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在能源利用、環(huán)境效益及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面，綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System, IES）支持大規(guī)模可再生能源的接入、大規(guī)模氫儲(chǔ)能及其他儲(chǔ)能設(shè)備的接入，并支持向電氣化交通的轉(zhuǎn)型，已成為未來能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但其涉及的轉(zhuǎn)換設(shè)備更多，規(guī)劃往往也更加復(fù)雜，需要在滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)性條件下，同時(shí)供應(yīng)多種能量，并實(shí)現(xiàn)可再生能源的充分利用。

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方面，現(xiàn)有研究存在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)較為單一，規(guī)劃結(jié)果難以兼顧多方面需求等不足。在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃可再生能源出力不確定性處理方面，相對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)中的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，在具有更高靈活性的IES中，如何合理規(guī)劃使其更高效地應(yīng)對(duì)不確定因素的變化是其面臨的重要挑戰(zhàn)之一。目前，在IES的規(guī)劃中考慮再生能源出力不確定性的研究較少。有些基于場(chǎng)景法的研究，在場(chǎng)景縮減時(shí)可能導(dǎo)致極限場(chǎng)景的丟失，基于魯棒優(yōu)化模型的研究建模和求解過于復(fù)雜且難以理解。

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃可再生能源消納方面，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)具有良好的能量轉(zhuǎn)換和時(shí)空平移特性，是消納可再生能源多余出力的有效途徑。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，P2G技術(shù)通常被分為電制氫和甲烷化兩個(gè)過程，即首先通過電解將水分解成氧氣和氫氣，再將氫氣和二氧化碳合成為甲烷。

有學(xué)者對(duì)現(xiàn)有電制氫和甲烷化的技術(shù)特性進(jìn)行了研究，從中可知，電制氫的效率為75%～85%，甲烷化的效率為75%～80%，P2G的綜合效率為45%～65%。當(dāng)系統(tǒng)供電功率出現(xiàn)缺額，起動(dòng)燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)行放電時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的能量損耗。

由上述研究可知，經(jīng)過多次的能量轉(zhuǎn)換，電力與天然氣能量閉環(huán)的效率可能僅為15%～22%，且增加了系統(tǒng)的投資成本。為減少能量轉(zhuǎn)換過程，并尋求P2G技術(shù)更高效的應(yīng)用方式，有學(xué)者對(duì)氫氣的儲(chǔ)存和利用進(jìn)行了研究，認(rèn)為氫能在未來的高比例可再生能源系統(tǒng)中擁有巨大的應(yīng)用潛力。有學(xué)者率先探索了太陽能離網(wǎng)式燃料電池汽車加氫站的最優(yōu)規(guī)劃，為氫能的推廣利用提供了重要途徑。

綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有P2G技術(shù)能量利用效率較低的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)單一，規(guī)劃過程未充分考慮不確定性因素影響的背景下，武漢理工大學(xué)等單位的科研人員提出考慮風(fēng)光不確定性的電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃方法，不僅可以有效應(yīng)對(duì)可再生能源出力的不確定性，還能兼顧多種規(guī)劃需求。

圖1 電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

他們首先介紹了電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框架和關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行策略，針對(duì)模型中現(xiàn)有電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP）運(yùn)行策略的不足，提出將P2G生成的氫氣優(yōu)先供應(yīng)燃料電池汽車，以及根據(jù)可再生能源出力大小切換CHP運(yùn)行模式等改進(jìn)措施；其次，針對(duì)可再生能源出力不確定性對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃的影響，基于場(chǎng)景法實(shí)現(xiàn)了不確定性場(chǎng)景描述，同時(shí)以經(jīng)濟(jì)成本最小、風(fēng)光消納率最大和供能不足最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出考慮風(fēng)光不確定性的多目標(biāo)規(guī)劃方法，達(dá)到應(yīng)對(duì)不確定性因素影響以及兼顧經(jīng)濟(jì)性、高效性和可靠性的目的；最后，采用改進(jìn)的混合多目標(biāo)粒子群算法和模糊隸屬度函數(shù)求解設(shè)備容量配置方案，結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性及合理性。

科研人員通過算例結(jié)果分析得出如下結(jié)論。

1）優(yōu)化配置的綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備充分發(fā)揮其功能，基本實(shí)現(xiàn)電、熱、氫的同時(shí)供應(yīng)。在運(yùn)行策略上，通過將燃料電池汽車和加氫站加入到P2G過程中，實(shí)現(xiàn)了富余電能的有效利用。通過切換CHP運(yùn)行模式，可以較好地與可再生能源出力配合，在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，減少了能量浪費(fèi)。

2）以經(jīng)濟(jì)成本最小、風(fēng)光消納率最大和供能不足最小為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)IES進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃，可以較好地兼顧經(jīng)濟(jì)成本、可再生能源有效利用和供能可靠性等規(guī)劃需求。

3）通過考慮極限場(chǎng)景，可以較為有效地應(yīng)對(duì)不確定性因素的變化。由結(jié)果分析可知，所得規(guī)劃方案在可再生能源出力波動(dòng)時(shí)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

最后，他們指出，本規(guī)劃方法雖然較為保守，但對(duì)于孤島運(yùn)行的IES，這種保守性是有必要的。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“考慮不確定性的電-熱-氫綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃”，作者為侯慧、劉鵬 等。