正值，。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和科學(xué)研究中，人們針對(duì)不同地域和不同風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電積累了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于估算風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差。這些數(shù)據(jù)大多以變異系數(shù)的形式記錄，標(biāo)準(zhǔn)差σβ與變異系數(shù)的關(guān)系如下：

風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電參數(shù)的變異系數(shù)如表1 所示。其中，δβ值在不同的試驗(yàn)情況下獲得，對(duì)應(yīng)一個(gè)較大的分布范圍1）。在確定δβ值后，用估計(jì)總體均值μ，用σβ估計(jì)總體標(biāo)準(zhǔn)差σ，促使風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電隨機(jī)變量離散化并基于此構(gòu)建概率模型。風(fēng)電功率的不確定性影響因素受環(huán)境影響與市場(chǎng)需求波動(dòng)較大［28］。在風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)模型優(yōu)化過程中，需要考慮風(fēng)電功率不確定性的影響，可以通過建立綜合成本的波動(dòng)性概率方程對(duì)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置。

表1 風(fēng)電網(wǎng)發(fā)電參數(shù)變異系數(shù)賦值

4.2 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型

承載脫碳目標(biāo)的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性以及可靠性提出了較高的要求，通過優(yōu)化校驗(yàn)揭示系統(tǒng)獨(dú)立變量、參數(shù)及運(yùn)行場(chǎng)景與評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響關(guān)系，反映子系統(tǒng)或功能單元與總系統(tǒng)之間的集成關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)于研究風(fēng)氫煤耦合能源系統(tǒng)的特性十分重要。基于此，提出風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行配置方案（見圖12）。

圖12 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化配置框架

然而，上述優(yōu)化方案在運(yùn)行優(yōu)化中缺少了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的考慮，特別是其中風(fēng)能子模塊導(dǎo)致的電能能源供應(yīng)不確定性，因此，基于上述方法對(duì)風(fēng)電子模塊進(jìn)一步優(yōu)化，提出風(fēng)電長(zhǎng)期儲(chǔ)能方法，為解決用電需求不足導(dǎo)致的棄風(fēng)限電問題提供一定借鑒。優(yōu)化方案如圖13 所示，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)可穩(wěn)定供電時(shí)，儲(chǔ)能電池存儲(chǔ)電能，消納多余電量；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)不穩(wěn)定送電或送電量過弱時(shí)，儲(chǔ)能電池放電，與風(fēng)電網(wǎng)共同提供系統(tǒng)所需電能。

圖13 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)能源供應(yīng)優(yōu)化方案

風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)能源供應(yīng)優(yōu)化配置模型中加入了儲(chǔ)能電池，其作用主要是將燃料內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，以較為典型的堿性燃料電池為例，輸出功率為pc。

式（4）中：ηc為儲(chǔ)能電池的產(chǎn)電效率；phc為儲(chǔ)氫罐向儲(chǔ)能電池提供H2的功率。

作為系統(tǒng)儲(chǔ)電單元，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率充足時(shí)，電解槽利用多余電能電解水制得H2，用儲(chǔ)氫罐進(jìn)行儲(chǔ)存；當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率不足時(shí)，燃料電池利用存儲(chǔ)的H2進(jìn)行輔助放電，以滿足負(fù)荷需求。以堿性電解槽為例，該電解槽通過將水電解為H2和O2實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，輸出功率pλ可表示為：

式（5）中：ηλ為電解槽的工作效率；pwλ為電解槽的輸入功率。

儲(chǔ)氫罐用于儲(chǔ)存電解槽中電解水產(chǎn)生的H2，同時(shí)為儲(chǔ)能電池提供燃料。儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存的H2能量為：

式（6）中：Δt為時(shí)間間隔；S（t-Δt）為t時(shí)刻的上一時(shí)刻的儲(chǔ)氫量；為儲(chǔ)氫罐充放效率。

4.3 風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置最優(yōu)解與算例分析

風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)是一種新能源與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)創(chuàng)新耦合方式，風(fēng)電場(chǎng)及煤化工的具體耦合方式和規(guī)劃方法有待考證。以新疆某裝機(jī)容量500 MW 的風(fēng)電場(chǎng)耦合年產(chǎn)量為5 萬 t 的煤制CH3OH 系統(tǒng)為例，通過遺傳算法求解風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置最優(yōu)解，驗(yàn)證優(yōu)化模型的穩(wěn)定性與實(shí)際意義。風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)中的CH3OH 生產(chǎn)工藝見圖14，區(qū)別于如圖15 所示的傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)，風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)中CH3OH 生產(chǎn)工藝所需的H2與O2來自電解槽與儲(chǔ)氫罐，無需空分機(jī)分離。CH3OH 生產(chǎn)消耗的電能源自風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)。

圖14 案例風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)中的CH3OH 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

圖15 傳統(tǒng)煤制CH3OH 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

CH3OH 生產(chǎn)消耗的電能源來自風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)，其中如表2 所示為能源價(jià)格表，表3 為傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)與耦合系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，表4 為耦合系統(tǒng)仿真參數(shù)。與傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)相比，本研究提出的優(yōu)化配置方案解決了電能無法長(zhǎng)期儲(chǔ)存問題，避免了電能浪費(fèi)的情況出現(xiàn)，降低了成本與負(fù)荷缺電率?？芍啾扔趥鹘y(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)，假設(shè)每生產(chǎn)1 t 的CH3OH，風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)耗煤量減少0.6 t，耗水量減少2 t，CO2排放量減少2.24 t，消耗電能6.25 MW·h；用熱值表示能耗，傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)的能耗為46 892.8 kJ，風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的能耗為22 500 kJ，增加電解槽與儲(chǔ)氫罐的投資及電解槽運(yùn)行成本。采用遺傳算法求解本研究所提規(guī)劃模型，每代種群個(gè)體數(shù)量為120 個(gè)，變異率為0.8，交叉率為0.2，計(jì)算精度為10-6，迭代次數(shù)為1 000 次。

表2 案例風(fēng)電場(chǎng)能源使用價(jià)格

表3 案例風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)CH3OH 的單位能耗

表4 案例風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)仿真參數(shù)

為了分析風(fēng)電場(chǎng)在不同容量可信度（即等可靠性前提下風(fēng)電機(jī)組可以替代的常規(guī)機(jī)組的容量占風(fēng)電裝機(jī)容量的比例）情景下耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，提出以下兩種方案：方案1 是在耦合系統(tǒng)內(nèi)自建風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能電池，容量可信度根據(jù)圖16 典型日等比例提升；方案2 是耦合系統(tǒng)不自建風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能電池，所需電能以表2 所示的電價(jià)購(gòu)買。

圖16 基于方案1 的案例風(fēng)電場(chǎng)耦合系統(tǒng)風(fēng)電出力與CH3OH 生產(chǎn)典型日曲線

以方案1 情境為例，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電制氫，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)供電不足時(shí)，調(diào)用儲(chǔ)氫罐氫氣用于儲(chǔ)能電池存電供應(yīng)電量；當(dāng)儲(chǔ)氫量不足時(shí)，向大電網(wǎng)采購(gòu)一定電量與儲(chǔ)能電池放電共同制氫，保證供氫可靠性。圖17 是方案1 情境下，耦合系統(tǒng)不同風(fēng)電場(chǎng)可信容量（區(qū)間［0.20,0.36］）對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果；表5 為風(fēng)電場(chǎng)可信容量度0.20 與0.36 時(shí)，耦合系統(tǒng)具體成本與收益情況。

表5 基于方案1 的案例風(fēng)電場(chǎng)不同容量可信度下耦合系統(tǒng)的成本與收益情況

圖17 基于方案1 的案例風(fēng)電場(chǎng)耦合系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量可信度增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲(chǔ)氫罐容量減小、系統(tǒng)收益增加，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量可信度從0.20 增加至0.36，耦合系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)典型日總發(fā)電量從2 400 MW·h 增加至4 317 MW·h，規(guī)劃周期購(gòu)電制氫成本節(jié)省3.09億元，并且無需通過增加電解槽額定運(yùn)行功率與儲(chǔ)氫罐容量來降低購(gòu)電成本。由圖18 和圖19 可知，隨著風(fēng)電場(chǎng)容量可信度增加，電解槽制氫過程越趨平穩(wěn)，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量可信度增加至0.36 時(shí)，耦合系統(tǒng)無需從大電網(wǎng)購(gòu)電，通過儲(chǔ)氫罐與儲(chǔ)能電池充放配合即可保持H2的穩(wěn)定供應(yīng)。

圖18 方案1 情境下案例風(fēng)電場(chǎng)容量可信度為0.20 時(shí)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

圖19 方案1 情境下案例風(fēng)電場(chǎng)容量可信度為0.36 時(shí)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

將風(fēng)電場(chǎng)容量可信度為0.36、CH3OH 售價(jià)為2 500 元/t，煤制CH3OH 系統(tǒng)壽命為20 年的條件下方案1 與方案2 的運(yùn)行收益進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明（見表6），方案1 更具經(jīng)濟(jì)性，盡管風(fēng)電場(chǎng)全壽命周期投資運(yùn)維成本較高，但在建成耦合系統(tǒng)后無需向電網(wǎng)購(gòu)買電能制氫；此外，相比于方案2，方案1 規(guī)劃周期內(nèi)減排2 240 萬t 的CO2，減排收益為20.48億元，若不計(jì)風(fēng)電制氫的減排效益，方案1 的總收益遠(yuǎn)不及方案2。因此，為推動(dòng)能源系統(tǒng)清潔轉(zhuǎn)型，在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)投資成本較高階段，應(yīng)為風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)提供節(jié)能減排激勵(lì)機(jī)制。

表6 案例風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)施行方案1 和方案2 的經(jīng)濟(jì)收益對(duì)比

此外，通過上述案例分析可知，風(fēng)氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型可大幅減少CO2排放，證明了以氫儲(chǔ)能為媒介的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤化工領(lǐng)域低碳發(fā)展、推動(dòng)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型意義重大。而且，風(fēng)電場(chǎng)容量可信度及其投資主體是影響風(fēng)煤耦合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素，因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)可信度越高則電價(jià)成本占比越低，受電價(jià)約束與環(huán)境效益激勵(lì)，CH3OH 生產(chǎn)工廠自建與其產(chǎn)量匹配的風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能電池可使風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)容量?jī)?yōu)化配置后，電網(wǎng)自建總成本由40.40 億元減少到40.36 億元，棄電率由50.26%減少到18.13%。綜上所述，風(fēng)氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的可行性得到證實(shí)，利用該優(yōu)化模型可有效解決“棄風(fēng)限電”問題，提高用電效率，實(shí)現(xiàn)電能長(zhǎng)期儲(chǔ)存目標(biāo)，減少CO2排放量，綜合來看可節(jié)約成本并增加長(zhǎng)期總收益。

5 結(jié)論

本研究引入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用Vensim 軟件開展系統(tǒng)相關(guān)變量的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律分析，對(duì)我國(guó)風(fēng)煤富集區(qū)新疆2021 年至2030 年的風(fēng)氫煤能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）以綠氫為支點(diǎn)的風(fēng)氫煤耦合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上均具備一定的可行性，可以最大程度發(fā)揮新疆地區(qū)可再生、低成本的風(fēng)電和富集煤基資源的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)新疆能源低碳轉(zhuǎn)型，重構(gòu)其煤化工行業(yè)工藝結(jié)構(gòu)，構(gòu)建低碳能源新體系。

（2）風(fēng)電功率不確定性對(duì)風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)影響較大，而優(yōu)化后的風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性主要受電價(jià)約束與環(huán)境效益激勵(lì)，在既定配置規(guī)模下可減少排放2 240 萬 t 的CO2；在考慮碳減排效益情況下，風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)中自建風(fēng)電場(chǎng)更具經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)改善了高比例隨機(jī)風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了風(fēng)電的利用效率和配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

（3）在風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)的氫能子模塊中引入儲(chǔ)能電池證實(shí)了風(fēng)氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的可行性，其中CH3OH 生產(chǎn)商自建風(fēng)電場(chǎng)成本降低400 萬元，負(fù)荷棄電率下降32.13%，有效地解決了“棄風(fēng)限電”問題，提高了用電效率，實(shí)現(xiàn)了電能長(zhǎng)期儲(chǔ)存的目標(biāo)。

（4）風(fēng)電場(chǎng)容量可信度及其投資主體是影響風(fēng)氫煤耦合系統(tǒng)可行性的主要因素，風(fēng)電場(chǎng)容量可信度越高則電價(jià)成本占比越低，同時(shí)隨著風(fēng)電場(chǎng)容量可信度的增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲(chǔ)氫罐容量減小、系統(tǒng)收益增加，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量可信度增加至0.26 時(shí)，耦合系統(tǒng)無需從大電網(wǎng)購(gòu)電，通過儲(chǔ)氫罐充放配合可保持H2的穩(wěn)定供應(yīng)，規(guī)劃周期內(nèi)的碳減排收益達(dá)20.48 億元。

注釋：

1）由于篇幅限制，δβ值的限定取樣和試驗(yàn)進(jìn)行條件不在文中詳述，備索。