配電網與分布式電氫耦合系統的交互策略研究

吳啟亮，譚彩霞，章雷其，劉 敏，趙 波，張雪松，譚忠富

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206）

0 引言

配電網供給端與負荷端的平衡是保障其安全穩定的基礎和前提［1］，但在“雙碳”目標下，隨著新型電力系統的構建，配電網運行面臨兩方面的挑戰。一方面，大規模的分布式能源接入配電網時，分布式能源的隨機性與波動性加劇了配電網供給端的不確定性，導致配電網發生供需不平衡［2］，亟需平衡服務。另一方面，電力系統中傳統的靈活性資源為火力發電機組與抽水蓄能電站等，由于火力發電機組裝機容量占比下降以及抽水蓄能電站建設進程緩慢，在負荷側峰谷差不斷拉大的情況下，配電網亟需削峰填谷服務［3］。

針對配電網面臨的挑戰，現有研究重點集中于通過降低源、荷端的不確定性來解決。文獻［4］通過場景削減法降低風電的不確定性，構建了配電網的多時間尺度協調調度模型。文獻［5-6］考慮源端風、光新能源出力的不確定性，提出了一種基于雙層混合優化算法的配電網運行模型。文獻［7］考慮源、荷的不確定性，構建了基于盒式魯棒的配電網調度模型。文獻［8］兼顧配電網的安全性與經濟性，構建了基于ADMM算法的配電網雙層優化模型。

現有研究表明，一方面，源、荷的不確定性能減少源荷預測不準給配電網帶來的影響，但由于無法實現100%的精準預測，配電網還需要通過與其他主體的交互來彌補預測存在的偏差。由風力發電、光伏發電、氫發電機組、電化學儲能與電解槽組成的分布式電氫耦合系統既能通過電解槽消納多余供給以及電化學儲能彌補缺額需求［3］，又能調用內部荷端的需求響應進行削峰填谷，所以分布式電氫耦合系統能夠同時為配電網提供平衡需求服務與需求響應服務，也即加強配電網與分布式電氫耦合系統的交互研究十分必要。另一方面，在配電網與分布式電氫系統交互中氫能供需具有典型的季節性特征，而需求響應在典型日內進行，為了平衡不同能源之間的時間尺度差異，需進行兩者交互的多時間尺度研究。

目前鮮有文獻圍繞配電網與分布式電氫耦合系統開展研究，大多研究集中在針對電氫耦合系統進行優化。文獻［9］提出在氫能參與下能夠提高微電網的新能源消納率。文獻［10］考慮系統的功率交互約束，驗證了電-氫混合儲能在長時間尺度儲能上的優越性。文獻［11］將電氫系統應用于智慧樓宇，并驗證了應用的有效性。文獻［12］采用主從博弈提出了電氫系統的運行優化策略。

現階段關于分布式電氫系統的優化研究存在以下不足：其一，從應用場景來看，分布式電氫耦合系統通過電化學儲能與氫儲能的協調能夠提供不同時間尺度下的電能量與輔助等服務，能夠作為服務提供方，但目前僅研究了電氫耦合系統作為智慧樓宇的服務提供方，未發現其為配電網提供服務的應用研究；其二，從交易機制來看，通?？紤]分布式電氫耦合系統為其他主體提供的服務為單一的電能量服務與輔助服務，但是服務需求者的服務需求是多元的，目前鮮有同時考慮分布式電氫耦合系統為其他主體進行多元服務的組合；其三，從交易價格來看，服務提供者與需求者的價格通常是基于分時電價等確定的，未充分考慮環境動態變化形成動態價格。

基于此，本文進行分布式電氫耦合系統與配電網的多時間尺度交互策略研究，通過分析耦合系統與配電網的多元交互機制，構建中長期與短期時間尺度下的耦合系統與配電網的交互策略，并進行算例分析。

1 交互架構與多元交互機制

1.1 交互架構

將配電網視為服務需求方，分布式電氫耦合系統視為服務供給方。其實際應用場景為：在配電網與耦合系統之間具有獨立的通信線路，配電網在交易平臺公布需求信息，耦合系統可通過調度中心與通信電路向配電網上報系統可再生能源預測功率和負載數據以及供給信息。配電網與耦合系統根據雙方的博弈函數形成互動量與互動價格后，配電網通過調度中心對耦合系統實施調度。分布式電氫耦合系統與配電網的交互架構如圖1所示。

圖1 交互架構Fig.1 The interactive architecture

由圖1可知，分布式電氫耦合系統中源端包括風力發電機組與光伏發電機組，轉化端主要為電解槽，存儲端為儲氫與電化學儲能，荷端主要為對氫能直接進行利用與滿足本地的電負荷。分布式電氫系統通過信息控制中心在交易平臺上與配電網完成中長期、短期時間尺度上的平衡服務、需求響應交互。

1.2 多元交互機制

基于配電網組織的電能量交易與需求響應調用場景，設計了配電網與分布式電氫耦合系統的多元交互機制。

1.2.1 平衡服務機制

在超額電量供給情景下，分布式電氫耦合系統利用儲氫設備隨著存儲時間的增加其邊際價值下降的特性以及靈活儲運的特性，能夠將春季與初夏的一部分超額電量供給通過電解槽消納產生氫氣并存儲在儲氫設備中，在夏季與冬季的用能高峰時期進行直接利用，另一部分則存儲在電化學儲能中。由于氫能供需長期存在季節差異性與不平衡，利用儲氫設備跨時間尺度的存儲既能解決氫能供需不平衡問題，又能解決配電網超額分布式能源無法消納問題。

在缺額電量需求情景下，一方面，分布式電氫耦合系統可以利用存儲在電化學儲能中的電量服務配電網，實現配電網供需平衡；另一方面，利用儲氫設備靈活的供能特性滿足缺額的電量。由于平衡服務涉及到跨季節的氫能供需，需將其納入中長期時間尺度進行考慮。

1.2.2 需求響應機制

在負荷高峰階段，分布式電氫耦合系統調用可中斷、可轉移的需求響應為配電網削峰。在負荷低谷階段，分布式電氫耦合系統利用從高峰時段轉移過來的負荷需求以及價格激勵為配電網填谷。由于需求響應在典型日進行，將需求響應服務納入短時間尺度進行考慮。

2 中長期交互策略

2.1 交互流程

在中長期時間尺度下，配電網與分布式電氫系統的交互流程如圖2所示。

圖2 中長期交互流程Fig.2 The medium-to-long-term interaction process

同理，電負荷與氫負荷的長時間需求序列如式（2）所示。

步驟2：計算配電網供給與需求偏差，得到偏差量ΔP?errorm，具體如式（3）所示。式（3）中的上部分公式為超額電量供給情景，下部分公式為缺額電量需求情景?；谄盍拷Y果，以接受運行成本最小及源端供給與荷端需求偏差率最小為目標函數在交易中心發布平衡需求。

步驟3：分布式電氫耦合系統根據配電網發布的平衡需求，以平衡收益最大化形成分布式電氫耦合系統的申報平衡量。

步驟4：配電網與分布式電氫耦合系統根據雙方的目標函數進行出清，形成平衡服務的均衡出清價格以及分布式電氫耦合系統的出清量。

步驟5：根據出清量與出清價格進行結算與偏差考核。

2.2 目標函數

在長時間尺度下，配電網以偏差率最小、運行成本最小為目標函數與電氫耦合系統進行交互，分別如式（4）與式（5）所示。其中針對運行成本，在缺額電量需求情景下，配電網的運行成本為偏差懲罰成本與接受平衡服務成本之和；在超額電量供給情景下，運行成本即為出售超額電量獲取收益的相反數。

在中長期時間尺度下，分布式電氫耦合系統以運行收益最大化為目標函數，同樣需要劃分缺額電量需求與超額電量需求兩種情景，具體如式（6）所示。

電化學儲能、儲氫設備、電解槽與氫發電機組的年折舊費具體如式（7）所示：

2.3 約束條件

配電網與分布式電氫系統在中長期交互時會受到交互均衡約束、機組上下限約束、電氫系統內部氫能與電能均衡約束、配電網支路容量約束與網絡約束。配電網支路容量約束與網絡約束參考文獻［13］。機組上、下限約束見式（8）。

電能、氫能的交互均衡約束分別如式（9）、式（10）所示：

分布式電氫系統內部氫能與電能均衡約束在電量缺額需求與電量超額供給兩種情景下的約束分別如式（11）、式（12）所示：

3 短期交互策略

3.1 交互流程

短期時間尺度與中長期時間尺度的銜接關系為：中長期時間尺度下未滿足的需求在短期時間尺度下進行調整彌補，同時在分布式電氫耦合系統中資源一定的情況下，二者在兩個時間尺度下進行分配，實現收益最大?？紤]目前輔助服務市場機制尚未完善，天津、山東、上海、江蘇與浙江開展的需求響應以合約形式進行，所以本文設定的需求響應機制也為合約形式。配電網與分布式電氫系統的交互流程如圖3所示。

圖3 短期交互流程Fig.3 The short-term interaction process

步驟2：根據步驟1形成的等效出力序列，按式（14）確定配電網的需求響應需求。

步驟3：根據削峰與填谷兩種情景，配電網以成本最小和峰谷差最小為目標、分布式電氫系統以收益最大為目標確定需求響應服務的合約價格。

步驟4：配電網與分布式電氫耦合系統簽訂需求響應合約，配電網跟蹤實際情況發布需求響應指令，分布式電氫耦合系統根據配電網的指令與合約執行該指令。

步驟5：根據分布式電氫耦合系統的實際執行情況進行結算與考核。

3.2 目標函數

在短時間尺度下，配電網以峰谷差最小和運行成本最小為目標函數與耦合系統進行交互，分別如式（15）、式（16）所示。

分布式電氫耦合系統的目標函數為需求響應收益最大化，具體如式（17）所示。

3.3 約束條件

配電網與分布式電氫系統在短期進行交互時會受到交互均衡約束、需求響應上下限約束、機組運行約束、分布式電氫系統內部氫能與電能均衡約束、配電網支路容量約束與網絡約束。配電網支路容量約束與網絡約束、機組運行約束同中長期尺度下的。交互均衡約束、交互量約束與需求響應上、下限約束分別如式（18）、式（19）所示。

分布式電氫系統內部氫能和電能均衡約束分別如式（20）、式（21）所示。

4 算例分析

4.1 基礎數據

為了驗證本文所提模型的有效性，以某區域典型分布式電氫耦合系統接入配電網為例進行仿真分析。其中單位售氫價格為33.69 元/kg，電化學儲能與儲氫設備的充放能效率取90%，氫發電設備的發電效率為40%，電化學儲能、儲氫設備的自放能率設定均設定為1%/月，電化學儲能和儲氫設備的運行年限分別為10年和20年，電化學儲能的容量為4 600 kWh，同時該分布式電氫耦合系統各類成本參數如表1所示［14-17］。

表1 各類成本參數Table 1 Cost parameters

分布式電氫耦合系統的各類設備的上、下限參數如表2所示。

配電網全年的平衡需求如圖4所示，配電網全年某典型日的需求響應需求如圖5所示，數值為負表征需求缺額，為正表征供給超額。

圖4 配電網中長期平衡需求Fig.4 Medium-to-long-term balancing demand of distribution networks

圖5 配電網短期需求響應Fig.5 Short-term demand response of distribution networks

分布式電氫耦合系統中長期時間尺度下的風光出力、負荷需求如圖6所示，全年典型日的出力與負荷需求如圖7所示。

圖6 耦合系統中長期風光出力與負荷需求Fig.6 Medium-to-long-term wind-solar output power and load demand in the coupled system

圖7 耦合系統短期風光出力與負荷需求Fig.7 Short-term wind-solar output power and load demand in the coupled system

4.2 算例結果分析

4.2.1 中長期交互結果

1）中長期設備出力結果

根據2.2節的中長期交互策略，得到配電網與分布式電氫耦合系統在中長期交互過程中儲氫設備、電化學儲能與氫發電機組的出力結果如圖8所示（由于中長期階段下的配電網平衡需求也是分攤至每個典型日進行，若按日呈現會有365 個數值，為使圖形呈現效果更好，將每月典型日策略結果加總按月呈現），儲氫設備與電化學儲能數值為正代表設備放能，反之則代表設備儲能。

圖8 中長期交互出力結果Fig.8 Results of medium-to-long-term interactive output power

由圖8可知，從各設備的出力結果來看，在中長期中，電化學儲能僅在耦合系統內部電負荷需求與氫能負荷需求較多的1月和8月發揮作用，此時由于儲氫設備接近存儲容量的最大值，為了降低偏差考核費用，耦合系統選擇通過電化學儲能放電來滿足配電網的平衡需求。與電化學儲能相比，氫儲能設備在長時間尺度上具有經濟優勢，一方面氫儲能與氫發電機組配合，放電時間長于電化學儲能，同時其運行年限長于電化學儲能，使得中長期時間尺度下氫儲能設備折舊費用較電化學儲能低；另一方面，氫儲能存儲時間與邊際成本成反比，而電化學儲能長時間存儲具有高額的運行成本，使得氫儲能設備長時間儲氫比長時間電化學儲能儲電更具經濟性。所以氫儲能設備利用其跨時間尺度存儲具備的優勢，能夠在整個中長期均發揮作用。

在夏季（6—8月）、冬季（12月、1月）用能高峰期，儲氫設備中的氫能通過氫發電機組產電滿足配電網的缺額電量需求；在春季（3—5月）、秋季（9—11月）用能低谷季節，通過耦合系統電解槽產生氫氣進行直接利用為耦合系統帶來收益，由此說明在中長期時間尺度下儲氫設備和電化學儲能相比具有優越性。

2）中長期出清結果

在中長期階段下，配電網與分布式電氫耦合系統的出清結果如圖9所示。數值為負表征需求缺額出清量，為正表征供給超額出清量。

圖9 中長期出清結果Fig.9 Results of medium-to-long-term clearance

由圖9可知，出清價格呈現較為明顯的季節差異性，其中夏、冬季的出清價格高于春、秋季，這主要由于夏、冬季為用能高峰期，分布式電氫耦合系統為滿足配電網的平衡需求會頻繁地通過儲能設備充放能，增加了系統內部的運行成本，在與配電網交互時其出清價格也會提高。從出清偏差量來看，偏差量占出清量比重較小，說明通過電化學儲能與儲氫設備的協調控制能夠降低交互的偏差量，減少偏差考核成本。進一步基于出清結果得到中長期配電網的整體成本為75 805.01元，偏差率2.21%，耦合系統的整體收益為15 907.38元。

4.2.2 短期交互結果

1）短期設備出力結果

根據2.3節的短期交互策略，得到配電網與分布式電氫耦合系統在短期交互過程中儲氫設備、電化學儲能與氫發電機組的出力結果如圖10所示。

圖10 短期交互出力結果Fig.10 Results of short-term interactive output power

由圖10 可知，在短期中針對配電網的需求響應服務，耦合系統主要通過荷端的需求響應與電化學儲能來滿足。在短期交互中，配電網下達指令后，電氫耦合系統響應調度時間短，通過儲氫設備匹配氫發電機組與電解槽直接利用氫能無法及時響應配電網調度指令，造成了分布式電氫系統高額的偏差懲罰成本以及配電網的線路投資成本與棄風棄光成本，使得儲氫設備在短期中經濟性低于電化學儲能。所以在短期中電化學儲能充分發揮了其優越性，充放電快速且經濟性較優。儲氫設備僅在能源需求高峰的20：00—21：00 起到了削峰作用，主要是此時電化學儲能達到了其功率上限值，只能通過儲氫設備來滿足配電網的需求響應服務，由于氫發電機組為儲氫設備的配套機組，所以其發揮作用時間段與儲氫設備一致。

2）短期出清結果

在短期階段下，配電網與分布式電氫耦合系統的出清結果如圖11所示。

圖11 短期出清結果Fig.11 Results of short-term clearance

由圖11 可知，出清價格隨著時間而波動，在午間09：00—12：00與晚間19：00—21：00出清價格較高，其余時段出清價格較低。原因在于09：00—12：00 與19：00—21：00 為耦合系統的用能高峰，其提供需求響應的成本較高，導致出清價格提高。同時從出清量來看，在用能低谷的22：00—06：00與13：00—17：00，配電網與耦合系統的交互為正，耦合系統為配電網提供填谷服務；在08：00—12：00與17：00—21：00，耦合系統為配電網提供削峰服務。進一步基于出清結果得到短期中配電網的整體成本為186.44 元，峰谷差為76.07 kW，耦合系統的整體收益為1 993.26元。

4.2.3 有效性分析

為了驗證本文所提策略的有效性，設置了3種系統，并對其在配電網成本、系統收益、峰谷差與偏差率上的表現進行對比。結果如表3所示。

表3 不同系統對比結果Table 3 Comparison of the system parameters

系統1：不含儲氫設備，其余設備與本文提出的耦合系統一致。

系統2：不含電化學儲能設備，其余設備與本文提出的耦合系統一致。

系統3：同時含有電化學儲能設備與儲氫設備，也即本文提出的耦合系統。

由表3 可知：系統1 的配電網成本顯著上升，同時偏差率增加；系統2的配電網成本與峰谷差增加。由此說明含電化學儲能-儲氫設備的混合儲能電氫系統在降低峰谷差、減少偏差與成本、提高收益方面存在顯著優勢。

5 結論

本文通過研究分布式電氫耦合系統與配電網的多時間尺度交互策略，并結合算例分析得到以下結論：

1）儲氫設備因其運行壽命長、具有存儲時間與邊際成本成反比的特性，因而在中長期時間尺度下較電化學儲能更具優越性。

2）電化學儲能能夠及時響應配電網調度指令，其偏差懲罰成本遠低于儲氫設備，在短期中具有優越性，充放電快速且經濟性較優。

3）含電化學儲能-儲氫設備的混合儲能電氫系統在降低峰谷差、減少偏差與成本、提高收益方面存在顯著優勢。