本文档发表于2023年12月的《电工技术学报》（Transactions of China Electrotechnical Society，Vol.38, No.24）。论文标题为《基于氢能设备多状态模型的电氢区域综合能源系统可靠性评估》。第一作者为任洲洋，通信作者或主要作者还包括王皓、李文沅、姜云鹏。所有作者均来自输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学电气工程学院）。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。
本研究属于电气工程与综合能源系统交叉领域，具体聚焦于电氢耦合区域综合能源系统（electricity-hydrogen regional integrated energy systems, EH-RIESs）的可靠性评估。研究的学术背景源于我国“碳达峰、碳中和”的战略目标下，电力系统绿色低碳转型的迫切需求。氢能因其零碳、灵活高效的特点，被视为实现这一转型的关键路径之一。EH-RIESs通过耦合电、氢、热等异质能源系统，能够有效促进新能源消纳，提升系统灵活性与供能可靠性。然而，要实现EH-RIESs的科学规划与高效运行，必须发展相应的可靠性评估方法。当前，该领域面临两大关键挑战：一是氢能设备（如电解槽、燃料电池）故障机理复杂，传统的“正常-停运”两状态模型无法准确刻画其实际运行特性（如降额运行）；二是缺乏针对供氢可靠性的量化评估指标与系统性方法。因此，本研究旨在解决上述问题，通过建立精细化的氢能设备可靠性模型，并构建一套完整的EH-RIESs可靠性评估框架，以准确量化系统特别是氢能的供给可靠性水平，为系统规划和建设提供理论支撑和决策依据。
本研究的工作流程可分为四个主要环节：氢能设备多状态可靠性模型构建、考虑电氢耦合的最优负荷削减模型建立、供氢可靠性指标体系定义、以及基于MCMC的系统可靠性评估方法实施。
在第一环节，研究团队深入剖析了三种关键氢能设备的故障机理与运行特性，建立了全新的多状态可靠性评估模型。对于碱性电解槽（Alkaline Electrolyzer），研究者不仅考虑了导致其完全停运的故障（如电解池、气体分离装置、循环水泵故障），更创新性地引入了“降额运行状态”。他们揭示了换热器管程故障会导致碱液浓度降低、电导率下降，进而使得电解槽在相同产氢量下耗电功率增加（即制氢效率降低），这种状态不同于完全失效，但会影响系统供氢能力。因此，他们建立了一个包含正常运行（状态1）、降额运行（状态2）和故障停运（状态3、4）的四状态Markov模型。对于质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell），本研究重点考虑了其在热电联产（Combined Heat and Power, CHP）模式下的可靠性。研究人员分析了电堆、氧气供应、冷却循环、加湿装置、氢气供应等多个组件故障对设备输出（电功率和热功率）的影响机理。与仅考虑发电模式的现有模型不同，本研究建立的模型能够描述上述不同组件故障导致燃料电池进入不同降额运行状态（输出电功率降低、耗氢量变化等）的情形，同时仍能通过公式计算其产热功率，形成了一个包含16种状态（8种降额运行状态）的复杂Markov模型。对于加氢机组（Hydrogen Dispenser Units），考虑到加氢站通常由多台加氢机构成，研究者建立了基于故障加氢机数量的多状态模型，从全部正常运行到全部故障停运，共有N+1种状态（N为加氢机总台数），这比简单的整体两状态模型更能反映实际运行中的容量可用性变化。此外，对于储氢罐（Hydrogen Storage Tank），则采用了经典的两状态模型。这些基于故障物理机理的多状态模型是本研究的基础创新，为后续准确模拟系统运行状态奠定了“坚实基础”。
第二环节，研究者构建了一个用于模拟故障状态下系统运行的最优负荷削减模型。该模型的目标函数是使弃风弃光惩罚成本与电、氢、热负荷削减惩罚成本之和最小。模型约束条件全面，包括：1）异质能量流约束，如基于线性化DistFlow公式的配电网潮流约束，以及电、氢、热功率平衡约束；2）氢能设备运行约束，即基于前述多状态模型的电解槽、燃料电池、储氢罐、加氢机组的输入-输出关系及安全运行限值；3）其他设备（如电力线路、风光机组、燃气锅炉）的两状态模型约束。该模型是一个非线性混合整数规划问题，研究者采用分段线性化方法处理非线性项后，转化为混合整数线性规划问题，并使用Gurobi商业求解器进行求解。此模型的作用是在每一次系统状态抽样后，求解在当前故障组合下如何最优地调度剩余可用资源（包括可能的弃风弃光），以最小化总的惩罚成本，从而计算出该状态下各类负荷的削减量。
第三环节，针对传统可靠性指标（如电力系统的LOLP、LOLE、EENS）无法评估氢能供给的问题，本研究构建了一套供氢可靠性评估指标体系。核心指标包括：氢负荷削减概率（Loss of Hydrogen Load Probability, LOLHP）、氢负荷削减时间期望（Loss of Hydrogen Load Expectation, LOHLE）、氢负荷缺供能量期望（Expected Hydrogen Not Supply, EHNS）。尤为重要的是，研究者提出了一个新颖的“设备供氢贡献度（Hydrogen Supply Contribution of Equipment, HSCoE）”指标，用于量化某一设备随机故障对总氢负荷缺供能量的影响程度，有助于识别影响供氢可靠性的关键薄弱环节。此外，还定义了综合经济损失指标“缺供能量综合损失（CENS）”，以货币形式统一衡量电、氢、热负荷缺供的总代价。
第四环节，整合前述模型与指标，提出了基于马尔科夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo, MCMC）模拟的EH-RIESs可靠性评估方法。其计算流程为：首先，输入系统参数，初始化设备状态。接着，在长达数万小时的模拟周期内，利用MCMC方法，基于各设备的Markov状态转移概率矩阵，逐小时抽样得到整个系统的状态序列（即哪些设备处于何种运行状态）。对于抽样得到的每一个系统状态（对应一个特定的故障组合），调用第二环节的最优负荷削减模型进行调度计算，得到该小时内的负荷削减情况。累积所有模拟年的负荷削减数据后，即可根据第三环节的指标体系计算出各项可靠性指标。流程中设置了模拟年限和方差系数的收敛判据，以保证评估结果的统计精度。
本研究的主要结果通过两个不同规模的测试系统（基于IEEE 14节点配电网的EH-RIES-A和基于52节点实际配电网的EH-RIES-B）的仿真分析得到验证。为了凸显所提多状态模型的优势，研究者设置了四种对比方法：方法1（传统方法，使用两状态模型）；方法2（仅引入加氢机组多状态模型）；方法3（引入加氢机组和电解槽多状态模型）；方法4（本文方法，即引入全部三种设备的多状态模型）。
仿真结果显示，在EH-RIES-A系统中：1）采用方法2时，氢负荷可靠性指标（如LOHLP、EHNS）相比方法1显著恶化，这表明忽略加氢机的部分故障（降额状态）会高估供氢可靠性。2）采用方法3时，氢负荷可靠性指标进一步劣于方法2，特别是在电解槽处于降额运行状态时，由于其制氢效率降低，在电网交互功率受限的情况下，系统为保障供电可能被迫削减更多氢负荷，这证明了忽略电解槽降额状态同样会导致可靠性评估过于乐观。3）采用方法4（本文方法）时，电、氢负荷指标与方法3相近，但热负荷可靠性指标（如热负荷削减概率LOTLP）得到大幅提升。这是因为在燃料电池热电联产模式下，即使燃气锅炉故障，处于正常或部分降额运行状态的燃料电池也能提供热量，弥补热负荷缺额。这表明忽略燃料电池的热电联产模式会低估系统的供热可靠性。对EH-RIES-B系统的仿真得出了完全一致的趋势，验证了所提模型与方法对不同规模系统的普适性。
进一步，研究者利用方法4计算了EH-RIES-A系统中各类设备的供氢贡献度（HSCoE）。结果表明，电解槽的故障对氢负荷缺供能量的贡献度高达53.72%，是影响供氢可靠性的最关键设备。其次，电力线路和风光机组故障的贡献度之和为32.61%，这说明上游电力供应的可靠性对下游氢能生产有决定性影响。加氢机组的贡献度为13.41%，也不容忽视。而储氢罐和热力系统设备的影响则很小。这一分析为系统规划和薄弱环节加固提供了明确的指导方向。
此外，研究还分析了氢负荷单位削减惩罚成本（Cq）对系统运行决策和总经济损失（CENS）的影响。当Cq设置较低时，系统在故障时会优先削减氢负荷以保供电，导致氢可靠性差但总损失CENS较低。随着Cq提高，系统会倾向于保氢而削电，氢可靠性提升，但总损失CENS增加。这揭示了在系统规划与运行中，需要根据氢能的价值定位（经济或安全价值）合理设定Cq，以在可靠性与经济性之间取得平衡。
本研究的结论明确：首先，所提出的氢能设备多状态模型（特别是电解槽降额模型和燃料电池热电联产模型）对于准确评估EH-RIESs的供氢和供热可靠性至关重要，忽略这些状态将导致评估结果出现显著偏差（高估供氢或低估供热）。其次，所构建的供氢可靠性指标体系及基于MCMC的系统评估方法，能够有效量化氢能供给的可靠性水平，并识别出影响可靠性的关键设备（如电解槽和电力供应设备）。最后，氢负荷的惩罚成本设定是平衡系统异质能源供给可靠性与经济性的重要杠杆。
本研究的科学价值与应用价值显著。在科学层面，它首次系统性地将氢能设备的物理故障机理转化为可用于系统可靠性评估的多状态概率模型，填补了该领域精细化建模的空白；提出了专门的供氢可靠性指标和贡献度分析方法，丰富了综合能源系统可靠性理论。在应用层面，该评估方法可以为电氢综合能源系统的规划、设计、设备选型、备用配置提供定量化的决策依据，帮助决策者识别系统薄弱环节（例如，是否需要为电解槽配置备用或加强电网连接），从而引导氢能产业朝着更可靠、更经济的方向健康发展。
本研究的亮点在于：1）建模创新性：超越了简单的两状态假设，基于深刻的物理故障机理，建立了碱性电解槽、热电联产燃料电池和加氢机组的多状态可靠性模型，这是本研究的核心理论贡献。2）评估系统性：构建了从设备模型、系统优化调度到指标定义和评估算法的完整方法论链条，形成了针对EH-RIESs可靠性评估的闭环解决方案。3）指标前瞻性：首创了“设备供氢贡献度”等指标，不仅评估系统整体可靠性，还能进行根源分析，具有很好的工程指导意义。4）结论实用性：通过仿真分析不仅验证了方法有效性，还得到了“电解槽是供氢可靠性的最关键设备”、“氢负荷惩罚成本是重要调控手段”等具有实际指导意义的结论。这些工作共同推动了电氢耦合综合能源系统可靠性评估从概念走向定量化、精细化的新阶段。