计及多时间尺度不确定性的电...化储能站随机-鲁棒混合规划_倪鸾.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology计及多时间尺度不确定性的电-氢一体化储能站随机-鲁棒混合规划倪鸾，王育飞，薛花，于艾清（上海电力大学电气工程学院，上海 200090）摘要：考虑源-荷双侧长期不确定性对电-氢一体化储能站规划结果鲁棒性的影响，提出一种计及多时间尺度不确定性的储能站容量规划方法。首先，构建电-氢混合系统结构，并设计储能站主要运行模式；其次，考虑风、光、电、氢的时序相关性，提取考虑短期不确定性的源-荷双侧的时序典型场景，以年综合成本最小为目标，建立基于多场景随机优化的储能站容量规划模型；然后，进一步考虑长期不确定性，基于信息间隙决策理论对规划模型进行改进，提出考虑长-短期不确定性的储能站随机-鲁棒混合规划方法；最后，基于某风光电场历史数据进行仿真验证，并对缺能惩罚成本系数和氢气价格等关键因素进行灵敏度分析。仿真结果表明，所提方法可合理规划电-氢一体化储能站容量，提高电-氢混合系统的风险规避能力。关键词：电-氢一体化储能站；容量规划；多时间尺度；不确定性；随机-鲁棒混合规划doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0726 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-846-11Hybrid stochastic-robust planning of an electricity-hydrogen integrated energy storage station considering multi-timescale uncertaintyNI Luan,WANG Yufei,XUE Hua,YU Aiqing(College of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Abstract:Considering the impact of long-term uncertainty of supply and load on the robustness of the planning results of an electricity-hydrogen integrated energy storage station,a capacity planning method considering the uncertainty of multiple time scales is proposed.First,the structure of the hybrid electricity-hydrogen system is constructed,and the main operating modes of the energy storage station are designed.Second,taking into account the temporal correlation of wind,photovoltaic,electricity and hydrogen,the typical temporal scenarios of both source and load sides considering short-term uncertainty are extracted.Also,the capacity planning model of the energy storage station based on multi-scenario stochastic optimization is established to minimize the comprehensive annual cost.Then,further considering the long-term uncertainty,the planning model is improved based on the information gap decision theory.A stochastic robust hybrid planning method for energy storage stations is proposed considering long-and short-term uncertainties.Finally,the simulation is performed based on historical data of wind and photovoltaic power stations.Sensitivity analyses of critical factors,such as the energy shortage penalty cost coefficient and hydrogen price,are performed.The simulation results demonstrate that the proposed method can plan reasonably the capacity of 储能系统与工程收稿日期：2022-12-05；修改稿日期：2022-12-19。基金项目：上海市科委地方能力建设计划（22010501400）。第一作者及通讯作者：倪鸾（1998），男，硕士研究生，研究方向为氢储能技术在电力系统中应用，E-mail：niluan_。第 3 期倪鸾等：计及多时间尺度不确定性的电-氢一体化储能站随机-鲁棒混合规划the electric-hydrogen integrated energy storage station and improve the risk aversion ability of the hybrid electric-hydrogen system.Keywords:electric-hydrogen integrated energy storage station;capacity planning;multi-timescale;uncertainty;stochastic-robust mixed planning实现“3060”双碳目标的主要途径是构建以可再生能源为主体的新型电力系统1-2。随着电力系统中新能源占比不断升高，其消纳问题日益突出，建设规模化储能站以提高新能源利用率这一应用模式备受关注3。作为一种优质的二次能源，氢能为电力系统提供了一种新的储能形式，氢储能技术也成为构建新型电力系统最具应用潜力的技术之一4-5。应用氢储能技术的电-氢一体化储能站，具有存储规模大、存储周期长以及充放电响应速度快等优势6。因此，研究规模化电-氢一体化储能站的规划问题具有重要意义。目前已有一些关于电-氢混合系统中氢储能配置问题的相关研究7-9。文献10考虑了多能流平衡，基于主从博弈方法对含可再生能源的工业园区进行氢储能配置研究；文献11结合电网与路网的特点，通过配置季节性氢储能系统，以消除可再生能源和氢负荷需求间的时空不平衡问题；文献12考虑氢负荷对电力系统消纳新能源的影响，对引入氢能负荷的新型电力系统进行电源规划研究。以上对电-氢混合系统规划问题的研究，仅在新型电力系统中引入氢储能系统，并未考虑新能源高渗透率系统中不确定性因素。目前针对系统中的不确定性问题研究主要从源、荷单侧或源-荷双侧同时考虑几个角度展开13-15。文献16针对可再生能源高渗透率电力系统，提出了一种考虑源、荷随机性的电-氢综合能源系统两阶段规划模型；文献17考虑风光出力和电动汽车充电负荷的源、荷双侧不确定性，对风-光-氢综合能源系统进行容量规划；文献18设计了应用可逆固体氧化物电池的电-氢一体化能源站框架，并采用考虑源、荷不确定性的随机规划方法对能源站内各装置进行容量配置。以上对电-氢混合系统面临的不确定性问题研究，仅考虑了系统面临的短期不确定性，并未充分考虑气候、经济等因素对源、荷双侧随机变量的长期影响，即源、荷双侧的长期不确定性。随着电-氢一体化储能站使用年限的增长，基于历史数据得到的概率密度函数难以准确描述随机变量的实际概率分布，因此仅考虑短期不确定性的常规随机规划(stochastic programming，SP)无法规避长期不确定性的影响。基于非概率又非模糊的信息间隙决策理论(information gap decision theory，IGDT)的鲁棒优化方法可用来处理源、荷双侧的长期不确定性19。对比传统鲁棒优化方法和随机规划，IGDT无须准确描述不确定变量波动范围和其概率分布，在不确定性变量信息较少时即可最大化其波动区间，进而规避长期不确定性带来的风险。常规IGDT理论考虑随机变量的短期不确定性，导致其规划结果经济性不足。因此，结合 SP 与IGDT理论规划方法的优点，提出一种计及源、荷双侧多时间尺度不确定性的储能站随机-鲁棒混合规划方法。在新能源高渗透率电力系统中，对电-氢一体化储能站主要装置容量规划开展研究。首先，考虑源、荷的短期不确定性，随机生成全年源、荷序列，并运用最优分割法和考虑场景间相似度指标的动态时间规整(dynamic time warping，DTW)算法进行场景提取，得到更符合实际情况的时序典型场景；然后，依据电-氢一体化储能站运行模式，构建储能站的容量规划模型，并进一步考虑长期不确定性，采用 SP-IGDT 混合规划方法，建立计及多尺度不确定性的电-氢一体化储能站随机-鲁棒混合规划模型；最后，基于某风光电场进行算例分析，验证所提规划方法的有效性。1 电-氢一体化储能站结构电-氢一体化储能站是立足于发电侧，可与新能源发电站共同组成电-氢混合能源系统，图1为电-氢混合系统基本结构。根据储氢系统可在电、氢能量之间灵活转换的特点，电-氢一体化储能站的运行模式如下。（1）围绕系统中电能流：储能站可以通过电转氢(power to hydrogen，P2H)装置，充分发挥氢储能的优势，适应风、光出力和电、氢负荷需求的长期不确定性，保障系统能源供需平衡与稳定运行。8472023 年第 12 卷储能科学与技术（2）围绕系统中氢能流：储能站可向氢燃料汽车供应氢气或在氢能市场进行氢气销售，丰富氢能利用模式，提高储能站经济效益与氢能的利用率；储能站也可在氢气储量不足时，直接从氢能市场购氢，避免因能量供应不足导致惩罚成本增加。储氢装置、电解槽和燃料电池为电-氢一体化储能站核心装置，其主要装置种类如下。（1）固态储氢罐对于用于高比例可再生能源新型电力系统中大规模的储氢，需采用安全性高、容量大、存储周期长、灵活性强且成本较低的储氢方式。由表1可知，固态储氢技术不需要额外配置氢气压缩装置，对存储环境与能耗要求更低，且有着更高的安全性与储氢密度20-21，因此在电-氢一体化储能站中，选择应用固态储氢罐技术。（2）能量转换装置相较于碱性电解装置，质子交换膜电解槽响应时间短、电流密度大、体积更加紧凑，更适合用于集成0100 MW超大规模系统20，因此选用质子交换膜电解槽作为电解制氢装置。新能源出力以及电、氢负荷需求存在较强的随机性问题，在出力充足时段，储能站可通过电解装置将电能转换为氢能；在电负荷供应不足时段，可通过燃料电池将氢能转化为电能；在氢负荷需求高峰时段，储能站也可通过“电解设备实时制氢+储氢罐放氢”的方式满足氢负荷需求。通过以上运行策略，可实现日内尺度的电能、氢能的削峰填谷以及可再生能源的跨季节转移，提高可再生能源的消纳水平。2 计及多时间尺度不确定性的储能站随机-鲁棒混合规划方法2.1源-荷典型场景提取采用基于多场景的随机规划来描述电-氢混合系统的短期不确定性，为获取更加符合实际情况的典型日场景，需要考虑风、光、电-氢负荷的时序相关特性，而DTW能够更好地刻画时间序列的整体动