“电-氢”综合能源系统的发展分析

袁俊球

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213000）

0 引言

随着综合能源的发展，电网进一步朝着清洁、高效、安全、稳定的方向发展，国网公司也在2020年发布了《关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见》的相关文件，提出了利用能源革命的有利时机提升综合能源服务作为主营业务[1]。

目前，江苏等地已开展了以“冷-热-电”三联供为代表的综合能源系统建设，取得了一定的积极成效，但实际应用中也存在电能非能量供给主体、在“冷-热”等类型能量供给市场中竞争力弱、综合能源系统缺乏对电网运行的有效支撑调节等现实问题[2-3]。因此，国网公司亟需积极探索新的综合能源生产和服务形式，突出以电能为中心，发挥公司固有优势提供有竞争力的用户用能及工业原料解决方案，并能有效支撑配电网安全、可靠、绿色、高效运行。

1 国内外研究现状分析

随着氢能和燃料电池技术被纳入国家二十大能源战略发展技术，我国氢能源应用发展迅速。2022年3月，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，首次明确氢能在能源体系中的重要定位，提出氢能是未来国家能源战略的重要组成部分，氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。从氢能的产业规划来看，其有望在我国迎来新的发展，未来必将在新能源领域占据一席之地[4-5]。

然而，受制于氢发电与电解制氢是两种完全不同的生产过程，过去这一综合能源供应模式一直未能形成。电力系统和氢能系统的耦合关系，构成了能量双向流动的闭环系统，经典电力系统的优化理论和方法，已不能适用于包含氢储能综合能源的新型主动配电网的规划和运行，而需要构建以氢能为电储能媒介，电能为输入和主体输出能量形式的综合能源系统。通过对其工作机理、优化运行策略的研究，可有效支撑电网削峰填谷和清洁能源消纳，作为一种新的综合能源服务形式，更有利于在突出电能供应核心主体地位的同时提供更有市场竞争力的其他能源服务供给。

本文从以下两个方面概述和简要分析国内外研究现状及发展动态：（1）“电-氢”综合能源系统；（2）含综合能源的配电网规划与运行技术。

1.1 “电-氢”综合能源系统

国际上，2009年美国华盛顿国家新能源实验室K.W.Harrison首次提出风电等可再生能源与电解水系统相结合制氢并与煤化工产业联合制取甲醇等二次能源的系统构架[6]。其后，2015年，德国建成了世界上首座风-氢循环电厂，该电厂通过风电高峰时段的电制氢过程将部分电能存储，在风电低谷时段通过氢燃料电池发电，因此该电厂具备了与传统火电厂一样的按调度曲线发电的能力，基本解决了风电等新能源出力的随机性和波动性问题，具有非常好的推广应用价值。相对于常规储能而言，电-氢双向转化全寿命周期内无环境污染。

国内对电-氢综合能源系统的研究应用，也是首先从解决风电、光伏的消纳问题出发。但与欧美不同的是，目前的应用主要是电制氢，氢主要作为化工原料和动力燃料[7]。图1为国家863项目“基于可再生能源制/储氢研发与示范”的示范应用工程（2016年），其运营为风光新能源消纳和氢燃料电池汽车的规模化应用发展打开了技术窗口。

图1 我国首座风光互补发电制氢的70 MPa加氢站（大连）

在国家科技支撑计划、国家自然科学基金和国网总部科技项目的支持下，清华大学、新疆大学及国内的多个能源研究单位于2017年在新疆等地初步建成了风电-氢能与煤化工的多能耦合系统，系统架构示意图如图2所示。

图2 风-电-氢-煤综合能源系统

上述风-电-氢-煤综合能源系统已具备了氢储能综合能源系统的雏形，但在推广应用方面，还存在以下问题和困难需要解决：

（1）江苏地区大型/超大型新能源发电基地较少，主网对本地大型新能源电站消纳问题不突出；但配网侧分布式电源发展迅猛，配网对高渗透分布式光伏的消纳未来是一个重要问题。

（2）江苏工业发展，对氢能等需求是分散化的，大容量但低效率的“电-氢”综合能源系统并不适合。

（3）江苏地区对电网调峰需求明显，“电-氢”综合能源的“储能”化运行很有必要。

（4）对于未来包含氢储能的主动配电网的规划与运行，目前还未见国内外有研究报道。

1.2 含综合能源的配电网规划与运行技术

含氢储能综合能源的配电网规划与运行技术国内外尚未见研究报道。目前，以“冷-热-电”三联供为代表的综合能源系统规划与运行技术，国内外已有较多研究。国内外学者针对电-气互联综合能源系统（IPGES）运行优化开展了相关研究[8-9]。美国麻省理工大学A.Martinez Mares教授团队研究了稳态能量流建模的相关技术。英国卡文迪许实验室研究了天然气和电力系统的协同优化调控策略，以线性化方式简化天然气管网模型，利用线性优化方法实现最优能量流的求解[10]。清华大学则采用分布自治决策的方式对以电力系统和天然气系统为核心的综合能源系统进行了研究[11]。河海大学相关团队进一步考虑了新能源出力、电力系统负荷和燃气负荷的耦合性，以此建立了概率最优能量流的数学模型。然而，以上研究均对于天然气系统建模进行了简化，只关注了稳态特性而忽略了其慢动态特性，从而导致优化的结果与实际工况有较大偏差[12]。美国电科院（EPRI）在前述基础上考虑了系统的慢动态特性，建立了混合整数线性规划模型，以此实现最优能量流的求解[5]。与电-气系统相似，电-氢系统一样具有“慢”调节特性，在EPRI的研究基础上，通过日前-日内两层三阶段运行决策，在日前计划中先给出电-氢系统的基础指令，日内以调节量最小为目标之一，能够保证系统在相对“慢”特性调节中具有对电网的“实时”优化能力。

华北电力大学提出了一种基于冷热电耦合的区域性综合能源系统的优化设计模型，考虑配电线路、燃气管道的规划和运行，用冷热电联供系统作为电-气耦合中心，以综合能源系统的最优运行成本为目标，进行设计、规划和应用场景分析。通过算例仿真，得到了优化的选址定容方案。该研究也证明了耦合电-气系统比分供系统具有更好的经济性。但如前述，冷热电联供系统虽可提供热、冷等异质能量，但对于配电网而言仅是一种可控的发电设备，其对电网的优化调节支撑作用显然无法与既具有“储能”特性又具有“发电”特性的电-氢综合能源系统相比，但其中的多层规划配置方法具有较好的借鉴意义[13-14]。该研究充分考虑电网运行的不确定与综合能源系统调度运行的影响，采用的区间划分方法虽然理论上可以较好地解决一定的不确定性问题，但其应用受市场规则和预测概率密度函数精度制约。在我国当前的电网运行体制下，加上新能源预测精度还相对较低的现实条件，该方法实际价值较小。

2 “电-氢”综合能源中的关键技术分析

针对目前国内外发展现状，本文总结了“电-氢”综合能源的相关关键技术，主要包括以下4个方面：

（1）“电-氢”综合能源系统建模与交互耦合作用机理研究。

研究综合能源系统典型设备单元划分和物理性能指标，分别对系统内独立设备和耦合类设备建模。扩展建立包含氢能流的耦合系统统一潮流方程，基于灵敏度分析法揭示“电-氢”交互耦合作用机理。

（2）支撑配电网削峰填谷、清洁能源消纳的“电-氢”综合能源系统优化运行策略研究。

考虑负荷和清洁能源出力的随机性以及自身运行“慢速”特性，基于模型预测控制理论，建立“电-氢”综合能源系统参与电网削峰填谷、清洁能源消纳的两层三阶段最优运行控制模型；研究混合整数优化求解算法，解决优化的全局收敛问题。

（3）“发电-电解”一体可逆燃料电池本体关键技术研究。

分析电池核心性能指标的影响因素；研究新型电极结构，提高发电与电解过程的反应效率；分析发电与制氢过程的耦合机理，结合金属储氢技术，优化一体式可逆燃料电池堆的运行。

（4）基于“电-氢”综合能源协同优化的主动配电网规划与运行技术研究。

建立包含“电-氢”综合能源系统的主动配电网规划模型，形成“源、网、荷、储”优化配置方案；基于典型场景划分，研究基于“电-氢”综合能源协同优化的主动配电网最优运行策略。

3 结语

本文分析了氢储能综合能源系统的发展趋势，从提高清洁能源消纳、主动配电网系统运行安全性和经济性角度出发，在氢储能综合能源系统协同优化的背景下对风电大规模接入时主动配电网的优化策略、模型和方法等关键技术进行了阐述，对于推动清洁能源以及氢储能综合能源系统进一步发展，保证电网清洁、安全、稳定、高效、经济运行，具有重要的理论和工程意义。