孫子茹，艾芊，居來提·阿不力孜，何峰，袁少偉

(1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2. 國網新疆電力有限公司 烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著雙碳戰(zhàn)略與新型電力系統(tǒng)建設的推進，可再生能源占比日益增加，但受自然環(huán)境影響具有明顯季節(jié)性出力波動，難以完全貼合負荷曲線波動，能源系統(tǒng)在冬夏季節(jié)供不應求，而在春秋季節(jié)供大于求，在特殊極端天氣情況下，新能源可能連續(xù)多日處于低出力狀態(tài)，加劇了供需平衡的不確定性，進一步擴大供能缺口。在系統(tǒng)中引入“儲”元素削減可再生能源的不確定性是行之有效的策略，國家已經出臺了一系列政策指導意見[1-4]，但較多集中在電化學儲能、抽水蓄能等儲能形式，而化學儲能、抽水蓄能受制于建設地理要求高、存儲容量與經濟性制約、儲存能量耗散率高、后續(xù)回收利用難等多種因素，難以參與周、月等更長時間尺度的運行優(yōu)化，因此需要進一步研究大規(guī)模、長時間、寬領域的季節(jié)性儲能（seasonal energy storage，SES）。

氫儲能可以在實現(xiàn)電-氫-電跨能源形式轉變基礎上，利用儲氫罐滿足長時間儲能及運輸需求，滿足季節(jié)性儲能長時間尺度、跨能源形式、空間可運輸3個關鍵特征[5]，除此之外，隨著電解水制氫技術的不斷進步，利用富余的可再生能源制氫成本不斷降低，能夠適應可再生能源發(fā)展配套規(guī)?；铱梢宰鳛闊o污染的綠色燃料參與到二氧化碳處理和資源化利用過程中[6]，因此氫儲能是未來具有應用潛力的季節(jié)性儲能系統(tǒng)。文獻[7]總結歸納了氫氣目前的儲運方式及技術研究現(xiàn)狀。文獻[8]針對未來中國西部高比例新能源電源對外輸送及消納問題，提出了近期和遠期西部電氫綜合能源電力網的初步構建方案。文獻[9]分析了新能源電制-儲氫耦合的能源系統(tǒng)結構形態(tài)、利用模式。文獻[10]評估了氫儲能對電力系統(tǒng)時域分析的影響。文獻[11-12]提出了電氫綜合能源系統(tǒng)魯棒優(yōu)化模型，根據(jù)不同研究目標得到了多種可參考運行策略。但目前大多數(shù)含氫的綜合能源運行優(yōu)化策略研究聚焦在較小的園區(qū)內，部分研究使用氫燃料電池進行氫轉電，沒有考慮到燃料電池本身造價成本高昂等弊端，難以運用在實際大容量綜合能源系統(tǒng)中，因此需要尋求更好的氫電耦合方式。

由于氫氣燃燒產物無污染，因此氫氣被視為未來低碳能源的重要形式，但傳統(tǒng)火電機組及燃氣機組難以短時間內被完全取代，因此碳捕集、利用與封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS )技術結合傳統(tǒng)電廠成為目前關鍵低碳技術之一，碳排放權交易機制也應運而生。文獻[13]在園區(qū)內引入碳捕集及儲碳設備，建立了考慮碳交易的多能源園區(qū)日前經濟調度模型。文獻[14]研究了碳捕集火電機組參與電能市場以及碳交易市場的效益最優(yōu)策略。但目前大部分研究都集中在日前時間尺度，缺乏對年度運行計劃的相關研究，沒有考慮中長期管控能源系統(tǒng)碳排量的合理性及經濟性，因此需要進一步研究綜合能源系統(tǒng)如何用較少的碳成本完成長期的減排目標。

本文首先在傳統(tǒng)電-氣-熱-冷的綜合能源系統(tǒng)基礎上，考慮了氫能和碳能的耦合作用，以電解水反應裝置及燃氫輪機作為電-氫-電能量轉換設備，儲氫設備解決了氫電耦合季節(jié)性不匹配的矛盾，用碳捕集-碳封存設備和氫氣甲烷化反應裝置控制二氧化碳的排放及利用，提出了考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架，并對系統(tǒng)內關鍵設備建立數(shù)學模型。其次，結合現(xiàn)有碳交易日市場提出了中長時間尺度期貨式碳交易機制，在控制系統(tǒng)年碳排量的同時，給予系統(tǒng)更高的自由調節(jié)空間。隨后，在傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)基礎上，綜合考慮了系統(tǒng)的各項成本，提出了經濟成本最優(yōu)的多目標函數(shù)模型，并利用改進差分進化算法對模型進行求解。最后，選取新疆東部某風光水新能源基地為例，驗證了所提方法的可行性與經濟性。

1 考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)

1.1 考慮碳流的綜合能源系統(tǒng)框架

為促進可再生能源的消納利用，平抑系統(tǒng)凈負荷季節(jié)性波動，本文在傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)基礎上增加了電解水制氫、儲氫以及燃氫輪機設備，通過考慮氫-電耦合關系使氫能作為季節(jié)性儲能發(fā)揮“低儲高發(fā)”作用?？紤]低碳經濟影響在系統(tǒng)內引入碳能流，增加了可調節(jié)碳捕集裝置以及碳封存和氫氣甲烷化反應。新增的電解水反應和氫氣甲烷化反應都是高溫反應，其反應過程余熱進一步回收耦合到熱網中再利用。冷、熱負荷具有季節(jié)互補特性，可通過吸收式制冷機組進行能量轉化，燃氣鍋爐、電制冷裝置作為補充備用機組。本文提出的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架Fig. 1 Framework for an integrated multi-energy coupled energy system with carbon flows

1.2 綜合能源系統(tǒng)內關鍵設備數(shù)學模型

1.2.1 電解水制氫

1.2.2 儲氫

1.2.3 燃氫輪機

1.2.4 碳捕集設備

1.2.5 氫氣甲烷化

2 期貨式碳交易機制

碳交易機制的提出使碳排放量成為可交易的商品，通過市場經濟手段刺激發(fā)電企業(yè)控制碳排放量，從而達到社會節(jié)能減排的目標。傳統(tǒng)碳交易機制依賴政府相關部門分配的免費碳排放份額，實際超出或不足部分則根據(jù)每日碳交易價格進行買賣。碳交易市場已經在北京、上海、廣州等7個試點進行嘗試，但目前依舊處于弱態(tài)有效市場，免費限額配置過多、市場交易方式局限、市場環(huán)境落后等問題造成市場效率低下[23-24]。

隨著“雙碳”目標的提出與確立，全國減排目標細化下分至各省級相關監(jiān)管部門，從長時間尺度的規(guī)劃目標角度考慮，可在現(xiàn)有傳統(tǒng)短期日交易機制基礎上增加長期期貨式交易機制，具體流程如圖2所示。

圖2 期貨式碳交易流程Fig. 2 Flow chart of futures-based carbon trading

該機制降低了給予電廠等碳排放源企業(yè)的免費碳排放份額，但允許企業(yè)以低于市場實時交易的價格進行年碳排量的期貨購買，具體可購買量的上限由相關政府部門根據(jù)去年企業(yè)碳排量的實際情況，結合當?shù)卣w減碳目標進行評估確定。在期貨合同約定的一年內，企業(yè)可根據(jù)自身運行特性進行碳排量的調整，在碳排量富余或緊缺時，依舊可以選擇是否參與到傳統(tǒng)的碳交易日市場中。最后，監(jiān)管部門進行年度核算，若發(fā)現(xiàn)超出約定的年碳排量，相關企業(yè)將受到巨額懲罰且下一年期貨購買價格提高，若沒有超出則給予獎勵且下一年期貨購買價格適當降低。

該交易機制給予了企業(yè)更高的碳排靈活性，但對企業(yè)年度運行規(guī)劃及實施把控的精準度提出了更高要求。企業(yè)在一年營業(yè)期間內通常存在旺季和淡季，該交易機制使企業(yè)避免在旺季高價購買大量碳排權，而在淡季低價售出碳排權。企業(yè)在約定的時間內還可以參與傳統(tǒng)日交易市場，以比期貨購買成本高的價格售出富余的碳排權，只要保證在年度核算時，總碳排量不超過年初購買期貨量即可。

該交易機制可有效結合每個階段減碳目標，刺激碳排源企業(yè)升級產業(yè)低碳技術的同時，減少企業(yè)成本增加壓力，而且保證了傳統(tǒng)碳交易日市場的價格穩(wěn)定性，有利于碳交易市場長遠發(fā)展。

基于以上機制，綜合能源系統(tǒng)購買期貨式碳排權成本Ccm可表示為

3 綜合能源系統(tǒng)年度規(guī)劃模型

3.1 目標函數(shù)

3.1.1 投資成本

3.1.2 運行成本

3.1.3 碳成本

3.1.4 懲罰成本

3.2 約束條件

3.2.1 綜合能源系統(tǒng)供需約束

3.2.2 常規(guī)機組出力約束

3.3 模型求解

針對上述優(yōu)化模型，采用改進差分進化算法（modified differential evolution，MDE）進行求解。MDE是一種基于群體的啟發(fā)式搜索算法，與遺傳算法類似都包括變異、雜交和選擇操作，根據(jù)算法中變異過程原理改進變異算子F，可以提高尋優(yōu)效率。參考文獻[23]中自適應變異算子及算法參數(shù)設置，基于Matlab軟件Yalmip工具，調用Gurobi求解器進行計算，基本流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)化模型求解流程Fig. 3 Flowchart of optimization model solution process

4 算例分析

4.1 算例背景

選取新疆東部某風光水新能源基地為場景，基地風、光、水電年出力如圖4所示。該基地的清潔能源參與了“疆電外送”項目，外送電負荷及本地自用的冷熱氫電負荷曲線如圖5所示，該部分氫負荷是為地區(qū)燃氫電動車預留的加氫站內常規(guī)負荷。以周為時間顆粒對基地的多能流綜合能源系統(tǒng)進行年度運行優(yōu)化，系統(tǒng)設備參數(shù)見表1～3，其中3號燃氣輪機為燃氫輪機，最大出力為最大可建設容量。

圖4 風/光/水電最大出力值Fig. 4 Maximum output power of wind power/photovoltaic/hydropower

圖5 負荷需求曲線Fig. 5 Load demand curve

表1 火電機組參數(shù)Table 1 Thermal power unit parameters

表2 燃氣輪機參數(shù)Table 2 Gas turbines parameters

表3 設備參數(shù)Table 3 Equipment parameters

4.2 規(guī)劃結果分析

本文設置3種規(guī)劃案例對比分析。案例1：采用本文提出的多能流密切耦合的綜合能源系統(tǒng)；案例2：不考慮系統(tǒng)內電解水反應過程中余熱利用，不考慮氫氣甲烷化反應；案例3：不考慮氫氣燃氣輪機。

規(guī)劃結果如表4、表5所示。由表4、表5可看出，案例1總成本最低，案例2由于沒有考慮余熱利用，導致在春秋季節(jié)傳統(tǒng)燃氣輪機須增加出力供給熱能，使燃料成本和碳成本增加了約3.1%，而不考慮氫氣甲烷化反應導致可再生能源制氫量減少，棄風、棄光的懲罰成本增加了3 294.58萬元。案例3將制取氫氣全部轉換為甲烷，減少了購買天然氣量，燃料成本減少了4.30%，但制取甲烷提高了系統(tǒng)整體運行成本。除此之外，由于未考慮燃氫輪機的出力，使傳統(tǒng)火電機組和傳統(tǒng)燃氣輪機出力增長，導致購買碳排權以及碳封存的成本增長了4 267.07萬元，且在夏季峰值時刻由于缺少燃氫輪機出力，出現(xiàn)了約1.12%的失負荷量，造成了1 100.40萬元的懲罰成本。

表4 優(yōu)化后容量規(guī)劃配置Table 4 Optimized capacity planning configuration

表5 成本目標函數(shù)分析Table 5 Cost objective function analysis

由此可見，本文提出的綜合能源系統(tǒng)能充分考慮多種能量耦合關系，使系統(tǒng)具有更好的經濟效益，提高了可再生能源利用率，滿足了碳排量要求，提高了系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

4.3 機組中長期尺度運行優(yōu)化分析

在案例1規(guī)劃建設的基礎上，對各機組出力特性進行分析，結果如圖6所示。由圖6可知，在春季和秋季由于負荷需求較小且可再生能源出力較多，因此系統(tǒng)內機組出力較小，可在春秋季節(jié)安排檢修計劃。在冬季和夏季，各機組處于滿載狀態(tài)，燃氫輪機在負荷高峰時刻進行燃氫出力，保證系統(tǒng)不出現(xiàn)切負荷情況。

圖6 火電機組、燃氣輪機出力曲線Fig. 6 Output curves of thermal power units and gas turbines

圖7為系統(tǒng)內多種燃氣輪機和多能耦合反應過程的熱出力曲線，整個系統(tǒng)熱能需求基本可通過多能耦合過程的余熱滿足，不需要額外通過燃氣鍋爐增加出力。在傳統(tǒng)燃氣輪機出力較少的春秋季節(jié)，電解水反應產生的余熱承擔了熱負荷需求。氫氣甲烷化反應在系統(tǒng)內受限于氫氣富余量，因此對整體系統(tǒng)提供熱能較少，但依然有效承擔了部分熱負荷，未來有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖7 燃氣機組和多能耦合反應過程熱出力曲線Fig. 7 Heat output curves for units and multi-energy coupled reaction processes

圖8為冷能機組出力曲線，冷能優(yōu)先通過雙效吸收制冷機將富余的熱能轉化成冷能，但由于傳統(tǒng)燃氣輪機和燃氫輪機夏季出力時間集中在27～34周，因此系統(tǒng)仍需要電制冷機組進行出力填補冷負荷需求缺口。

圖8 冷能機組出力曲線Fig. 8 Output curves for chillers

4.4 系統(tǒng)制-儲-用氫的季節(jié)性優(yōu)化分析

圖9為電解水裝置制氫反應曲線。圖10為季節(jié)性氫儲能的充放及整體容量狀態(tài)曲線，可以看出氫能的制-儲-用環(huán)節(jié)具有明顯的季節(jié)性。在凈負荷曲線最容易出現(xiàn)棄風、棄光、棄水時間段，電解水裝置集中制氫并儲存。存儲的氫能一方面在其他無多余風光制氫的時間段內滿足常規(guī)氫氣負荷需求，防止出現(xiàn)因無氫可用而強制制氫的情況；另一方面在電負荷需求峰值時段通過燃氫輪機發(fā)電，緩解傳統(tǒng)機組應對尖峰負荷的壓力，提高傳統(tǒng)機組的年負載率以及系統(tǒng)供電可靠性。

圖9 電解水裝置制氫反應曲線Fig. 9 Hydrogen production reaction curve for electrolytic water plant

圖10 季節(jié)性氫儲能的充放及容量狀態(tài)曲線Fig. 10 Seasonal hydrogen storage charge/discharge and capacity status curves

其中氫儲能在12周的時候選擇存儲氫氣量，而在13周釋放氫能，這是因為綜合考慮到氫氣甲烷化反應需要在13周提供余熱滿足熱負荷需求，而12周的熱能由2號傳統(tǒng)燃氣輪機以及電解水反應提供，側面反映了本文提出的系統(tǒng)充分考慮多種反應過程的能量耦合，有助于提高系統(tǒng)的整體經濟性。

4.5 系統(tǒng)碳排量優(yōu)化分析

燃氫輪機采用純氫為燃料，屬于零碳排放機組，其余常規(guī)火電機組以及傳統(tǒng)燃氣輪機均配有碳捕集裝置，控制機組二氧化碳排放量。假設在案例1設備規(guī)劃容量基礎上采用傳統(tǒng)碳交易模式，免費配額系數(shù) α0提升至0.5，碳交易價格為0.03元/m3，在保持碳排量不變的情況下，碳成本增長了2 495.70萬元。

圖11為本文提出期貨式碳交易情況下系統(tǒng)碳排量、碳捕集量以及碳利用量的年度變化曲線。由于碳捕集裝置會降低機組凈出力，因此在夏季負荷高峰時，不進行碳捕集過程，產生的二氧化碳全部排放，但其余時刻碳捕集裝置發(fā)揮作用控制機組排碳量，使系統(tǒng)全年排碳量控制在購買期貨量之內。

圖11 系統(tǒng)碳捕集-碳排放-碳利用的年度變化曲線Fig. 11 Curves of annual variations of system carbon capture, carbon emission and carbon utilization

氫氣甲烷化過程受制于化學反應原理，對參與的氫氣需求較多，不能作為系統(tǒng)主要的碳利用途徑，大部分二氧化碳進行了封存，未來可多挖掘二氧化碳在工業(yè)生產或轉化為食品飼料等方面的應用。

5 結論

（1）綜合能源系統(tǒng)內增加考慮氫能與電-氣-熱能的耦合，可以平抑系統(tǒng)凈負荷曲線的季節(jié)性峰谷差，提高新能源的消納率，提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)碳排量。

（2）優(yōu)化改造后的綜合能源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮多能耦合的優(yōu)勢，電解水反應和氫氣甲烷化反應產生的余熱能夠承擔春秋季節(jié)的熱負荷需求，降低系統(tǒng)總成本及碳排量。

（3）期貨式碳交易市場給予綜合能源系統(tǒng)更高的碳排靈活性，配合碳捕集裝置的合理利用，可以花費較少的碳成本達到較好的減排效果，有助于實現(xiàn)長時間尺度上的低碳目標。