王 靖, 蔣迎花, 康麗霞,2, 劉永忠,2,3

(1. 西安交通大學(xué) 化工系, 陜西 西安 710049;2. 陜西省能源化工過(guò)程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049;3. 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049)

1 引 言

石油煉制和煤化工等能源化工工藝系統(tǒng)需求大量氫氣，隨著煉油裝置加工高硫、重質(zhì)油比例的增加和現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，氫氣需求量急劇增加。煉廠中，原油處理量和原油品質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量要求、柴汽比要求、催化劑活性衰減、工藝升級(jí)、季節(jié)更替和市場(chǎng)價(jià)格等內(nèi)外部因素的變化[1]導(dǎo)致煉廠氫氣的需求呈現(xiàn)波動(dòng)性。

蒸汽甲烷重整裝置(steam methane reforming，SMR)是目前煉油廠的主要制氫工藝，占全球氫氣供應(yīng)量的48%[2]。盡管SMR 制氫的成本較低，但排放大量溫室氣體[3]。近年來(lái)，為了減少化工生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放，提高可再生能源的消納能力[4]，采用可再生能源制氫代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料制氫已成為趨勢(shì)[5-7]。Al-Subaie 等[8]研究了SMR 制氫和采用電網(wǎng)電力電解水制氫用于煉油廠的環(huán)境影響，闡明了電解水制氫在煉油廠中的減碳潛力。針對(duì)工廠中油砂瀝青改質(zhì)的氫氣需求和用電需求，Olateju 等[9-11]建立了風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電和制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型，確定了最低氫生產(chǎn)成本下系統(tǒng)的容量配置。Walker 等[12]分析了電轉(zhuǎn)氣(power to gas，PtG)技術(shù)為瀝青升級(jí)裝置提供氫氣的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響。針對(duì)可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性與化工過(guò)程系統(tǒng)氫氣需求的協(xié)調(diào)匹配問(wèn)題，王靖等[13]研究了電-氫協(xié)調(diào)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性。

由于可再生能源的間歇性和波動(dòng)性以及煉廠氫氣需求的波動(dòng)性，為了滿足氫氣需求，僅采用可再生能源制氫供應(yīng)煉廠氫氣的系統(tǒng)費(fèi)用高且可靠性差。在實(shí)際應(yīng)用中，由于氣候和天氣狀況可能無(wú)法滿足系統(tǒng)的氫氣需求，有必要采用可再生能源制氫和氫氣公用工程共同滿足煉油廠氫氣需求，并通過(guò)公用工程氫氣調(diào)整氫氣負(fù)荷需求特性，輔助平衡可再生能源發(fā)電和氫氣負(fù)荷。

在可再生能源系統(tǒng)中，電力負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)配置影響很大。Linssen 等[14]分析了用戶負(fù)載曲線對(duì)光伏-電池系統(tǒng)的總費(fèi)用、光伏(photovoltaics，PV)和電池容量配置的影響。Yuan 等[15]研究了不同氣候條件下建筑物組合引起的多種負(fù)荷曲線對(duì)分布式能源系統(tǒng)中蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。Jiang 等[16]針對(duì)多種類電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分析了供需曲線變化特性對(duì)電池種類選擇和容量配置的影響。對(duì)于采用可再生能源和氫氣公用工程共同供給煉油廠氫氣的系統(tǒng)中，氫氣負(fù)荷波動(dòng)特性將對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)特性的產(chǎn)生重要影響。

在基于可再生能源的分布式能源系統(tǒng)中，通常可采用需求側(cè)管理策略調(diào)整負(fù)荷特性以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[17]，通過(guò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移或負(fù)荷降低等方式降低負(fù)荷峰值以保持發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的平衡[18]。在電力系統(tǒng)中，該策略是用戶根據(jù)用電方式調(diào)整用電量和用電時(shí)間以適應(yīng)電價(jià)隨時(shí)間的變化，增強(qiáng)用電負(fù)荷需求的靈活性[19]。Xiang 等[20]分析了基于價(jià)格的需求響應(yīng)和基于激勵(lì)的需求響應(yīng)的并網(wǎng)集成能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。需求側(cè)管理是一種提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有效方法之一。同時(shí)，對(duì)于可再生能源發(fā)電側(cè)而言，可以通過(guò)電力入網(wǎng)消耗過(guò)剩的電量，根據(jù)能源系統(tǒng)中供應(yīng)側(cè)管理和需求側(cè)管理的思想，在可再生能源制氫與波動(dòng)性氫氣負(fù)荷耦合系統(tǒng)中，可通過(guò)公用工程氫氣調(diào)整氫氣負(fù)荷需求特性，并通過(guò)電力入網(wǎng)調(diào)整發(fā)電側(cè)特性。

針對(duì)可再生能源制氫與波動(dòng)性氫氣負(fù)荷耦合系統(tǒng)，在滿足波動(dòng)氫氣負(fù)荷需求的前提下，本文提出可再生能源發(fā)電入網(wǎng)調(diào)整發(fā)電側(cè)和通過(guò)氫氣公用工程調(diào)整氫氣負(fù)荷側(cè)波形的協(xié)同調(diào)控策略，目的在于提高可再生能源耦合波動(dòng)性氫氣負(fù)荷需求的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，并研究需求側(cè)氫氣負(fù)荷的波動(dòng)幅度和周期變化波動(dòng)等特性對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)特性的影響。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與問(wèn)題描述

圖1 可再生能源和氫氣公用工程共同供給煉廠氫氣需求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the coupling system for renewable energy and fluctuating hydrogen demands

圖1 為采用可再生能源和氫氣公用工程共同供給波動(dòng)性氫氣負(fù)荷需求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。可再生能源側(cè)PV 和風(fēng)機(jī)(wind turbines，WT)產(chǎn)生的電用于電解水制氫氣。對(duì)于可再生能源發(fā)電側(cè)，電力可以進(jìn)入電網(wǎng)、儲(chǔ)存在電池(battery energy storage system，BESS)，制氫后存貯在氫氣儲(chǔ)罐1(hydrogen tank，HT1)中，或者棄電；對(duì)于氫氣負(fù)荷側(cè)，可采用可再生能源和氫氣公用工程共同供給煉油廠氫氣需求，或者使用儲(chǔ)罐中的氫氣。考慮到氫氣公用工程的穩(wěn)定性要求，需要配置氫氣儲(chǔ)罐2(hydrogen tank，HT2)。對(duì)于上述系統(tǒng)，本文根據(jù)煉油廠的氫氣需求情況，以系統(tǒng)的總費(fèi)用最小為目標(biāo)，獲得該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作特性。

在系統(tǒng)中，發(fā)電側(cè)由當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光等自然條件決定，負(fù)荷側(cè)的氫氣需求由煉油廠的氫氣系統(tǒng)決定，例如在煉油工藝的實(shí)際生產(chǎn)中，由于原油處理量和品質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量要求、柴汽比要求、催化劑活性衰減、工藝升級(jí)、季節(jié)更替和市場(chǎng)價(jià)格等內(nèi)外部因素的變化，煉油廠的不同加工方案導(dǎo)致其氫氣網(wǎng)絡(luò)操作工況的切換和操作條件的變化，氫氣需求呈現(xiàn)波動(dòng)性。本文通過(guò)比較分析典型氫氣負(fù)荷波形下的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，研究負(fù)荷側(cè)的氫氣波動(dòng)特性對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性的影響，闡明負(fù)荷端氫氣波動(dòng)特性對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)特性的影響規(guī)律。

在此基礎(chǔ)上，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文提出了通過(guò)電力入網(wǎng)和氫氣公用工程協(xié)同調(diào)控發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)波形以降低系統(tǒng)的總費(fèi)用的策略。在本文系統(tǒng)中，負(fù)荷側(cè)的氫氣由可再生能源和公用工程氫氣共同供給，因此可以考慮在公用工程穩(wěn)定流率限制的基礎(chǔ)上，通過(guò)公用工程氫氣調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)的波形，穩(wěn)定的電力入網(wǎng)作為可再生能源發(fā)電過(guò)剩量的出口，或通過(guò)電力入網(wǎng)調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的匹配。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)圖1 所示系統(tǒng)，本文以年度化總費(fèi)用(total annual cost，TAC)最小化為目標(biāo)，總費(fèi)用包括系統(tǒng)壽命期間內(nèi)光伏、風(fēng)機(jī)、電池系統(tǒng)、電解槽和氫氣儲(chǔ)罐的投資和維護(hù)費(fèi)用以及外部氫氣公用工程供氫的費(fèi)用，系統(tǒng)的收益為副產(chǎn)氧氣的銷售收益和電力入網(wǎng)的收益。

該系統(tǒng)的年度化總費(fèi)用包括系統(tǒng)的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用并減去收益，可表示為

式中：Ctotal為總費(fèi)用； Cinv為系統(tǒng)的投資費(fèi)用； Cope為系統(tǒng)的操作費(fèi)用； Cinc為系統(tǒng)的收益。

該系統(tǒng)的年度化投資費(fèi)用為在系統(tǒng)壽命期限內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組件的投資費(fèi)用轉(zhuǎn)化的年度化費(fèi)用，系統(tǒng)的操作費(fèi)用包括系統(tǒng)中各個(gè)組件在一年內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用和氫氣公用工程供氫費(fèi)用。

式中：Li為系統(tǒng)中各個(gè)組件的壽命；r 為利率。

為了評(píng)價(jià)可再生能源產(chǎn)生氫氣在氫氣需求中所占的份額，本文定義可再生能源產(chǎn)生的氫氣占負(fù)荷端氫氣需求的比例為可再生能源的滲透率ζ ，表示為

3.2 約束條件

3.2.1 可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電側(cè)電力來(lái)自風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電，滿足

PEMEC制氫氣時(shí)輸出氫氣的壓力為3 MPa，需要將氫氣壓縮至20 MPa儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)罐(HT1)中[22-23]，氫氣公用工程輸出氫氣的壓力為2.1 MPa，需要將氫氣壓縮至20 MPa 儲(chǔ)存在氫氣儲(chǔ)罐(HT2)中，壓縮機(jī)的功率可表示為[24]

3.2.3 氫氣需求平衡

為了滿足負(fù)荷側(cè)氫氣需求，對(duì)于第k 時(shí)間段，由電解水產(chǎn)生的氫氣、氫儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的氫氣和外部氫氣公用工程共同滿足氫氣需求，表示為

對(duì)于將運(yùn)行周期劃分多個(gè)子周期的系統(tǒng)，也可使氫氣公用工程在各個(gè)子周期內(nèi)保持穩(wěn)定流率，因此氫氣公用工程的穩(wěn)定性約束可以修正為

式中：m 為所劃分的子周期的數(shù)目，代表各個(gè)子周期內(nèi)公用工程氫氣的穩(wěn)定流率約束；K 為總的時(shí)間段；T 為每個(gè)子周期的時(shí)間；T=K/m。該約束表示公用工程氫氣需要在各個(gè)子周期內(nèi)分別保持穩(wěn)定流率，但各子周期內(nèi)平均流率是獨(dú)立的。

進(jìn)入電網(wǎng)的電可直接來(lái)自可再生能源發(fā)電側(cè)，也可來(lái)自電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可表示為

當(dāng)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連接，并且可以將過(guò)剩電量供入電網(wǎng)時(shí)，為避免波動(dòng)性和間歇性的可再生能源發(fā)電側(cè)的大幅度波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，本文限制在某一區(qū)間內(nèi)入網(wǎng)功率波動(dòng)，表示為

式中：Gα 為入網(wǎng)功率的波動(dòng)率；GSP 為電力上網(wǎng)的功率的約束。

對(duì)于子周期m，電力入網(wǎng)功率穩(wěn)定性約束可以修正為

4 案例分析

4.1 基礎(chǔ)參數(shù)

對(duì)圖1 所示的系統(tǒng)，本文計(jì)算分析的基準(zhǔn)時(shí)間為一年。發(fā)電側(cè)數(shù)據(jù)包括某地風(fēng)力發(fā)電的容量因子[25]和光伏發(fā)電的容量因子[26]，如圖2 所示。該系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)為某煉油廠的波動(dòng)氫氣需求，氫氣需求變化特性(如變化幅度和周期)為煉油廠中不同加工方案下的典型變化特性。本文根據(jù)某煉油廠的平均氫氣負(fù)荷需求，在保持一年內(nèi)氫氣需求總量恒定的條件下，研究負(fù)荷側(cè)波動(dòng)特性對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)的影響特性。

圖2 可再生能源發(fā)電側(cè)的容量因子Fig.2 Capacity factors of the renewable energy generation side

圖3 給出典型的負(fù)荷側(cè)氫氣需求的幅度和周期變化特性。圖3 (a)中為基準(zhǔn)負(fù)荷和氫氣負(fù)荷波形，其變化的周期為1，變化幅度為基準(zhǔn)負(fù)荷的5%、10% 和15%；圖3 (b)為氫氣負(fù)荷波形的變化幅度為基準(zhǔn)負(fù)荷的10%時(shí)，變化周期為1、2 和3 時(shí)的情況，其他變化情況以此類推。本文中氫氣負(fù)荷的平均流率為2 320 kg·h-1。

圖3 典型的負(fù)荷側(cè)氫氣需求變化特性Fig.3 Typical variation characteristics of hydrogen demand

表1 和2 分別給出光伏、風(fēng)機(jī)和電解槽以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)中氫氣公用工程的費(fèi)用為2.05 $·kg-1，氧氣的銷售價(jià)格是0.16 $·kg-1[27]，利率為5%。

表1 光伏、風(fēng)機(jī)和電解槽經(jīng)濟(jì)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)Table 1 Techno-economic parameters of the WT, PV and electrolyzer

本文的模型方程(式(1)～(34))為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)模型。本文采用CPLEX 求解器在GAMS軟件平臺(tái)上求解，相對(duì)誤差為3%，計(jì)算機(jī)為Intel(R) Xeon(R) i7-8700 CPU@3.20 GHz。

4.2 計(jì)算結(jié)果的分析與討論

4.2.1 氫氣負(fù)荷波形幅度和周期的影響

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)Table 2 Techno-economic parameters of the storage system

本文分析設(shè)定可再生能源發(fā)電的棄電率不超過(guò)5%，可再生能源的滲透率為80%，在基準(zhǔn)場(chǎng)景中，氫氣需求為全年平均氫氣負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的總費(fèi)用和各組件的容量配置如表3 所示，系統(tǒng)的總費(fèi)用為6.80×107$，光伏容量為4.74×105kW，風(fēng)電容量為3.62×105kW，該系統(tǒng)中光伏和風(fēng)機(jī)聯(lián)合配置的效果最佳。電解槽容量為1.11×105kW，儲(chǔ)能電池的容量為0，氫氣儲(chǔ)罐HT1 的容量為6.73×104kg。氫氣儲(chǔ)罐HT2 的容量為1.16×105kg，入網(wǎng)率為26.0%，棄電率達(dá)到其上限5%。系統(tǒng)中壓縮機(jī)的費(fèi)用為1.20×106$，占總費(fèi)用的1.76 %，這說(shuō)明壓縮機(jī)的成本相對(duì)于總費(fèi)用而言很小，即使系統(tǒng)中計(jì)入氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)能時(shí)壓縮機(jī)的耗電量和壓縮機(jī)的成本，配置氫氣儲(chǔ)罐的經(jīng)濟(jì)性依然是優(yōu)于配置電池的。

表3 基準(zhǔn)場(chǎng)景中系統(tǒng)的總費(fèi)用和各組件的容量配置Table 3 TAC and optimal configuration of the system in the base case

圖4 氫氣負(fù)荷波動(dòng)的幅度變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.4 Effects of amplitude variation of hydrogen demand on economy of the system

當(dāng)氫氣負(fù)荷波動(dòng)周期為1、波動(dòng)幅度為5%～40% 時(shí)，氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)特性的影響如圖4、5 所示。由圖4 可見(jiàn)，隨著波動(dòng)幅度的增大，該系統(tǒng)的總費(fèi)用增大。當(dāng)波動(dòng)幅度為10%時(shí)，系統(tǒng)的總費(fèi)用為9.09×107$，較基準(zhǔn)場(chǎng)景增加了33.6%。這說(shuō)明當(dāng)氫氣負(fù)荷的總量恒定時(shí)，氫氣負(fù)荷波形的幅度變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的總費(fèi)用產(chǎn)生很大影響。系統(tǒng)發(fā)電的入網(wǎng)率在27%～32%變化。圖5 給出各個(gè)組件的容量配置情況，由圖可見(jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的增加最為顯著，電解槽的容量基本不變，可再生能源側(cè)的總?cè)萘炕静蛔?，主要是PV 和WT 的配置比例發(fā)生了變化，隨著波動(dòng)幅度的增加，PV 的配置比例增大。這是因?yàn)楫?dāng)氫氣負(fù)荷的波動(dòng)幅度發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的匹配特性發(fā)生了變化，發(fā)電側(cè)可以通過(guò)改變PV 和WT 的相對(duì)容量大小調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)的波形以應(yīng)對(duì)負(fù)荷側(cè)波形變化。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的顯著增加是因?yàn)樵谪?fù)荷側(cè)變化幅度大，存在高峰期情況下，為滿足高峰期的負(fù)荷需求，可再生能源側(cè)的總發(fā)電量會(huì)增大，這將導(dǎo)致發(fā)電側(cè)總發(fā)電量遠(yuǎn)大于負(fù)荷側(cè)的總需求量，由于本案例限定了系統(tǒng)的棄電率不超過(guò)5%，多余的電量只能以氫氣的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，造成儲(chǔ)能系統(tǒng)容量增大。

圖5 氫氣負(fù)荷波動(dòng)的幅度變化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性的影響Fig.5 Effects of amplitude variation of the hydrogen demand on the design characteristics of the system

當(dāng)氫氣需求波動(dòng)幅度為10%、周期數(shù)為1～10時(shí)，氫氣需求波動(dòng)的周期變化對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)特性的影響如圖6、7 所示，圖6 中黑色點(diǎn)為實(shí)際數(shù)據(jù)，曲線為擬合曲線。由圖6 可見(jiàn)，總費(fèi)用隨著波動(dòng)周期的增大，總體趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)，但在部分周期會(huì)有波動(dòng)，且當(dāng)周期數(shù)大于6 時(shí)，總費(fèi)用的降低減緩，周期數(shù)為6 時(shí)的總費(fèi)用較基準(zhǔn)場(chǎng)景增加了2.9%。這說(shuō)明隨著周期數(shù)的增加，系統(tǒng)總費(fèi)用越接近于基準(zhǔn)場(chǎng)景。這是因?yàn)榘l(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的匹配程度是由負(fù)荷側(cè)的變化周期和發(fā)電側(cè)的容量因子共同決定的。由于發(fā)電側(cè)的變化頻率高，只有當(dāng)負(fù)荷側(cè)的變化周期數(shù)增大，即負(fù)荷側(cè)的變化頻率也增加時(shí)，兩者匹配的概率增大，系統(tǒng)的總費(fèi)用則可能降低。

圖6 氫氣負(fù)荷波動(dòng)的周期數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.6 Effects of period variation of the hydrogen demand on the economy of the system

圖7 氫氣負(fù)荷波動(dòng)的周期數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性的影響Fig.7 Effects of period variation of the hydrogen demand on the design characteristics of the system

本文中，氫氣負(fù)荷變化的周期數(shù)為6 時(shí)，氫氣負(fù)荷的波形是按月變化的，這說(shuō)明在氫氣負(fù)荷按月變化可以有效降低系統(tǒng)的總費(fèi)用，且再增加變化的頻率對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響不大。隨著周期的變化，系統(tǒng)的入網(wǎng)率在27% 上下波動(dòng)。系統(tǒng)各個(gè)組件的容量變化隨周期變化無(wú)明顯規(guī)律，這表明系統(tǒng)的總費(fèi)用降低是各個(gè)組件協(xié)調(diào)優(yōu)化的結(jié)果。

綜上所述，隨著氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度的增大，系統(tǒng)的總費(fèi)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量增加；隨著氫氣負(fù)荷波動(dòng)周期的增加，系統(tǒng)的總費(fèi)用降低，且當(dāng)周期數(shù)大于6 時(shí)，總費(fèi)用變化幅度較小。

4.2.2 電力入網(wǎng)和氫氣公用工程對(duì)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)波形的調(diào)控策略及影響

上一節(jié)的分析表明，負(fù)荷側(cè)的波形幅度和周期變化對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和容量配置具有顯著影響，且負(fù)荷側(cè)為恒定值時(shí)系統(tǒng)總費(fèi)用最低。根據(jù)該特點(diǎn)，本文提出通過(guò)氫氣公用工程調(diào)控氫氣負(fù)荷特性，通過(guò)電力入網(wǎng)調(diào)控發(fā)電側(cè)變化的調(diào)控策略，通過(guò)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的最優(yōu)匹配，以達(dá)到降低系統(tǒng)總費(fèi)用的目的。

根據(jù)上述特點(diǎn)，在氫氣負(fù)荷變化時(shí)，本文分別通過(guò)限制公用工程、電力入網(wǎng)功率在各個(gè)子周期內(nèi)的穩(wěn)定性，采用不同的調(diào)控策略研究系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本文的調(diào)控策略如下：

(1) 氫氣公用工程調(diào)節(jié)：僅限制氫氣公用工程在各個(gè)子周期內(nèi)保持穩(wěn)定性，用HU 表示；

(2) 電力入網(wǎng)調(diào)節(jié)：僅限制電力入網(wǎng)功率在各個(gè)子周期內(nèi)保持穩(wěn)定性，用Grid 表示；

(3) 氫氣公用工程和電力入網(wǎng)同時(shí)調(diào)節(jié)：同時(shí)限制氫氣公用工程和入網(wǎng)功率在各個(gè)子周期內(nèi)保持穩(wěn)定性，用HU+Grid 表示。

為了便于對(duì)比效果，本文將對(duì)比采用調(diào)控策略與無(wú)調(diào)控策略下系統(tǒng)的總費(fèi)用隨波動(dòng)幅度變化，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示，圖中給出氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度和周期數(shù)變化時(shí)調(diào)控策略對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

圖8 氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度和周期數(shù)變化時(shí)調(diào)控策略對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響Fig.8 Effects of control strategies on system economy with amplitude and period variation of hydrogen demands

由圖8(a)可見(jiàn)，各種調(diào)控策略都可有效降低系統(tǒng)總費(fèi)用，效果排序?yàn)镠U+Grid＞HU＞Grid。例如，在波動(dòng)幅度為20% 時(shí)，HU+Grid、HU 和Grid 調(diào)控策略下總費(fèi)用較基準(zhǔn)場(chǎng)景分別降低了50.8%、50.6% 和32.4%。這是因?yàn)樵谪?fù)荷波形的高峰期時(shí)，氫氣公用工程可削弱負(fù)荷波形高峰期的幅度；在負(fù)荷波形的低谷期，電力入網(wǎng)可消納過(guò)剩的可再生能源發(fā)電量。氫氣公用工程和電力入網(wǎng)分別從負(fù)荷側(cè)和發(fā)電側(cè)出發(fā)，通過(guò)調(diào)節(jié)波形，提高了發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的匹配程度，從而降低了系統(tǒng)總費(fèi)用。

當(dāng)采用氫氣公用工程(HU)調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)波形時(shí)，當(dāng)氫氣需求負(fù)荷變化幅度小于20% 時(shí)，不同幅度下系統(tǒng)的總費(fèi)用基本相同，約為6.70×107$；當(dāng)負(fù)荷波形變化幅度大于20% 時(shí)，隨著波動(dòng)幅度的增加，系統(tǒng)的總費(fèi)用增大。這說(shuō)明當(dāng)波形變化幅度小于20% 時(shí)，氫氣公用工程可以有效調(diào)節(jié)負(fù)荷側(cè)波形從而降低系統(tǒng)的總費(fèi)用；而當(dāng)變化幅度大于20% 時(shí)，氫氣公用工程達(dá)到了其調(diào)節(jié)能力的上限，只能在原始波形的基礎(chǔ)上削弱幅度，使得調(diào)整后的波形較原始波形的費(fèi)用有所降低。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)定可再生能源滲透率為80% 時(shí)，氫氣公用工程供給負(fù)荷占比20%，因而氫氣公用工程的調(diào)節(jié)上限就是幅度為20%，當(dāng)幅度大于20% 時(shí)，氫氣公用工程只能在其原有波形基礎(chǔ)上削弱幅度，但已無(wú)法調(diào)整到能與發(fā)電側(cè)合理匹配的最優(yōu)波形。然而，當(dāng)采用氫氣公用工程和電力入網(wǎng)同時(shí)調(diào)節(jié)(HU+Grid)共同調(diào)控時(shí)，在波動(dòng)幅度大于20%時(shí)總費(fèi)用的變化依然比較平緩。這說(shuō)明，當(dāng)同時(shí)采用這兩個(gè)調(diào)控策略時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于波動(dòng)幅度的變化的敏感度急劇降低，且受可再生能源滲透率，即公用工程供給比例的影響減弱。

當(dāng)氫氣負(fù)荷波動(dòng)的周期數(shù)變化時(shí)，不同的調(diào)控策略對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響如圖8(b)所示，各種調(diào)控策略降低總費(fèi)用的效果排序?yàn)镠U+Grid＞ Grid ＞ HU，且采用氫氣公用工程和電力入網(wǎng)同時(shí)調(diào)節(jié)(HU+Grid)的總費(fèi)用變化趨勢(shì)與電力入網(wǎng)調(diào)節(jié)(Grid)下的相同。這是因?yàn)楫?dāng)入網(wǎng)功率的穩(wěn)定性限制松弛之后，由于電力入網(wǎng)售電會(huì)產(chǎn)生很大收益，該系統(tǒng)在權(quán)衡可再生能源的配置費(fèi)用和入網(wǎng)收益的基礎(chǔ)上，傾向于配置更多的可再生能源用于入網(wǎng)以抵消系統(tǒng)的部分成本。

5 結(jié) 論

針對(duì)可再生能源制氫與波動(dòng)性氫氣負(fù)荷耦合系統(tǒng)，在滿足波動(dòng)氫氣負(fù)荷需求的前提下，本文提出可再生能源發(fā)電入網(wǎng)調(diào)整發(fā)電側(cè)和通過(guò)氫氣公用工程調(diào)整氫氣負(fù)荷側(cè)波形的協(xié)同調(diào)控策略，目的在于提高可再生能源耦合波動(dòng)性氫氣負(fù)荷需求的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。為了降低系統(tǒng)的總費(fèi)用，基于氫氣負(fù)荷需求側(cè)管理方法，本文提出了通過(guò)電力入網(wǎng)和氫氣公用工程對(duì)發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)波形進(jìn)行調(diào)控的策略，并分析了氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度和周期變化時(shí)，不同調(diào)控策略對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

研究表明，負(fù)荷側(cè)的氫氣波形幅度和周期變化對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和容量配置具有顯著影響。隨著氫氣負(fù)荷側(cè)波動(dòng)幅度的增大，系統(tǒng)的總費(fèi)用增大。在本文案例中，當(dāng)氫氣負(fù)荷波動(dòng)幅度為10% 時(shí)，總費(fèi)用較基準(zhǔn)場(chǎng)景增加了33.6%。隨著氫氣需求波動(dòng)周期的增加，總費(fèi)用總體趨勢(shì)減小，但在部分周期下會(huì)有波動(dòng)。當(dāng)氫氣負(fù)荷側(cè)波動(dòng)的周期數(shù)為1、波動(dòng)幅度為20% 時(shí)，氫氣公用工程和電力入網(wǎng)同時(shí)調(diào)節(jié)(HU+Grid)、氫氣公用工程調(diào)節(jié)(HU)和電力入網(wǎng)調(diào)節(jié)(Grid)調(diào)控策略下的系統(tǒng)總費(fèi)用較未施加調(diào)控策略的系統(tǒng)分別降低了50.8%、50.6% 和32.4%。這表明氫氣公用工程和電力入網(wǎng)的調(diào)控策略可以有效降低系統(tǒng)的總費(fèi)用。當(dāng)波動(dòng)幅度變化時(shí)，同時(shí)采用氫氣公用工程和電力入網(wǎng)同時(shí)調(diào)節(jié)的調(diào)控策略時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)于波動(dòng)幅度變化的敏感度降低，且受可再生能源滲透率的影響減弱。本文根據(jù)氫氣負(fù)荷典型的波形變化分析了典型波形變化對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的影響和采用調(diào)控策略的有效性。在實(shí)際中，氫氣負(fù)荷的變化特性較復(fù)雜，如何根據(jù)實(shí)際波形變化特性對(duì)需求側(cè)進(jìn)行有效管理以提高耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，值得深入研究。