高宇歌，任洲洋，姜云鵬，覃惠玲

（1.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著能源消耗加劇，環(huán)境問題日益凸顯。加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、走低碳發(fā)展之路是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。目前，電力行業(yè)的碳排放占全國碳排放總量的40 % 以上，在碳達峰和碳中和的大背景下，發(fā)展低碳電力對于低碳經(jīng)濟的實施與發(fā)展具有重要的意義。氫能具有清潔無碳、能量密度高、靈活性強等優(yōu)勢，在發(fā)、輸、用側(cè)與電力系統(tǒng)深度耦合，能有效促進新能源高效消納，提高電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行水平。因此，電氫耦合系統(tǒng)被認為是實現(xiàn)電力能源系統(tǒng)深度脫碳的關(guān)鍵范式。

目前，針對電氫耦合系統(tǒng)低碳運行的研究主要圍繞氫能的多元利用、負荷靈活性、多能耦合協(xié)同運行［1-2］等展開。為了充分挖掘氫能的減排潛力，文獻［3-4］建立了氫能的多元化利用結(jié)構(gòu)，促進了電氫異質(zhì)能源的融合，有效提升了系統(tǒng)的低碳效益。考慮到氫能作為一種柔性負荷［5］，其靈活調(diào)節(jié)能力對于提升系統(tǒng)的低碳運行能力具有重要的意義，文獻［6-7］以柔性氫需求為出發(fā)點，分析了氫負荷需求響應(yīng)策略對綜合能源系統(tǒng)低碳運行的促進作用。以氫能為介質(zhì)的多能耦合系統(tǒng)優(yōu)化運行研究對發(fā)揮能源互濟效益、促進能源消納具有重要的意義。文獻［8］構(gòu)建了考慮氫能系統(tǒng)熱回收的電-氫-熱多能耦合運行模型，通過仿真驗證了該模型可有效降低新能源棄能率；文獻［9］構(gòu)建了計及氫儲能系統(tǒng)的電-熱-氫耦合運行模型，并將系統(tǒng)全生命周期碳排放量納入目標函數(shù)，通過仿真驗證了該模型的低碳效益。

上述研究均是基于單一運行點研究氫能對系統(tǒng)低碳運行能力的促進作用，挖掘氫能的碳減排潛力。上述方法提供的信息極為有限。隨著電、氫2 種異質(zhì)能源耦合越來越密切，迫切需要一種直觀的方法深入探析二者的耦合運行特性。 “域”分析理論為電力系統(tǒng)提供了一種重要的分析工具，其能夠刻畫滿足系統(tǒng)約束條件的運行點的空間范圍，為調(diào)度人員提供完備的運行信息，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)校正、風(fēng)險評估等具有指導(dǎo)意義。

目前，關(guān)于“域”理論的研究已較廣泛，學(xué)者們針對配電網(wǎng)的安全域［10-12］、運行域［13-14］、可調(diào)度域［15］等進行了相關(guān)研究。文獻［10］提出了計及電力系統(tǒng)N-1安全約束的配電網(wǎng)安全域模型；文獻［11-12］對配電網(wǎng)安全域的特點、可視化分析、邊界求解、應(yīng)用等進行了研究；文獻［13］提出了計及不確定性因素的電網(wǎng)經(jīng)濟運行域的概念；文獻［14］提出了考慮源-荷波動的電力系統(tǒng)靈活性運行域的概念；文獻［15］計及風(fēng)光制氫合成氨系統(tǒng)的靈活調(diào)控能力及風(fēng)光發(fā)電的不確定性，構(gòu)建了風(fēng)光制氫合成氨系統(tǒng)的可調(diào)度域，以挖掘合成氨系統(tǒng)的變負載調(diào)控潛力。上述關(guān)于“域”理論的研究主要側(cè)重于系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行等，鮮有研究計及系統(tǒng)的低碳運行。 “域”理論為電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行研究提供了一種新的思路。由于碳排放量是時間累積量，在低碳運行分析中需計及時間耦合性，現(xiàn)有“域”模型無法適用。

綜上所述，為了刻畫氫能參與下電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行空間，并分析其對于電氫耦合系統(tǒng)低碳運行的作用，本文首次提出了電氫耦合系統(tǒng)定碳排運行域（committed carbon emission operational region for electricity-hydrogen coupling system ， CCEOR-EHS）的概念及建模方法。首先，考慮電氫設(shè)備的耦合特性及氫負荷的靈活性，提出CCEOR-EHS的概念與模型；接著，揭示CCEOR-EHS的幾何特征，構(gòu)建CCEOREHS 的量化評估指標；然后，基于逐點仿真法提出CCEOR-EHS 邊界的求解方法；最后，通過仿真分析驗證所提方法的有效性。

1 CCEOR-EHS的概念及模型

1.1 面向低碳安全運行的電氫耦合系統(tǒng)運行機制

電氫耦合系統(tǒng)是以電和氫為主要能源載體，能夠?qū)崿F(xiàn)2 種異質(zhì)能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理，可滿足電、氫、熱、冷等多元用能需求的低碳化能源系統(tǒng)。電氫耦合系統(tǒng)由能量供給單元、能量耦合與儲能單元、能量傳輸網(wǎng)絡(luò)、負荷構(gòu)成，其基本運行模式如圖1所示。

電能和氫能通過能量耦合設(shè)備、儲能等促進能量雙向轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮了能源互補效益，促進了系統(tǒng)低碳安全運行。其中，風(fēng)電、水電、光伏等新能源與電解槽耦合，利用過剩的新能源發(fā)電量制氫并進行儲存，通過促進新能源的大規(guī)模消納提高了系統(tǒng)的低碳化運行水平。儲存的氫能通過燃料電池發(fā)電來滿足電、熱等需求，促進了能量跨時空利用，保障了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行?？梢姡姎漶詈舷到y(tǒng)能促進新能源消納，對系統(tǒng)的低碳安全運行具有重要的意義。

1.2 CCEOR-EHS概念及模型

電氫耦合系統(tǒng)包括電能子系統(tǒng)、氫能子系統(tǒng)，本節(jié)通過構(gòu)建電氫耦合運行模型對CCEOR-EHS 的概念及模型進行詳細闡述。

1.2.1 CCEOR-EHS的概念及定義

CCEOR-EHS的定義為：考慮氫能注入系統(tǒng)的運行特性下，滿足電氫耦合系統(tǒng)運行、安全、碳排放約束條件的運行點集合。CCEOR-EHS可表示為：

式中：ΩCCEOR-EHS為CCEOR-EHS 空間；y為系統(tǒng)的運行點（系統(tǒng)狀態(tài)變量列向量）；h(y) = 0 為CCEOR-EHS滿足的等式約束，包括潮流約束、功率平衡約束、電氫耦合功率約束、儲能容量約束等；s(y)≤0為CCEOREHS 滿足的不等式約束，包括火電機組、新能源機組、氫能設(shè)備滿足的安全運行約束、碳排放約束等。

1.2.2 CCEOR-EHS模型

CCEOR-EHS 描述了低碳安全運行約束下電氫耦合系統(tǒng)的最大可行空間，其中包含了電能子系統(tǒng)模型、氫能子系統(tǒng)模型、電氫耦合運行模型、氫能設(shè)備及負荷靈活性模型。

1）電能子系統(tǒng)模型。

電能子系統(tǒng)的運行約束包括常規(guī)火電機組出力約束、常規(guī)火電機組爬坡約束、新能源（風(fēng)電）機組出力約束、新能源（風(fēng)電）機組爬坡約束、系統(tǒng)碳排放約束、潮流約束，具體表達式見附錄A式（A1）—（A6）。

2）氫能子系統(tǒng)模型。

氫能子系統(tǒng)模型包括制、儲、用氫環(huán)節(jié)的運行模型，對輸氫環(huán)節(jié)進行了簡化處理。本文在忽略輸氫環(huán)節(jié)動態(tài)過程的基礎(chǔ)上，將新能源場站內(nèi)的氫能供給燃料電池及外部交通、工業(yè)氫負荷。

氫能子系統(tǒng)模型包括電解槽、儲氫罐、燃料電池的設(shè)備運行約束及氫能功率平衡約束，具體表達式見附錄A式（A7）—（A13）。

3）電氫耦合運行模型。

電能子系統(tǒng)利用新能源場站過剩的電量制氫來滿足氫能子系統(tǒng)的用能需求，氫能子系統(tǒng)通過氫燃料電池為電能子系統(tǒng)提供電能，因此電氫耦合運行關(guān)系如下。

a）電氫耦合系統(tǒng)的功率平衡約束。

式中：P為t時刻火電機組n的出力；Nt為火電機組數(shù)量為t時刻風(fēng)電機組的出力；為t時刻燃料電池的放電功率；為t時刻節(jié)點d的電負荷；D為負荷節(jié)點總數(shù)；為t時刻電解槽的制氫功率。

b）電制氫功率約束。

由于利用新能源場站的過剩電量制氫，所以電制氫功率存在如下約束：

4）氫負荷需求響應(yīng)模型。

工業(yè)、交通等領(lǐng)域的氫負荷具有一定的可轉(zhuǎn)移特性，可通過采取相應(yīng)的補償或激勵措施，在不影響生產(chǎn)的前提下轉(zhuǎn)移部分氫負荷。氫負荷需求響應(yīng)模型［16］可表示為：

2 CCEOR-EHS的特點及應(yīng)用

2.1 CCEOR-EHS的幾何特征

為了便于計算，本文采用文獻［17］中的方法對潮流方程進行線性化，如式（6）所示。

式中：Pi，t、Qi，t分別為t時刻節(jié)點i的有功、無功注入功率；Ui，t為t時刻節(jié)點i的電壓幅值；N′為系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量；θij，t為t時刻支路ij的電壓相角差；gij、bij分別為支路ij的電導(dǎo)、電納；gii、bii分別為節(jié)點i的電導(dǎo)、電納；U?i，t、U?j，t分別為t時刻節(jié)點i、j電壓幅值的平方。CCEOR-EHS模型的緊湊形式如式（7）所示。

式中：A、M為系數(shù)矩陣；b、d為常數(shù)列向量。

下面基于式（7）對CCEOR-EHS的幾何特征進行描述和證明。

1）有界性。

由于CCEOR-EHS 的狀態(tài)變量組成的列向量y=[y1，y2，…，yz]T（yi（i=1，2，…，z）為第i個狀態(tài)變量，z為狀態(tài)變量總數(shù)）中的元素均存在上下限或是0-1變量，因此所有變量的取值都是有限的，那么CCEOR-EHS 的解集空間也是有界的。具體證明見附錄B中的證明1。

2）凸性。

CCEOR-EHS 是由線性等式約束和線性不等式約束構(gòu)成的可行域，該可行域是由滿足這些等式約束和不等式約束的點構(gòu)成的集合，該集合為一個凸集，詳細證明見附錄B中的證明2。

2.2 CCEOR-EHS的評估指標

CCEOR-EHS 為運行點的低碳效益和電氫耦合系統(tǒng)的低碳安全運行空間的評估提供了有效的分析環(huán)境。為了實現(xiàn)對CCEOR-EHS重要特征的量化，從而進一步定量分析系統(tǒng)的低碳化運行水平，本文提出低碳安全運行裕度、最大供能能力（total supply capacity，TSC）、CCEOR-EHS體積這3個指標。

1）低碳安全運行裕度。

當系統(tǒng)運行點在CCEOR-EHS內(nèi)部時，表明系統(tǒng)具有一定的低碳安全運行可行性，且距離CCEOREHS 邊界越遠，在面對系統(tǒng)擾動時，發(fā)生碳排放、安全越限的可能性越?。划斚到y(tǒng)運行點在CCEOR-EHS外部時，表明系統(tǒng)無法滿足低碳安全運行需求。因此，運行點在運行空間的位置可表征運行點的低碳安全運行狀態(tài)。為了量化系統(tǒng)的低碳安全運行狀態(tài)，本文定義運行點到CCEOR-EHS邊界的最短距離為低碳安全運行裕度LC，如式（8）所示。

式中：s為觀測變量數(shù)量；為CCEOREHS 邊界上的觀測變量值；y1、y2、…、ys為運行點的觀測變量值。

2）TSC。

電氫耦合系統(tǒng)的TSC 是衡量系統(tǒng)在滿足低碳安全運行約束條件下的供能能力的上限，可表示為：

式中：PTSC為系統(tǒng)的TSC；P為CCEOR-EHS 內(nèi)運行點對應(yīng)的負荷。

電氫耦合系統(tǒng)的TSC 反映了電氫耦合系統(tǒng)在碳排放限額下所能供給負荷的極限水平。在給定碳排放限額條件下，系統(tǒng)的TSC越大，意味著理論上單位負荷產(chǎn)生的碳排放越小，越有利于系統(tǒng)的低碳運行。

3）CCEOR-EHS體積。

CCEOR-EHS 體積VCCEOR-EHS反映了系統(tǒng)低碳運行空間的大小，體積越大，運行點越不易發(fā)生越限，表明系統(tǒng)的低碳運行水平越高。因此，VCCEOR-EHS可有效評估系統(tǒng)的低碳運行水平，其表達式為：

上述指標從系統(tǒng)低碳安全運行裕度、供能能力、低碳評估等角度分析了CCEOR-EHS低碳運行特征，為量化評估系統(tǒng)的低碳運行能力提供了理論支撐。

2.3 CCEOR-EHS的作用

CCEOR-EHS的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）CCEOR-EHS 可直觀反映系統(tǒng)的低碳安全運行空間，通過判斷運行點與CCEOR-EHS的位置關(guān)系能夠快速判定系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)。因此，CCEOREHS 能夠為系統(tǒng)運行狀態(tài)的調(diào)整等提供理論依據(jù)。當運行點在CCEOR-EHS內(nèi)部時，表明系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)滿足碳排放和安全運行約束；當運行點在CCEOR-EHS 邊界上時，表示系統(tǒng)處于臨界低碳安全運行狀態(tài)，系統(tǒng)缺乏抗干擾能力，在受到微小擾動后，極易發(fā)生碳排放或安全越限；當運行點在CCEOR-EHS外部時，表明系統(tǒng)已處于“危險”運行狀態(tài)，需盡快調(diào)整系統(tǒng)運行方式，使運行點重新位于CCEOR-EHS內(nèi)部。

2）通過CCEOR-EHS 評估指標體系能夠?qū)ο到y(tǒng)的當前運行狀態(tài)以及低碳效益進行評估。運行點與CCEOR-EHS 邊界之間的距離可以衡量系統(tǒng)的低碳運行裕度，低碳裕度水平越高，表明系統(tǒng)發(fā)生碳排放越限和安全越限的概率越??；同時，CCEOR-EHS 的形狀、空間體積等幾何特征能夠反映整個系統(tǒng)的低碳水平及抗風(fēng)險能力。CCEOR-EHS 的形狀越“飽滿”、體積越大，表明系統(tǒng)整體的低碳化水平越高。

3）CCEOR-EHS 能反映電、氫2 種異質(zhì)能量的耦合運行關(guān)系，CCEOR-EHS的可視化分析能直觀地展現(xiàn)電能子系統(tǒng)和氫能子系統(tǒng)的耦合變量的運行范圍；利用CCEOR-EHS能衡量氫能參與大電網(wǎng)運行帶來的低碳效益，例如通過分析CCEOR-EHS低碳運行指標能確定氫能子系統(tǒng)運行條件改變對電氫耦合系統(tǒng)低碳運行水平的影響。

3 基于逐點仿真法的CCEOR-EHS 邊界求解方法

CCEOR-EHS的邊界求解是構(gòu)建CCEOR-EHS的關(guān)鍵，通過獲取足夠數(shù)量的邊界點集，可以獲取CCEOR-EHS 的邊界，由此實現(xiàn)對CCEOR-EHS 內(nèi)部運行區(qū)域的刻畫。本章針對CCEOR-EHS 的可視化展開研究，通過關(guān)鍵變量選取、邊界點求解、逐點仿真法擬合邊界等構(gòu)建三維CCEOR-EHS。

3.1 觀測變量的選取原則

由CCEOR-EHS 模型可知，CCEOR-EHS 涉及的變量眾多，具有高維特征，在實際應(yīng)用中難以體現(xiàn)其價值，因此本文借鑒文獻［11］中的方法選取關(guān)鍵變量來構(gòu)建CCEOR-EHS 邊界，對CCEOR-EHS 進行降維觀測。在實際系統(tǒng)運行過程中，電網(wǎng)調(diào)度中心根據(jù)負荷變化調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的供需平衡，且系統(tǒng)狀態(tài)變化會導(dǎo)致系統(tǒng)碳排放量改變，因此負荷變化是導(dǎo)致系統(tǒng)運行狀態(tài)改變以及碳排放量變化的關(guān)鍵因素，故本文通過負荷可行域空間刻畫電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行空間。

為了精準刻畫電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行空間，本文以日為時間尺度刻畫系統(tǒng)的負荷可行域。由于儲氫罐等設(shè)備的運行狀態(tài)具有跨時段特征，其充放能策略需要考慮前、后時段的氫能供需情況，且碳排放是時間累積量，因此須計及其時序耦合特征。基于此，以日負荷總量為觀測變量，來刻畫電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行空間，從而更準確地評估系統(tǒng)的低碳運行能力。

為了進一步簡化CCEOR-EHS的觀測變量，可選擇對系統(tǒng)整體碳排放量影響較大的節(jié)點對CCEOREHS 進行降維觀測?；陔娏ο到y(tǒng)的碳排放流理論［18］可知，節(jié)點碳勢可表征節(jié)點單位負荷產(chǎn)生的碳排放量，其值越大，表明該節(jié)點負荷消耗單位電力產(chǎn)生的碳排放量越大。因此，可選取節(jié)點碳勢較高的負荷作為CCEOR-EHS的觀測變量，實現(xiàn)進一步的降維。

3.2 CCEOR-EHS的邊界點求解模型

CCEOR-EHS邊界的構(gòu)建是刻畫域空間的關(guān)鍵，由于本文所構(gòu)建的CCEOR-EHS有界且為凸集，故可采用逐點仿真法求解CCEOR-EHS 邊界。三維CCEOR-EHS邊界點的求解原理如圖2所示。

CCEOR-EHS的邊界是極限運行點的集合，因此邊界求解問題的本質(zhì)是給定約束條件下的優(yōu)化問題。隨著負荷的不斷增加，運行點會逐步逼近電氫耦合系統(tǒng)的供能極限。設(shè)觀測變量分別為Pi、Pj、Pk，遍歷i-j平面內(nèi)的所有運行點，求取給定約束條件下Pk的最大值，所得所有極大值點為CCEOREHS 邊界點。另外，負荷的最小值均為0，故求取CCEOR-EHS 的上邊界即可。CCEOR-EHS 邊界點的求解模型可表示為：

式中：Pi，0、Pj，0分別為Pi、Pj的給定值。

3.3 CCEOR-EHS邊界的求解步驟

基于逐點仿真法的CCEOR-EHS 邊界擬合計算流程圖如附錄C圖C1所示，具體求解步驟如下。

1）設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)，選取CCEOR-EHS 的觀測變量Pi、Pj、Pk，其安全運行區(qū)間分別為［ia，ib］、［ja，jb］、［ka，kb］。

2）令Pj=ja，設(shè)置Pj的增長步長為Δαj，j= 0。

3）令Pi=ia，設(shè)置Pi的增長步長為Δαi，i= 0。

4）根據(jù)式（11）求解Pk的最大值Pkmax，判斷最優(yōu)解是否存在，若存在，則記錄運行點［Pi，Pj，Pkmax］；若不存在，則執(zhí)行步驟5）。

5）令i=i+1，Pi=Pi+iΔαi，判斷Pi

6）判斷Pj

7）通過最小二乘法對所存儲的三維運行點進行擬合得到曲面Ωk，其就是i-j平面對應(yīng)的上邊界。

8）分別將優(yōu)化坐標改為Pi、Pj，重復(fù)步驟2）—7），獲得曲面Ωi和Ωj，曲面與變量的安全運行邊界的交集所組成的三維曲面即為CCEOR-EHS邊界。

4 算例分析

以IEEE 14 節(jié)點系統(tǒng)為算例驗證本文所提方法的有效性和適用性。仿真平臺為MATLAB，并采用YALMIP 與商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX 對CCEOR-EHS 邊界進行求解。

4.1 測試系統(tǒng)簡介與場景設(shè)置

仿真系統(tǒng)的接線圖如附錄C 圖C2 所示。分別在IEEE 14 節(jié)點系統(tǒng)的節(jié)點2、3、6 處連接1 座裝機容量為100 MW 的風(fēng)電場，并在各風(fēng)電場配置電解槽、儲氫罐和氫燃料電池。其中，電解槽的容量為80 MW，儲氫罐的容量為17 t，氫燃料電池的容量為80 MW。假設(shè)3 座風(fēng)電場內(nèi)的設(shè)備及容量配置均相同，如附錄C 表C1 所示。3 種場景的日內(nèi)風(fēng)電出力預(yù)測曲線如附錄C 圖C3所示，2種類型氫負荷（氫負荷1和氫負荷2）曲線如附錄C圖C4所示。

4.2 CCEOR-EHS的可視化分析

4.2.1 以節(jié)點負荷為觀測變量

為了驗證本文所提CCEOR-EHS的有效性，設(shè)置高碳排放限額情形（Case 1，碳排放限額為18 000 t）、低碳排放限額情形（Case 2，碳排放限額為6 000 t），分析電氫耦合系統(tǒng)在不同碳排放限額下的運行空間特征。選擇對系統(tǒng)碳排放影響較大的節(jié)點5、8 的日負荷總量及日氫負荷總量為觀測變量，以風(fēng)電出力場景1和氫負荷1為例，基于逐點仿真法求解CCEOREHS 邊界，結(jié)果如附錄C 圖C5 所示。由圖可知，本文所提CCEOR-EHS 刻畫了涵蓋所有可行點的系統(tǒng)低碳安全運行空間。因此，根據(jù)CCEOR-EHS能夠快速確定系統(tǒng)所處的運行狀態(tài)。此外，CCEOR-EHS還能提供系統(tǒng)的運行邊界、運行裕度、變量耦合關(guān)系等信息，為系統(tǒng)的低碳可行性分析及運行點的調(diào)整提供理論指導(dǎo)。因此，相較于傳統(tǒng)的基于最優(yōu)運行點的低碳運行分析方法，CCEOR-EHS可作為一種低碳分析工具對系統(tǒng)的運行提供關(guān)鍵信息和指導(dǎo)依據(jù)。

進一步地，由圖C5（a）可知，在Case 1 中，當節(jié)點8 的負荷較?。?～1 000 MW·h）時，隨著氫負荷的增加，節(jié)點5 的最大負荷變化較小，體現(xiàn)為CCEOREHS 的頂部變化趨勢較為平緩。此時，限制最大負荷的約束主要是線路容量等安全運行約束。因此，當碳排放限額較高時，負荷較小時對應(yīng)的CCEOREHS 邊界主要受系統(tǒng)安全運行制約。由圖C5（b）可知，在Case 2 中，隨著氫負荷增加，節(jié)點5、8 的最大負荷均減小，體現(xiàn)為CCEOR-EHS的頂部變化趨勢較大。此時，限制最大負荷的約束主要是系統(tǒng)的碳排放約束。因此，在碳排放限額較低時，CCEOR-EHS邊界主要受系統(tǒng)碳排放約束影響。

4.2.2 以區(qū)域負荷為觀測變量

為了說明本文模型對于量化分區(qū)下各區(qū)域負荷低碳運行空間的可行性，本節(jié)對IEEE 14 節(jié)點系統(tǒng)進行負荷分區(qū)［19］并刻畫分區(qū)下各區(qū)域的負荷可行域空間，分區(qū)方法如附錄C 圖C6 所示，分區(qū)內(nèi)的節(jié)點如附錄C表C2所示。

以區(qū)域1、區(qū)域2的日負荷總量和日氫負荷總量為觀測變量，分別設(shè)置碳排放限額為18 000、6 000 t，得到的CCEOR-EHS 如附錄C 圖C7 所示。圖C7 以區(qū)域總負荷為觀測變量，刻畫分區(qū)下電氫耦合系統(tǒng)的低碳安全運行空間。由圖可知，根據(jù)CCEOR-EHS能夠確定各系統(tǒng)之間的耦合運行關(guān)系，為區(qū)域間能量傳輸以及信息交互提供理論基礎(chǔ)。

4.3 CCEOR-EHS的評估指標分析

本文設(shè)置不同的運行情形Case 3 — 8，分別刻畫各情形對應(yīng)的CCEOR-EHS，并結(jié)合2.2 節(jié)中所提低碳運行水平評估指標，對不同運行情形下運行點對應(yīng)的低碳安全運行能力進行分析。設(shè)置碳排放限額為12 000 t，運行點的氫負荷為8 t，節(jié)點5、8 的電負荷分別為2 000、3 000 MW·h。Case 3 — 8 的設(shè)置及各情形運行點的低碳安全運行裕度如表1所示。

表1 Case 3 — 8的設(shè)置及各情形運行點的低碳安全運行裕度Table 1 Setting of Case 3-8 and low-carbon and safe operation margins of operation point under each situation

由表1可知，Case 3 — 8的低碳安全運行裕度LC都大于0，表明運行點均在CCEOR-EHS 內(nèi)部，然而LC數(shù)值的不同體現(xiàn)了各情形的低碳安全運行裕度水平不同。具體而言，由Case 4、5 代表的風(fēng)電出力場景1的低碳安全運行裕度水平高于Case 7、8 代表的風(fēng)電出力場景3，Case 7、8 的低碳安全運行裕度僅為Case 4 的74.3 %，即Case 4 中運行點的抗風(fēng)險能力較強，不容易發(fā)生碳排放及安全越限，而Case 7、8中的運行點在負荷增加時較易越限。這是因為相較于風(fēng)電出力場景3，風(fēng)電出力場景1 的波動較大，會影響電解槽制氫的連續(xù)性，造成部分時段棄風(fēng)，不能充分利用氫能，所以Case 7、8 中運行點的低碳安全運行裕度較低。因此，根據(jù)低碳安全運行裕度指標能夠評估運行點的低碳安全運行水平。

根據(jù)2.2 節(jié)中所提量化評估指標對Case 3 — 8的CCEOR-EHS低碳安全運行水平進行評估，對不同情形下的TSC、CCEOR-EHS 體積進行比較，并分析其影響因素，結(jié)果如表2 所示。表中：PTSC-H、PTSC-E分別為系統(tǒng)的最大供氫能力、最大供電能力。由表2中的TSC 可知：新能源出力及氫負荷需求曲線的波動性會影響系統(tǒng)日內(nèi)制氫-儲氫-供氫的循環(huán)，Case 4由于氫能供需不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)的最大供氫能力較低，在相同的碳排放約束下，Case 4的氫負荷承載能力較差；Case 3 — 8 的最大供電能力在數(shù)值上相近，其主要受新能源出力總量、碳排放限制。

由表2中的VCCEOR-EHS可知，新能源出力及氫負荷曲線波動會影響CCEOR-EHS 體積指標。Case 5 的VCCEOR-EHS最大，為Case 4 的VCCEOR-EHS的2.75 倍，這是因為：在Case 5中，風(fēng)電出力場景2在00:00 — 10:00時段內(nèi)有過剩風(fēng)電，可利用過剩風(fēng)電大量制氫、儲氫，從而滿足05:00 — 10:00 時段氫負荷2 的用氫需求，且過量存儲的氫氣也能供給15:00 — 20:00 時段的用氫需求，能較好地滿足氫能的供需平衡，從而系統(tǒng)的低碳運行空間較大；在Case 4 中，風(fēng)電出力場景1 在00:00 — 15:00 的出力較低，導(dǎo)致電解槽的制氫效率較低，無法通過制氫、儲氫來滿足05:00 —15:00 時段的用氫需求，從而導(dǎo)致氫能供需失衡，系統(tǒng)的低碳運行空間較小。因此，通過對CCEOR-EHS體積的分析能夠評估系統(tǒng)在不同源-荷場景下的低碳安全運行水平。

4.4 氫能的低碳效益分析

通過可視化CCEOR-EHS并構(gòu)建低碳運行指標，能夠刻畫電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行空間。為了衡量氫能參與大電網(wǎng)運行帶來的低碳效益，本節(jié)分析氫能設(shè)備參數(shù)及氫負荷的靈活性對CCEOR-EHS 的影響，從“域”的角度量化系統(tǒng)的低碳安全運行水平，充分挖掘氫能的碳減排潛力。

4.4.1 電氫耦合關(guān)系量化分析

CCEOR-EHS能刻畫碳排放、安全約束下的負荷空間，同時能定量反映電、氫負荷的運行關(guān)系。以Case 7為例，給定電負荷上限，得到氫負荷的運行區(qū)間見附錄C 表C3。由表可知：當節(jié)點5、8 的負荷均為1 000 MW·h時，氫負荷的運行區(qū)間為0～12 t；當節(jié)點5或節(jié)點8的負荷增加時，氫負荷的運行區(qū)間會減小，這是因為隨著電負荷、新能源消納水平的增加，新能源棄電量減小，電解槽的制氫功率降低，限制了系統(tǒng)可以滿足的氫負荷上限。因此，通過對CCEOREHS 的仿真分析能量化電、氫這2 種異質(zhì)能量的耦合運行關(guān)系。

4.4.2 氫負荷需求響應(yīng)對CCEOR-EHS的影響

為了驗證本文所提氫負荷需求響應(yīng)模型的有效性，本節(jié)在Case 3 的基礎(chǔ)上設(shè)置以下情形進行對比分析：Case 9，風(fēng)電出力為場景1，氫負荷類型為氫負荷1，不考慮氫負荷需求響應(yīng)。Case 3、9 的CCEOREHS 如圖3 所示，其對應(yīng)的風(fēng)電消納空間（即不同氫負荷對應(yīng)的風(fēng)電消納能力）如圖4所示。

圖3 Case 3、9的CCEOR-EHSFig.3 CCEOR-EHS of Case 3 and Case 9

圖4 Case 3、9的風(fēng)電消納空間Fig.4 Wind power consumption space of Case 3 and Case 9

由圖3 可知，Case 3 條件下CCEOR-EHS 的空間大于Case 9 條件下CCEOR-EHS 的空間，即在考慮氫負荷需求響應(yīng)的條件下CCEOR-EHS 的空間更大。由圖4 可知，考慮氫負荷需求響應(yīng)時系統(tǒng)的風(fēng)電消納空間更大，從而擴大了CCEOR-EHS 的邊界。在Case 9中，00:00 — 15:00時段的風(fēng)電出力較小，無法滿足05:00 — 10:00 時段的用氫需求；在Case 3中，部分氫負荷可在1 d 內(nèi)的不同時段發(fā)生轉(zhuǎn)移，在00:00 — 15:00 風(fēng)電出力較小，無法直接滿足用氫需求時，可通過激勵機制促使部分氫負荷轉(zhuǎn)移到風(fēng)電充裕的時段，使得風(fēng)電出力較小時段的風(fēng)電全部消納，且減少了風(fēng)電充裕時段的棄風(fēng)量。因此，可轉(zhuǎn)移氫負荷需求響應(yīng)可有效擴大CCEOR-EHS 的運行空間。

4.4.3 氫能設(shè)備參數(shù)對CCEOR-EHS的影響

在Case 1 的運行條件下，分別設(shè)定系統(tǒng)的碳排放限額為6 000、12 000、18 000 t，CCEOR-EHS體積隨電解槽、燃料電池容量的變化情況分別如附錄C 圖C8 和圖C9 所示。由圖可知：在一定的容量范圍內(nèi)，CCEOR-EHS體積會隨著電解槽、燃料電池容量的增大而顯著增大；隨著容量的進一步增大，CCEOREHS 體積幾乎不變。此外，在碳排放限額較低的情況下，低碳運行空間達到飽和需要更大容量的電解槽。因此，在碳排放限額較低時，系統(tǒng)的低碳安全運行水平對氫能的依賴程度更高。

因此，CCEOR-EHS對系統(tǒng)的設(shè)備容量配置及投產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，且能夠考慮碳減排政策及氫負荷變化的影響。通過對上述不同碳排放限額與電解槽容量對CCEOR-EHS體積指標的影響進行分析，結(jié)果表明CCEOR-EHS 不僅能量化滿足氫能清潔生產(chǎn)的需求空間，還能避免設(shè)備的冗余，有助于對系統(tǒng)的低碳、經(jīng)濟運行能力進行充分挖掘。

5 結(jié)論

為了衡量氫能參與大電網(wǎng)運行帶來的低碳效益，本文提出了CCEOR-EHS 的概念。通過IEEE 14節(jié)點系統(tǒng)仿真刻畫CCEOR-EHS，基于所提CCEOREHS 與評估指標，分析了電氫耦合系統(tǒng)運行空間的幾何特征與影響因素。所得結(jié)論如下：

1）基于關(guān)鍵負荷節(jié)點下的三維CCEOR-EHS，及其對應(yīng)的低碳安全運行裕度、CCEOR-EHS 體積、TSC 等評估指標，能夠有效量化電氫耦合系統(tǒng)的低碳運行可行性水平；

2）通過分析CCEOR-EHS在不同碳排放限額、風(fēng)電出力場景、氫負荷類型下的空間變化特性，能夠量化評估其對系統(tǒng)低碳安全運行水平的影響；

3）通過分析氫能可行區(qū)間在不同電負荷下的變化特性，表明CCEOR-EHS 能反映電-氫異質(zhì)能源間的耦合關(guān)系，為系統(tǒng)低碳運行提供完整的邊界信息；

4）氫負荷需求響應(yīng)等調(diào)節(jié)手段能夠有效擴大CCEOR-EHS的范圍，從運行空間的角度驗證并量化了氫負荷的可轉(zhuǎn)移特性對促進新能源消納的作用。

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