青海大学 苏小玲 等：如何通过新型储能提高电-氢-交通耦合系统的能源自洽率？
科技
科学
2024-07-11 16:47
北京
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计及能源自洽率和共享氢储能的电-氢-交通耦合配电网低碳经济运行DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20231381我国道路交通系统资产能源化潜力巨大，充分利用风、光等绿色能源是实现交通低碳发展的必经之路。而氢能作为新型储能和交通载运设备的动力源，在源-网-荷-储-充-交通自洽能源系统中呈现出巨大的发展潜力。自洽能源系统是指在规划、建设和运行过程中，利用风光新能源发电及共享储能等设备，有机协调能源生产、转换、传输、分配、存储等环节的能源产消一体化系统。然而，氢燃料电池车、氢储能等异质能源类灵活性负荷的快速发展让电网和交通网双向耦合，造成能源生产消纳、能量动态平衡、系统调度运行难度不断增加。如何兼顾能源自洽率和低碳经济性，通过新型储能实现配电网与交通网融合，对加快能源变革具有重要价值。1、 配电网-交通网双向耦合架构
新能源配电网-交通网双向耦合架构包括电力网络和以氢燃料电池车为主的交通网，如图1所示。配电网有分布式新能源接入、电负荷供能、上级电网接口、电解水制氢设备供电等作用。分布式新能源出力优先为配电网负荷供电，余电可转化为氢能，供氢燃料电池车或氢储能系统。交通网加氢总站和加氢子站为氢燃料电池车供能，短期氢储能和共享氢储能可补足氢能缺额。另一方面，氢储能系统也可以在用电高峰期为电负荷供电。新能源配电网-交通网双向耦合架构让能源和交通两个存在条块分割和行业隔离的系统交互融合。
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图1 配电网-交通网双向耦合架构
2、 电-氢-交通耦合配电网模型
考虑分布式新能源高占比并网、弱同步支撑的运行工况，配电网存在无功控制能力相对较弱，电压波动频繁等问题。因此，配电网模型由分布式风光新能源出力模型、余电制氢模型以及氢燃料电池发电模型构成。而氢燃料电池车负荷大小主要受行驶里程、返程时间以及加氢站供需量等因素影响，所以交通网模型主要包括氢燃料电池车行为模式分析模型、单站加氢需求和交通网总加氢需求模型。考虑交通网消费终端大规模氢能需求以及氢气存储等因素影响，氢储能模型则包括短期氢储能和共享氢储能两部分。
3、 基于精英遗传算法的电-氢-交通耦合配电网双层优化调度模型求解方法
上层交通网加氢模型以负荷峰谷差最小和加氢成本最低为目标，满足氢燃料电池车加氢需求为约束条件，即每台车的实际氢量不能超过总容量，且不能小于用户期望值。下层交通网-配电网自洽模型目标函数包括两部分：一是系统电能和氢能自洽率最高；二是系统碳排放成本最低。采用精英遗传算法求解模型，并以青海省海东市为例验证模型，如图2所示。![]()
图2 配电网-交通网结构图
算例中交通网有一座总站和两座子站，加氢总站设有短期氢储能和共享氢储能。加氢子站只有短期氢储能，即加氢子站不能向加氢总站运输氢能，同时加氢子站之间也无法做氢能互济。若分布式风光新能源余电制氢无法满足氢负荷用能需求，首先由加氢站短期氢储能补足，如果仍存在氢能缺额，则由拖车调用加氢总站的共享氢储能。算例设置4种运行方案，各方案氢储能运行模式如表1所示。表1 氢储能方案
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优化结果表明：方案4为最优计算结果，短期氢储能和共享氢储能配合是提高能源自洽率、降低碳排放的最佳选择。加氢总站、加氢子站1和加氢子站2的运行情况如图3、图4、图5所示。氢能供给顺序为：分布式风光新能源余电制氢、短期氢储能、共享氢储能、从上一级电网购电制氢。
（1）图3中方案4和方案2的能源自洽率都可以达到98.16%。因为加氢总站在两种方案下都只有短期氢储能，需要从上一级电网购电制氢，产生了486.20元碳排放成本。
（2）图4中短期氢储能和共享氢储能共同支撑加氢子站1运行，能源自洽率达到了97.07%，从上一级电网购电制氢产生了272.17元碳排放成本。（3）图5中短期氢储能和共享氢储能共同支撑加氢子站2运行，实现了100%能源自洽率，无需从上级电网购电，也不会产生碳排放成本。（4）凌晨时段，分布式风光新能源出力较小、氢储量不足，需要从上级电网购电满足负荷用能需求。（5）18:00以后，分布式风光新能源出力下降，而氢燃料电池车加氢需求增加，造成余电制氢无法满足氢负荷用能需求，首先由加氢子站共享储能补足氢能缺额。
以上优化计算结果和分析表明，自洽能源系统是促进新能源高水平消纳、满足各类负荷用能需求、降低碳排放的有效措施。![]()
图3 总站运行数据
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图4 子站1运行数据
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图5 子站2运行数据
论文以建立自洽能源系统为目标，研究了计及能源自洽率和共享氢储能的电-氢-交通耦合配电网低碳经济优化调度。研究表明，配置短期氢储能、共享氢储能均可提高能源自洽率、降低碳排放成本。同时，加氢站短期氢储能和共享氢储能协同作用让能源具备多时空转移特性，可达到能源自洽率最高、碳排放成本最小的最优状态。然而现有源网荷储各侧调节性资源成本疏导仍缺乏有效途径，未来将从以下方面开展研究工作：
苏小玲, 陈来军, 赵超凡, 等. 计及能源自洽率和共享氢储能的电-氢-交通耦合配电网低碳经济运行[J]. 高电压技术, 2024, 50(6): 2424-2432.
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苏小玲，女，博士，青海大学副教授，青海省昆仑英才高端创新创业人才计划-拔尖人才。主要从事新能源发电并网控制、氢电耦合技术等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目1项，青海省基础研究计划项目1项、国家自然科学基金联合基金重点项目课题1项、企业横向项目8项。累计发表SCI/EI检索论文10余篇。E-mail: suxiaoling@qhu.edu.cn。![]()
陈来军，清华大学副教授，青海大学教授、科研院副院长，先后入选教育部青年人才计划、国家高层次人才特殊支持计划领军人才，教育部新能源电力系统智慧运行重点实验室副主任，青海省压缩空气储能重点实验室副主任，IEEE PES 储能技术委员会（中国）储能并网与运行技术分委会理事，中国可再生能源学会储能专委会委员。担任《中国科学》、《CSEE Journal of Power and Energy Systems》等 12 种国内外期刊的编委/青年编委。主持储能和新能源领域的国家基金项目 4 项（重点基金1项）、国家重点研发计划课题 1 项以及重点横向项目 20余项。发表 SCI 论文 53 篇，获授权发明专利 85 项。获中国电工技术学会技术发明特等奖、青海省科技进步一等奖、中国电力科学进步一等奖等多项重要奖项。E-mail: chenlaijun@tsinghua.edu.cn。
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青海大学梅生伟教授团队以新能源高水平消纳为目标，长期围绕新能源发电高端装备制造和新能源电力系统智慧运行开展技术攻关和工程应用。形成了支撑大规模新能源消纳的先进清洁储能技术、面向高比例新能源的新型风光发电技术、青藏高原绿色低碳智慧建筑技术、高占比新能源电力系统优化调度技术、新能源场站装备和系统智慧运维技术5个研究方向。团队近三年发表SCI/EI收录论文40余篇，相关成果获得青海省科技进步一等奖、中国可再生能源学会一等奖等多项奖励。责编：陈蔓
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