规划配备氢能和蓄电池储能系统的能源枢纽，以实现灵活的市场参与调节

《Journal of Energy Storage》：Planning energy hubs with hydrogen and battery storage for flexible ramping market participation

能源枢纽中氢能与多类型电池储能协同参与灵活调峰市场及不确定性风险管理的规划模型研究 摘要：提出融合可再生能源与氢能系统的能源枢纽规划框架，通过多类型电池储能（BESS）和氢能存储（HS）协同参与灵活调峰产品（FRP）市场，在考虑电池老化及市场不确定性条件下，构建基于条件风险值（CVaR）的随机优化模型，实现投资成本最小化与FRP收益最大化。研究表明，混合储能系统较单一BESS配置降低总成本23.62%，HS主导灵活调峰下泄能（FRD），BESS主要负责上泄能（FRU），且市场定价与置信水平显著影响规划结果。

　　在当前全球能源需求不断上升的背景下，如何构建一个可持续的能源系统成为一项重要课题。其中，将可再生能源与先进的储能技术相结合被视为关键策略。本文提出了一种能源枢纽的规划框架，旨在通过氢储能和可再生能源系统的整合，实现运营成本的最小化，同时参与灵活爬坡产品（FRP）市场。能源枢纽被设计为一种多能源载体系统，可以同时满足电力和氢气的需求，采用混合储能系统，包括多种类型的电池储能系统（BESS）以及氢气储能（HS）。由于可再生能源发电和市场价格存在不确定性，本文开发了一种随机优化模型，用于确定最佳的储能投资容量，并在随机场景下优化运营决策，以应对这些不确定性。为了缓解价格波动和可再生能源变化带来的财务风险，本文引入了条件风险价值（CVaR）这一指标。案例研究显示，与仅依赖BESS的单一储能配置相比，混合储能系统可以将总成本降低23.62%。研究结果强调了多类型BESS和氢气储能的协同优化对于提升电网灵活性和经济可行性的重要性。

随着可再生能源在电力系统中的比例不断增加，电网面临的灵活性挑战愈发突出。由于可再生能源的输出具有波动性和间歇性，其对电网的稳定性和调节能力提出了更高要求。这种变化趋势在高比例可再生能源的系统中尤为明显。为了应对这一问题，本文提出了一个新颖的规划模型，该模型不仅考虑了氢气储能和多种类型电池储能系统在FRP市场中的参与，还引入了需求响应（DR）机制，以提升电力和氢气负荷的灵活性。该模型通过随机优化方法，将FRP市场参与与DR策略相结合，从而实现对不同灵活性来源的综合评估。

本文的结构主要围绕能源枢纽的组成、储能系统的建模以及随机优化模型的构建展开。首先，介绍了能源枢纽的基本结构，包括光伏（PV）系统、风力发电（WT）系统、电池储能系统（BESS）以及氢气储能（HS）等关键组件。随后，对风力发电和光伏发电的建模进行了详细说明，分别考虑了风速和太阳辐射对输出功率的影响。在电池储能系统建模方面，本文考虑了不同电池技术的特性，如老化效应和效率差异，以提高模型的准确性。氢气储能系统则被建模为一个具有存储和释放功能的组件，其容量和效率在不同的场景下被考虑。

为了确保能源枢纽在不同场景下的稳定运行，本文提出了一个随机优化的规划模型。该模型以最小化总成本为目标，包括投资成本和运营成本，并通过CVaR指标来管理风险。研究结果表明，当氢气储能和多种类型电池储能系统共同参与FRP市场时，能源枢纽的总成本可以进一步降低。此外，案例研究还表明，FRP价格的变动对投资和运营策略有显著影响，较高的FRP价格可以激励更多的市场参与，从而带来更大的成本节约。同时，CVaR置信水平的调整也会影响总成本，较高的置信水平意味着对极端情况的考虑更加充分，从而提升规划的稳健性。

在实际应用中，能源枢纽的规划不仅需要考虑技术层面的优化，还应结合经济和市场因素。本文提出的模型通过引入随机优化方法，能够更好地应对市场和可再生能源的不确定性。此外，该模型还考虑了不同类型的储能系统在FRP市场中的差异化作用，例如，电池储能系统更适合提供灵活爬坡服务，而氢气储能则在提供灵活爬坡服务的下降方向上发挥更大作用。这种差异化的储能策略有助于提升能源系统的整体效率和经济性。

在实施该模型的过程中，采用了蒙特卡洛抽样方法来生成不确定性场景，并通过K均值聚类方法进行场景减少，最终选取了10个场景以平衡精度和计算效率。研究结果表明，这种场景生成方法能够有效捕捉极端事件，从而提升规划模型的鲁棒性。此外，案例研究还展示了不同FRP价格水平下能源枢纽的规划结果，表明FRP市场的参与对投资和运营决策有重要影响。当FRP价格提高时，能源枢纽更倾向于在FRP市场中增加参与度，从而获得更多的收益。

在实际应用中，能源枢纽的规划和运营需要综合考虑多个因素，包括技术性能、经济性、市场机制以及环境影响。本文提出的模型为这一复杂系统提供了一种系统性的分析框架，有助于优化储能系统的配置和运营策略。此外，研究还强调了多类型电池储能系统和氢气储能的协同优化对于提升电网灵活性和经济性的重要性。通过将这些储能系统与可再生能源和负荷管理相结合，可以实现更高效的能源利用和更低的运营成本。

研究结果表明，氢气储能的引入不仅有助于提升能源系统的灵活性，还能够有效降低运营成本。在案例研究中，当氢气储能和多种类型电池储能系统共同参与FRP市场时，总成本相比仅依赖电池储能系统的情况降低了1.15%。这表明，氢气储能在FRP市场中的作用不容忽视。此外，研究还展示了不同置信水平对规划结果的影响，较高的置信水平虽然会增加总成本，但能够提升系统对极端情况的适应能力。

本文的研究为未来可再生能源和氢气储能系统的规划提供了新的思路和方法。通过将多种储能技术与FRP市场机制相结合，可以更有效地应对可再生能源发电和市场价格的不确定性。同时，研究还强调了需求响应在提升系统灵活性方面的重要作用。未来的研究可以进一步探索如何将更详细的退化模型纳入规划框架，以提高模型的准确性。此外，还可以研究动态竞价策略和实时控制算法，以充分利用混合储能系统的灵活性。

总之，本文提出的规划模型为可再生能源和氢气储能系统的协同优化提供了理论支持和实践指导。通过引入随机优化方法和CVaR指标，该模型能够在不确定环境中实现最优的储能配置和运营策略。研究结果表明，氢气储能和多种类型电池储能系统的协同作用可以显著提升系统的经济性和灵活性。这为未来构建更加高效、可靠和可持续的能源系统提供了重要参考。