電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統調度

程 歡 任洲洋 孫志媛 夏威夷

電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統調度

程 歡1任洲洋1孫志媛2夏威夷1

（1. 輸變電裝備技術全國重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044 2. 廣西電網有限責任公司 南寧 530023）

針對我國電氫供需時空分布不均導致新能源利用率低、系統運行成本過高等問題，提出一種電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統調度方法。首先，根據送、受端區域的能源供需特征、電/氫子系統運行特性及甲醇氫載體屬性，設計電-氫耦合系統跨區協同運行機制和調度框架，提出電能-甲醇聯合輸運下的送、受端供需平衡模型，充分利用甲醇的靈活儲運能力促進新能源跨時空消納；然后，構建電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統雙層優化調度模型，考慮長時間尺度下的電、氫能量平衡，以天為調度尺度建立上層模型，確定甲醇輸運和機組起停方案；考慮短時間尺度下的電力平衡、氫供需平衡約束，以小時為調度尺度建立下層模型，確定送、受端系統各小時的運行計劃，從而實現異質能源的跨時空協同互補，保障送、受端區域多時間尺度能量供需平衡；最后，基于改進的HRP 38系統進行仿真分析，結果表明電能-甲醇跨區協同輸運能夠顯著提高系統經濟運行水平，促進新能源規模化消納。

電-氫耦合系統 甲醇 調度計劃 供需平衡 新能源

0 引言

“雙碳”目標下，電-氫耦合系統被認為是促進新能源消納、實現能源結構綠色低碳轉型發展的關鍵路徑[1-2]。然而，我國新能源發電/制氫資源主要分布在西、北部地區[3]，氫氣和電能需求主要分布在中東部地區。受氣象條件影響，新能源和負荷又呈現一定的季節性特征[4]。隨著京津冀、華東、華南及華中氫能產業群的發展[5]，電、氫供需的時空逆向分布特征將進一步凸顯，嚴重制約了新能源的規?；{以及電-氫能源系統的低碳經濟運行。

研究跨區電-氫耦合系統的多時空協同調度方法，有助于實現電、氫能源的跨時空轉移，對促進新能源跨區消納、推動氫能經濟發展具有重要意義。現有研究分別針對輸電聯絡線[6-8]、氫能輸運[9-11]等能源交互渠道，研究電-氫耦合系統的跨區調度問題。文獻[6]提出電氫綜合能源電力網的構想，主張利用輸電技術實現我國西部新能源大規模、遠距離輸送，并集合電解水制氫技術進行就地制氫，以電氫系統跨區協同促進西部大規模新能源發展；文獻[7]建立了棄風-制氫聯合體經濟調度模型，通過輸配電網絡將富余電能跨區輸送至加氫站，在促進風電消納的同時降低制氫成本；文獻[9]以運行成本最小為目標建立了離網風-氫耦合系統優化調度模型，通過長管拖車實現氫的跨區運輸，以降低系統用氫成本和棄風量；文獻[10-11]依托天然氣管道運輸技術，提出考慮混氫天然氣運輸的電氫系統跨區優化調度方案，以解決新能源與用能需求空間分布不均的問題。

上述研究僅考慮電能輸送或氫能輸送的單一能源傳輸渠道，能源的時空轉移能力極為有限，無法滿足高比例新能源的跨時空消納需求。

針對上述問題，文獻[12-13]在電氫耦合系統跨區調度模型中同時考慮輸電聯絡線和長管拖車兩種能源輸送渠道，以優化區域間的能源傳輸計劃，將富余的新能源進行跨時空轉移；文獻[14]通過優化輸電聯絡線、長管拖車和混氫天然氣管道的調度計劃，實現多區域電、氫能源協同互濟，提高系統的低碳經濟運行水平。

上述研究利用輸電聯絡線和氫能輸運可有效提高系統的能源轉移能力，但受技術經濟雙重因素限制，長管拖車的運輸距離通常小于200 km[15]。而受安全因素影響，混氫天然氣技術在實際工程中難以實現大規模應用?？梢姡瑸閼獙﹄?、氫能源供需的逆向分布問題，實現新能源跨區規?；{，還需另辟蹊徑。

甲醇是重要的化工原料，常溫下相對穩定，擁有成熟、經濟的儲運體系，可實現大規模遠距離經濟儲運[16]。甲醇可與氫實現高效的雙向轉換，且與氫相比，甲醇具有更高的體積比能量密度，被認為是極具前景的氫載體和能量載體[17-18]。2020年10月，kt級“液態陽光”示范項目在甘肅蘭州成功運行，該項目將光伏等新能源發電功率用于電解水制氫，并將氫與二氧化碳合成為甲醇[19]。這標志著將甲醇作為氫載體和能源載體已得到工業界認可。

為此，本文提出了以甲醇作為氫載體參與跨區電-氫耦合系統調度的設想。甲醇輸運與輸電聯絡線共同構成區域間的雙能源輸送渠道，電氫系統的跨區、跨時間尺度耦合將進一步加強，異質能量供需平衡機理隨之發生根本性變革。因此，如何合理制定送、受端區域的運行計劃，保障多時間尺度下的異質能量供需平衡成為該設想下亟待解決的關鍵問題。

針對上述問題，本文提出了電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統調度方法。根據送、受端區域的能源供需特點、電/氫子系統運行特性以及甲醇的輸運特性，設計電-氫耦合系統跨區協同運行機制和調度框架；提出電能-甲醇聯合輸運下的送、受端供需平衡模型；建立電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統雙層優化調度模型；通過算例仿真驗證了本文方法的有效性。

1 基于電能-甲醇跨區協同互濟的電-氫耦合系統運行機制及調度框架

針對我國電、氫能源供需逆向分布特征，構建基于電能-甲醇跨區協同互濟的電-氫耦合系統運行機制與框架，充分利用甲醇可與氫靈活轉換、易大規模儲運等優點，拓寬區域間的能量傳輸渠道。由區域輸電聯絡線與甲醇運輸共同實現電、氫能量的跨區交互，促進多能源供給的互補互濟，助力新能源跨時空規模化消納。

1.1 基于電能-甲醇跨區協同互濟的電-氫耦合系統運行機制

本節以一個送端區域和一個受端區域為例，闡述電-氫耦合系統的跨區協同運行機制，如圖1所示。圖1中，送端為新能源富集區域，受端為電、氫負荷密集區域。

圖1 考慮電能-甲醇協同互濟的電-氫耦合系統運行機制示意圖

送端區域富裕的新能源可通過輸電聯絡線送至受端區域，滿足送、受端區域的短期電力平衡需求。為應對新能源與負荷的季節性變化特征，送端區域通過電解槽、儲氫罐、二氧化碳加氫合成甲醇設備及燃料電池等構成多能轉換通道，實現區域內的電能跨時間轉移，進一步保障送端區域多時間尺度下的電力電量平衡。送端區域富裕的新能源還可以用來制氫，并轉換為甲醇，通過發達的鐵路、公路等交通系統運輸至受端區域，不僅有利于保障受端區域多時間尺度下的電力電量平衡需求，還能滿足受端區域化工產業對甲醇、氫氣的需求。

受端區域接收到的甲醇既可以直接應用于化工生產，也可通過甲醇重整等方式制氫，滿足各類氫氣需求。受端區域通過電-氫、甲醇-氫及氫-電組成的多樣化能源轉換通道，形成受端電-氫耦合系統靈活用能機制，同時利用氫能系統實現多時間尺度下的能量轉移，進一步保障受端區域的電力電量平衡。

基于送端區域的多能供給機制及靈活用能機制，利用輸電聯絡線和甲醇交通運輸渠道實現能量的跨區域、跨時間轉移，有效地促進新能源規?；{。依托電、氫、甲醇異質能量間的轉換通道，靈活滿足電、氫、化工原料等能源需求，最大限度地保障送、受端系統多時間尺度下的能量平衡，從而實現多能協同互濟下的電-氫耦合系統跨區協同運行，有望大幅提高多區域互聯系統的經濟、低碳、安全運行水平。

1.2 跨區電-氫耦合系統優化調度框架

跨區電-氫耦合系統呈現復雜的多時空耦合特征，如何在多時間尺度下的調度中充分考慮送、受端區域內異質能源供需平衡需求，以及區域間能源傳輸渠道的差異化運行特性，是實現送、受端區域電-氫耦合系統協同互補運行的關鍵。在多時間尺度的調度中，電能子系統需要滿足實時供需平衡，通常需要制定小時級的調度方案；而氫能子系統和甲醇子系統具有很強的儲運能力，并不需要滿足實時的供需平衡，另外，區域間的遠距離交通運輸耗時較長，通常以天為單位進行調度。針對上述特點，本文提出考慮異質能量平衡及能源差異化傳輸特性的跨區電-氫耦合系統雙層調度框架，如圖2所示。

圖2 跨區電-氫耦合系統雙層調度框架

甲醇輸運耗時較長，實際中通常以日為單位進行調度，而火電機組在日內通常不會頻繁起停[20-21]，可以日為單位進行起停狀態優化?；诖?，針對異質能量輸運特點，在上層調度中，考慮送、受端區域中電、氫等異質能量的日平衡需求，以日為調度時間尺度建立送、受端區域的異質能量平衡模型，確定區域間的甲醇運輸計劃、送/受端區域內的火電機組起停計劃等，從而有效應對異質能量的季節性供需失衡問題，保障跨區電-氫耦合系統在長時間尺度上的電量平衡和氫能供需平衡。

下層調度以上層調度結果為邊界，考慮送、受端系統中電力、氫氣等異質能量的小時級平衡需求[22]，建立以小時為單位的調度模型，確定區域間輸電聯絡線運行計劃、送/受端區域內的火電機組出力計劃、送端區域新能源出力計劃、送/受端區域內的氫燃料電池和電解槽的運行計劃、送端甲醇合成計劃、受端甲醇重整制氫計劃、儲氫罐運行計劃等，以滿足電力平衡和氫能供需平衡需求，從而有效平抑新能源的短時波動，提高消納水平，保障電-氫耦合系統的安全經濟運行。

綜上所述，上層模型綜合考慮交通系統、電力系統和氫能系統的協同配合，進行火電日開機容量優化和能源跨區日運輸優化，從而為下層提供合理可行的火電調節空間和區域甲醇可轉移區間，同時，上層以天為單位進行全年優化，有效縮減連續變量與離散變量規模；進一步，基于上層提供的邊界，下層模型考慮電力系統和氫能系統的協同配合聯合優化系統全年8 760 h運行計劃，彌補了上層未考慮功率實時平衡的缺陷，實現系統電力電量平衡。上、下層協調配合充分利用送、受端區域內的能源產需及時空靈活轉移特征，滿足跨區電氫耦合系統多時間尺度下的異質能量平衡需求，提高耦合系統的運行經濟性及新能源利用率。

2 電能-甲醇跨區協同輸運下的送、受端能量供需平衡模型

針對送端的多能供給機制以及受端的靈活用能機制，建立考慮氫-甲醇雙向轉換的甲醇儲運模型，提出了考慮電能、甲醇雙重能量輸送渠道的送、受端多能供需平衡模型，以保障多時間尺度下的區域用能需求。

2.1 考慮氫-甲醇雙向轉換的甲醇儲運模型

2.1.1 氫-甲醇雙向轉換模型

本文基于通用的甲醇合成模型和甲醇重整制氫模型，刻畫氫-甲醇異質能量之間的雙向轉換關系，具體如下所示。

1）甲醇合成模型

二氧化碳加氫合成甲醇設備需滿足式（2）安全運行約束。

2）甲醇重整制氫模型

甲醇水蒸氣重整是一種方便、高效的制氫方式，其化學反應機理為

甲醇水蒸氣重整制氫的能源轉換方程為[15]

2.1.2 考慮跨區協同的甲醇儲運模型

甲醇作為氫能載體具有體積能量密度大、儲運技術成熟、常溫下可穩定存儲的優勢，是良好的儲運能源[17]。為準確地描述不同區域之間的甲醇儲運情況，本文建立了考慮行駛延遲的送、受端區域甲醇儲運模型，即

2.2 送、受端區域的多能供需平衡模型

在電能-甲醇聯合輸運下，送端區域可為受端區域提供電能和甲醇，不僅提高了送端區域的新能源消納水平，同時也為受端區域的多類型用能需求提供了重要支撐。為此，考慮送、受端區域之間的能量交互耦合關系，建立了送、受端區域的能量供需平衡模型。

2.2.1 送端區域能量供需平衡模型

1）送端區域電力電量平衡模型

（1）電量平衡模型

式中，j,E,d為送端區域第天的需求電量；j,l,d為送端區域第天的外送電量；j,h,d為電解槽第天的耗電量；r,d為第天的棄風、棄光電量之和；R,d為第天風、光發電量之和；H,d,n為第天火電機組的發電量；j,h為送端區域的火電機組數量。

（2）電力平衡模型

2）送端區域氫供需平衡模型

2.2.2 受端區域能量供需平衡模型

1）受端區域電力電量平衡模型

（1）電量平衡模型

式中，r,E,d為受端區域天的需求電量；r,l,d為受端區域天的輸入電量；r,h,d為受端區域電解槽天的耗電量；r,h為受端區域火電機組數量。

（2）電力平衡模型

式中，r,E,t為受端區域時刻的電負荷；r,h,t為受端區域時刻電解槽的用電功率；r,l,t為受端區域時刻輸入電功率；r,EB,t受端區域時刻燃料電池發電功率；r,F,t為受端區域時刻失負荷功率。

2）受端區域氫供需平衡模型

2.2.3 送、受端區域能量供需耦合模型

送、受端通過區域輸電聯絡線和甲醇運輸渠道實現能量交互，需滿足不同時間尺度下的電能供需平衡耦合約束及甲醇輸運耦合約束。

1）送、受端區域電能耦合約束

不同時間尺度下，送端區域送出的功率和電量與受端區域接收到的功率和電量應保持平衡。

2）送、受端區域甲醇輸運耦合約束

式（17）表示考慮運輸延遲時為天時的送、受端甲醇輸運關系，即送端區域第-d天的甲醇送出量應等于受端區域第天的甲醇接收量。

3 電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統雙層優化調度模型

根據電能-甲醇聯合輸運下的送、受端區域多能源協同運行機制及調度框架，考慮不同能源、不同傳輸渠道供需平衡及運行特性，建立了跨區電-氫耦合系統雙層優化調度模型。上層模型計及長時間尺度下的電、氫能量平衡約束，以天為調度尺度確定區域間甲醇運輸計劃和送/受端區域內的火電機組起停計劃；下層模型以上層模型的調度結果為邊界，計及短時間尺度電力平衡約束和氫能供需平衡約束，以小時為調度尺度確定區域間聯絡線輸電計劃、送/受端區域內的火電機組出力計劃、送端區域新能源出力計劃、送/受端區域內的氫燃料電池和電解槽的運行計劃、送端甲醇合成計劃、受端甲醇重整制氫計劃、儲氫罐運行計劃等，從而實現多能協同、多渠道協調下的跨區電-氫耦合系統安全經濟運行。

3.1 上層模型

3.1.1 目標函數

上層模型以跨區電-氫耦合系統運行成本最小為目標，即

式中，1為上層調度模型總成本；HSC為氫供應成本；K為火電機組起停成本；O為儲氫罐運維成本；L為電能外送成本；Q為棄能懲罰成本；H為火電機組發電成本；E為火電機組碳排放成本。

3.1.2 約束條件

在滿足式（1）～式（17）的同時，電力子系統和氫能子系統還需分別滿足火電機組運行約束、棄能約束、輸電聯絡線傳輸約束、電解槽運行約束、儲氫罐約束等。

1）電力子系統

（1）火電機組運行約束

（2）棄能約束

（3）輸電聯絡線傳輸約束

式中，l,max、l,min分別為區域聯絡線日輸電量的上、下限。

2）氫能子系統

（1）電解槽日運行約束[27]

電解槽作為實現電-氫-甲醇能源轉換的重要設備，其運行會對電-氫耦合系統運行和甲醇制/儲/運產生重大影響。為保證上層優化所得的甲醇日輸運計劃和火電機組日起停計劃合理可行，需要考慮電解槽的日運行約束，電解槽運行模型為

（2）儲氫罐運行約束[28]

儲氫罐作為氫能系統中重要的儲能設備，可實現氫能的多時間尺度存儲，在上層模型中主要考慮其日儲能特性，其運行需要滿足儲氫量時序特性、儲氫容量安全等約束，具體為

3.2 下層模型

3.2.1 目標函數

在上層模型確定的機組起停和甲醇運輸計劃下，下層模型以電-氫耦合系統日運行成本2最小為目標，考慮小時級的電力平衡和氫供需平衡約束，尋求最優的送、受端區域運行方案，具體為

式中，T為下層第天調度周期，取為24 h；B為氫燃料電池單位運維成本；F為單位失負荷懲罰成本。

3.2.2 約束條件

下層模型中，電力子系統和氫能子系統需要滿足小時級的運行約束及上下層耦合約束，其中火電機組出力約束、區域聯絡線傳輸功率約束、儲氫罐運行約束與上層相似，只是考慮的時間尺度不同，此處不再贅述。下層模型的其他約束，包括火電機組爬坡約束、電解槽運行約束、氫燃料電池約束、甲醇制/儲/運運行約束等，具體如下所示。

1）電力子系統

火電機組爬坡約束

式中，P,up、P,down分別為第臺火電機組爬坡速率的上、下限。

2）氫能子系統

（1）下層電解槽運行約束

（2）下層氫燃料電池約束[29]

氫燃料電池運行模型為

3）甲醇制/儲/運運行約束

（1）送端甲醇合成運行約束

（2）受端甲醇重整制氫約束

（3）考慮上、下層模型耦合的甲醇儲運約束

本文建立的電-氫耦合系統雙層優化調度模型屬于典型的混合整數線性規劃問題，采用Gurobi等求解器即可實現高效求解。

4 算例分析

4.1 仿真算例及參數

本文采用改進的HRP 38系統進行仿真分析，將原系統中的第1、2、3區域整體看作送端區域，第4、5區域整體看作受端區域，如圖3所示。送端區域火電裝機容量為178 GW，風、光裝機容量分別為90 GW、139.5 GW，新能源滲透率為56%，電、氫負荷峰值分別為95.299 GW、2 516 t；受端區域火電裝機容量為83.6 GW，電、氫負荷峰值分別為73.52 GW、9 743 t。電解槽容量為22.8 GW，儲氫罐容量為380 t，氫燃料電池容量為50 MW。送、受端區域間的輸電聯絡線容量為25 GW，火電機組運行參數見參考文獻[30]。

圖3 HRP 38系統示意圖

風、光機組年出力曲線及送、受端電負荷曲線參考文獻[30]，氫負荷曲線參考文獻[14]。購氫價格為100元/kg[12]，甲醇價格參考文獻[31]，棄風、棄光懲罰為630元/(MW·h)，失負荷懲罰為13 600元/ (MW·h)[32]；送、受端區域之間的距離為2 000 km[33]，運輸延遲時間為2天，甲醇運輸價格為0.4元/t/km，氫氣運輸價格為0.046元/kg/km[12]，電能外送成本為150元/(MW·h)[34]。其他相關參數見表1[12-13,33]。

表1 系統關鍵設備運行參數

Tab.1 The operation parameters of system key equipment

4.2 仿真結果分析

為分析不同能源輸運方式對跨區電-氫耦合系統運行調度的影響，本文設置以下四個方案進行仿真分析，計算結果見表2。表2中Case 1為文獻方法，即僅利用甲醇進行能量的跨區轉移；Case 2為文獻方法，即僅利用電網進行能量的跨區轉移；Case 3為文獻方法，即僅利用電網和長管拖車進行能量的跨區轉移；Case 4為本文方法，即利用電網和甲醇進行能量的跨區轉移，甲醇通過交通系統進行跨區輸運[35]?？紤]到我國氫能技術的發展現狀，氫能的管道運輸等方式還缺乏相應的技術經濟基礎，有待進一步發展，目前我國較為經濟可行的氫能運輸方式仍以長管拖車為主，因此，在本文的對比方案中氫能僅考慮以長管拖車進行運輸。

表2 Case 1～Case 4的仿真結果

Tab.2 The simulation results under Case 1～Case 4

4.2.1 系統運行成本及新能源消納水平分析

由表2可知，與Case 1～Case 3相比，Case 4的運行成本分別降低了378.39 億元、482.19 億元、450.36 億元，分別下降了9.14%、11.36%、10.69%。Case 4的棄能量分別減少了33 883 GW·h、3 264 GW·h、439 GW·h，棄能率分別下降了11.27%、1.09%、0.15%。可見，在跨區電-氫耦合系統優化調度中，利用電能-甲醇多渠道協同實現能源跨區轉移，能夠有效減少系統運行成本，新能源消納量得到顯著提升。與Case 3相比，Case 4棄能率降幅較小，這是因為Case 3考慮了電、氫兩類能源傳輸渠道，在設備容量相差不大的情況下，Case 3和Case 4的新能源消納量相近。但Case 4的經濟性明顯優于Case 3。

在新能源出力最大的第33周，Case 1、Case 2、Case 4的可再生能源消納情況如圖4所示?？芍?，在新能源出力較大時，Case 1只能利用容量有限的電解槽消納送端富余的新能源，因此，導致大量棄風光。Case 2利用區域聯絡線將送端富余的新能源輸送至受端區域，有效提高了新能源消納水平，但受聯絡線輸送容量限制，仍會出現棄風光。相比之下，在新能源大發階段，除了利用聯絡線輸出功率，Case 4還可利用電解槽制氫和甲醇合成反應，將富余的新能源轉換為甲醇，通過交通系統輸送至受端區域，“變廢為寶”，新能源棄能量減少439 GW·h，棄能率由2.51%進一步降低至2.36%。

圖4 第33周送端電力供需平衡

4.2.2 甲醇儲運情況分析

Case 4中氫和甲醇的儲運情況如圖5所示。由圖5可知，在新能源大發而電力負荷較小的春（3月—5月）、秋（9月—10月）季節，送端甲醇庫存和受端區域的氫庫存均處于較高水平，送、受端甲醇運輸量較大；在新能源出力匱乏的季節，甲醇運輸量較小，甲醇儲運跟隨新能源出力變化，有助于減小新能源的季節性波動，促進新能源綠色經濟消納。與氫氣相比，甲醇儲運經濟性更優，因此，送端區域的氫庫存季節性變化較小，通過低廉、便利的甲醇儲存及運輸通道實現送端區域富余能源的跨時空轉移，進一步提高系統能源儲運的經濟性。

圖5 Case 4中系統的能源儲運量

4.2.3 氫供應成本分析

由表2可知，Case 3和Case 4均存在兩個能量轉移渠道，具有相近的新能源消納水平。但與Case 3相比，Case 4的氫供應成本減少了455.45 億元，降低了30.25%，說明利用甲醇進行能源跨區轉移具有更好的經濟性。Case 3、Case 4下的受端區域氫供需平衡和氫供應成本分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 Case 3和Case 4中的受端區域氫供需平衡

由圖6可知，與Case 3相比，Case 4的購氫量大幅降低，這是因為Case 4中考慮了甲醇重整制氫，利用外送甲醇和外購甲醇重整制氫，減少對外購氫的依賴，而在Case 3中，當電解槽制氫量和外送氫量無法滿足系統的氫需求時，只能通過購氫的方式達到氫的供需平衡。由圖7可知，受端區域利用甲醇的供氫成本為5.65元/kg，外購甲醇的供氫成本為15.67元/kg。受甲醇運輸設備容量限制，Case 4中受端區域還需利用外購甲醇重整制氫，但與高達100元/kg的購氫成本和Case 3中92元/kg的氫氣供應成本相比，仍具備較大的經濟優勢。

圖7 Case 3和Case 4中的受端區域氫供應成本

另外，Case 4中共運輸了584 kt甲醇，可折算為110.96 kt氫，若采用Case 3的長管拖車方式運氫，需花費102.1億元，而Case 4的甲醇運輸成本僅為4.7億元，降低了95.40%?？芍?，甲醇在遠距離能源轉移方面具有顯著的經濟優勢。

綜上可知，在跨區電-氫耦合系統中，與單一能源傳輸渠道和現有電能-氫長管拖車相比，電能-甲醇雙渠道跨區協同輸運方法靈活性更高、儲運更經濟，在促進新能源消納和提高系統運行經濟性方面具有顯著優勢，有望在我國現有氫能技術經濟水平下實現新能源跨區規模化經濟消納，促進區域供需均衡。

4.3 氫負荷滲透率對系統運行的影響分析

為分析氫負荷增長對系統運行的影響，本節分析了不同氫負荷滲透率（即氫負荷轉換為電負荷除以系統的總電負荷[36]）下Case 1～Case 4的系統運行成本及供氫成本，如圖8所示。

圖8 不同氫負荷滲透率下系統運行成本

由圖8a可知，隨著氫負荷滲透率的增長，Case 1～Case 4的系統運行成本和購氫成本逐漸增加，但Case 4的調度方案始終呈現最好的經濟性。由圖8b可知，Case 2和Case 4對外部購氫的依賴最小，但當氫負荷滲透率超過40%時，系統的購氫費用占比將超過50%，并且Case 1～Case 4的購氫費用占比逐漸趨于一致。這是因為隨著氫負荷的增長，系統中的電解水制氫、甲醇重整制氫量達到上限，只能通過購氫滿足系統用能，當購氫量足夠多時，購氫成本將成為系統運行成本的主要部分。可見，當氫負荷增長到一定程度時，需要擴建系統中的制氫設施，以保障系統運行的經濟性。

5 結論

針對我國電氫供需時空分布不均導致新能源利用率低、運行成本過高等難題，本文提出一種電能-甲醇跨區協同輸運下的電-氫耦合系統調度方法，并通過算例分析得到如下結論：

1）本文提出的電-氫耦合系統運行機制與調度方法，能夠充分利用送、受端區域電、氫、甲醇易相互轉換等特點，通過電能、甲醇雙能源渠道，在我國現有技術經濟水平下實現新能源的跨區轉移和規?；{，促進跨區電-氫耦合系統的經濟高效運行。

2）甲醇在遠距離能源轉移方面具有顯著的經濟優勢。利用甲醇輸運不僅能夠大幅降低系統運行成本和棄能率，還可實現新能源富余發電量的跨時空轉移和優化利用，大幅提高系統能源儲運的經濟性。

3）隨著氫負荷滲透率的增加，系統氫能供應對外購氫的依賴性逐步增強，氫能供應成本不斷提高，因此，需要根據氫負荷增長情況，適時提高甲醇輸運容量以及制、儲、用氫等設備容量。

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A Dispatching for the Electricity-Hydrogen Coupling Systems Considering the Coordinated Inter-Region Transportation of Electricity and Methanol

Cheng Huan1Ren Zhouyang1Sun Zhiyuan2Xia Weiyi1

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Guangxi Power Grid Co. Ltd Nanning 530023 China）

The electricity-hydrogen coupling system is an important way to promote the low-carbon transformation of energy structure. However, the supply and demand of electricity and hydrogen are the inverse distribution of time and space, which seriously restricts the low-carbon economic development of electricity-hydrogen coupling systems. The existing dispatching methods of cross-region electricity-hydrogen coupling systems have some problems, such as low utilization rate of new energy and high operating cost. Therefore, an electricity-hydrogen coupled system dispatching method considering the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol is proposed in this paper. The supply and demand balance of regional electricity and hydrogen can be better through the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol, so as to improve the inter-regional economic consumption level of new energy and the system operation economy.

First, based on the energy supply and demand characteristics of the sending and receiving areas, the operating characteristics of the electricity/hydrogen subsystems and the transport characteristics of methanol, the cross-regional cooperative operation mechanism and the dispatching framework of the electricity-hydrogen coupled systems are designed. Secondly, the supply and demand balance model is developed considering the coordinated inter-region transportation of electricity and methanol, so as to ensure regional energy demand under multi-time scales. Finally, a bi-level dispatching model of electricity-hydrogen coupling system is established under the electricity-methanol inter-region cooperative transport. The upper-level model determines the daily methanol transportation plan and unit commitment plan. The lower-level model is developed to determine the annual time series operation plan of the transmission and receiving zone. The characteristics of energy production and demand in the sending and receiving areas and the flexible transfer of time and space are fully considered in the bi-level dispatching model. In this way, the safe and economical operation of the cross-region electricity-hydrogen coupling systems can be realized under multi-energy coordination and multi-channel coordination.

The improved HRP 38 is used to test the proposed method. The simulation results indicate that compared with the existing operation dispatching methods of the cross-region electricity-hydrogen coupling systems under single energy transmission channel and electricity-hydrogen long-tube trailer transport, the operation dispatching method of the electricity-hydrogen coupling system using electricity-methanol inter-region collaborative transport can significantly improve the operation economy and new energy consumption of the system. Compared with a single energy transmission channel, electricity-methanol inter-regional collaborative transport expands the consumption channel of new energy. Through the reaction of hydrogen production and methanol synthesis in electrolytic cells, the surplus new energy can be converted into methanol, which can be transported to the receiving region through the transportation system, thus realizing the multi-channel inter-regional consumption of new energy. Compared with the energy transport only using methanol or electricity energy, this synergistic transport has increased energy consumption by 33 883 GW·h and 3 264 GW·h, respectively. Compared with electricity and long-tube trailer inter-region transport, electricity-methanol inter-regional collaborative transport takes advantage of methanol economic storage and transportation, reducing the system energy inter-region transport cost and system operation cost by 10.69%. At the same time, the simulation results of different hydrogen load permeability show that when the hydrogen load increases to a certain extent, in order to reduce the dependence on high purchased hydrogen, hydrogen production facilities in the system need to be expanded to ensure the economic operation of the system.

The following conclusions can be drawn from the simulation analyses in the paper.

(1) Considering the supply and demand characteristics of the sending and receiving regions, the utilization of electricity-methanol collaborative transport to optimize the scheduling of the cross-region electricity-hydrogen coupling system can promote the cross-region consumption of new energy and improve the level of low-carbon economic operation of the system.

(2) Methanol has significant economic advantages in long-distance energy storage and transportation, which can realize the transfer and optimal utilization of new energy across time and space.

(3) With the increase of hydrogen load permeability, the dependence of the hydrogen energy supply of the system on externally purchased hydrogen is gradually enhanced. It is necessary to timely increase the methanol transport capacity and the capacity of hydrogen production, storage and use equipment in accordance with the increase of hydrogen load.

Electricity-hydrogen coupling systems, Methanol, dispatching method, supply and demand balance, renewable energy

TM73

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221965

國家自然科學基金資助項目（52277080）。

2022-10-14

2022-12-23

程 歡 女，1997年生，研究生，研究方向為新能源發電系統、氫能系統運行等。E-mail：1442215864@qq.com

任洲洋 男，1986年生，副教授，博士生導師，研究方向為電力能源系統低碳運行及規劃、人工智能等。E-mail：rzhouyang1108@163.com（通信作者）

（編輯 赫 蕾）