多区域电氢综合能源系统可靠性提升策略：一项基于氢能交互与协同运行机制的原创研究
本研究论文发表于《电工技术学报》2024年8月第39卷第16期，由国家自然科学基金项目（52277080）资助。主要作者为蒙军（第一单位：重庆大学电气工程学院，输变电装备技术全国重点实验室）、任洲洋（同第一单位）和王皓（第二单位：贵州电网有限责任公司遵义供电局）。该研究旨在解决电氢综合能源系统可靠性评估与提升领域的关键问题，特别是在考虑多区域间氢能交互潜力方面填补了现有研究的空白。
学术背景与研究目标 研究的科学领域属于综合能源系统规划与可靠性分析，具体聚焦于多区域电氢综合能源系统。实现“双碳”目标背景下，电氢综合能源系统因其低碳与灵活运行优势，被视为能源系统绿色转型的关键路径。然而，现有研究大多局限于单一区域系统，忽视了通过多区域间能量交互（特别是氢能交互）来提升系统整体可靠性的潜力。此外，对于供氢网内诸如氢燃料电池汽车和氢气长管拖车等灵活调度资源的协调利用，以及如何在故障场景下构建最优负荷削减模型，现有方法仍不完善。因此，本研究旨在提出一套完整的、计及氢能交互的多区域电氢综合能源系统可靠性评估与提升策略。其核心目标包括：1）建立考虑区域间氢能交互与区域内灵活资源协调的协同运行机制与模型；2）构建计及上述机制的最优负荷削减模型；3）建立一套能够量化区域间交互水平及其对可靠性提升作用的评估指标体系；4）基于马尔科夫链蒙特卡洛模拟法，开发相应的可靠性评估方法，以验证所提策略的有效性。
详细研究流程与方法 本研究的工作流程可以清晰地划分为四个核心步骤：建模、优化、评估与验证。研究对象并非物理实验样本，而是基于我国某城市三个区域配电网构建的仿真系统，该系统集成了配电网、风光分布式电源、现场/场外加氢站、电解槽、储氢罐、压缩机、加氢机、氢燃料电池汽车以及区域内和区域间的氢气长管拖车。
第一步：建立协同运行机制与数学模型。 这是研究的理论基础。首先，作者详细剖析并提出了多区域电氢综合能源系统的协同运行机制。该机制包含两个层面： 1. 区域内灵活调度：包括氢燃料电池汽车的需求响应和车对网模式，以及区域内氢气长管拖车在不同加氢站间的灵活运氢。需求响应允许转移部分氢负荷的加氢时间；车对网模式则在电网故障时，激励氢燃料电池汽车利用车载燃料电池向电网反送电。区域内氢气长管拖车则用于在加氢站设备故障时，从氢气富余站向缺氢站运输氢气。 2. 区域间氢能交互：通过连接各区域现场加氢站的区域间氢气长管拖车实现。当某区域因设备故障或氢气短缺无法满足自身需求，且区域内其他站也无法提供足够支撑时，可从氢气富余的其他区域调运氢气。这不仅可以直接提升故障区域的供氢可靠性，还能为故障区域内的氢燃料电池汽车执行车对网模式提供“燃料”，从而间接提升供电可靠性。 基于此机制，研究建立了详细的数学模型，包括氢燃料电池汽车需求响应与车对网模型、区域内及区域间氢气长管拖车的运行约束模型（涉及位置状态、储氢量平衡、充放氢速率等）、以及电氢综合能源系统的典型设备运行约束和能量流平衡方程。
第二步：构建计及氢能交互的最优负荷削减模型。 这是评估系统在故障等异常状态下运行状态的核心工具。该模型以系统总运行成本最小化为目标函数，总成本包括购电成本、弃风光惩罚成本、电/氢负荷削减惩罚成本、需求响应补偿成本、车对网补偿成本以及氢气长管拖车运氢成本。约束条件则集成了第一步建立的所有协同运行模型、设备运行约束、电网潮流约束和网络辐射状运行约束。由于模型中存在绝对值项和非线性函数，作者通过大M法和分段线性化方法，将原始的混合整数非线性规划模型转化为混合整数线性规划模型，从而能够利用Gurobi等商业求解器进行高效求解。此模型相较于已有研究，创新性地将氢燃料电池汽车和氢气长管拖车这两类灵活调度资源对负荷削减的影响机理纳入了优化框架。
第三步：建立可靠性评估指标体系并开发评估方法。 为了量化评估效果，研究在传统可靠性指标（如电/氢负荷削减概率、电/氢负荷缺供能量期望）的基础上，新增了四个关键指标：区域交互电量期望、区域交互氢量期望、供电可靠性提升率 和供氢可靠性提升率。后两个指标专门用于量化氢能交互对系统可靠性的提升作用。评估方法基于马尔科夫链蒙特卡洛模拟。其流程是：首先输入系统参数；然后使用MCMC模拟随机抽样系统设备（包括电力设备和多状态氢能设备）在整个模拟周期内每小时的运行状态（正常或故障）；对于每一个抽样得到的小时状态，调用第二步构建的最优负荷削减模型进行求解，得到该状态下系统的最优运行策略及负荷削减量；重复此过程直至模拟次数达到收敛标准（如缺供能量期望的方差系数小于阈值）；最后，基于所有抽样场景的结果，统计计算上述各项可靠性指标。
第四步：仿真算例验证与分析。 研究团队构建了一个包含三个区域电氢综合能源系统的仿真算例，并设置了三种对比方案以验证所提方法的有效性：方案一（基准方案），仅考虑区域内灵活运行，无区域间能量交互；方案二，考虑区域内灵活运行及区域间电网互联（仅电能交互）；方案三（本文方法），全面考虑区域内灵活运行及区域间电、氢双重交互。通过运行开发的可靠性评估流程，对三种方案进行了大量的仿真计算。
主要研究结果 仿真结果有力地支撑了研究假设，并详细揭示了协同运行机制的作用。
从方案对比结果看：方案二的区域交互电量期望约为9，979 kWh/年，其供电可靠性相比方案一提升了1.71%，但对供氢可靠性的提升仅0.61%，效果有限。这主要是因为现场加氢站通常配有分布式电源，电网故障对其制氢影响相对较小。方案三的结果则显著突出了氢能交互的价值：其区域交互氢量期望达到31.79吨/年，同时区域交互电量期望为9，744.53 kWh/年。更重要的是，其供电可靠性提升率和供氢可靠性提升率分别达到了6.12% 和43.80%。与方案二相比，方案三的电、氢负荷缺供能量期望进一步大幅降低。
具体作用机理通过典型故障场景分析得以阐明：1）在区域2电解槽故障场景下，方案二因无法跨区域支援氢气，导致区域2氢负荷被大量削减。而在方案三中，区域间氢气长管拖车成功从其他区域将富余氢气运至故障区域，并通过区域内氢气长管拖车进行二次分配，使氢负荷削减量显著减少。2）在区域2电网线路故障场景下，故障区域因电网拓扑无法通过联络线受电，方案二仅能依靠本地有限的车对网模式供电。方案三则通过区域间氢气长管拖车从氢负荷低的区域3向区域2运送“燃料”，极大地增强了区域2车对网模式的供电能力，从而大幅降低了电负荷削减。这些结果清晰地表明，所提协同运行机制能够有效利用不同区域在能源资源和负荷需求上的时空差异，通过氢能交互通道与区域内灵活资源的协调，在电、氢两个维度同时且显著地提升系统可靠性。
经济性分析结果：尽管方案三因更充分地调动了灵活资源（需求响应、车对网、氢气长管拖车运输）导致其相关补偿成本和运行成本略有上升，但其电、氢负荷削减的惩罚成本大幅下降。同时，在峰谷电价背景下，跨区域的氢能交互有助于优化制氢用电时段，使得总购电成本也有所降低。最终，方案三的年总运行成本期望在三者中最低，证明了该策略在提升可靠性的同时，也保障了系统的经济运行。
参数敏感性分析结果：研究还分析了单位氢负荷削减惩罚成本和区域间氢气长管拖车容量对系统的影响。结果显示，惩罚成本存在一个合理区间，低于此区间系统会倾向于削减氢负荷以保供电，高于此区间则对可靠性提升作用递减。而增加区域间氢气长管拖车容量（即增强氢能交互能力）能直接、有效地提升系统供能可靠性，尤其在氢负荷削减方面效果显著。
研究结论与价值 本研究成功提出并验证了一套完整的“计及氢能交互的多区域电氢综合能源系统可靠性提升策略”。该策略的创新性与价值体现在： 1. 科学价值：首次系统性地建立了考虑氢能跨区域交互与区域内氢网灵活资源协同的可靠性评估框架。所构建的协同运行机制模型、最优负荷削减模型及新增的可靠性评估指标体系，丰富和发展了电氢综合能源系统可靠性理论，为多区域综合能源系统的规划与运行分析提供了新的方法论工具。 2. 应用价值：研究结论表明，充分利用氢能的长时存储和跨区域运输特性，能够有效平抑不同区域间的能源供需不平衡，显著提升整体系统的供能安全性与经济性。这为电网公司、能源规划部门在建设电氢耦合系统、设计市场机制和制定运行规则时，提供了重要的决策依据和理论支撑，对推动能源系统低碳安全转型具有实际指导意义。
研究亮点 1. 研究视角新颖：突破了单区域电氢系统可靠性研究的局限，率先深入探讨并量化了“氢能交互”对多区域系统可靠性的提升作用。 2. 模型与方法创新：提出了融合区域内氢网灵活调度（氢燃料电池汽车需求响应、车对网）与区域间氢能输送（氢气长管拖车）的协同运行机制，并据此构建了更贴近实际、考虑因素更全面的最优负荷削减混合整数线性规划模型。 3. 评估体系完善：建立了包含“区域交互水平”和“可靠性提升率”在内的综合评估指标体系，能够多维度、精准地评价策略效果。 4. 验证充分有力：通过多场景对比和典型故障深度剖析，不仅给出了可靠性提升的宏观数据，还清晰地揭示了氢能交互提升可靠性的微观作用路径（如“运氢助氢”和“运氢助电”），使结论非常具有说服力。