團隊介紹

• 熊宇峰，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電及氫儲能技術。
• 司楊，博士研究生，研究方向為新能源綜合利用。
• 鄭天文，副研究員/高級工程師，博士，研究方向為壓縮空氣儲能及智慧能源網(wǎng)、儲能、新能源運行調控等。
• 陳來軍，碩士生導師，清華大學電機系副教授，博士，主要研究方向為新能源發(fā)電和微電網(wǎng)、儲能技術。
• 梅生偉，教授、博士生導師，長江學者、杰青、IEEE Fellow、IET Fellow，基金委創(chuàng)新群體學術帶頭人。主要從事電力系統(tǒng)魯棒控制、大電網(wǎng)災變防治和可再生能源綜合利用等研究。

清華大學電機系“現(xiàn)代電力能源系統(tǒng)安全控制與高效利用”團隊，盧強院士、梅生偉教授為學術帶頭人，目前共有教授3人，研究員1人，副教授/副研究員5人，助理研究員1人，博士后3人，研究生40余人。

團隊建立了電力系統(tǒng)非線性控制理論，提出了適用于復雜電力系統(tǒng)的安全分析和災變防治技術；開創(chuàng)了電力系統(tǒng)工程博弈新理論和新方法，提出了聚納高比例新能源的控制調度新技術；發(fā)明了非補燃壓縮空氣儲能技術和裝置，為能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了清潔儲能和高效能量轉換技術支撐；研發(fā)了完全自主知識產(chǎn)權的全電磁暫態(tài)和多能耦合多時間尺度云仿真平臺CloudPss。

 

團隊近5年發(fā)表和錄用SCI論文100余篇，曾獲國家自然科學二等獎2項，國家科技進步二等獎1項，省部級獎勵16項。

本文針對中小規(guī)模工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，通過運營商優(yōu)化配置氫儲能系統(tǒng)促進系統(tǒng)的多能平衡，豐富運營商盈利模式。采用了主從博弈方法對現(xiàn)有商業(yè)模式下氫儲能的應用和綜合能源系統(tǒng)的運營展開研究。

研究背景

綜合能源系統(tǒng)(integrate energy system, IES)是綜合多種能源形式的產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)，對于提升能源利用效率，促進可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

然而在一類中小規(guī)模工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)中，存在外部供能網(wǎng)絡薄弱和用熱負荷高等現(xiàn)狀，網(wǎng)側運營商常常不具備對產(chǎn)能、負荷、儲能的直接調控能力，僅僅通過制定能源價格引導源、荷、儲側參與市場交易，客觀上運營商存在能量失衡、收益空間小的風險。上述問題對于綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)分離商業(yè)模式的推廣帶來一定的制約。

為改善系統(tǒng)能量平衡和運營商的收益，本文提出了一種工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運營商配置氫儲能系統(tǒng)的方式，以提升工業(yè)園區(qū)的能源調節(jié)能力、擴展其收益渠道。分析結果表明，氫儲能系統(tǒng)改善了運營商的能源調節(jié)能力，并在供能之外為運營商帶來售氫收益。

主要方法原理及創(chuàng)新點

針對多種可再生能源互補與氫能的制/儲/運技術的協(xié)調發(fā)展問題，本文將多種可再生能源與氫能作為一個整體，分別從制/儲/運三個方面進行分析，并詳細闡述了制氫技術中的發(fā)展歷史、研究水平和發(fā)展趨勢，儲氫運氫方式的發(fā)展趨勢以及氫能應用未來的發(fā)展方向等，為基于多種可再生能源互補的氫能發(fā)展領域的研究提供了借鑒和參考。

論文方法及創(chuàng)新點

本文緊扣綜合能源系統(tǒng)中、源網(wǎng)分離模式下網(wǎng)側運營商配置氫儲能系統(tǒng)以改善能量平衡和自身收益這一問題，其中，氫儲能系統(tǒng)由電解槽、儲氫罐、燃料電池組成，兼產(chǎn)能、儲能、用能于一體，并涉及氣、電、熱多種能量形式，具有較強的能量調控能力。

基于氫儲能多能聯(lián)儲聯(lián)供模型，提出了系統(tǒng)的基本架構（如圖1），涉及源、網(wǎng)、荷、儲四方主體，并構建了各方的博弈模型。

圖1 含氫儲能的IES架構

參考現(xiàn)有的價格-能量博弈模式，構建了含氫儲能的綜合能源系統(tǒng)的三階段主從博弈框架（如圖2）。

1. 第一階段：網(wǎng)側運營商決策中長期能量價格；
2. 第二階段：源、荷、儲側依據(jù)能量價格決策能量交互量；
3. 第三階段：網(wǎng)側運營商依據(jù)各方能量交互量決微氫儲能配置容量以改善能量平衡。

圖2 考慮氫儲能配置的IES博弈流程

根據(jù)主從博弈的階段性特點，提出了基于遺傳算法和混合整數(shù)優(yōu)化的三層主從博弈求解方法。

• 上層：采用遺傳算法模擬系統(tǒng)運營商決策能源價格；
• 中層：采用混合整數(shù)二次優(yōu)化求解源、荷、儲側決策的能量交互量；
• 下層：采用混合整數(shù)線性優(yōu)化求解系統(tǒng)運營商決策的氫儲能配置容量。

學術觀點和結論

以濟南某地的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例，配置了氫儲能后，依據(jù)綜合能源系統(tǒng)各主體決策變化，得到以下結論：

1.系統(tǒng)能量平衡方面：能量失衡狀況大幅改善，失棄負荷總量下降20%，且總量意義的供能不平衡轉化為時間意義的不平衡，激勵儲能商擴大儲能容量進一步改善能量平衡。

2.網(wǎng)側系統(tǒng)運營商方面：運營商對能量失衡的顧慮減少，價格決策空間更加靈活。購能費用和售能收益無明顯變化，能量失衡減少和可觀的售氫收益使得總收益明顯改善，上升約1/3。

3.系統(tǒng)其他主體方面：負荷聚合商傾向于分攤負荷響應以提升用能舒適度；能源生產(chǎn)商傾向于提升清潔能源出力比例；儲能運營商的行為未有明顯變化，可與氫儲能形成良性互補。

工程價值及意義

在技術層面，通過充分發(fā)揮氫儲能多能綜合利用、產(chǎn)能儲能用能一體化的優(yōu)點，將其引入工業(yè)園區(qū)綜合供能系統(tǒng)，在源網(wǎng)荷儲分離的模式下，提出了一種網(wǎng)側運營商引入如氫儲能彌補期能量調節(jié)能力不足的技術思路。對于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃與運行有一定借鑒意義。

在商業(yè)層面，本文提出了一種有前景的商業(yè)模式，基于氫儲能的多能綜合利用模型，構建了氫儲能系統(tǒng)參與綜合能源系統(tǒng)運行的模式，對于氫儲能這一新技術的規(guī)模化應用有較大意義。

局限性與進一步研究方向

本文針對特定的綜合能源系統(tǒng)（中小規(guī)模工業(yè)園區(qū)）開展氫儲能配置的研究。除綜合能源系統(tǒng)外，氫儲能系統(tǒng)的其他規(guī)?；瘧玫膱鼍?，還需要進一步探索和分析。

?引用本文

熊宇峰, 司楊, 鄭天文, 陳來軍, 梅生偉. 基于主從博弈的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)氫儲能優(yōu)化配置[J]. 電工技術學報, 2021, 36(3): 507-516. Xiong Yufeng, Si Yang, Zheng Tianwen, Chen Laijun, Mei Shengwei. Optimal Configuration of Hydrogen Storage in Industrial Park Integrated Energy System Based on Stackelberg Game. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 507-516.