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研究背景

  我国道路交通系统资产能源化潜力巨大，充分利用风、光等绿色能源是实现交通低碳发展的必经之路。而氢能作为新型储能和交通载运设备的动力源，在源-网-荷-储-充-交通自洽能源系统中呈现出巨大的发展潜力。自洽能源系统是指在规划、建设和运行过程中，利用风光新能源发电及共享储能等设备，有机协调能源生产、转换、传输、分配、存储等环节的能源产消一体化系统。然而，氢燃料电池车、氢储能等异质能源类灵活性负荷的快速发展让电网和交通网双向耦合，造成能源生产消纳、能量动态平衡、系统调度运行难度不断增加。如何兼顾能源自洽率和低碳经济性，通过新型储能实现配电网与交通网融合，对加快能源变革具有重要价值。

研究内容

  1、 配电网-交通网双向耦合架构

  新能源配电网-交通网双向耦合架构包括电力网络和以氢燃料电池车为主的交通网，如图1所示。配电网有分布式新能源接入、电负荷供能、上级电网接口、电解水制氢设备供电等作用。分布式新能源出力优先为配电网负荷供电，余电可转化为氢能，供氢燃料电池车或氢储能系统。交通网加氢总站和加氢子站为氢燃料电池车供能，短期氢储能和共享氢储能可补足氢能缺额。另一方面，氢储能系统也可以在用电高峰期为电负荷供电。新能源配电网-交通网双向耦合架构让能源和交通两个存在条块分割和行业隔离的系统交互融合。

图1 配电网-交通网双向耦合架构

  2、 电-氢-交通耦合配电网模型

  考虑分布式新能源高占比并网、弱同步支撑的运行工况，配电网存在无功控制能力相对较弱，电压波动频繁等问题。因此，配电网模型由分布式风光新能源出力模型、余电制氢模型以及氢燃料电池发电模型构成。而氢燃料电池车负荷大小主要受行驶里程、返程时间以及加氢站供需量等因素影响，所以交通网模型主要包括氢燃料电池车行为模式分析模型、单站加氢需求和交通网总加氢需求模型。考虑交通网消费终端大规模氢能需求以及氢气存储等因素影响，氢储能模型则包括短期氢储能和共享氢储能两部分。

  3、 基于精英遗传算法的电-氢-交通耦合配电网双层优化调度模型求解方法

  上层交通网加氢模型以负荷峰谷差最小和加氢成本最低为目标，满足氢燃料电池车加氢需求为约束条件，即每台车的实际氢量不能超过总容量，且不能小于用户期望值。下层交通网-配电网自洽模型目标函数包括两部分：一是系统电能和氢能自洽率最高；二是系统碳排放成本最低。采用精英遗传算法求解模型，并以青海省海东市为例验证模型，如图2所示。

图2 配电网-交通网结构图

  算例中交通网有一座总站和两座子站，加氢总站设有短期氢储能和共享氢储能。加氢子站只有短期氢储能，即加氢子站不能向加氢总站运输氢能，同时加氢子站之间也无法做氢能互济。若分布式风光新能源余电制氢无法满足氢负荷用能需求，首先由加氢站短期氢储能补足，如果仍存在氢能缺额，则由拖车调用加氢总站的共享氢储能。算例设置4种运行方案，各方案氢储能运行模式如表1所示。

  优化结果表明：方案4为最优计算结果，短期氢储能和共享氢储能配合是提高能源自洽率、降低碳排放的最佳选择。加氢总站、加氢子站1和加氢子站2的运行情况如图3、图4、图5所示。氢能供给顺序为：分布式风光新能源余电制氢、短期氢储能、共享氢储能、从上一级电网购电制氢。

  （1）图3中方案4和方案2的能源自洽率都可以达到98.16%。因为加氢总站在两种方案下都只有短期氢储能，需要从上一级电网购电制氢，产生了486.20元碳排放成本。

  （2）图4中短期氢储能和共享氢储能共同支撑加氢子站1运行，能源自洽率达到了97.07%，从上一级电网购电制氢产生了272.17元碳排放成本。

  （3）图5中短期氢储能和共享氢储能共同支撑加氢子站2运行，实现了100%能源自洽率，无需从上级电网购电，也不会产生碳排放成本。

  （4）凌晨时段，分布式风光新能源出力较小、氢储量不足，需要从上级电网购电满足负荷用能需求。

  （5）18:00以后，分布式风光新能源出力下降，而氢燃料电池车加氢需求增加，造成余电制氢无法满足氢负荷用能需求，首先由加氢子站共享储能补足氢能缺额。

  以上优化计算结果和分析表明，自洽能源系统是促进新能源高水平消纳、满足各类负荷用能需求、降低碳排放的有效措施。

结论

  论文以建立自洽能源系统为目标，研究了计及能源自洽率和共享氢储能的电-氢-交通耦合配电网低碳经济优化调度。研究表明，配置短期氢储能、共享氢储能均可提高能源自洽率、降低碳排放成本。同时，加氢站短期氢储能和共享氢储能协同作用让能源具备多时空转移特性，可达到能源自洽率最高、碳排放成本最小的最优状态。然而现有源网荷储各侧调节性资源成本疏导仍缺乏有效途径，未来将从以下方面开展研究工作：

  （1）城域综合制氢加氢站规划与运营策略；

  （2）多元新型储能商业模式与运营模式；

  （3）用户侧综合储能系统经济性效益分析；

  （4）多元新型储能辅助服务市场规模评估；

  （5）面向多样化能源生产组织的价格联动机制。