程 歡 任洲洋 孫志媛 夏威夷

電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)調(diào)度

程 歡1任洲洋1孫志媛2夏威夷1

（1. 輸變電裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 南寧 530023）

針對(duì)我國(guó)電氫供需時(shí)空分布不均導(dǎo)致新能源利用率低、系統(tǒng)運(yùn)行成本過(guò)高等問(wèn)題，提出一種電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)調(diào)度方法。首先，根據(jù)送、受端區(qū)域的能源供需特征、電/氫子系統(tǒng)運(yùn)行特性及甲醇?xì)漭d體屬性，設(shè)計(jì)電-氫耦合系統(tǒng)跨區(qū)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制和調(diào)度框架，提出電能-甲醇聯(lián)合輸運(yùn)下的送、受端供需平衡模型，充分利用甲醇的靈活儲(chǔ)運(yùn)能力促進(jìn)新能源跨時(shí)空消納；然后，構(gòu)建電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型，考慮長(zhǎng)時(shí)間尺度下的電、氫能量平衡，以天為調(diào)度尺度建立上層模型，確定甲醇輸運(yùn)和機(jī)組起停方案；考慮短時(shí)間尺度下的電力平衡、氫供需平衡約束，以小時(shí)為調(diào)度尺度建立下層模型，確定送、受端系統(tǒng)各小時(shí)的運(yùn)行計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)異質(zhì)能源的跨時(shí)空協(xié)同互補(bǔ)，保障送、受端區(qū)域多時(shí)間尺度能量供需平衡；最后，基于改進(jìn)的HRP 38系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)能夠顯著提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，促進(jìn)新能源規(guī)?；{。

電-氫耦合系統(tǒng) 甲醇 調(diào)度計(jì)劃 供需平衡 新能源

0 引言

“雙碳”目標(biāo)下，電-氫耦合系統(tǒng)被認(rèn)為是促進(jìn)新能源消納、實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵路徑[1-2]。然而，我國(guó)新能源發(fā)電/制氫資源主要分布在西、北部地區(qū)[3]，氫氣和電能需求主要分布在中東部地區(qū)。受氣象條件影響，新能源和負(fù)荷又呈現(xiàn)一定的季節(jié)性特征[4]。隨著京津冀、華東、華南及華中氫能產(chǎn)業(yè)群的發(fā)展[5]，電、氫供需的時(shí)空逆向分布特征將進(jìn)一步凸顯，嚴(yán)重制約了新能源的規(guī)模化消納以及電-氫能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

研究跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)的多時(shí)空協(xié)同調(diào)度方法，有助于實(shí)現(xiàn)電、氫能源的跨時(shí)空轉(zhuǎn)移，對(duì)促進(jìn)新能源跨區(qū)消納、推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義?，F(xiàn)有研究分別針對(duì)輸電聯(lián)絡(luò)線[6-8]、氫能輸運(yùn)[9-11]等能源交互渠道，研究電-氫耦合系統(tǒng)的跨區(qū)調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出電氫綜合能源電力網(wǎng)的構(gòu)想，主張利用輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國(guó)西部新能源大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸送，并集合電解水制氫技術(shù)進(jìn)行就地制氫，以電氫系統(tǒng)跨區(qū)協(xié)同促進(jìn)西部大規(guī)模新能源發(fā)展；文獻(xiàn)[7]建立了棄風(fēng)-制氫聯(lián)合體經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，通過(guò)輸配電網(wǎng)絡(luò)將富余電能跨區(qū)輸送至加氫站，在促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí)降低制氫成本；文獻(xiàn)[9]以運(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立了離網(wǎng)風(fēng)-氫耦合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)長(zhǎng)管拖車實(shí)現(xiàn)氫的跨區(qū)運(yùn)輸，以降低系統(tǒng)用氫成本和棄風(fēng)量；文獻(xiàn)[10-11]依托天然氣管道運(yùn)輸技術(shù)，提出考慮混氫天然氣運(yùn)輸?shù)碾姎湎到y(tǒng)跨區(qū)優(yōu)化調(diào)度方案，以解決新能源與用能需求空間分布不均的問(wèn)題。

上述研究?jī)H考慮電能輸送或氫能輸送的單一能源傳輸渠道，能源的時(shí)空轉(zhuǎn)移能力極為有限，無(wú)法滿足高比例新能源的跨時(shí)空消納需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[12-13]在電氫耦合系統(tǒng)跨區(qū)調(diào)度模型中同時(shí)考慮輸電聯(lián)絡(luò)線和長(zhǎng)管拖車兩種能源輸送渠道，以優(yōu)化區(qū)域間的能源傳輸計(jì)劃，將富余的新能源進(jìn)行跨時(shí)空轉(zhuǎn)移；文獻(xiàn)[14]通過(guò)優(yōu)化輸電聯(lián)絡(luò)線、長(zhǎng)管拖車和混氫天然氣管道的調(diào)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域電、氫能源協(xié)同互濟(jì)，提高系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

上述研究利用輸電聯(lián)絡(luò)線和氫能輸運(yùn)可有效提高系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)移能力，但受技術(shù)經(jīng)濟(jì)雙重因素限制，長(zhǎng)管拖車的運(yùn)輸距離通常小于200 km[15]。而受安全因素影響，混氫天然氣技術(shù)在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用?？梢?jiàn)，為應(yīng)對(duì)電、氫能源供需的逆向分布問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)新能源跨區(qū)規(guī)?；{，還需另辟蹊徑。

甲醇是重要的化工原料，常溫下相對(duì)穩(wěn)定，擁有成熟、經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)運(yùn)體系，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模遠(yuǎn)距離經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)運(yùn)[16]。甲醇可與氫實(shí)現(xiàn)高效的雙向轉(zhuǎn)換，且與氫相比，甲醇具有更高的體積比能量密度，被認(rèn)為是極具前景的氫載體和能量載體[17-18]。2020年10月，kt級(jí)“液態(tài)陽(yáng)光”示范項(xiàng)目在甘肅蘭州成功運(yùn)行，該項(xiàng)目將光伏等新能源發(fā)電功率用于電解水制氫，并將氫與二氧化碳合成為甲醇[19]。這標(biāo)志著將甲醇作為氫載體和能源載體已得到工業(yè)界認(rèn)可。

為此，本文提出了以甲醇作為氫載體參與跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)調(diào)度的設(shè)想。甲醇輸運(yùn)與輸電聯(lián)絡(luò)線共同構(gòu)成區(qū)域間的雙能源輸送渠道，電氫系統(tǒng)的跨區(qū)、跨時(shí)間尺度耦合將進(jìn)一步加強(qiáng)，異質(zhì)能量供需平衡機(jī)理隨之發(fā)生根本性變革。因此，如何合理制定送、受端區(qū)域的運(yùn)行計(jì)劃，保障多時(shí)間尺度下的異質(zhì)能量供需平衡成為該設(shè)想下亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)調(diào)度方法。根據(jù)送、受端區(qū)域的能源供需特點(diǎn)、電/氫子系統(tǒng)運(yùn)行特性以及甲醇的輸運(yùn)特性，設(shè)計(jì)電-氫耦合系統(tǒng)跨區(qū)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制和調(diào)度框架；提出電能-甲醇聯(lián)合輸運(yùn)下的送、受端供需平衡模型；建立電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型；通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 基于電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同互濟(jì)的電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及調(diào)度框架

針對(duì)我國(guó)電、氫能源供需逆向分布特征，構(gòu)建基于電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同互濟(jì)的電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制與框架，充分利用甲醇可與氫靈活轉(zhuǎn)換、易大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)，拓寬區(qū)域間的能量傳輸渠道。由區(qū)域輸電聯(lián)絡(luò)線與甲醇運(yùn)輸共同實(shí)現(xiàn)電、氫能量的跨區(qū)交互，促進(jìn)多能源供給的互補(bǔ)互濟(jì)，助力新能源跨時(shí)空規(guī)?；{。

1.1 基于電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同互濟(jì)的電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

本節(jié)以一個(gè)送端區(qū)域和一個(gè)受端區(qū)域?yàn)槔U述電-氫耦合系統(tǒng)的跨區(qū)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制，如圖1所示。圖1中，送端為新能源富集區(qū)域，受端為電、氫負(fù)荷密集區(qū)域。

圖1 考慮電能-甲醇協(xié)同互濟(jì)的電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制示意圖

送端區(qū)域富裕的新能源可通過(guò)輸電聯(lián)絡(luò)線送至受端區(qū)域，滿足送、受端區(qū)域的短期電力平衡需求。為應(yīng)對(duì)新能源與負(fù)荷的季節(jié)性變化特征，送端區(qū)域通過(guò)電解槽、儲(chǔ)氫罐、二氧化碳加氫合成甲醇設(shè)備及燃料電池等構(gòu)成多能轉(zhuǎn)換通道，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的電能跨時(shí)間轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步保障送端區(qū)域多時(shí)間尺度下的電力電量平衡。送端區(qū)域富裕的新能源還可以用來(lái)制氫，并轉(zhuǎn)換為甲醇，通過(guò)發(fā)達(dá)的鐵路、公路等交通系統(tǒng)運(yùn)輸至受端區(qū)域，不僅有利于保障受端區(qū)域多時(shí)間尺度下的電力電量平衡需求，還能滿足受端區(qū)域化工產(chǎn)業(yè)對(duì)甲醇、氫氣的需求。

受端區(qū)域接收到的甲醇既可以直接應(yīng)用于化工生產(chǎn)，也可通過(guò)甲醇重整等方式制氫，滿足各類氫氣需求。受端區(qū)域通過(guò)電-氫、甲醇-氫及氫-電組成的多樣化能源轉(zhuǎn)換通道，形成受端電-氫耦合系統(tǒng)靈活用能機(jī)制，同時(shí)利用氫能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度下的能量轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步保障受端區(qū)域的電力電量平衡。

基于送端區(qū)域的多能供給機(jī)制及靈活用能機(jī)制，利用輸電聯(lián)絡(luò)線和甲醇交通運(yùn)輸渠道實(shí)現(xiàn)能量的跨區(qū)域、跨時(shí)間轉(zhuǎn)移，有效地促進(jìn)新能源規(guī)模化消納。依托電、氫、甲醇異質(zhì)能量間的轉(zhuǎn)換通道，靈活滿足電、氫、化工原料等能源需求，最大限度地保障送、受端系統(tǒng)多時(shí)間尺度下的能量平衡，從而實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同互濟(jì)下的電-氫耦合系統(tǒng)跨區(qū)協(xié)同運(yùn)行，有望大幅提高多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、低碳、安全運(yùn)行水平。

1.2 跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度框架

跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)呈現(xiàn)復(fù)雜的多時(shí)空耦合特征，如何在多時(shí)間尺度下的調(diào)度中充分考慮送、受端區(qū)域內(nèi)異質(zhì)能源供需平衡需求，以及區(qū)域間能源傳輸渠道的差異化運(yùn)行特性，是實(shí)現(xiàn)送、受端區(qū)域電-氫耦合系統(tǒng)協(xié)同互補(bǔ)運(yùn)行的關(guān)鍵。在多時(shí)間尺度的調(diào)度中，電能子系統(tǒng)需要滿足實(shí)時(shí)供需平衡，通常需要制定小時(shí)級(jí)的調(diào)度方案；而氫能子系統(tǒng)和甲醇子系統(tǒng)具有很強(qiáng)的儲(chǔ)運(yùn)能力，并不需要滿足實(shí)時(shí)的供需平衡，另外，區(qū)域間的遠(yuǎn)距離交通運(yùn)輸耗時(shí)較長(zhǎng)，通常以天為單位進(jìn)行調(diào)度。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出考慮異質(zhì)能量平衡及能源差異化傳輸特性的跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)雙層調(diào)度框架，如圖2所示。

圖2 跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)雙層調(diào)度框架

甲醇輸運(yùn)耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)際中通常以日為單位進(jìn)行調(diào)度，而火電機(jī)組在日內(nèi)通常不會(huì)頻繁起停[20-21]，可以日為單位進(jìn)行起停狀態(tài)優(yōu)化?；诖?，針對(duì)異質(zhì)能量輸運(yùn)特點(diǎn)，在上層調(diào)度中，考慮送、受端區(qū)域中電、氫等異質(zhì)能量的日平衡需求，以日為調(diào)度時(shí)間尺度建立送、受端區(qū)域的異質(zhì)能量平衡模型，確定區(qū)域間的甲醇運(yùn)輸計(jì)劃、送/受端區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組起停計(jì)劃等，從而有效應(yīng)對(duì)異質(zhì)能量的季節(jié)性供需失衡問(wèn)題，保障跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的電量平衡和氫能供需平衡。

下層調(diào)度以上層調(diào)度結(jié)果為邊界，考慮送、受端系統(tǒng)中電力、氫氣等異質(zhì)能量的小時(shí)級(jí)平衡需求[22]，建立以小時(shí)為單位的調(diào)度模型，確定區(qū)域間輸電聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行計(jì)劃、送/受端區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組出力計(jì)劃、送端區(qū)域新能源出力計(jì)劃、送/受端區(qū)域內(nèi)的氫燃料電池和電解槽的運(yùn)行計(jì)劃、送端甲醇合成計(jì)劃、受端甲醇重整制氫計(jì)劃、儲(chǔ)氫罐運(yùn)行計(jì)劃等，以滿足電力平衡和氫能供需平衡需求，從而有效平抑新能源的短時(shí)波動(dòng)，提高消納水平，保障電-氫耦合系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

綜上所述，上層模型綜合考慮交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)的協(xié)同配合，進(jìn)行火電日開(kāi)機(jī)容量?jī)?yōu)化和能源跨區(qū)日運(yùn)輸優(yōu)化，從而為下層提供合理可行的火電調(diào)節(jié)空間和區(qū)域甲醇可轉(zhuǎn)移區(qū)間，同時(shí)，上層以天為單位進(jìn)行全年優(yōu)化，有效縮減連續(xù)變量與離散變量規(guī)模；進(jìn)一步，基于上層提供的邊界，下層模型考慮電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)的協(xié)同配合聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)全年8 760 h運(yùn)行計(jì)劃，彌補(bǔ)了上層未考慮功率實(shí)時(shí)平衡的缺陷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電力電量平衡。上、下層協(xié)調(diào)配合充分利用送、受端區(qū)域內(nèi)的能源產(chǎn)需及時(shí)空靈活轉(zhuǎn)移特征，滿足跨區(qū)電氫耦合系統(tǒng)多時(shí)間尺度下的異質(zhì)能量平衡需求，提高耦合系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及新能源利用率。

2 電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的送、受端能量供需平衡模型

針對(duì)送端的多能供給機(jī)制以及受端的靈活用能機(jī)制，建立考慮氫-甲醇雙向轉(zhuǎn)換的甲醇儲(chǔ)運(yùn)模型，提出了考慮電能、甲醇雙重能量輸送渠道的送、受端多能供需平衡模型，以保障多時(shí)間尺度下的區(qū)域用能需求。

2.1 考慮氫-甲醇雙向轉(zhuǎn)換的甲醇儲(chǔ)運(yùn)模型

2.1.1 氫-甲醇雙向轉(zhuǎn)換模型

本文基于通用的甲醇合成模型和甲醇重整制氫模型，刻畫氫-甲醇異質(zhì)能量之間的雙向轉(zhuǎn)換關(guān)系，具體如下所示。

1）甲醇合成模型

二氧化碳加氫合成甲醇設(shè)備需滿足式（2）安全運(yùn)行約束。

2）甲醇重整制氫模型

甲醇水蒸氣重整是一種方便、高效的制氫方式，其化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為

甲醇水蒸氣重整制氫的能源轉(zhuǎn)換方程為[15]

2.1.2 考慮跨區(qū)協(xié)同的甲醇儲(chǔ)運(yùn)模型

甲醇作為氫能載體具有體積能量密度大、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)成熟、常溫下可穩(wěn)定存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，是良好的儲(chǔ)運(yùn)能源[17]。為準(zhǔn)確地描述不同區(qū)域之間的甲醇儲(chǔ)運(yùn)情況，本文建立了考慮行駛延遲的送、受端區(qū)域甲醇儲(chǔ)運(yùn)模型，即

2.2 送、受端區(qū)域的多能供需平衡模型

在電能-甲醇聯(lián)合輸運(yùn)下，送端區(qū)域可為受端區(qū)域提供電能和甲醇，不僅提高了送端區(qū)域的新能源消納水平，同時(shí)也為受端區(qū)域的多類型用能需求提供了重要支撐。為此，考慮送、受端區(qū)域之間的能量交互耦合關(guān)系，建立了送、受端區(qū)域的能量供需平衡模型。

2.2.1 送端區(qū)域能量供需平衡模型

1）送端區(qū)域電力電量平衡模型

（1）電量平衡模型

式中，j,E,d為送端區(qū)域第天的需求電量；j,l,d為送端區(qū)域第天的外送電量；j,h,d為電解槽第天的耗電量；r,d為第天的棄風(fēng)、棄光電量之和；R,d為第天風(fēng)、光發(fā)電量之和；H,d,n為第天火電機(jī)組的發(fā)電量；j,h為送端區(qū)域的火電機(jī)組數(shù)量。

（2）電力平衡模型

2）送端區(qū)域氫供需平衡模型

2.2.2 受端區(qū)域能量供需平衡模型

1）受端區(qū)域電力電量平衡模型

（1）電量平衡模型

式中，r,E,d為受端區(qū)域天的需求電量；r,l,d為受端區(qū)域天的輸入電量；r,h,d為受端區(qū)域電解槽天的耗電量；r,h為受端區(qū)域火電機(jī)組數(shù)量。

（2）電力平衡模型

式中，r,E,t為受端區(qū)域時(shí)刻的電負(fù)荷；r,h,t為受端區(qū)域時(shí)刻電解槽的用電功率；r,l,t為受端區(qū)域時(shí)刻輸入電功率；r,EB,t受端區(qū)域時(shí)刻燃料電池發(fā)電功率；r,F,t為受端區(qū)域時(shí)刻失負(fù)荷功率。

2）受端區(qū)域氫供需平衡模型

2.2.3 送、受端區(qū)域能量供需耦合模型

送、受端通過(guò)區(qū)域輸電聯(lián)絡(luò)線和甲醇運(yùn)輸渠道實(shí)現(xiàn)能量交互，需滿足不同時(shí)間尺度下的電能供需平衡耦合約束及甲醇輸運(yùn)耦合約束。

1）送、受端區(qū)域電能耦合約束

不同時(shí)間尺度下，送端區(qū)域送出的功率和電量與受端區(qū)域接收到的功率和電量應(yīng)保持平衡。

2）送、受端區(qū)域甲醇輸運(yùn)耦合約束

式（17）表示考慮運(yùn)輸延遲時(shí)為天時(shí)的送、受端甲醇輸運(yùn)關(guān)系，即送端區(qū)域第-d天的甲醇送出量應(yīng)等于受端區(qū)域第天的甲醇接收量。

3 電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型

根據(jù)電能-甲醇聯(lián)合輸運(yùn)下的送、受端區(qū)域多能源協(xié)同運(yùn)行機(jī)制及調(diào)度框架，考慮不同能源、不同傳輸渠道供需平衡及運(yùn)行特性，建立了跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型。上層模型計(jì)及長(zhǎng)時(shí)間尺度下的電、氫能量平衡約束，以天為調(diào)度尺度確定區(qū)域間甲醇運(yùn)輸計(jì)劃和送/受端區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組起停計(jì)劃；下層模型以上層模型的調(diào)度結(jié)果為邊界，計(jì)及短時(shí)間尺度電力平衡約束和氫能供需平衡約束，以小時(shí)為調(diào)度尺度確定區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線輸電計(jì)劃、送/受端區(qū)域內(nèi)的火電機(jī)組出力計(jì)劃、送端區(qū)域新能源出力計(jì)劃、送/受端區(qū)域內(nèi)的氫燃料電池和電解槽的運(yùn)行計(jì)劃、送端甲醇合成計(jì)劃、受端甲醇重整制氫計(jì)劃、儲(chǔ)氫罐運(yùn)行計(jì)劃等，從而實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同、多渠道協(xié)調(diào)下的跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.1 上層模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

上層模型以跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，即

式中，1為上層調(diào)度模型總成本；HSC為氫供應(yīng)成本；K為火電機(jī)組起停成本；O為儲(chǔ)氫罐運(yùn)維成本；L為電能外送成本；Q為棄能懲罰成本；H為火電機(jī)組發(fā)電成本；E為火電機(jī)組碳排放成本。

3.1.2 約束條件

在滿足式（1）～式（17）的同時(shí)，電力子系統(tǒng)和氫能子系統(tǒng)還需分別滿足火電機(jī)組運(yùn)行約束、棄能約束、輸電聯(lián)絡(luò)線傳輸約束、電解槽運(yùn)行約束、儲(chǔ)氫罐約束等。

1）電力子系統(tǒng)

（1）火電機(jī)組運(yùn)行約束

（2）棄能約束

（3）輸電聯(lián)絡(luò)線傳輸約束

式中，l,max、l,min分別為區(qū)域聯(lián)絡(luò)線日輸電量的上、下限。

2）氫能子系統(tǒng)

（1）電解槽日運(yùn)行約束[27]

電解槽作為實(shí)現(xiàn)電-氫-甲醇能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，其運(yùn)行會(huì)對(duì)電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行和甲醇制/儲(chǔ)/運(yùn)產(chǎn)生重大影響。為保證上層優(yōu)化所得的甲醇日輸運(yùn)計(jì)劃和火電機(jī)組日起停計(jì)劃合理可行，需要考慮電解槽的日運(yùn)行約束，電解槽運(yùn)行模型為

（2）儲(chǔ)氫罐運(yùn)行約束[28]

儲(chǔ)氫罐作為氫能系統(tǒng)中重要的儲(chǔ)能設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)氫能的多時(shí)間尺度存儲(chǔ)，在上層模型中主要考慮其日儲(chǔ)能特性，其運(yùn)行需要滿足儲(chǔ)氫量時(shí)序特性、儲(chǔ)氫容量安全等約束，具體為

3.2 下層模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在上層模型確定的機(jī)組起停和甲醇運(yùn)輸計(jì)劃下，下層模型以電-氫耦合系統(tǒng)日運(yùn)行成本2最小為目標(biāo)，考慮小時(shí)級(jí)的電力平衡和氫供需平衡約束，尋求最優(yōu)的送、受端區(qū)域運(yùn)行方案，具體為

式中，T為下層第天調(diào)度周期，取為24 h；B為氫燃料電池單位運(yùn)維成本；F為單位失負(fù)荷懲罰成本。

3.2.2 約束條件

下層模型中，電力子系統(tǒng)和氫能子系統(tǒng)需要滿足小時(shí)級(jí)的運(yùn)行約束及上下層耦合約束，其中火電機(jī)組出力約束、區(qū)域聯(lián)絡(luò)線傳輸功率約束、儲(chǔ)氫罐運(yùn)行約束與上層相似，只是考慮的時(shí)間尺度不同，此處不再贅述。下層模型的其他約束，包括火電機(jī)組爬坡約束、電解槽運(yùn)行約束、氫燃料電池約束、甲醇制/儲(chǔ)/運(yùn)運(yùn)行約束等，具體如下所示。

1）電力子系統(tǒng)

火電機(jī)組爬坡約束

式中，P,up、P,down分別為第臺(tái)火電機(jī)組爬坡速率的上、下限。

2）氫能子系統(tǒng)

（1）下層電解槽運(yùn)行約束

（2）下層氫燃料電池約束[29]

氫燃料電池運(yùn)行模型為

3）甲醇制/儲(chǔ)/運(yùn)運(yùn)行約束

（1）送端甲醇合成運(yùn)行約束

（2）受端甲醇重整制氫約束

（3）考慮上、下層模型耦合的甲醇儲(chǔ)運(yùn)約束

本文建立的電-氫耦合系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型屬于典型的混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，采用Gurobi等求解器即可實(shí)現(xiàn)高效求解。

4 算例分析

4.1 仿真算例及參數(shù)

本文采用改進(jìn)的HRP 38系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，將原系統(tǒng)中的第1、2、3區(qū)域整體看作送端區(qū)域，第4、5區(qū)域整體看作受端區(qū)域，如圖3所示。送端區(qū)域火電裝機(jī)容量為178 GW，風(fēng)、光裝機(jī)容量分別為90 GW、139.5 GW，新能源滲透率為56%，電、氫負(fù)荷峰值分別為95.299 GW、2 516 t；受端區(qū)域火電裝機(jī)容量為83.6 GW，電、氫負(fù)荷峰值分別為73.52 GW、9 743 t。電解槽容量為22.8 GW，儲(chǔ)氫罐容量為380 t，氫燃料電池容量為50 MW。送、受端區(qū)域間的輸電聯(lián)絡(luò)線容量為25 GW，火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[30]。

圖3 HRP 38系統(tǒng)示意圖

風(fēng)、光機(jī)組年出力曲線及送、受端電負(fù)荷曲線參考文獻(xiàn)[30]，氫負(fù)荷曲線參考文獻(xiàn)[14]。購(gòu)氫價(jià)格為100元/kg[12]，甲醇價(jià)格參考文獻(xiàn)[31]，棄風(fēng)、棄光懲罰為630元/(MW·h)，失負(fù)荷懲罰為13 600元/ (MW·h)[32]；送、受端區(qū)域之間的距離為2 000 km[33]，運(yùn)輸延遲時(shí)間為2天，甲醇運(yùn)輸價(jià)格為0.4元/t/km，氫氣運(yùn)輸價(jià)格為0.046元/kg/km[12]，電能外送成本為150元/(MW·h)[34]。其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1[12-13,33]。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

Tab.1 The operation parameters of system key equipment

4.2 仿真結(jié)果分析

為分析不同能源輸運(yùn)方式對(duì)跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的影響，本文設(shè)置以下四個(gè)方案進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。表2中Case 1為文獻(xiàn)方法，即僅利用甲醇進(jìn)行能量的跨區(qū)轉(zhuǎn)移；Case 2為文獻(xiàn)方法，即僅利用電網(wǎng)進(jìn)行能量的跨區(qū)轉(zhuǎn)移；Case 3為文獻(xiàn)方法，即僅利用電網(wǎng)和長(zhǎng)管拖車進(jìn)行能量的跨區(qū)轉(zhuǎn)移；Case 4為本文方法，即利用電網(wǎng)和甲醇進(jìn)行能量的跨區(qū)轉(zhuǎn)移，甲醇通過(guò)交通系統(tǒng)進(jìn)行跨區(qū)輸運(yùn)[35]。考慮到我國(guó)氫能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，氫能的管道運(yùn)輸?shù)确绞竭€缺乏相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，有待進(jìn)一步發(fā)展，目前我國(guó)較為經(jīng)濟(jì)可行的氫能運(yùn)輸方式仍以長(zhǎng)管拖車為主，因此，在本文的對(duì)比方案中氫能僅考慮以長(zhǎng)管拖車進(jìn)行運(yùn)輸。

表2 Case 1～Case 4的仿真結(jié)果

Tab.2 The simulation results under Case 1～Case 4

4.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行成本及新能源消納水平分析

由表2可知，與Case 1～Case 3相比，Case 4的運(yùn)行成本分別降低了378.39 億元、482.19 億元、450.36 億元，分別下降了9.14%、11.36%、10.69%。Case 4的棄能量分別減少了33 883 GW·h、3 264 GW·h、439 GW·h，棄能率分別下降了11.27%、1.09%、0.15%?？梢?jiàn)，在跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中，利用電能-甲醇多渠道協(xié)同實(shí)現(xiàn)能源跨區(qū)轉(zhuǎn)移，能夠有效減少系統(tǒng)運(yùn)行成本，新能源消納量得到顯著提升。與Case 3相比，Case 4棄能率降幅較小，這是因?yàn)镃ase 3考慮了電、氫兩類能源傳輸渠道，在設(shè)備容量相差不大的情況下，Case 3和Case 4的新能源消納量相近。但Case 4的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于Case 3。

在新能源出力最大的第33周，Case 1、Case 2、Case 4的可再生能源消納情況如圖4所示。可知，在新能源出力較大時(shí)，Case 1只能利用容量有限的電解槽消納送端富余的新能源，因此，導(dǎo)致大量棄風(fēng)光。Case 2利用區(qū)域聯(lián)絡(luò)線將送端富余的新能源輸送至受端區(qū)域，有效提高了新能源消納水平，但受聯(lián)絡(luò)線輸送容量限制，仍會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)光。相比之下，在新能源大發(fā)階段，除了利用聯(lián)絡(luò)線輸出功率，Case 4還可利用電解槽制氫和甲醇合成反應(yīng)，將富余的新能源轉(zhuǎn)換為甲醇，通過(guò)交通系統(tǒng)輸送至受端區(qū)域，“變廢為寶”，新能源棄能量減少439 GW·h，棄能率由2.51%進(jìn)一步降低至2.36%。

圖4 第33周送端電力供需平衡

4.2.2 甲醇儲(chǔ)運(yùn)情況分析

Case 4中氫和甲醇的儲(chǔ)運(yùn)情況如圖5所示。由圖5可知，在新能源大發(fā)而電力負(fù)荷較小的春（3月—5月）、秋（9月—10月）季節(jié)，送端甲醇庫(kù)存和受端區(qū)域的氫庫(kù)存均處于較高水平，送、受端甲醇運(yùn)輸量較大；在新能源出力匱乏的季節(jié)，甲醇運(yùn)輸量較小，甲醇儲(chǔ)運(yùn)跟隨新能源出力變化，有助于減小新能源的季節(jié)性波動(dòng)，促進(jìn)新能源綠色經(jīng)濟(jì)消納。與氫氣相比，甲醇儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，因此，送端區(qū)域的氫庫(kù)存季節(jié)性變化較小，通過(guò)低廉、便利的甲醇儲(chǔ)存及運(yùn)輸通道實(shí)現(xiàn)送端區(qū)域富余能源的跨時(shí)空轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步提高系統(tǒng)能源儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 Case 4中系統(tǒng)的能源儲(chǔ)運(yùn)量

4.2.3 氫供應(yīng)成本分析

由表2可知，Case 3和Case 4均存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)移渠道，具有相近的新能源消納水平。但與Case 3相比，Case 4的氫供應(yīng)成本減少了455.45 億元，降低了30.25%，說(shuō)明利用甲醇進(jìn)行能源跨區(qū)轉(zhuǎn)移具有更好的經(jīng)濟(jì)性。Case 3、Case 4下的受端區(qū)域氫供需平衡和氫供應(yīng)成本分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 Case 3和Case 4中的受端區(qū)域氫供需平衡

由圖6可知，與Case 3相比，Case 4的購(gòu)氫量大幅降低，這是因?yàn)镃ase 4中考慮了甲醇重整制氫，利用外送甲醇和外購(gòu)甲醇重整制氫，減少對(duì)外購(gòu)氫的依賴，而在Case 3中，當(dāng)電解槽制氫量和外送氫量無(wú)法滿足系統(tǒng)的氫需求時(shí)，只能通過(guò)購(gòu)氫的方式達(dá)到氫的供需平衡。由圖7可知，受端區(qū)域利用甲醇的供氫成本為5.65元/kg，外購(gòu)甲醇的供氫成本為15.67元/kg。受甲醇運(yùn)輸設(shè)備容量限制，Case 4中受端區(qū)域還需利用外購(gòu)甲醇重整制氫，但與高達(dá)100元/kg的購(gòu)氫成本和Case 3中92元/kg的氫氣供應(yīng)成本相比，仍具備較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖7 Case 3和Case 4中的受端區(qū)域氫供應(yīng)成本

另外，Case 4中共運(yùn)輸了584 kt甲醇，可折算為110.96 kt氫，若采用Case 3的長(zhǎng)管拖車方式運(yùn)氫，需花費(fèi)102.1億元，而Case 4的甲醇運(yùn)輸成本僅為4.7億元，降低了95.40%。可知，甲醇在遠(yuǎn)距離能源轉(zhuǎn)移方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

綜上可知，在跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)中，與單一能源傳輸渠道和現(xiàn)有電能-氫長(zhǎng)管拖車相比，電能-甲醇雙渠道跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)方法靈活性更高、儲(chǔ)運(yùn)更經(jīng)濟(jì)，在促進(jìn)新能源消納和提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，有望在我國(guó)現(xiàn)有氫能技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平下實(shí)現(xiàn)新能源跨區(qū)規(guī)?；?jīng)濟(jì)消納，促進(jìn)區(qū)域供需均衡。

4.3 氫負(fù)荷滲透率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響分析

為分析氫負(fù)荷增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，本節(jié)分析了不同氫負(fù)荷滲透率（即氫負(fù)荷轉(zhuǎn)換為電負(fù)荷除以系統(tǒng)的總電負(fù)荷[36]）下Case 1～Case 4的系統(tǒng)運(yùn)行成本及供氫成本，如圖8所示。

圖8 不同氫負(fù)荷滲透率下系統(tǒng)運(yùn)行成本

由圖8a可知，隨著氫負(fù)荷滲透率的增長(zhǎng)，Case 1～Case 4的系統(tǒng)運(yùn)行成本和購(gòu)氫成本逐漸增加，但Case 4的調(diào)度方案始終呈現(xiàn)最好的經(jīng)濟(jì)性。由圖8b可知，Case 2和Case 4對(duì)外部購(gòu)氫的依賴最小，但當(dāng)氫負(fù)荷滲透率超過(guò)40%時(shí)，系統(tǒng)的購(gòu)氫費(fèi)用占比將超過(guò)50%，并且Case 1～Case 4的購(gòu)氫費(fèi)用占比逐漸趨于一致。這是因?yàn)殡S著氫負(fù)荷的增長(zhǎng)，系統(tǒng)中的電解水制氫、甲醇重整制氫量達(dá)到上限，只能通過(guò)購(gòu)氫滿足系統(tǒng)用能，當(dāng)購(gòu)氫量足夠多時(shí)，購(gòu)氫成本將成為系統(tǒng)運(yùn)行成本的主要部分?？梢?jiàn)，當(dāng)氫負(fù)荷增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，需要擴(kuò)建系統(tǒng)中的制氫設(shè)施，以保障系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)電氫供需時(shí)空分布不均導(dǎo)致新能源利用率低、運(yùn)行成本過(guò)高等難題，本文提出一種電能-甲醇跨區(qū)協(xié)同輸運(yùn)下的電-氫耦合系統(tǒng)調(diào)度方法，并通過(guò)算例分析得到如下結(jié)論：

1）本文提出的電-氫耦合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制與調(diào)度方法，能夠充分利用送、受端區(qū)域電、氫、甲醇易相互轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)，通過(guò)電能、甲醇雙能源渠道，在我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平下實(shí)現(xiàn)新能源的跨區(qū)轉(zhuǎn)移和規(guī)?；{，促進(jìn)跨區(qū)電-氫耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

2）甲醇在遠(yuǎn)距離能源轉(zhuǎn)移方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。利用甲醇輸運(yùn)不僅能夠大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和棄能率，還可實(shí)現(xiàn)新能源富余發(fā)電量的跨時(shí)空轉(zhuǎn)移和優(yōu)化利用，大幅提高系統(tǒng)能源儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。

3）隨著氫負(fù)荷滲透率的增加，系統(tǒng)氫能供應(yīng)對(duì)外購(gòu)氫的依賴性逐步增強(qiáng)，氫能供應(yīng)成本不斷提高，因此，需要根據(jù)氫負(fù)荷增長(zhǎng)情況，適時(shí)提高甲醇輸運(yùn)容量以及制、儲(chǔ)、用氫等設(shè)備容量。

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A Dispatching for the Electricity-Hydrogen Coupling Systems Considering the Coordinated Inter-Region Transportation of Electricity and Methanol

Cheng Huan1Ren Zhouyang1Sun Zhiyuan2Xia Weiyi1

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Guangxi Power Grid Co. Ltd Nanning 530023 China）

The electricity-hydrogen coupling system is an important way to promote the low-carbon transformation of energy structure. However, the supply and demand of electricity and hydrogen are the inverse distribution of time and space, which seriously restricts the low-carbon economic development of electricity-hydrogen coupling systems. The existing dispatching methods of cross-region electricity-hydrogen coupling systems have some problems, such as low utilization rate of new energy and high operating cost. Therefore, an electricity-hydrogen coupled system dispatching method considering the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol is proposed in this paper. The supply and demand balance of regional electricity and hydrogen can be better through the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol, so as to improve the inter-regional economic consumption level of new energy and the system operation economy.

First, based on the energy supply and demand characteristics of the sending and receiving areas, the operating characteristics of the electricity/hydrogen subsystems and the transport characteristics of methanol, the cross-regional cooperative operation mechanism and the dispatching framework of the electricity-hydrogen coupled systems are designed. Secondly, the supply and demand balance model is developed considering the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol, so as to ensure regional energy demand under multi-time scales. Finally, a bi-level dispatching model of electricity-hydrogen coupling system is established under the electricity-methanol inter-region cooperative transport. The upper-level model determines the daily methanol transportation plan and unit commitment plan. The lower-level model is developed to determine the annual time series operation plan of the transmission and receiving zone. The characteristics of energy production and demand in the sending and receiving areas and the flexible transfer of time and space are fully considered in the bi-level dispatching model. In this way, the safe and economical operation of the cross-region electricity-hydrogen coupling systems can be realized under multi-energy coordination and multi-channel coordination.

The improved HRP 38 is used to test the proposed method. The simulation results indicate that compared with the existing operation dispatching methods of the cross-region electricity-hydrogen coupling systems under single energy transmission channel and electricity-hydrogen long-tube trailer transport, the operation dispatching method of the electricity-hydrogen coupling system using electricity-methanol inter-region collaborative transport can significantly improve the operation economy and new energy consumption of the system. Compared with a single energy transmission channel, electricity-methanol inter-regional collaborative transport expands the consumption channel of new energy. Through the reaction of hydrogen production and methanol synthesis in electrolytic cells, the surplus new energy can be converted into methanol, which can be transported to the receiving region through the transportation system, thus realizing the multi-channel inter-regional consumption of new energy. Compared with the energy transport only using methanol or electricity energy, this synergistic transport has increased energy consumption by 33 883 GW·h and 3 264 GW·h, respectively. Compared with electricity and long-tube trailer inter-region transport, electricity-methanol inter-regional collaborative transport takes advantage of methanol economic storage and transportation, reducing the system energy inter-region transport cost and system operation cost by 10.69%. At the same time, the simulation results of different hydrogen load permeability show that when the hydrogen load increases to a certain extent, in order to reduce the dependence on high purchased hydrogen, hydrogen production facilities in the system need to be expanded to ensure the economic operation of the system.

The following conclusions can be drawn from the simulation analyses in the paper.

(1) Considering the supply and demand characteristics of the sending and receiving regions, the utilization of electricity-methanol collaborative transport to optimize the scheduling of the cross-region electricity-hydrogen coupling system can promote the cross-region consumption of new energy and improve the level of low-carbon economic operation of the system.

(2) Methanol has significant economic advantages in long-distance energy storage and transportation, which can realize the transfer and optimal utilization of new energy across time and space.

(3) With the increase of hydrogen load permeability, the dependence of the hydrogen energy supply of the system on externally purchased hydrogen is gradually enhanced. It is necessary to timely increase the methanol transport capacity and the capacity of hydrogen production, storage and use equipment in accordance with the increase of hydrogen load.

Electricity-hydrogen coupling systems, Methanol, dispatching method, supply and demand balance, renewable energy

TM73

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221965

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52277080）。

2022-10-14

2022-12-23

程 歡 女，1997年生，研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)、氫能系統(tǒng)運(yùn)行等。E-mail：1442215864@qq.com

任洲洋 男，1986年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏δ茉聪到y(tǒng)低碳運(yùn)行及規(guī)劃、人工智能等。E-mail：rzhouyang1108@163.com（通信作者）

（編輯 赫 蕾）