考虑氢能多元化利用的综合能源系统低碳经济调度

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24087

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 263-273.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24087

• 基于群体智能的综合能源系统建模仿真及优化运行 • 上一篇

考虑氢能多元化利用的综合能源系统低碳经济调度

马恺¹, 袁至¹, 李骥²

^1.可再生能源发电与并网技术自治区重点实验室(新疆大学)，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017
^2.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011

收稿日期:2024-05-14 修回日期:2024-08-30 出版日期:2025-04-30 发布日期:2025-04-23
作者简介:马恺(1997)，男，硕士研究生，研究方向为综合能源系统优化运行， 1071334972@qq.com；
袁至(1984)，男，博士，副教授，研究方向为可再生能源发电与并网控制，本文通信作者， yzisthecure@163.com。
基金资助:
新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2023D04081);国家自然科学基金项目(52367024)

Low-Carbon Economic Scheduling of Integrated Energy System Considering Diversified Utilization of Hydrogen Energy

Kai MA¹, Zhi YUAN¹, Ji LI²

^1.Key Laboratory of Renewable Energy Generation and Grid-Connected Technology (Xinjiang University), Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
^2.Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co. , Ltd. , Urumqi 830011, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2024-05-14 Revised:2024-08-30 Published:2025-04-30 Online:2025-04-23
Supported by:
the Open Project of Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region(2023D04081);National Natural Science Foundation of China(52367024┫．)

摘要/Abstract

摘要：

目的在“双碳”背景下，实现综合能源系统(integrated energy system，IES)的低碳经济运行尤为重要，然而，考虑电转气(power to gas，P2G)设备的综合能源系统往往忽略了产氢过程中的能量损失。为此，构建了一种考虑氢能多元化利用的IES日前低碳经济调度模型。方法首先，建立了以碳捕集电厂、P2G为主要能源耦合设备的跨区级IES数学模型。其次，考虑到氢能的清洁、高效性，构建了掺氢热电联产以及含P2G、氢燃料电池、储氢罐的数学模型，并且为避免能量的浪费，在P2G设备两阶段转化过程中加入热回收装置。再次，建立需求响应与绿证-碳交易机制的数学模型，并将其引入系统低碳经济调度中。最后，以绿证交易、碳交易、燃煤和购电、购气成本之和最小为优化目标进行求解。结果所提模型使系统总成本下降55%，并且实现了风电全额消纳。结论此调度模型有效缓解了系统运行中能量损失的问题，使综合能源系统的低碳经济性得到了大幅提高。

关键词: 双碳, 综合能源系统(IES), 氢能, 经济调度, 绿证-碳交易, 多元化利用, 需求响应, 碳捕集电厂, 电转气(P2G)

Abstract:

Objectives In the context of “dual-carbon” goals, achieving low-carbon economic operation of integrated energy system (IES) is of paramount importance. However, existing IES models incorporating power-to-gas (P2G) technology often overlook energy losses during hydrogen production. To address this issue, this study proposes a day-ahead low-carbon economic scheduling model for an IES that considers diversified utilization of hydrogen energy. Methods First, a mathematical model of a cross-regional IES is established, with carbon capture power plants and P2G as the main energy coupling technologies. Second, given the clean and efficient nature of hydrogen energy, mathematical models are developed for hydrogen-blended combined heat and power generation, P2G systems, hydrogen fuel cells, and hydrogen storage tanks. To avoid energy waste, a heat recovery device is integrated into the two-stage conversion process of P2G. Third, a mathematical model for demand response and green certificate-carbon trading mechanism is established and incorporated into the system’s low-carbon economic scheduling strategy. Finally, the optimization objective is set to minimize the total cost, including expenses on green certificate trading, carbon trading, coal-fired power generation, electricity procurement, and natural gas purchases. Results The proposed model reduces the total system cost by 55% and achieves the full utilization of wind power. Conclusions This scheduling model effectively mitigates energy losses during system operation and significantly enhances the low-carbon economic efficiency of IES.

Key words: dual-carbon, integrated energy system (IES), hydrogen energy, economic dispatch, green certificate-carbon trading, diversified utilization, demand response, carbon capture power plant, power-to-gas (P2G)

中图分类号:

TK 01+9

马恺, 袁至, 李骥. 考虑氢能多元化利用的综合能源系统低碳经济调度[J]. 发电技术, 2025, 46(2): 263-273.

Kai MA, Zhi YUAN, Ji LI. Low-Carbon Economic Scheduling of Integrated Energy System Considering Diversified Utilization of Hydrogen Energy[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(2): 263-273.

图/表 11

图1 考虑多元化利用氢能的IES系统结构

Fig. 1 IES structure considering diversified utilization of hydrogen energy

图2 电、热负荷以及风电预测曲线

Fig. 2 Forecast curves of electrical load, thermal load and wind power

表1 场景信息

Tab. 1 Scenario information

场景	HFC	P2G	CHP	CCPP	余热回收
1	×	×	×	×	×
2	×	√	×	√	×
3	√	√	√	×	×
4	√	√	√	√	√

表2 设备参数

Tab. 2 Equipment parameters

设备	最大出力/MW	最小出力/MW	爬坡约束/%
CCPP	400	50	20
CHP	200	20	20
GB	80	0	20
P2G	200	0	20
ES	120	10	20

表3 分时电价

Tab. 3 Time-of-use electricity prices

时段	区间	电价/[元/（kW⋅h）]
峰	09：00 —12：00；19：00 —22：00	1.25
平	08：00 —09：00；12：00 —19：00	0.80
谷	00：00 —08：00；22：00 —24：00	0.40

表4 各场景成本构成

Tab. 4 Cost breakdown of different scenarios

指标	场景
指标	1	2	3	4
总成本/万元	256.72	240.06	213.59	115.12
燃料成本/万元	56.52	134.13	223.26	221.72
碳交易成本/万元	24.08	1.50	-91.10	-84.05
绿证成本/万元	-28.93	-31.72	-58.72	-66.21
购电成本/万元	117.62	80.20	49.24	6.00
购气成本/万元	82.29	6.12	51.65	0
净碳排量/t	5 978.03	3 433.52	2 217.88	2 159.35
碳封存成本/万元	0.56	6.13	39.27	37.66
风电消纳率/%	94.22	98.21	100	100

图3 电、热需求响应图

Fig. 3 Diagram of electricity and thermal demand response

图4 场景2—4电功率平衡图

Fig.4 Diagrams of electric power balance under scenarios 2-4

图5 场景4热功率平衡图

Fig. 5 Diagram of thermal power balance under scenario 4

图6 场景3、4氢功率平衡图

Fig. 6 Diagrams of hydrogen power balance under scenarios 3-4

图7 绿证价格与系统碳排量、运行成本的关系

Fig. 7 Relationship between green certificate price, system carbon emission and operating cost

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考虑氢能多元化利用的综合能源系统低碳经济调度

Low-Carbon Economic Scheduling of Integrated Energy System Considering Diversified Utilization of Hydrogen Energy

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