考虑多重不确定因素的可再生能源制氢场站最优运营策略研究.pdf
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1、29第 43 卷第 4 期能 源 工 程考虑多重不确定因素的可再生能源制氢场站最优运营策略研究杨晶1,孟进州2,家正熙3,贾佳1,张栋顺1,杜逸云1,全恒立1(1.国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100080;2.国家电投集团新疆能源化工有限责任公司,乌鲁木齐 新疆 830000;3.中电投新疆能源化工集团达坂城风电有限公司,乌鲁木齐 新疆 830000)摘要:以可再生能源制氢场站这一新兴能源制造主体为对象,在电力市场环境下研究面对可再生能源出力和电力市场价格的多重不确定性因素时,可再生能源制氢场站最优运营策略模型,制氢场站的运营策略具体包括制氢场站中长期电量合同分解、电力现货市场购电量
2、以及氢气生产计划。首先,建立了可再生能源制氢场站在电力市场环境下的运营框架,并以此为基础建立了可再生能源制氢场站确定性最优决策模型。其次,采用蒙特卡洛抽样和场景缩减方法,将风电出力的不确定性用具有代表性的典型场景进行刻画。接着,建立了基于信息间隙决策理论的计及现货价格不确定性的可再生能源制氢场站最优运营决策模型,该模型给出的决策能够保证可再生能源制氢场站的总成本不高于其最大所能接受的值。最后,通过算例仿真与对比证明了所提方法的有效性。关键词:可再生能源制氢;电力市场;多重不确定性;信息间隙决策理论中图分类号:TK91文献标识码:ADOI:10.16189/j.nygc.2023.04.005O
3、ptimal operation strategy for renewable energy hydrogen production plant considering multiple uncertaintiesYANG Jing1,MENG Jinzhou2,JIA Zhengxi3,JIA Jia1,ZHANG Dongshun1,DU Yiyun1,QUAN Hengli1(1.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100080,China;2.SPIC Xinji
4、ang Energy&Chemical Co.,Ltd.,Urumqi 830000,China;3.CPI Xinjiang Energy&Chemical Group Dabancheng Wind Power Co.Ltd.,Urumqi 830000,China)Abstract:The optimal operation strategy model for renewable energy hydrogen production plant were investigated facing multiple uncertainties of renewable energy out
5、put and power spot market price.First,the framework for operation of renewable energy hydrogen production plant in electricity market environment was established,and a deterministic optimal decision model was constructed.Second,Monte Carlo sampling and scenario reduction methods were used to depict
6、the uncertainty of wind power output with representative typical scenarios.Furthermore,considering the uncertainty of the power spot market price,an optimal operating decision model for renewable energy hydrogen plants based on the information gap decision theory was developed,ensuring the total cos
7、t of renewable energy hydrogen production plant within its maximum acceptable value.Finally,the effectiveness of proposed method was verified through case simulation and comparative analysis.Key words:renewable energy hydrogen production;power market;multiple uncertainties;information gap decision t
8、heory;收稿日期:2023-03-09作者简介:杨晶(1988-),女,湖北天门人,硕士,从事电力市场与绿证研究工作。0引言氢能作为极具发展潜力的能源,因其具有热值高、来源多样、储量丰富及适于大容量、长时间存储的特性,被认为是21世纪的“终极能源”1。2022 年 3 月 23 日,国家发改委和国家能源局联合印发氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)2(以下简称规划)。规划提出,VOL.43No.4Aug.2023第 43 卷第 4 期2023 年 8 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING30VOL.43No.4杨晶等:考虑多重不确定因素的可再生能源制氢场站最优运
9、营策略研究到 2025 年,我国将初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系;到2030年,形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系,产业布局合理有序,可再生能源制氢广泛应用,有力支撑碳达峰目标实现;到 2035 年,可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升,对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。在此背景下,可再生能源制氢场站发展态势积极。然而,制氢场站内部可再生能源发电难以与其自身制氢用电需求完全适配,差额电量可选择到电力市场中进行交易,包括中长期电力市场和电力现货市场。可再生能源制氢场站在中长期市场中签订的电量合同必须分解到实时运行时段,从而实现与现
10、货市场和自身的制氢计划的关联。因此,中长期电量合同的有效分解对于保证可再生能源制氢场站的利益至关重要。因此,在电力市场环境下,可再生能源制氢场站的运营策略需要包括中长期电量合同的分解、现货市场购电量以及自身制氢计划安排。当前,对于中长期电量合同分解已经有了比较多的研究,但大多数研究仅根据不同发电资源特性对曲线进行分解,如考虑常规火电机组参与的中长期电量合同分解3-5。随着可再生能源并网容量的不断提升,包含可再生能源的中长期合同成为电量分解的重要对象,文献6-8基于不同可再生能源发电机组的发电特性,提出含多类型机组的电力系统电量分解方法,文献 9 从电力市场角度出发,提出了中长期物理合同和金融合
11、同的分解方法,为交易机构的决策提供参考。文献 10考虑了不同机组运行方式优先级,设计了面向多类型机组的分解原则,兼顾了电网调度公平性和经济性。文献 11 提出了考虑现货市场竞价空间的水电站中长期合同电量分解模型,从而保证预留的现货竞价空间均衡,不会引起现货市场价格剧烈波动。然而,以上研究主要基于电源的角度对合同电量进行分解,这类方法对负荷用户缺乏一定的透明性,且无法考虑负荷的特性,在一定程度上忽视了合同分解结果对负荷的不利影响。因此,近年来,越来越多的省份的电力中长期市场中,鼓励用户对合同电量进行自定义分解12,13。在可再生能源制氢计划优化方面,文献 14提出了基于纳什谈判理论建立了风-光-
12、氢多主体合作运行模型,文献 15 提出了电-热-氢气系统的协同优化模型,有效利用多能互补的优势降低系统运行成本。文献 16 提出了考虑制氢场站参与电能量市场和需求响应的市场优化模型,从而有效提供电力市场的整体效率。但以上文献均考虑制氢场站只参与电力现货市场,而未涉及其参与电力中长期市场的运营决策。可再生能源场制氢场站的运营决策需要考虑多方面因素,包括可再生能源出力的不确定性、电力现货市场价格的不确定性以及制氢计划安排等。针对以上难点,本文充分考虑以上三类因素的影响,提出了考虑可再生能源出力和电力现货市场价格等多重不确定性因素影响下,可再生能源制氢场站的最优运营决策分析方法。首先分析了可再生能源
13、制氢场站的运营框架及可再生能源制氢场站的物理模型;接着,分别采用随机抽样和信息间隙决策理论分析可再生能源出力和电力现货市场价格的不确定性;并以此为基础,采用数学优化决策方法,得到市场环境下可再生能源制氢场站最优运营决策模型,从而可以有效提高制氢场站的效益。1市场环境下可再生能源制氢场站运营模型1.1运营框架图 1 为一个典型的可再生能源制氢场站的运营框架。可再生能源制氢场站由可再生能源发电机组(风电机组或光伏,本文以风电机组为例)和制氢系统构成。可再生能源制氢场站利用可再生能源机组发出的电能和从电力市场购买的、由上级电网输送的电能,通过制氢系统,将生产的氢气售卖给下游包括氢能源汽车在内的多种氢
14、气负荷。可再生能源制氢场站的运营决策需要考虑多方面因素,包括从电力市场中购买制氢所需的31第 43 卷第 4 期能 源 工 程电能、风电机组出力调度、产氢计划。其中,由于电力市场包括中长期市场和现货市场,可再生能源制氢场站不仅要决策在中长期市场中签订的电量及其分解计划,还需要考虑从电力现货市场购买缺额电量。图 1可再生能源制氢场站运营框架1.2制氢场站物理模型如图2所示,制氢系统通常由电解槽、压缩机、储氢罐以及电储能装置四个部分组成。图 2制氢系统模型1)电解槽模型17电解槽是电解水产生氢气反应的发生装置,是制氢系统的核心构件。在稳态运行状态下,电解槽的制氢量与电解槽的输入功率可以用式(1)所
15、示的线性关系表示。(1)其中:表示电解槽在 t 时段的产氢量;为 t时段输入电解槽的电功率;为电解槽的产氢效率。输入电解槽的电功率范围如式(2)所示。(2)其中:表示输入电解槽的最大电功率。同时,还需要对输入电解槽的电功率的爬坡性能进行约束,即输入电解槽的电功率在时段间的波动范围不能过大,如式(3)所示:(3)其中:为电解槽的最大爬坡功率。2)氢气压缩机模型18为了方便电解槽产生氢气的存储和后续的运输,在制氢系统中,通常需要采用压缩机将氢气的体积进行压缩,制氢系统中的压缩机通常同样由电能驱动,压缩机的数学模型如式(4)所示:(4)其中:为 t 时刻输入氢气压缩机的电功率,为氢气比热容常数;为
16、t 时刻压缩机压缩氢气的质量流量;Tin为压缩机输入氢气的温度;com为压缩机工作效率;为氢气等熵指数;Rcomp为氢气的压缩比。输入氢气压缩的电功率还需满足:(5)其中:为输入氢气压缩机的最大电功率。3)储氢罐模型19由于在实际生成中,氢气的产生和消耗或运输不是同步进行的。从而,部分氢气会被储存在储氢罐中。储氢罐内部的储氢量与其内部气压直接相关,所以通常采用气压来表征储氢罐内部的储氢量:(6)其中:表示 t 时段储氢罐的内部气压;T 为储氢罐内部的氢气温度;VS为储氢罐的体积;为 t 时段氢气的使用量。在实际运行中,氢气储气罐内部气压必须保32VOL.43No.4杨晶等:考虑多重不确定因素的
17、可再生能源制氢场站最优运营策略研究持在一定范围以内,如式(7)所示。(7)其中:和分别表示储氢罐内部的最大和最小气压。4)电储能模型14为了在一定程度上平抑风电出力,增加电制氢系统的运行灵活性,在制氢系统中通常装有电储能装置,电储能装置的运行首先需要满足储能动态变化约束,如式(8)所示。(8)其中:表示电储能装置在 t 时段的储能量;为 t 时段的充电功率;为 t 时段的放电功率;ebat,c和 ebat,d分别为电储能装置的充电和放电效率。同时,在同一个时段内,电储能装置不能同时处于充电和放电状态,可以通过 0-1 指示变量 进行约束。系统的运行需满足储能动态变化约束,充放电功率约束等,运行
18、模型可表示为:(9)其中:当时,电储能装置在 t 时段处于充电状态;当时,电储能装置在 t 时段处于放电状态。和分别表示电储能装置的最大充电功率和最大放电功率。同样地,电储能装置的储能量约束如式(10)所示(10)其中:和分别表示电储能装置的最大储能量和最小出能量。2考虑多重不确定性的可再生能源制氢场站运营策略2.1制氢场站运营决策模型2.1.1运营约束除了 1.2 节所示的电解水制氢系统内部流程约束之外,可再生能源制氢场站还需要满足电力市场相关约束:1)月度合同电量分解约束由于可再生能源制氢场站的月度用电量超过或者不足月度电量合同中约定的偏差量均会被电力交易机构考核,从而影响其经济效益,因此
19、,分解后的合同电量总量之和要与月度合同中规定的电量相等,如式(11)所示:(11)其中:表示中长期合同电量分解到 t 时段的电量;QC表示可再生能源制氢场站所签订的月度中长期合同电量总量。2)可再生能源制氢场站电力平衡约束本文考虑可再生能源制氢场站无法通过中长期合同和风电机组出力完全覆盖其制氢的用电需求,缺额电能需求需要参与到电力现货市场中进行购买。在此背景下,可再生能源制氢场站电力平衡约束如式(12)所示。(12)其中:表示可再生能源场站在 t 时段从现货市场购买的电量;表示 t 时段风电机组的调度出力。3)风电出力调度约束(13)t 时段风电机组的调度出力必须小于该时段的预测出力,其中,表
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