考虑跨时期长期氢储存及多重不确定性的电力-天然气-氢能综合能源系统的最优规划

《IEEE Transactions on Power Systems》：Optimal Planning for Electricity–Gas–Hydrogen Integrated Energy Systems Considering Intertemporal Long-Term Hydrogen Storage and Multiple Uncertainties

氢能存储与混合优化模型在集成能源系统中的应用研究。针对可再生能源波动引起的长期能源不平衡问题，提出电-氢和电-气交换单元配合跨时序氢能存储的解决方案，建立考虑设备效率不确定性和场景概率的混合随机-鲁棒优化模型，通过主从分解算法实现系统最优规划，并通过典型与极端场景案例验证有效性。

　　

摘要：

为了解决综合能源系统中能源供需长期不平衡的问题，提出了一种结合电力-氢气和电力-天然气交换的系统，并引入了跨时间的长期氢储能技术。该系统通过跨时间氢储能确保了全年内的充电状态连续性，从而便于可再生能源的利用和能源的长期传输。同时，系统考虑了影响能源转换设备效率的多种不确定性因素以及不同情景的概率。为应对这些不确定性，采用了一种结合随机模型和鲁棒模型的混合方法，并引入了不确定性调整参数，以灵活调整规划方案的保守程度。随后，通过结合列生成算法和鲁棒二元理论，将原问题分解为一个具有混合整数线性特性的主问题和若干子问题。这些子问题交替求解，最终得出原问题的最优解。最后，通过案例研究验证了所提模型和规划方法在典型和极端情景下的优越性和有效性。

引言

为应对化石燃料污染和能源资源枯竭的紧迫挑战，发展清洁能源系统显得尤为重要。在这一背景下，建立综合能源系统（IES）是一项关键策略[1]、[2]。在综合能源系统中，通过利用可再生能源（RE）、电力转天然气（P2G）设备、燃气轮机（GTs）、电解设备（ED）及其他转换设备（CE）等先进技术，实现了电力、热能和天然气等多种能源形式的无缝整合[3]、[4]。这些技术使得系统能够实现低碳且经济可行的运行[5]、[6]。为了进一步提高综合能源系统的经济可行性和运行稳定性，必须对其进行合理规划。然而，涉及氢能的综合能源系统规划面临诸多挑战：1. 在某些地区，夏季可再生能源的产量过高，而秋季则面临负荷增加的难题，这导致长期能源不平衡现象持续存在，时间跨度可能达到数天、数周甚至数月。虽然电化学储能技术可以稳定短期的电力波动（以小时为单位），但解决长期能源不平衡问题仍是一个挑战[7]、[8]、[9]；2. 可再生能源的发电量受气候、季节、时间和地理位置的影响，存在较大的不确定性。同时，由于人口增长、产业结构调整及节能政策的实施，负荷需求也会在较长时间内发生变化，这些不确定性需要在长期规划中予以充分考虑。此外，对天然气（NG）和热电厂（TPs）的依赖加剧了碳排放[11]。这些复杂的不确定性因素涉及多种能源流和不同的时间尺度，对系统的规划和运行提出了更高的要求。