摘要：針對分布式光伏出力的不確定性特征對系統運行經濟性的影響，提出了一種計及光伏出力不確定性的氫能綜合能源系統經濟運行策略。首先，搭建氫燃料電池的熱電輸出控制模型和氫能綜合能源系統的熱力系統模型;然后，在光伏出力預測數據的基礎上，通過分析光照強度變化的不確定性以修正光伏出力預測曲線;最后，以最小化系統日運行成本為目標函數，建立包含光伏、氫燃料電池、熱電聯產機組的氫能綜合能源系統的運行優化模型。算例分析結果表明，考慮光伏出力不確定性對氫燃料電池輸出的影響，可使系統設備的出力更加合理，對降低運行成本、提高氫能綜合能源系統的運行可靠性具有積極作用。

　　關鍵詞：氫能綜合能源系統;氫燃料電池;光伏;經濟運行;不確定性

　　0引言

　　隨著能源、電力與用戶之間的聯系日趨緊密，能夠滿足熱、電等多種負荷需求的綜合能源系統脫穎而出，成為能源領域的一個重要發展方向[1]。可再生能源項目高速發展的同時，電網建設滯后帶來的消納問題成為不容忽視的技術難點，將棄電用于制氫儲能，既能夠克服電解水制氫成本高的問題，又能夠解決能源消納問題[2]。

　　能源論文范例： 談互聯網終端電力能源服務技術

　　包含可再生能源、熱電聯產CHP(CombinedHeatingandPower)機組、制儲氫及氫燃料電池HFC(HydrogenFuelCell)的氫能綜合能源系統，可實現發電、供熱等多能源供應需求，同時能實現清潔電力到清潔氣體能源的大規模存儲，是解決可再生能源消納、平抑功率波動性和間歇性的重要手段之一。目前，關于綜合能源系統結合氫燃料電池的研究取得了一定的進展，氫燃料電池的供電技術已經基本實現商業化[3-4]。自日本開發了氫燃料電池熱電聯產系統，國內外學者開始圍繞利用氫燃料電池熱電聯產特性改善綜合能源系統的電-熱耦合開展了優化調度、經濟運行等方面的研究[5]。

　　文獻[6]提出了一種考慮風電出力隨機特性的氣電互聯氫儲能綜合能源系統，驗證了考慮需求響應、氫儲能對風電消納以及降低系統日常運營成本具有積極的作用;文獻[7]提出了在綜合能源系統中加入電制氫裝置，以促進能源轉化，滿足各類負荷需求;文獻[8]在含氫儲能的綜合能源系統中考慮了風電出力的隨機性、需求響應等因素，在滿足負荷需求的同時，實現了對風電的消納;文獻[9]在所提熱電聯產模型中加入了氫燃料電池作為調節裝置，以提高氫能的高品位使用，同時著重于余熱的再電氣化以提高多種能源之間的耦合利用效率;文獻[10]著重分析了燃料電池熱電聯產輸出特性以及系統內部的能量流動關系，基于算例驗證了熱電聯產的經濟性。

　　但是，文獻[6-8]只是將氫燃料電池作為儲能裝置實現可再生能源消納，并未涉及燃料電池輸出特性的研究;文獻[9-10]考慮了燃料電池熱電聯產特性，但未擺脫“以熱定電”的限制，削弱了機組的調峰能力，且沒有考慮新能源出力的不確定性，使得新能源消納能力略顯不足。

　　結合上述問題，本文提出了一種計及光伏PV(PhotoVoltaic)出力不確定性的氫能綜合能源系統的經濟運行策略。通過分析光照強度不確定性對光伏出力預測曲線進行修正，保障優化計算過程中對光伏出力預測的精確性，建立以日運行成本最小為優 化目標的氫能綜合能源系統運行優化模型，基于算例驗證了考慮光伏出力不確定性可以使得各設備出力更加合理，能夠提升系統運行的經濟效益。

　　1氫能綜合能源系統模型

　　氫能綜合能源系統包含光伏機組、燃氣輪機GT(GasTurbine)、燃氣鍋爐GB(GasBoiler)、氫燃料電池等出力設備，電解槽EL(ElectroLyzer)等能源轉換設備以及儲熱、儲氫等儲能設備。本節主要對氫燃料電池的熱電輸出控制模型和氫能綜合能源系統的熱力系統進行建模分析。

　　1.1氫燃料電池的熱電輸出控制模型

　　氫燃料電池通過電化學反應產生電、熱和水，其產出的電能和熱能相互影響，存在“此消彼長”的關系，研究其運行機理對于滿足負荷需求以及提高氫燃料電池的產能效率十分重要。因此，在考慮氫氣供給速度、反應堆溫度等影響因素的前提下，建立氫燃料電池的熱電輸出控制模型。在理想情況下，單電池反應輸出的標準電壓為1.229V，但在實際應用中，由于活化極化、歐姆極化和濃差極化等過程存在過電壓損耗，輸出電壓達不到理想值[11]。

　　電、熱輸出功率主要與氫氣供給速率、活化極化過電壓損耗、歐姆極化過電壓損耗、濃差極化過電壓損耗相關，而3種過電壓損耗主要與氫燃料電池的工作溫度相關，因此可以通過控制氫氣供給速率和燃料電池的工作溫度決定電、熱輸出功率比例。為了使氫燃料電池工作在正常溫度(60~80℃)下，需要在雙極板內的冷卻水通道內通入冷卻水以保持其工作在合理溫度范圍內，冷卻水流速越快，則被帶走的熱能越多，因此氫燃料電池的工作溫度由冷卻水流速vH2O和熱輸出功率QHFC共同決定，氫燃料電池的熱輸出功率又分為循環水帶走的有用熱功率Qy和散發到空氣中的無用熱功率Qf。

　　1.2熱力系統模型

　　1.2.1熱力模型

　　氫能綜合能源系統以氫燃料電池、熱電聯產機組為熱源，以換熱器為媒介，經由供熱管道和回熱管道實現熱能流動，共同構成循環熱力系統。本文不考慮管道中的熱能損耗，因此熱力模型包括熱負荷功率方程和功率守恒方程。

　　1.2.2熱電耦合元件模型

　　在氫能綜合能源系統中，電力系統與熱力系統的耦合元件包括氫燃料電池和熱電聯產機組，兩者同時發電以及供熱，增加了綜合能源系統熱能與電能間的轉換靈活性。氫燃料電池通過控制氫氣供給速率和氫燃料電池工作溫度決定電、熱輸出功率比例。

　　2光伏出力預測誤差分析

　　目前光伏出力短期預測方法包括時間序列預測法、神經網絡法及支持向量機SVM(SupportVectorMachine)等[14-15]。其中，支持向量機是一種基于結構風險最小化原理的預測模型，可以最大限度地提高學習機的泛化能力，在樣本數據較少的情況下也可以得到相對較小的預測誤差。

　　4算例分析

　　為了驗證本文所提運行策略的有效性，設計了如下3種方案進行對比分析。方案1：在氫能綜合能源系統中，氫燃料電池僅考慮電出力，光伏出力采用預測曲線。方案2：在氫能綜合能源系統中，氫燃料電池考慮熱電聯產，光伏出力采用預測曲線。

　　方案3：在氫能綜合能源系統中，氫燃料電池考慮熱電聯產，光伏出力采用修正曲線。通過對比方案1和方案2，確定氫燃料電池的熱電聯產特性對系統運行及經濟性的影響;通過對比方案2和方案3，確定考慮光伏出力不確定性對系統運行及經濟性的影響。系統內各設備出力上下限及運維成本數據如附錄C表C1所示，系統主要能量輸入為天然氣，其低熱值為9.7kW·h/m3，單價為2.5元/m3。

　　熱電耦合分析方案1的電、熱功率結果。在00:00—06:00時段內，光伏發電功率為0，電負荷主要由燃氣輪機供應;在10:00—14:00時段內，光伏發電功率較大，主要由其滿足電負荷需求，此時燃氣輪機基本不工作;在17:00—22:00時段內，負荷需求增加，光伏發電功率逐漸減少至0，此時主要依靠燃氣輪機和氫燃料電池提供電能。由于方案1僅考慮氫燃料電池的電出力，熱負荷由燃氣輪機和燃氣鍋爐供應。

　　由于方案2中氫燃料電池同時參與電、熱供應，電負荷由光伏、燃氣輪機和氫燃料電池供應，熱負荷由燃氣輪機、氫燃料電池和燃氣鍋爐供應，相較于方案1，方案2考慮了氫燃料電池的熱電聯產作用，主要體現在熱負荷供應中，燃氣輪機出力明顯較小，燃氣鍋爐出力略微減小，在10:00—14:00時段內光伏出力較充足的情況下，燃氣輪機基本不出力，燃氣鍋爐出力大幅減少，這使得天然氣消耗大幅降低，而在系統運行成本中，天然氣耗費成本所占比重較大，表明考慮氫燃料電池的熱電聯產作用對降低系統運行成本的效果較明顯。

　　方案3中主要是對光伏預測出力曲線進行修正，從光伏出力預測曲線及修正曲線可以看出，預測值略大于修正值，雖然其誤差值較小，對系統影響的較小，但仍會對系統產生一定的影響。對比方案2和方案3的熱功率結果可以看出，當光伏出力減小時，氫燃料電池的輸出功率有所減少，出現熱負荷供應能力不足的情況，此時燃氣輪機對熱負荷缺額進行供應，而燃氣輪機運行在“以熱定電”模式，產熱的同時會產生一定的電能，會對電負荷供應設備產生一定的影響。

　　由于光伏出力預測誤差較小，相較于方案2，方案3下設備的出力變化不明顯，但是由于預測誤差的存在，導致燃氣輪機的工作時間加長，這勢必會影響燃氣輪機的使用壽命，加之預測誤差對各設備出力的細微影響，導致氫能綜合能源系統的不穩定性增加，降低了系統的運行可靠性。

　　4.3優化結果及運行成本對比

　　氫燃料電池的總出力、燃氣輪機的電出力、燃氣鍋爐的熱出力通過分析光照強度的不確定性對光伏出力預測曲線進行修正后，對氫燃料電池和燃氣輪機的出力產生了一定的影響，對燃氣鍋爐的出力幾乎無影響，在10:00—18:00時段內，修正曲線略小于預測曲線，此時氫燃料電池的總出力有所減少，燃氣輪機的電出 力有所增加。

　　由于光伏機組是利用自然資源發電，其發電成本基本上可以忽略不計，本文中的系統日運行成本只考慮了天然氣耗費成本和設備運維成本。方案1和方案2的區別在于方案1僅考慮氫燃料電池輸出電能，方案2考慮了氫燃料電池的熱電聯產特性。方案1、2中氫燃料電池的效率分別為37.44%、69.90%，系統日運行成本分別為7502.0、5721.5元，表明控制氫燃料電池的熱、電輸出功率可以提升系統的能源利用率，減少化石燃料的使用，降低運行成本的同時減少了碳排放。

　　方案2和方案3的區別在于在方案3考慮了光伏出力的不確定性，基于光照強度的不確定性修正光伏出力預測曲線。由于方案3中光伏出力略微減小，氫燃料電池的效率有所下降，增加了化石燃料的使用，其系統日運行成本增加了23.3元。雖然日運行成本小幅增加，但是提高光伏出力預測的精確性可以降低對系統設備出力的影響，使設備出力更加合理，從而提高氫能綜合能源系統的運行可靠性。

　　5結論

　　本文綜合考慮氫燃料電池的熱電聯產特性和光伏出力的不確定性，提出了計及光伏出力不確定性的氫能綜合能源系統運行優化模型，并通過分段線性化處理將其轉化為混合整數線性化模型進行求解。仿真算例結果表明：通過控制氫燃料電池的電、熱輸出功率比例，可以改善系統“以熱定電”的局限性，提高系統的能源利用率，大幅降低系統的天然氣耗費成本;考慮光照強度的不確定性以修正光伏出力預測曲線，雖然略微增加了運行成本，但是可以降低光伏出力預測誤差帶來的影響，優化設備出力，提高系統的運行可靠性。

　　本文所提模型能夠在較大程度上克服氫燃料電池電、熱輸出功率之間的制約關系，同時考慮了光伏出力的不確定性對氫燃料電池輸出的影響，隨著可再生能源的大力發展，其可以進一步減少化石能源的使用率，加快低碳電力的發展，有效地提高能源利用率與系統運行經濟性，對于構建以新能源為主體的新型電力系統以及早日實現碳中和具有重大的意義。

　　參考文獻：

　　[1]楊穎，史香錕，吳昊，等.綜合能源規劃系統國內外研究現狀與展望[J].科技創新與應用，2021(2)：98-100.YANGYing，SHIXiangkun，WUHao，etal.Currentstatusandprospectsofresearchonintegratedenergyplanningsystemathomeandabroad[J].TechnologyInnovationandApplication，2021(2)：98-100.

　　[2]EL-SHAFIEM，KAMBARAS，HAYAKAWAY.Hydrogenproductiontechnologiesoverview[J].JournalofPowerandEnergyEngineering，2019，7(1)：107-154.

　　[3]孫玉玲，胡智慧，秦阿寧，等.全球氫能產業發展戰略與技術布局分析[J].世界科技研究與發展，2020，42(4)：455-465.SUNYuling，HUZhihui，QINAning，etal.Analysisofstrate⁃gyandtechnologysituationonglobalhydrogenindustry[J].WorldSci-TechR&D，2020，42(4)：455-465.

　　[4]田銘興，路濤濤，賈志博，等.基于虛擬同步發電機控制的光/儲/燃料電池微電網能量管理[J].電力自動化設備，2019，39(5)：89-95.TIANMingxing，LUTaotao，JIAZhibo，etal.Energymanage⁃mentofphotovoltaic-storage-fuelcellmicrogridbasedonvirtualsynchronousgeneratorcontrol[J].ElectricPowerAutoma⁃tionEquipment，2019，39(5)：89-95.

　　[5]秦阿寧，孫玉玲，陳芳，等.基于文獻計量的全球氫燃料電池技術競爭態勢分析[J].科學觀察，2020，15(2)：1-14.

　　作者：韓子嬌1，李正文1，張文達2，劉凱1，董鶴楠3，袁鐵江2