高可再生能源渗透下电解槽与燃料电池提供电网服务的两阶段优化模型

《Next Research》：Modelling of Electrolyzers and Fuel Cells for Grid Services Under High RES Penetration

本文提出了一种新颖的两阶段建模框架，利用电解槽（Electrolyzer）和燃料电池（FC）在向氢动力汽车（HPV）供氢的同时，为电网提供能量、频率控制储备（FCR）、自动频率恢复储备（AFRR）和手动频率恢复储备（MFRR）等服务。模型采用分布鲁棒优化（DRO）处理可再生能源（RES）出力、氢需求及电价的不确定性。仿真结果表明，该模型在满足HPV氢需求的同时，能全额提供合约FAS，且通过结合FAS和能量销售，可使微电网收入提升36-64%，证明了高可再生能源渗透下氢生产与电网服务结合的可行性与经济优势。

　　

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Literature Review

许多文献已就向电网提供频率辅助服务（FAS）进行了研究。频率恢复储备（FRR）作为三级FAS，包括自动频率恢复储备（AFRR）和手动频率恢复储备（MFRR），其研究已较为深入。文献[18]利用水力发电站的随机优化模型提供FRR。文献[19]提出利用电动汽车车队基于区块链/分布式账本模型提供AFRR。

Contribution

在上述大多数综述论文中，仅由发电机和可再生能源（RES）提供电网服务。只有少数论文利用了具有高灵活性的电解[33]来向电网提供辅助服务。在那些使用氢电解提供FAS的论文[5], [7], [9]中，对所要提供的FAS容量的不确定性并未进行广泛建模。使用RES还将增加经济效益。此外，利用燃料电池（FC）将过剩氢气转化为电能并输送到电网，将通过提供能量和FAS来增加收入。

Mathematical Model

该模型旨在最大化向氢动力汽车（HPV）销售氢气以及提供FAS所产生的收入。同时考虑了冷凝器和分配器的运营成本。该优化问题分为两阶段进行表述。在第一阶段，提前一天（即在提供FAS的前一天）确定要提供的FAS容量，同时考虑与HPV相关的所有其他约束。在第二阶段，微电网根据输电系统运营商（TSO）的信号和合约容量向电网提供FAS。

Case Study

所提出的模型在一个并网微电网上进行了仿真。该微电网包括30兆瓦的太阳能光伏和一座30兆瓦的风电场。微电网组件的参数如表2所示。电解槽容量是根据预期的HPV最大氢需求量来选择的。所选电解槽容量使其产氢量能够满足最大HPV氢需求的200%。产生的额外氢气被输送到FC。FC效率取为...

Conclusion

本文提出了一种新的电解槽和燃料电池（FC）模型，该模型在向氢动力汽车（HPV）供应氢气的同时，利用100%可再生能源（RES）向电网提供FAS和能量。这通过RES和氢气的整合支持了可持续性。使用分布鲁棒优化（DRO）处理RES出力、HPV氢需求和价格的不确定性。服务提供分为两个阶段。FAS的容量在第一阶段确定，而实际提供服务在第二阶段进行。这一切都是在向HPV供应氢气的同时完成的。过剩的RES...