考虑动态掺氢的电-气综合系统低碳灵活运行策略：基于能量平衡的准动态建模与优化

本文聚焦动态掺氢的电-气综合系统（IEGS）低碳灵活运行问题，提出基于能量平衡的准动态模型，构建掺氢燃气轮机（HMGT）碳排与燃烧模型，采用动态掺氢策略优化系统经济性与灵活性，并利用McCormick包络、外线性逼近及二进制展开等凸松弛技术实现高效求解，显著降低运行成本与碳排放。

　　

Highlight

本研究提出一种融合动态氢注入的低碳灵活运行模型，整合光伏驱动质子交换膜（PEM）电解系统、掺氢燃气轮机（HMGT）及碳捕集利用与封存（CCUS）设施，显著增强氢掺混对碳减排的贡献；基于热力学与化学反应动力学构建HMGT燃烧模型，评估其碳排放与燃烧特性；采用动态氢掺混策略以应对气体组分波动对燃气系统及HMGT性能的影响；引入基于能量平衡的准动态模型，处理动态氢注入导致的气体热值变化问题。

System structure and main facility model

本节首先概述系统结构，随后分别介绍光伏驱动电解系统、HMGT及CCUS的运行模型。

Low-carbon flexible operation model of IEGS considering dynamic hydrogen injection

本节分别描述基于能量平衡的、具有动态氢掺混比的燃气系统准动态模型，以及电力系统的调度模型。

Tractable reformulation

本节提出可处理重构方法，以高效求解上述非凸非线性调度模型。

Numerical results

所研究的掺氢IEGS包含IEEE 33总线电力系统与比利时20节点燃气系统（图5）。系统含32条电力线、19条燃气管线、1台HMGT、4个储能系统（ES）、3个静态无功补偿器（SVC）、4个燃气轮机（GW）、3个电转氢（P2H）设施及3个燃气压缩机（GC）。每个P2H设施包含PEM电解槽、光伏单元、储氢罐（HS）及混合调节（MR）装置。所有单元参数与负荷需求可在线获取[42]。所有算例均使用MATLAB R2022b搭配YALMIP及GUROBI 12.0.0求解器计算。混合整数规划间隙（MIPGap）设为0.1%。

Conclusions

本文研究了基于能量平衡的、考虑动态氢注入的IEGS准动态低碳调度问题。引入光伏驱动PEM电解系统、HMGT及CCUS设施以体现氢掺混在IEGS中的价值；提出动态氢掺混策略以考虑气体组分变化对燃气系统及HMGT的影响；进而利用多种凸松弛技术开发可处理重构方法，有效求解模型非凸非线性项，显著提升系统经济性与环保性。

CRediT authorship contribution statement

高显辉：原始稿撰写、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法、形式分析、数据管理、概念化；翟俊逸：审稿与编辑、原始稿撰写、项目管理、方法、调研、资金获取、形式分析、数据管理、概念化；侯高阳：审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源、方法、调研；李正茂：审稿与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、形式分析；王胜：审稿与编辑、监督、项目管理、调研、形式分析；王建晓：审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念化。

Declaration of competing interest

作者声明无已知竞争性财务利益或个人关系影响本研究。