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摘要：近年来，气候变化对人类的生存环境产生了极大的影响，能源短缺的问题也日益凸显。推动风能、太阳能等可再生能源的发展，从而减少二氧化碳等温室气体的排放，促进经济发展向绿色低碳方向转型，以实现人类社会可持续发展，成为全球共识。在全球能源转型的热潮下，可再生能源发电技术得到了迅速的发展。本文对风光氢储综合能源系统优化配置进行探讨。
关键词：综合能源系统；氢储能；优化配置
1风光氢储综合能源系统结构与组成
本文以电力为核心能源构建风光氢储综合能源系统，其结构如图1所示。包含风电、光伏、电力电子设备（AC/DC、DC/AC）、电解水制氢装置、燃料电池或氢能内燃机、压力储氢设备、加氢站和氢能源汽车等。
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图1 基于AC母线的风光氢储综合能源系统结构
典型的电解水制氢的电解槽可分为碱式（分单极式和多极式两类）、质子交换膜式（Proton Exchange Membrane，PEM）和高温固体氧化物式。其中，碱式电解槽的效率一般在75%到90%之间，质子交换膜式和高温固态氧化物式电解槽的效率一般在80%到90%之间。传统的电解水制氢电解槽是在稳定电能条件下，定氢生产率运行的，而风光氢储综合能源系统中发电安源具有随机性和波动性，电解槽应具有不稳定电能条件下安全可靠制氢的能力，因此，目前风电和光伏制氢系统普遍采用可在间歇波动性功大压力和高电流密度、低电压下稳定运行的碱式或PEM电解槽。氢的存储方式有压缩气态、低温液态和固态三种，其中，压缩气态储氢方式的能量损失相对较少且有较高的转换效率，由于风光发电制氢的时间较长，风光氢储综合能源系统中多采用压缩储氢方式。
在本文所研究的风光氢储综合能源系统运行过程中，通过控制系统调节风电、光伏上网和制氢功率比例，最大限度吸纳风电和光伏的波动电量。风电和光伏发出的电功率，一部分以相对平滑的方式直接上网，另一部分波动电量用以电解水制氢，通过压力储氢设备进行存储，在需要时通过氢燃料电池或内燃机调节上网功率、电网频率和电能质量，或运送至加氢站，
供氢能源汽车利用，如图2所示。
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图2 综合能源系统中的功率分配
2 综合能源服务的发展趋势
2.1 多元化合作
随着国家出台了一系列文件鼓励新型能源的开发与利用，推动能源供应结构向多元化发展、促进新业态发展、催生新型商业模式，将会出现出更多新业务、新模式、新合作的综合能源服务市场。未来综合能源技术会趋向于能源多元化、服务多元化以及用能方式多元化发展，通过信息产业和能源产业的融合，实现各类型分布式可再生电源、电网的协调优化控制，使得各种能源形式优化配置、互联互通，产生更多的消费商业合作模式。国内综合能源服务技术中，合作共享的生态系统尤为重要，通过运用战略合作、项目合资以及混改等方式，在建设运维、企业用电技术服务、分布式光伏建设、电力设施建设运维、能源资源综合利用、企业能效提升等一系列综合能源服务项目开展合作，联手传统能源企业、新能源企业、互联网企业等主体开拓市场，全面满足逐步提高的多元化用能需求，打通产业链上下游，实现优势互补、利益共享、风险共担，形成成熟的综合能源服务体系。
2.2 规划模型构建
综合能源系统是一个相对来说比较复杂的系统，有多种能源耦合在一起，还有多类型设备需要协同，其规划较传统的能源单一的系统更为复杂。不同类型的设备，其差异化机理也要考虑在内。除此之外，还意味着因为扩大了优化的范围，潜在的组合数量是呈急剧上升态势的。此外，由于不同的能源品种供需特征不同，因此最大负荷出现的时间点也不同，互相之间还存在时序负荷特性的耦合关系，所有因素交织在一起，所以还需要进行多场景的平衡。在规划过程中，不仅要满足极端时刻，即预测一个最大负荷时刻和整体电量的平衡，还要将不同季节、不同时段的平衡作为约束嵌套在其中。
2..3 系统级快速协调控制
各个设备级控制层原本是独立的，只有经过上层的控制层协调控制，各个设备控制层才能协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济。这一层级的控制同样需要实时采集、快速响应。创新基地的系统级快速协调控制功能由DCS（分散控制系统）和专用的综合能源优化控制系统共同完成。DCS主要功能在于保证系统的安全稳定运行，包括顺序控制、系统级保护控制、稳态控制与紧急控制。如三联供系统可以实现仅供末端、仅蓄能、仅释能、边供末端边蓄能的几种模式切换，设备协调控制，电压稳定调节，离、并网模式切换，黑启动，过程平衡控制等，同时与PCS实现双向通信，接受下发指令调节，是设备级的上层控制层。创新基地采用的国产DCS-新华NetPACⅡ系列支持多种通信协议，增强了综合能源控制系统的可扩展性。DCS通过数据采集进行实时的策略计算与控制，满足100~1000ms等级的实时控制需求，支持组态式可视化编程，满足灵活控制需求。配置的历史站可以完成历史数据的收集和服务。历史数据站软件包包括历史数据、数据追忆、报警日志（含操作记录）、报表等，此功能便于数据的调取和分析研究。
2.4综合能源系统综合评价
对综合能源系统进行客观、准确的评价是衡量系统优越性和合理性的重要依据。但因其结构复杂，涉及的影响因素众多，评价结果容易出现偏差，因此在建立系统评价体系时确立全部评价指标的切入点和确定合适的评价方法十分重要。
3 风光氢储综合能源系统运行模型
风力发电的理论出力模型为：
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其中，Pwt，t是t时段风力发电的输出功率，Vwt是t时段风电机组的运行风速，Vin、Vout和Vrated分别是风电机组的切入、切出风速和额定风速，Nwt为风电机组数量，Pwt，N为单个风电机组的额定功率。
光伏发电的理论出力模型为：
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其中，Ppv，N为光伏发电设备的总额定容量，fpv为光伏发电系统的运行效率，Gt为t时段光照强度，Gref为参考光照强度，α是温度系数，Tt是t时段的温度，Tref表示参考温度。以碱式电解槽为例建立电解水制氢模型，其中，电解槽的电压方程为：
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其中，Uc，t为t时刻的电池电压，Uel，t是t时刻的电解槽电压，Nel表示电池个数，Urev是可逆电压，Iel，t表示t时段电解槽电流，Tel，t是电解槽的温度，表示电池面积，Ac为电解液的电阻，s1，s2，s3，t1，t2和t3表示过电压系数。基于此可得电解槽氢气产量为
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其中，ai（i=1，2，…，5）为法拉第效应相对系数，z为每次反应的电子转移数，F为法拉第常数。
4 综合能源系统运行的优化策略
4.1系统容量优化
由于综合能源发电系统在利用MRM法确定设备容量时，仅对用户的实际负荷需求进行了考虑，但却并没有对系统的运行费用及设备成本等进行考虑，因此需要对MRM法进行相应的优化。我国学者便将遗传算法与MRM法进行了结合应用，以此实现了对综合能源发电系统的设备容量优化，使原动机容量、太阳能发电面积占比、电制冷比系数等成为优化变量。通过分析其优化结果，可以了解到利用遗传算法与MRM法来进行优化，相比于以往的分供系统，综合能源发电系统在全年综合指标上得到了大幅提高。通过解析法对综合能源发电系统在不同负荷区间中的频数进行了统计，从而确定了不同容量匹配方案所获得的经济收益以及满负荷运行时数，并对净现值进行了对比，从而筛先出最佳的容量匹配方案来对综合能源发电系统中的热泵与燃气三联供设备的容量进行了优化设计。在对综合能源发电系统的设备容量进行优化时，则将优化目标设定为最小运行成本，通过条件风险价值的引入来对综合能源发电系统的风险量度进行了衡量，并以投资理论为分析理论，对虚拟电厂的容量优化配置模型中的风险量度进行了充分考虑，从而分析了虚拟电厂容量配置中各个因素所带来的影响，如环境成本影响、风险偏好影响、运行负荷影响等。
4.2运行策略优化
在对综合能源发电系统的运行策略进行优化时，我国学者也进行了相应的研究，王成山便按照能量类别，以能量传递所具有的不同形式分别构建了综合能源发电系统的设备模型，并通过集中母线来对综合能源发电系统的框架进行了构建，从而构建了日前动态经济调度值范围在0—1之间的综合能源发电系统的混合整数线性规划模型，进而使综合能源发电系统中不同设备的运行状态及运行方式得到有效调节，大大提高了系统的运行经济性。根据综合能源发电系统在运行过程中的调度周期，建立了该系统设备的优化配置运行策略模型，并利用Matlab软件求解了综合能源发电系统的混合整数规划问题，从而使综合能源发电系统中的各个供能机组在调度周期中获得了经济性最高的运行策略。
4.3协同优化
在对综合能源发电系统的经济性、环境效益、热力学性能等多个方面进行协同优化时，我国学者也进行了大量的研究，例如我国学者张杰便在协同优化中以最小年费用为目标，构建了三联供系统的混合整数非线性规划模型，同时通过LINGO软件，利用顺序线性规划方法与分支界定方法，获得了不同建筑物在不同地区中的最佳运行策略与最优配置方案。在对供冷、供热、供电的太阳能联供系统进行协同优化时，则是把经济、能源与环境进行综合，使其成为相应的综合评估指标，然后求解其判断矩阵，进而根据不同的运行方式对三种可靠的运行控制策略进行了制定，然后根据这三种运行控制策略对系统的容量与控制策略进行了分别优化。
5 以经济效益为目标的综合能源系统优化配置方法
通过分析本文所述的风光氢储综合能源系统的结构，可以得出，除前期发电系统的投资成本外，系统的主要成本来源包括可再生能源发电系统设备的维护费用、氢储能设施（包括电解水制氢设备、压缩储氢设备）建设及维护费用、氢燃料电池或内燃机购置及维护费用、氢能源运输及加氢站建设（或投资）费用等；系统的收益来源主要包括售电（上网电量）收益和售氢收益两部分。由此可得以下经济模型：
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其中，Sc表示综合能源系统的成本，Si表示综合能源系统的收入，Sb表示综合能源系统的利润。pc表示系统中各部分的投资建设费用，pm表示系统中各部分的维护费用。pp表示售电单价，ph表示售氢单价，Po，t表示t时刻的综合能源系统平滑上网功率，理想条件下为恒定值，T表示系统运行时长，λ表示电解水制氢后用以运输至加氢站的氢能源比例系数，主要由系统中光伏和风机的发电总量、电网需求等决定。Ph，t表示用以电解水制氢的功率，其计算方法为：
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其中，Pδ为波动功率。
以经济效益为目标的风光氢储综合能源系统需保证Sb的最大化，其可配置因素包括投资建设和维护费用、平滑上网功率、氢储系统容量和售氢比例系数，其他影响因素包括风力资源、光照资源、售电单价和氢能源市场价格等。依据上述模型，通过合理配置，可以有效提高综合能源系统的经济效益。
结束语
可再生能源发电与氢储能结合的综合能源系统将成为未来可再生能源应用的重要形式，可以有效提高可再生能源利用率，实现风光电力平滑上网，解决波动性功率上网难题，降低碳排放水平。其中，系统各部分容量的优化配置是关键问题。本文以综合能源系统的经济效益最大化为目标，建立了综合能源系统运行模型，并提出了相应的系统优化配置方案，可有效保障系统收益，为风光氢储综合能源系统的建设提供参考与建议。
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