基于系統(tǒng)動力學的風氫煤耦合系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型構(gòu)建及驗證分析

彭生江，楊淑霞

（1.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京 102206；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅蘭州 730030）

1 研究背景與問題提出

煤炭作為我國的主體能源，在能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導地位，我國能源結(jié)構(gòu)仍未擺脫“一煤獨大”的局面。在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，我國能源消費結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化，2020 年煤炭消費比重降至57.0%以內(nèi)，天然氣和水核風光電等清潔能源的消費量占能源消費總量的比重已提高到24.4%［1］?！半p碳”目標背景下，煤炭、煤化工產(chǎn)業(yè)作為支撐我國經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)，需要降低碳排放，推動經(jīng)濟結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型，加快形成綠色生產(chǎn)方式。然而我國油氣資源匱乏，而煤炭相對豐富，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)依靠技術(shù)革新，實現(xiàn)石油和天然氣資源的補充和部分替代，是國家能源生產(chǎn)和消費革命的重要內(nèi)容。煤化工已成為繼煤電之后，我國消耗煤炭最多的產(chǎn)業(yè)，“雙碳”目標的提出加快促進了我國經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)型升級，也對煤電和煤化工行業(yè)提出了跨時代的要求，大力推進煤炭轉(zhuǎn)化過程的節(jié)能和CO2低排放技術(shù)發(fā)展，是我國煤資源富集省份面臨的重大而又緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。此外，我國西北地區(qū)遠離負荷中心區(qū)，本地電網(wǎng)容量較小，即使電能外送的通道全面建成，能上網(wǎng)的風電量占實際風電發(fā)電量的比例仍較小。風電發(fā)展所受到的制約對我國風煤富集省份實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標產(chǎn)生較大負面影響，迫切需要新的思路來解決。

氫是一種特殊的二次能源，可考慮以氫能為樞紐，將我國風煤富集省份豐富的風能和煤炭資源在產(chǎn)業(yè)鏈上進行整合，以改變氫的獲取方式為突破口，簡化傳統(tǒng)煤化工過程，拓展和擴大風電利用途徑和規(guī)模，形成風氫煤耦合能源系統(tǒng)（以下簡稱“耦合系統(tǒng)”），實現(xiàn)優(yōu)勢資源的互補互動。風氫煤耦合系統(tǒng)具體包含兩個方向：一是風煤富集省份采用風電進行電解水制氫，消納多余電力，儲存的H2利用氫燃料電池實現(xiàn)氫能循環(huán)利用；二是建立煤化工二次能源系統(tǒng)，為煤化工中煤制天然氣、尿素、聚氯乙烯、乙二醇等煤化工產(chǎn)品的工藝過程提供所需的氫和氧。儲能與可再生能源的耦合對于解決再生能源并網(wǎng)難的問題具有積極作用，是目前國際上研究的熱點［2］。風電制氫能源系統(tǒng)包括風電場、制氫設(shè)備、儲氫罐、鋰電池、燃料電池和電氫負荷，并與外部電網(wǎng)和H2網(wǎng)相連接。風電作為清潔能源，是系統(tǒng)內(nèi)部唯一的電源，向系統(tǒng)提供能量。一方面風電向系統(tǒng)中的用電負荷直接供電，另一方面通過電制氫設(shè)備制取H2，并通過儲氫罐進行儲存，向系統(tǒng)內(nèi)部的H2負荷供氫，當系統(tǒng)中電負荷和H2負荷無法消納全部的風電出力時，風電通過鋰電池和儲氫罐將多余的能量進行儲存，并在風電出力不足時補足能量缺額。為了形成一個“電—氫—電”的能量閉環(huán)，使系統(tǒng)具有更大的靈活性，引入了氫燃料電池設(shè)備；當風電及鋰電池等儲能設(shè)備同時工作也不能滿足系統(tǒng)用能需求時，需要向外部的電網(wǎng)和H2網(wǎng)中購能。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

在已有相關(guān)研究中，風電制氫方面，Apostolou等［3］將風氫耦合系統(tǒng)分為輔助型并網(wǎng)耦合系統(tǒng)、獨立型離網(wǎng)耦合系統(tǒng)和H2外送型耦合系統(tǒng)，關(guān)注氫作為多功能輔助服務(wù)或具有多種輸出和配置的風電場的附加裝置；Mirzaei 等［4］針對風電“棄風”嚴重、低電壓過渡能力弱等問題，提出了風氫耦合系統(tǒng)模型及其控制策略，構(gòu)造了一種電解槽和燃料電池集結(jié)于直流母線的結(jié)構(gòu)；鄧浩等［5］提出了包含風力機/電解槽/燃料電池/超級電容的風氫耦合系統(tǒng)；王鳴迪［6］構(gòu)建了融入風氫耦合系統(tǒng)完整的船舶電力系統(tǒng)。煤化工能源系統(tǒng)方面，主要針對煤氣化、合成CH3OH 過程進行分析，其中煤炭和水經(jīng)過煤氣化過程生成粗合成氣，通過H2進行氣體調(diào)比，經(jīng)合成反應(yīng)器生成CH3OH，CH3OH 再與H2、O2混合組成發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出電能，最后協(xié)調(diào)并網(wǎng)（見圖1）。煤化工能源方面，何錚［7］提出了把捕集CO2、風電制氫和CO2加氫反應(yīng)相結(jié)合的綠色煤化工的發(fā)展思路；袁鐵江等［8-9］、段青熙等［10］初步構(gòu)建了風電氫儲能與煤化工多能耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)，針對多能耦合系統(tǒng)中的氫儲能過程，利用宏觀能量描述法（EMR）建立了氫儲能系統(tǒng)模型，揭示了制氫系統(tǒng)中的能量傳遞或轉(zhuǎn)換機制；Fan 等［11］針對新疆哈密能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，提出了風力、光伏、H2儲能與煤化工混合多能耦合系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)風能、光伏新能源的利用，最大限度地減少污染和能源消耗；Chen 等［12］提出了一種煤基化工混合能源系統(tǒng)，將可再生能源與煤炭結(jié)合起來進行低碳燃料和化學品生產(chǎn)；Buchheit等［13］提出了一種可再生能源風能與傳統(tǒng)穩(wěn)定能源煤炭和核能相結(jié)合的混合能源系統(tǒng)；魏繁榮等［14］提出了一種煤風氫能源系統(tǒng)，以發(fā)電和制氫聯(lián)合能源網(wǎng)絡(luò)的整體效益最大化為目標，對傳統(tǒng)機組風電制氫設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的短期調(diào)度經(jīng)濟性進行了優(yōu)化，為優(yōu)化風電場和大型新能源消費設(shè)備能源網(wǎng)經(jīng)濟運行策略提供了新的思路。

圖1 煤化工能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述研究多集中于風電制氫、風煤耦合生產(chǎn)和煤化工能源系統(tǒng)方面，僅有少數(shù)學者從理論階段證實了風氫煤耦合系統(tǒng)的可行性，較少對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和其在實際中的應(yīng)用路徑進行介紹和分析。風氫煤耦合系統(tǒng)具有強耦合和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，需要在已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)和建模方法進行重點研究。為此，本研究建立基于系統(tǒng)動力學理論的風氫煤耦合系統(tǒng)容量配置模型，對風氫煤系統(tǒng)耦合演化過程進行驗證與可靠性檢驗，為進一步優(yōu)化耦合系統(tǒng)容量優(yōu)化配置提供參考。

3 風煤富集區(qū)風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型

3.1 基本假定

考慮風煤富集區(qū)風氫煤耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時主要參考裴煜等［15］、隨權(quán)等［16］、馬騰飛等［17］、張磊等［18］、烏云娜等［19］、劉吉成等［20］、葛鈺潔等［21］、王中郵等［22］的研究，構(gòu)建風煤富集區(qū)耦合系統(tǒng)動力學模型（以下簡稱“模型”），并對模型做以下假定：

（1）風煤富集區(qū)耦合系統(tǒng)是一個不斷循環(huán)的系統(tǒng)，能源消耗量、火電裝機量、氫儲能量、碳排放量及經(jīng)濟效益等均不斷變化；

（2）只考慮主要風電制氫與煤化工過程能源消耗、碳排放等因素的動態(tài)演化規(guī)律；

（3）只考慮經(jīng)濟、人口、能源消耗對碳排放的影響，不考慮系統(tǒng)以外因素影響；

（4）以CO2排放量作為碳排放指標，不考慮能源消耗產(chǎn)生的其他污染氣體排放。

3.2 模型的基本架構(gòu)

耦合體系包括風能子系統(tǒng)、氫能子系統(tǒng)和煤炭子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間實現(xiàn)物質(zhì)與能量輸送（見圖2）。在風能子系統(tǒng)中，主要滿足區(qū)域用電需求，可為煤炭產(chǎn)業(yè)提供能源，過剩風能應(yīng)用于電解水制氫，以氫能為載體將過剩能源存儲，避免“棄風棄電”問題；電解水產(chǎn)生的O2可加入火電機組形成富氧環(huán)境，也可作為煤氣化的催化劑。在氫能子系統(tǒng)中，過剩風能用于電解水能產(chǎn)生部分H2。可再生能源制氫是未來主流，但由于我國特殊的能源稟賦狀況，在當前乃至未來的一定時間內(nèi)，煤制氫是我國較為可靠和經(jīng)濟的大規(guī)模制氫途徑之一。氫能的主要消納途徑為煤化工加氫、氫燃料電池、氫能源汽車和天然氣摻氫等。在煤炭子系統(tǒng)中，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)，推動煤炭向基礎(chǔ)保障性物資轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮煤炭在構(gòu)建清潔低碳能源體系中的作用。煤氣化制備CH3OH 過程中消納電解水產(chǎn)生的H2和O2，實現(xiàn)能源高效利用。由于CH3OH 是良好的液態(tài)儲氫和運氫載體，單位CH3OH 產(chǎn)氫量是單位液氫的2 倍［23］。因此CH3OH可在線制氫用于分布式供電，各子系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)與能量傳輸以及能源的最大化利用。

圖2 風氫煤耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于耦合系統(tǒng)各部分發(fā)展建設(shè)與生產(chǎn)運行過程是動態(tài)反饋的，共同作用、相互影響的內(nèi)外部因素對能源系統(tǒng)發(fā)展過程影響顯著，而系統(tǒng)動力學對于分析動態(tài)、多變量、高階次、具有反饋機制的耦合問題具有明顯優(yōu)勢，故引入系統(tǒng)動力學理論，以耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)行為以及引起能源生產(chǎn)和消費變化的各個要素作為建模的基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域能源發(fā)展實際，構(gòu)建風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型。系統(tǒng)動力學以因果關(guān)系回路作為構(gòu)成系統(tǒng)最基本的單元，系統(tǒng)中的信息就隨著因果關(guān)系回路流動，對下一個因素產(chǎn)生正影響或者負影響，最終形成一個閉環(huán)，形成如圖3 所示的模型。其中，H2作為連接風電制氫與煤化工產(chǎn)業(yè)的介質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。風電制氫過程生成H2，進行氫儲能，同時，通過氣體分配進入煤化工系統(tǒng)合成CH3OH，又可與CH3OH、O2組成發(fā)電系統(tǒng)最終并網(wǎng)，因此，H2是耦合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，在此系統(tǒng)動力學模型中通過綠氫產(chǎn)量來實現(xiàn)兩個子系統(tǒng)之間的耦合連接。一方面，綠氫產(chǎn)量將具有波動性的風能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定且清潔的H2從而達到平滑風電；另一方面，綠氫可以作為CH3OH 原料氣與氣化爐生產(chǎn)的富碳合成氣摻混，然后經(jīng)過合成反應(yīng)器、分離器再精餾，最終生產(chǎn)出合格的CH3OH/二甲醚。從系統(tǒng)動力學內(nèi)部因素層面上講，綠氫產(chǎn)量在一定程度上與制氫電量、煤炭減少量、CO2減排量、社會經(jīng)濟效益、供電煤耗、氫氣發(fā)電量、工業(yè)用氫量等因素之間均有緊密聯(lián)系。

圖3 風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型

3.3 耦合系統(tǒng)容量配置變量動態(tài)演化規(guī)律分析

以我國新疆地區(qū)2005 年數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)，2005 年至2020 年數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，用Vensim 軟件進行耦合系統(tǒng)動力學仿真，仿真步長設(shè)置為1 年，結(jié)合風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型，模擬其2020 年至2030 年風氫煤耦合能源系統(tǒng)發(fā)展路徑，為國家“十四五”規(guī)劃綠色低碳循環(huán)發(fā)展提供實施策略參考，為“十五五”健全綠色低碳發(fā)展體系提供發(fā)展趨勢預(yù)測和把握。模型設(shè)置界面如圖4 所示。所有相關(guān)變量參數(shù)值均取自于歷年《中國統(tǒng)計年鑒》《新疆統(tǒng)計年鑒》《能源統(tǒng)計年鑒》《中國電力統(tǒng)計年鑒》以及相關(guān)權(quán)威機構(gòu)風能和煤炭統(tǒng)計數(shù)據(jù)，部分間接參數(shù)通過模型運行選擇反映現(xiàn)實系統(tǒng)的參數(shù)值、借鑒現(xiàn)有研究的公認公式及相關(guān)參數(shù)等方式確定。

圖4 新疆地區(qū)風氫煤耦合系統(tǒng)仿真模型參數(shù)設(shè)置示意

此外，新疆地區(qū)生產(chǎn)、生活用電量及用電增長率曲線分布見圖5，可知生產(chǎn)用電量逐年遞增，生活用電量占比較小，生產(chǎn)用電和生活用電的總用電量主要受經(jīng)濟增長影響?！笆晃濉逼陂g，我國風電技術(shù)整機水平較低，發(fā)展速度受到限制，裝機水平提升緩慢［24］?！笆濉逼陂g，作為我國風電富集區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)進入了風電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模快速發(fā)展階段，風電總裝機容量翻番式增長，但由于本地消納能力有限，所以“棄風”問題開始凸顯［25］。“十三五”期間，新疆由于棄風率連續(xù)4 年偏高而被國家列為風電開發(fā)建設(shè)紅色預(yù)警區(qū)域，致使當?shù)仫L電產(chǎn)業(yè)投資受到影響，新增裝機速度明顯下滑，加之電力外送通道工程拓寬了消納渠道，其棄風率在2020 年降至警戒線以下［26］。

圖5 新疆地區(qū)用電量年度分布及增長率

如圖6 所示，對風電與火電裝機容量對比分析發(fā)現(xiàn)，新疆2010—2020 年期間火電裝機容量大規(guī)模爆發(fā)式增長，風電與火電的裝機容量差距逐漸變大，火力發(fā)電量占比基本在0.85 以上。2020 年以來，在新型電力系統(tǒng)建設(shè)和“雙碳”目標的推動下，新疆的風電開發(fā)水平逐漸回升，火電裝機增速變緩，火力發(fā)電量占比逐漸下降，風力發(fā)電量占比上升（見圖7）。截至2030 年，火電裝機容量增速基本為零，風電裝機仍保持較高增速，且火力發(fā)電量占比下降至0.45，風力發(fā)電量占比升至0.20。

圖6 新疆地區(qū)風電火電裝機容量對比

圖7 新疆地區(qū)風電火電發(fā)電量占比年度分布

新疆電力與工業(yè)煤炭消耗總量仿真結(jié)果如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)、電力煤炭消耗量與經(jīng)濟發(fā)展水平（煤炭、煤化工產(chǎn)業(yè)作為支撐經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)）及工業(yè)化水平息息相關(guān)，其煤炭消耗量隨著經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展穩(wěn)步提升。在新型電力系統(tǒng)快速建設(shè)的背景下，新疆的新能源裝機及發(fā)電占比隨之提高，電力行業(yè)對煤炭和煤電的依賴逐步減少，考慮到新能源自身不具備調(diào)節(jié)能力，所以新疆應(yīng)根據(jù)自身資源稟賦，立足于“以煤為本”，發(fā)揮煤炭的壓艙石作用，逐步減少電力煤炭消耗量。

圖8 新疆地區(qū)總煤炭消耗量年度分布

由圖9 可知，新疆的碳排放量年度變化曲線與總煤炭消耗量變化曲線的發(fā)展趨勢相似，由于發(fā)電供熱、工業(yè)制造等工業(yè)部門是碳排放的主要來源之一，因此這反映了新疆工業(yè)對化石能源有很強的依賴性。隨著工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，新疆對于減少碳排放的重視程度也不斷提升，各種減排降碳措施多管齊下，碳排放增速逐漸變緩。在“雙碳”目標下，截至2030 年，新疆在經(jīng)濟穩(wěn)步增長的同時煤炭消費和碳排放水平均達到峰值，實現(xiàn)了經(jīng)濟、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖9 新疆碳排放量年度變化趨勢

由圖10、圖11 可知，受限于成本及技術(shù)等原因，新疆的電制氫技術(shù)早期發(fā)展緩慢且規(guī)模較?。?015年以來，隨著風電的大規(guī)模發(fā)展及“棄風”問題的出現(xiàn)，“風電+綠氫”成為降低制氫成本、克服新能源儲存性的最優(yōu)解，同時能夠替代煤化工行業(yè)的灰氫、藍氫，實現(xiàn)煤化工行業(yè)減碳增效及價值重構(gòu)，綠氫將進入規(guī)?；l(fā)展階段并成為風電與煤化工耦合發(fā)展的紐帶，幫助電網(wǎng)平抑風能波動收益，減少CO2排放，實現(xiàn)環(huán)境效益；同時，工業(yè)用氫每年可帶來幾十億元的氫儲能收益［27］，新疆將在獲得較高氫經(jīng)濟的同時突破煤炭工業(yè)碳排放居高不下的桎梏，預(yù)計至2030 年可減少碳排放量近400 萬 t。綜上，以綠氫為支點的風氫煤耦合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟和技術(shù)上均具備一定的可行性，可以最大限度發(fā)揮新疆風電和煤基資源富集的優(yōu)勢，推動新疆進行能源低碳轉(zhuǎn)型，重構(gòu)煤化工行業(yè)工藝結(jié)構(gòu)，構(gòu)建低碳能源新體系。

圖10 新疆綠氫產(chǎn)量年度分布

圖11 新疆氫儲能的經(jīng)濟收益與CO2 減排量

4 計及不確定性的風氫煤耦合系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型

4.1 風電功率不確定性因素分析

以上建立了風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型，論證了耦合系統(tǒng)容量配置變量動態(tài)演化規(guī)律。然而，在耦合系統(tǒng)的實際運轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)子模塊將受到多種不確定性因素影響，這些不確定性因素在風氫煤耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行中的影響程度不一，但又至關(guān)重要，因而考慮不確定性影響因素條件下的風氫煤耦合系統(tǒng)容量配置模型更符合實際情況，基于不確定性因素優(yōu)化配置風氫煤耦合系統(tǒng)可以更好地應(yīng)用于風煤富集區(qū)域的能源生產(chǎn)與實踐。風電作為風氫煤耦合系統(tǒng)中的唯一電能來源，具有隨機、波動和間歇等特性，系統(tǒng)電力負荷和原料煤清潔的利用需要H2負荷。雖然與傳統(tǒng)電力消費和原料煤生產(chǎn)過程相同，但風氫煤耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性更好，因此，耦合系統(tǒng)中風能子模塊清潔能源供能穩(wěn)定性、系統(tǒng)整體經(jīng)濟性與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行可靠性之間的矛盾問題更為突出，其中的不確定性因素尤為重要。綜合考慮新疆地區(qū)能源、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的發(fā)展規(guī)劃，以及新型電力系統(tǒng)建設(shè)、“雙碳”目標等國家戰(zhàn)略，本研究認為風氫煤耦合系統(tǒng)運行過程中的不確定性影響因素包括經(jīng)濟增長因素、火電投資因素、轉(zhuǎn)入因子因素、碳強度因素、煤炭價格因素、風電投資因素、技術(shù)投資因素和人力投入因素。由于自建風電場后無需購電，風電投資影響因素的本質(zhì)為電網(wǎng)側(cè)額定功率不確定性的波動影響，因此，風電投資問題即為風電網(wǎng)發(fā)電功率問題。在實際運行過程中，風電功率不確定性對風氫煤耦合系統(tǒng)影響較大，因而風電功率不確定性問題研究具有緊迫性與關(guān)鍵性。

為了確定合理的風電功率計算參數(shù)，基于不確定性參數(shù)可靠性估值理論，提出風電網(wǎng)發(fā)電的不確定性計算方法，主要涉及以下7 個影響因素：風速變化的不確定性變異系數(shù)（δv）、風向變化的不確定性變異系數(shù)（δd）、環(huán)境因素的不確定性變異系數(shù)（δe）、設(shè)備運行狀況的不確定性變異系數(shù)（δf）、市場需求的不確定性變異系數(shù)（δg）、政策支持的不確定性變異系數(shù)（δm）和負荷需求的不確定性變異系數(shù)（δp）。因此，風氫煤系統(tǒng)耦合工程中風電網(wǎng)發(fā)電的變異系數(shù)δb可表示為：

在《新疆統(tǒng)計年鑒》中的樣本統(tǒng)計過程中，需要對統(tǒng)計值的變異系數(shù)進行修正。

式（2）中：δβ為修正后的變異系數(shù)；δY為樣本統(tǒng)計值的變異系數(shù)；ψβ為變異系數(shù)的修正值，。

在長期的工程實踐和科學研究中，人們針對不同地域和不同風電網(wǎng)發(fā)電積累了大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于估算風氫煤耦合系統(tǒng)的標準差。這些數(shù)據(jù)大多以變異系數(shù)的形式記錄，標準差σβ與變異系數(shù)的關(guān)系如下：

風電網(wǎng)發(fā)電參數(shù)的變異系數(shù)如表1 所示。其中，δβ值在不同的試驗情況下獲得，對應(yīng)一個較大的分布范圍1）。在確定δβ值后，用估計總體均值μ，用σβ估計總體標準差σ，促使風電網(wǎng)發(fā)電隨機變量離散化并基于此構(gòu)建概率模型。風電功率的不確定性影響因素受環(huán)境影響與市場需求波動較大［28］。在風氫煤耦合系統(tǒng)模型優(yōu)化過程中，需要考慮風電功率不確定性的影響，可以通過建立綜合成本的波動性概率方程對風氫煤耦合系統(tǒng)進行優(yōu)化配置。

表1 風電網(wǎng)發(fā)電參數(shù)變異系數(shù)賦值

4.2 風氫煤耦合系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型

承載脫碳目標的風氫煤耦合系統(tǒng)對經(jīng)濟性、節(jié)能性、環(huán)保性以及可靠性提出了較高的要求，通過優(yōu)化校驗揭示系統(tǒng)獨立變量、參數(shù)及運行場景與評價指標的影響關(guān)系，反映子系統(tǒng)或功能單元與總系統(tǒng)之間的集成關(guān)聯(lián)關(guān)系，對于研究風氫煤耦合能源系統(tǒng)的特性十分重要?；诖?，提出風氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化運行配置方案（見圖12）。

圖12 風氫煤耦合系統(tǒng)運行優(yōu)化配置框架

然而，上述優(yōu)化方案在運行優(yōu)化中缺少了對系統(tǒng)運行可靠性的考慮，特別是其中風能子模塊導致的電能能源供應(yīng)不確定性，因此，基于上述方法對風電子模塊進一步優(yōu)化，提出風電長期儲能方法，為解決用電需求不足導致的棄風限電問題提供一定借鑒。優(yōu)化方案如圖13 所示，當風電場可穩(wěn)定供電時，儲能電池存儲電能，消納多余電量；當風電場不穩(wěn)定送電或送電量過弱時，儲能電池放電，與風電網(wǎng)共同提供系統(tǒng)所需電能。

圖13 風氫煤耦合系統(tǒng)能源供應(yīng)優(yōu)化方案

風氫煤耦合系統(tǒng)能源供應(yīng)優(yōu)化配置模型中加入了儲能電池，其作用主要是將燃料內(nèi)部的化學能轉(zhuǎn)化為電能，以較為典型的堿性燃料電池為例，輸出功率為pc。

式（4）中：ηc為儲能電池的產(chǎn)電效率；phc為儲氫罐向儲能電池提供H2的功率。

作為系統(tǒng)儲電單元，當風電場發(fā)電功率充足時，電解槽利用多余電能電解水制得H2，用儲氫罐進行儲存；當風電場功率不足時，燃料電池利用存儲的H2進行輔助放電，以滿足負荷需求。以堿性電解槽為例，該電解槽通過將水電解為H2和O2實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與存儲，輸出功率pλ可表示為：

式（5）中：ηλ為電解槽的工作效率；pwλ為電解槽的輸入功率。

儲氫罐用于儲存電解槽中電解水產(chǎn)生的H2，同時為儲能電池提供燃料。儲氫罐儲存的H2能量為：

式（6）中：Δt為時間間隔；S（t-Δt）為t時刻的上一時刻的儲氫量；為儲氫罐充放效率。

4.3 風氫煤耦合系統(tǒng)容量優(yōu)化配置最優(yōu)解與算例分析

風氫煤耦合系統(tǒng)是一種新能源與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)創(chuàng)新耦合方式，風電場及煤化工的具體耦合方式和規(guī)劃方法有待考證。以新疆某裝機容量500 MW 的風電場耦合年產(chǎn)量為5 萬 t 的煤制CH3OH 系統(tǒng)為例，通過遺傳算法求解風氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置最優(yōu)解，驗證優(yōu)化模型的穩(wěn)定性與實際意義。風氫煤耦合系統(tǒng)中的CH3OH 生產(chǎn)工藝見圖14，區(qū)別于如圖15 所示的傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)，風氫煤耦合系統(tǒng)中CH3OH 生產(chǎn)工藝所需的H2與O2來自電解槽與儲氫罐，無需空分機分離。CH3OH 生產(chǎn)消耗的電能源自風電場與電網(wǎng)。

圖14 案例風電場風氫煤耦合系統(tǒng)中的CH3OH 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

圖15 傳統(tǒng)煤制CH3OH 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)

CH3OH 生產(chǎn)消耗的電能源來自風電場與電網(wǎng)，其中如表2 所示為能源價格表，表3 為傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)與耦合系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，表4 為耦合系統(tǒng)仿真參數(shù)。與傳統(tǒng)風電場相比，本研究提出的優(yōu)化配置方案解決了電能無法長期儲存問題，避免了電能浪費的情況出現(xiàn)，降低了成本與負荷缺電率?？芍啾扔趥鹘y(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)，假設(shè)每生產(chǎn)1 t 的CH3OH，風氫煤耦合系統(tǒng)耗煤量減少0.6 t，耗水量減少2 t，CO2排放量減少2.24 t，消耗電能6.25 MW·h；用熱值表示能耗，傳統(tǒng)煤制CH3OH 系統(tǒng)的能耗為46 892.8 kJ，風氫煤耦合系統(tǒng)的能耗為22 500 kJ，增加電解槽與儲氫罐的投資及電解槽運行成本。采用遺傳算法求解本研究所提規(guī)劃模型，每代種群個體數(shù)量為120 個，變異率為0.8，交叉率為0.2，計算精度為10-6，迭代次數(shù)為1 000 次。

表2 案例風電場能源使用價格

表3 案例風電場生產(chǎn)CH3OH 的單位能耗

表4 案例風電場風氫煤耦合系統(tǒng)仿真參數(shù)

為了分析風電場在不同容量可信度（即等可靠性前提下風電機組可以替代的常規(guī)機組的容量占風電裝機容量的比例）情景下耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟性，提出以下兩種方案：方案1 是在耦合系統(tǒng)內(nèi)自建風電場與儲能電池，容量可信度根據(jù)圖16 典型日等比例提升；方案2 是耦合系統(tǒng)不自建風電場與儲能電池，所需電能以表2 所示的電價購買。

圖16 基于方案1 的案例風電場耦合系統(tǒng)風電出力與CH3OH 生產(chǎn)典型日曲線

以方案1 情境為例，風電場發(fā)電制氫，當風電場供電不足時，調(diào)用儲氫罐氫氣用于儲能電池存電供應(yīng)電量；當儲氫量不足時，向大電網(wǎng)采購一定電量與儲能電池放電共同制氫，保證供氫可靠性。圖17 是方案1 情境下，耦合系統(tǒng)不同風電場可信容量（區(qū)間［0.20,0.36］）對應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果；表5 為風電場可信容量度0.20 與0.36 時，耦合系統(tǒng)具體成本與收益情況。

表5 基于方案1 的案例風電場不同容量可信度下耦合系統(tǒng)的成本與收益情況

圖17 基于方案1 的案例風電場耦合系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，隨著風電場的容量可信度增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲氫罐容量減小、系統(tǒng)收益增加，當風電場容量可信度從0.20 增加至0.36，耦合系統(tǒng)風電場典型日總發(fā)電量從2 400 MW·h 增加至4 317 MW·h，規(guī)劃周期購電制氫成本節(jié)省3.09億元，并且無需通過增加電解槽額定運行功率與儲氫罐容量來降低購電成本。由圖18 和圖19 可知，隨著風電場容量可信度增加，電解槽制氫過程越趨平穩(wěn)，當風電場容量可信度增加至0.36 時，耦合系統(tǒng)無需從大電網(wǎng)購電，通過儲氫罐與儲能電池充放配合即可保持H2的穩(wěn)定供應(yīng)。

圖18 方案1 情境下案例風電場容量可信度為0.20 時耦合系統(tǒng)的運行狀況

圖19 方案1 情境下案例風電場容量可信度為0.36 時耦合系統(tǒng)的運行狀況

將風電場容量可信度為0.36、CH3OH 售價為2 500 元/t，煤制CH3OH 系統(tǒng)壽命為20 年的條件下方案1 與方案2 的運行收益進行對比，結(jié)果表明（見表6），方案1 更具經(jīng)濟性，盡管風電場全壽命周期投資運維成本較高，但在建成耦合系統(tǒng)后無需向電網(wǎng)購買電能制氫；此外，相比于方案2，方案1 規(guī)劃周期內(nèi)減排2 240 萬t 的CO2，減排收益為20.48億元，若不計風電制氫的減排效益，方案1 的總收益遠不及方案2。因此，為推動能源系統(tǒng)清潔轉(zhuǎn)型，在風電場建設(shè)投資成本較高階段，應(yīng)為風氫煤耦合系統(tǒng)提供節(jié)能減排激勵機制。

表6 案例風電場風氫煤耦合系統(tǒng)施行方案1 和方案2 的經(jīng)濟收益對比

此外，通過上述案例分析可知，風氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型可大幅減少CO2排放，證明了以氫儲能為媒介的風氫煤耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置模型對于實現(xiàn)煤化工領(lǐng)域低碳發(fā)展、推動能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型意義重大。而且，風電場容量可信度及其投資主體是影響風煤耦合能源系統(tǒng)經(jīng)濟性的主要因素，因為風電場可信度越高則電價成本占比越低，受電價約束與環(huán)境效益激勵，CH3OH 生產(chǎn)工廠自建與其產(chǎn)量匹配的風電場與儲能電池可使風氫煤耦合系統(tǒng)更具經(jīng)濟性，此時風電場容量優(yōu)化配置后，電網(wǎng)自建總成本由40.40 億元減少到40.36 億元，棄電率由50.26%減少到18.13%。綜上所述，風氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的可行性得到證實，利用該優(yōu)化模型可有效解決“棄風限電”問題，提高用電效率，實現(xiàn)電能長期儲存目標，減少CO2排放量，綜合來看可節(jié)約成本并增加長期總收益。

5 結(jié)論

本研究引入系統(tǒng)動力學理論，建立風氫煤耦合系統(tǒng)動力學模型，利用Vensim 軟件開展系統(tǒng)相關(guān)變量的動態(tài)演化規(guī)律分析，對我國風煤富集區(qū)新疆2021 年至2030 年的風氫煤能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行了預(yù)測，得出以下結(jié)論：

（1）以綠氫為支點的風氫煤耦合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟和技術(shù)上均具備一定的可行性，可以最大程度發(fā)揮新疆地區(qū)可再生、低成本的風電和富集煤基資源的優(yōu)勢，推動新疆能源低碳轉(zhuǎn)型，重構(gòu)其煤化工行業(yè)工藝結(jié)構(gòu)，構(gòu)建低碳能源新體系。

（2）風電功率不確定性對風氫煤耦合系統(tǒng)影響較大，而優(yōu)化后的風氫煤耦合系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性主要受電價約束與環(huán)境效益激勵，在既定配置規(guī)模下可減少排放2 240 萬 t 的CO2；在考慮碳減排效益情況下，風氫煤耦合系統(tǒng)中自建風電場更具經(jīng)濟性，同時改善了高比例隨機風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了風電的利用效率和配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

（3）在風氫煤耦合系統(tǒng)的氫能子模塊中引入儲能電池證實了風氫煤系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的可行性，其中CH3OH 生產(chǎn)商自建風電場成本降低400 萬元，負荷棄電率下降32.13%，有效地解決了“棄風限電”問題，提高了用電效率，實現(xiàn)了電能長期儲存的目標。

（4）風電場容量可信度及其投資主體是影響風氫煤耦合系統(tǒng)可行性的主要因素，風電場容量可信度越高則電價成本占比越低，同時隨著風電場容量可信度的增加，規(guī)劃的電解槽的額定功率與儲氫罐容量減小、系統(tǒng)收益增加，當風電場容量可信度增加至0.26 時，耦合系統(tǒng)無需從大電網(wǎng)購電，通過儲氫罐充放配合可保持H2的穩(wěn)定供應(yīng)，規(guī)劃周期內(nèi)的碳減排收益達20.48 億元。

注釋：

1）由于篇幅限制，δβ值的限定取樣和試驗進行條件不在文中詳述，備索。