風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃優(yōu)化建模

袁鐵江　李國(guó)軍　張?jiān)鰪?qiáng)　張　龍　蔡高雷　梅生偉

（1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院　烏魯木齊　830047 2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院　烏魯木齊　830013 3. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院　烏魯木齊　830011 4. 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）　北京　100084）

風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃優(yōu)化建模

袁鐵江1，4李國(guó)軍1張?jiān)鰪?qiáng)2張龍3蔡高雷1梅生偉1，4

（1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院烏魯木齊830047 2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院烏魯木齊830013 3. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院烏魯木齊830011 4. 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）北京100084）

以氫儲(chǔ)能為媒介將風(fēng)電與煤化工進(jìn)行有機(jī)整合，是提升風(fēng)電消納能力、降低煤化工耗能與污染的有效技術(shù)路線。提出以風(fēng)電全額消納和煤化工低耗能、低污染的風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)（W-HES&CC）集成架構(gòu)設(shè)計(jì)方案；以多能耦合系統(tǒng)設(shè)備一次性投資最小為目標(biāo)，以風(fēng)電全額消納與 W-HES&CC穩(wěn)定運(yùn)行為約束，構(gòu)建多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而使用遺傳算法對(duì)上述模型求解；基于新疆某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)與煤化工企業(yè)為算例背景，仿真結(jié)果表明提出的多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的正確性，并進(jìn)一步基于規(guī)定應(yīng)用場(chǎng)景分析了不同風(fēng)電并網(wǎng)比例與風(fēng)電非電形態(tài)消納比例條件下系統(tǒng)的投資成本變化規(guī)律。

風(fēng)力發(fā)電氫儲(chǔ)能煤化工設(shè)備投資規(guī)劃遺傳算法

0　引言

我國(guó)西部擁有豐富的煤炭資源及充裕的可再生能源，不僅可以大力發(fā)展以風(fēng)電為首的清潔能源，亦可以推廣以制甲醇為基礎(chǔ)的大型煤化工產(chǎn)業(yè)。風(fēng)電作為大規(guī)模清潔能源主要利用形式，憑借其取之不盡、用之不竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)得到迅猛發(fā)展［1，2］，但其隨機(jī)性、波動(dòng)性及不可控等特性使風(fēng)電棄風(fēng)量居高不下，并給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)［3-6］，使得風(fēng)電高水平消納成為關(guān)鍵技術(shù)性問(wèn)題；大型傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)業(yè)用煤炭深加工的附屬品來(lái)緩解現(xiàn)有化石燃料與社會(huì)需求間的矛盾，但此過(guò)程中存在高能耗、高污染［7］等問(wèn)題，因此如何使煤化工盡可能低碳、低能耗生產(chǎn)是破解目前產(chǎn)業(yè)困局的關(guān)鍵問(wèn)題。綜合風(fēng)電與煤化工產(chǎn)業(yè)所面臨問(wèn)題，以電解水制氫為橋梁，將風(fēng)電“嫁接”到現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建一個(gè)以能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)綜合效益最大化的多能耦合系統(tǒng)。然而國(guó)內(nèi)外對(duì)此多能耦合系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化研究較少，因此，對(duì)基于氫儲(chǔ)能的風(fēng)電與煤化工多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃優(yōu)化研究是非常必要的。

文獻(xiàn)［8］提出用可再生能源與電解水系統(tǒng)相結(jié)合制氫能并與煤化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合制取甲醇等二次能源的系統(tǒng)構(gòu)架。文獻(xiàn)［9］闡述了目前風(fēng)電制氫系統(tǒng)與煤化工產(chǎn)業(yè)相結(jié)合制取甲醇還處于初級(jí)理論研究階段，要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)還需要各個(gè)方面的深入研究。文獻(xiàn)［10，11］指出歐洲為提高可再生能源對(duì)電網(wǎng)的滲透率及利用效率，提出基于純凈的規(guī)模化制氫及儲(chǔ)氫技術(shù)的第五框架計(jì)劃。文獻(xiàn)［12］闡述了風(fēng)—?dú)漶詈习l(fā)電的概念和結(jié)構(gòu)，并在總結(jié)相關(guān)國(guó)際研究動(dòng)態(tài)和成果基礎(chǔ)上，為中國(guó)風(fēng)—?dú)漶詈习l(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了建議。文獻(xiàn)［13］根據(jù)中國(guó)大規(guī)模非并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r、前景及可行性，計(jì)及相關(guān)技術(shù)約束，探討利用風(fēng)能進(jìn)行海水淡化制氫的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性。文獻(xiàn)［14］基于實(shí)際非并網(wǎng)風(fēng)電電解制氫系統(tǒng)示范工程，揭示了風(fēng)電與電解水制氫工藝之間的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)［15］在風(fēng)電并網(wǎng)情況下，將風(fēng)電與電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行耦合并分析了該系統(tǒng)的收入、支出及現(xiàn)金流量。文獻(xiàn)［16］采用電網(wǎng)不能并網(wǎng)消納的電量進(jìn)行電解水制氫，將四種氫氣消納途徑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。文獻(xiàn)［17，18］采用非并網(wǎng)條件下的風(fēng)電與煤化工耦合生產(chǎn)的技術(shù)路線，從煤化工生產(chǎn)角度對(duì)污染物排放進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估。文獻(xiàn)［19］指出傳統(tǒng)煤化工生產(chǎn)工藝與社會(huì)需求之間的矛盾。但上述文獻(xiàn)并沒(méi)有涉及并網(wǎng)型風(fēng)電與煤化工耦合生產(chǎn)架構(gòu)，亦沒(méi)有針對(duì)此類型耦合系統(tǒng)的設(shè)備投資、優(yōu)化構(gòu)建方面進(jìn)行研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于氫儲(chǔ)能的風(fēng)電與煤化工多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃優(yōu)化方法。首先，提出以風(fēng)電全額消納與煤化工盡可能低碳的風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計(jì)方案；其次，以系統(tǒng)設(shè)備一次性投資最小為目標(biāo)，慮及風(fēng)電完全消納與耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性約束，進(jìn)而建立多能耦合系統(tǒng)設(shè)備匹配優(yōu)化模型；最后以新疆某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)與煤化工企業(yè)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明了該投資規(guī)劃方法的正確性與有效性。

1　風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)建

圖1所示為風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能煤化工多能耦合系統(tǒng)架構(gòu)，包括風(fēng)電系統(tǒng)、電能分配系統(tǒng)、電解水制氫裝置、壓力儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氧設(shè)備、氫能分配系統(tǒng)、氫氧燃料內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組、煤化工制甲醇設(shè)備。以風(fēng)電電解水為樞紐，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)電量既可以通過(guò)電能分配系統(tǒng)直接并網(wǎng)消納，亦可以電解水制氫氣，電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣存儲(chǔ)在壓力儲(chǔ)存設(shè)備中；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)重或風(fēng)電并網(wǎng)引起電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，可通過(guò)氫儲(chǔ)分配系統(tǒng)將 “富裕”風(fēng)電電解水儲(chǔ)存的氫能帶動(dòng)氫氧燃料發(fā)電機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)，對(duì)風(fēng)電進(jìn)行“削峰填谷”，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)煤化工的高污染、高能耗主要體現(xiàn)在煤氣化“需氧”過(guò)程和合成甲醇“需氫”過(guò)程［17］，而通過(guò)風(fēng)電電解水產(chǎn)生的氧氣與氫氣可有效解決在甲醇合成過(guò)程中的氫、氧高能耗、高污染的問(wèn)題，使二者聯(lián)合生產(chǎn)達(dá)到“雙贏”局面。風(fēng)電與煤化工結(jié)合的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）不同于目前非并網(wǎng)型風(fēng)電—煤化工聯(lián)合運(yùn)行方式［17，18］，本文在風(fēng)電并網(wǎng)情況下將風(fēng)電通過(guò)電能分配系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電上網(wǎng)與電解水制氫比例，克服了風(fēng)電由于間歇性、波動(dòng)性等問(wèn)題所引起的風(fēng)電“棄風(fēng)”，以減緩規(guī)模化風(fēng)電并網(wǎng)消納“瓶頸”。

（2）不同于傳統(tǒng)制氫、制氧過(guò)程中的能耗高、流程復(fù)雜、污染大等劣勢(shì)，風(fēng)電電解水制氫工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，有助于多種污染物如CO2的減排，具有較為廣闊的發(fā)展前景。

（3）以低成本氫氣和氧氣克服傳統(tǒng)煤化工高能耗、高污染等問(wèn)題，有大幅度降低甲醇制造成本、提高甲醇生產(chǎn)規(guī)模等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了可再生能源多元化輸出利用。

圖1　風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1　The architecture of wind power-hydrogen energy storage and coal chemical pluripotent coupling system

2　系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1優(yōu)化建模基本思想

鑒于風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)資源分布穩(wěn)定，在此不涉及風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方面的研究，以基于實(shí)際風(fēng)能利用率的等值風(fēng)電容量為輸入，運(yùn)用“等效函數(shù)”思想和“統(tǒng)一量綱”方法，將子系統(tǒng)（包括電解水、氫存儲(chǔ)、煤化工系統(tǒng)）參數(shù)用等值風(fēng)電容量表示。在圖2中風(fēng)電“非電形式消納”的比例為fwf，比例為1-wff的風(fēng)電量進(jìn)行“電形式消納”，若電網(wǎng)在風(fēng)電發(fā)電量驟增時(shí)，可通過(guò)電能分配系統(tǒng)將此時(shí)間段風(fēng)力發(fā)電量用來(lái)電解水制氫，進(jìn)而提高風(fēng)電消納能力。煤化工消耗氫氣量比例為fjc，若某時(shí)間段內(nèi)氫氣儲(chǔ)存量大于消耗量，則可通過(guò)氫儲(chǔ)能分配系統(tǒng)調(diào)整氫氣存儲(chǔ)量，在保證煤化工不間斷生產(chǎn)情況下，使風(fēng)電“非電形式消納”多元化。鑒于篇幅原因，此過(guò)程中涉及到的電能分配系統(tǒng)及氫儲(chǔ)分配系統(tǒng)方面，在此不再贅述。

圖2　風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)建模思想Fig.2　Modeling idea of wind power-hydrogen energy storage and coal chemical pluripotent coupling system

以多能耦合系統(tǒng)設(shè)備一次性投資最小為目標(biāo)，以風(fēng)電完全消納與多能耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為約束，構(gòu)建了多能耦合系統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并使用遺傳算法（Genetic Algorithm， GA）對(duì)模型求解，得到風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)各組成部件的理論技術(shù)參數(shù)，以便從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)現(xiàn)有各設(shè)備的實(shí)際技術(shù)參數(shù)進(jìn)行篩選，風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)投資規(guī)劃建模流程如圖3所示。

圖3　風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)投資規(guī)劃建模流程Fig.3　Investment plan of modeling flow chart of wind power-hydrogen energy storage and coalchemical pluripotent coupling system

2.2多能耦合系統(tǒng)設(shè)備投資規(guī)劃優(yōu)化建模

2.2.1各子系統(tǒng)投資建模

風(fēng)電投資數(shù)學(xué)建模分為等值風(fēng)電裝機(jī)容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，分別用式（1）和式（2）表示。

式中，Wwt為風(fēng)電機(jī)組投資金額（萬(wàn)元）；i為風(fēng)力發(fā)電機(jī)編號(hào)；a為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。Pi為對(duì)應(yīng)編號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘浚∕W）；ωi為對(duì)應(yīng)編號(hào)風(fēng)電機(jī)組單位容量?jī)r(jià)格（萬(wàn)元/MW）。

式中，VRtw為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全壽命周期內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）；CRw為風(fēng)電機(jī)組年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)；Λit為風(fēng)電機(jī)組在第t年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）。

電解水制氫設(shè)備投資數(shù)學(xué)建模分為電解水制氫設(shè)備的一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，可用式（3）和式（4）表示。

式中，Wet為電解槽投資金額（萬(wàn)元）；j為電解槽編號(hào)，b為電解槽的總臺(tái)數(shù)；Pj為對(duì)應(yīng)電解槽總功率（kW）；ψj為對(duì)應(yīng)電解水設(shè)備單位功率價(jià)格（萬(wàn)元/kW）。

式中，VRte為電解水制氫氣設(shè)備全壽命周期內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）；CRe為電解槽年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)；Mjt為電解槽在第t年的運(yùn)行費(fèi)用（萬(wàn)元）。

壓力存儲(chǔ)設(shè)備投資數(shù)學(xué)建模分為壓力存儲(chǔ)設(shè)備的一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，分別用式（5）和式（6）表示。

式中，Wst為壓力儲(chǔ)氣設(shè)備投資金額（萬(wàn)元）；l、k分別為氫氣、氧氣壓力儲(chǔ)氣設(shè)備編號(hào)；c、d分別為氫氣罐、氧化罐總個(gè)數(shù)；Sl、Sk分別為對(duì)應(yīng)該編號(hào)的氫氣、氧氣壓力儲(chǔ)氣設(shè)備體積（m3）；Vshp、Vsop分別為對(duì)應(yīng)型號(hào)氫氣、氧氣壓力儲(chǔ)氣設(shè)備的單位體積單價(jià)（萬(wàn)元/m3）。

式中，VRts為壓力存儲(chǔ)設(shè)備全壽命周期內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）；CRs為壓力存儲(chǔ)設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)；Γct為壓力儲(chǔ)氣設(shè)備在第t年的運(yùn)行費(fèi)用（萬(wàn)元）。

煤化工投資數(shù)學(xué)建模分為煤化工制甲醇整套設(shè)備的一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，分別用式（7）和式（8）表示。

式中，Wmt為煤化工投資金額（萬(wàn)元）；Smv為甲醇年產(chǎn)量（t/年）；Vmp為制甲醇設(shè)備投資單位價(jià)格（萬(wàn)元/t）。

式中，VRtm為煤化工制甲醇設(shè)備全壽命周期內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（萬(wàn)元）為甲醇設(shè)備總臺(tái)數(shù)為煤化工設(shè)備年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用系數(shù)；為煤化工設(shè)備在第t年的運(yùn)行費(fèi)用。

2.2.2一次性投資目標(biāo)函數(shù)

多能耦合系統(tǒng)設(shè)備一次性投資目標(biāo)函數(shù)為

式中，不討論電能分配系統(tǒng)與氫能分配系統(tǒng)投資，且將購(gòu)買各設(shè)備成本與運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用統(tǒng)稱為設(shè)備一次性投資費(fèi)用計(jì)算。

2.2.3一次性投資約束條件

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組約束條件為

式中， Pi為單臺(tái)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組出力（MW）；fwf為電解廠產(chǎn)能占等值風(fēng)電裝機(jī)容量的百分?jǐn)?shù)。

電解水制氫系統(tǒng)約束條件為

壓力存儲(chǔ)設(shè)備約束條件為

式中，Vmin、Vmax分別為儲(chǔ)氣罐最小、最大容量（m3）。

煤化工制甲醇系統(tǒng)約束條件為

式中，fjc為煤化工需氫氣比例；MCH3OH為甲醇每小時(shí)氣體產(chǎn)量（t/h）；Vm為氣體摩爾體積，25℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下Vm=24.5L/mol。

2.3基于GA模型求解

求多能耦合系統(tǒng)的設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及最優(yōu)技術(shù)參數(shù)下的單價(jià)參數(shù)，實(shí)則是求取的優(yōu)化問(wèn)題。因此，基于GA算法的多能耦合系統(tǒng)中設(shè)備技術(shù)參數(shù)與價(jià)格參數(shù)優(yōu)化配比模型的求解過(guò)程如下。

（1）初始化變量k、λ的值。

（2）以變量 k、λ 的初始化種群為基礎(chǔ)，以市場(chǎng)調(diào)研大數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù)，優(yōu)化計(jì)算獲取多能耦合系統(tǒng)中各子系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)與價(jià)格參數(shù)，同時(shí)保證多能耦合系統(tǒng)一次性投資最小與風(fēng)電網(wǎng)完全消納要求，如式（9）～式（13）所示。

（3）采用交叉與變異方法，獲取變量 k、λ 的新生優(yōu)化種群。

（4）將由步驟（3）獲取的變量k、λ 的新生優(yōu)化種群替代步驟（2）中的變量k、λ 的初始化種群，并重復(fù)步驟（2）的操作，優(yōu)化計(jì)算各子系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)參數(shù)與價(jià)格參數(shù)。

（5）重復(fù)步驟（3）的操作，直至獲取較優(yōu)的多能耦合系統(tǒng)中設(shè)備技術(shù)參數(shù)與價(jià)格參數(shù)。

3　算例仿真與分析

3.1算例介紹與仿真

新疆某風(fēng)電場(chǎng)面積約 40km2。附近有豐富的水資源，風(fēng)電場(chǎng)可就近建設(shè)電解水制氫場(chǎng)；距此地不遠(yuǎn)處，有豐富的煤資源，符合開發(fā)建設(shè)條件。

取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率為90%，風(fēng)電并網(wǎng)消納比例為0.5，煤化工需氫氣比例為0.7，在無(wú)風(fēng)或其他不可抗力導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停止發(fā)電時(shí)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)富余氫氣全部用來(lái)維持煤化工不間斷生產(chǎn)，而不進(jìn)行其他用途，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)見表1。

表1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.1　Wind turbine parameters

電解槽選擇外送壓力為5kPa，電解溫度為25℃，單個(gè)電解槽的電壓為 2V，電解水制氫設(shè)備參數(shù)見表2。

壓力存儲(chǔ)設(shè)備采用安全系數(shù)較高的壓力存儲(chǔ)罐，國(guó)內(nèi)目前比較成熟技術(shù)的單個(gè)存儲(chǔ)容積為超過(guò)200m3，鑒于系統(tǒng)主要考慮氫儲(chǔ)能，在此僅給出氫氣壓力存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)，見表3。

表2　電解水制氫設(shè)備參數(shù)Tab.2　Equipment parameters of hydrogen production electrolysis of water

表3　氫氣壓力存儲(chǔ)設(shè)備參數(shù)Tab.3　Device parameters of hydrogen pressure storage

在煤化工制甲醇系統(tǒng)中，投資價(jià)格以設(shè)備一次性投資總額來(lái)計(jì)算，該系統(tǒng)年工作330天，每天24h不間斷工作，詳細(xì)參數(shù)見表4。

表4　煤化工制甲醇系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)Tab.4　Device parameters of gasification methanol synthesis system

通過(guò)遺傳算法求解得出多能耦合系統(tǒng)在輸入風(fēng)電為 200MW時(shí)，各子系統(tǒng)得到的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化匹配結(jié)果見表5；各設(shè)備單價(jià)優(yōu)化匹配結(jié)果見表6。

表5　技術(shù)參數(shù)優(yōu)化匹配結(jié)果Tab.5　Optimal matching results of technical parameters

表6　單價(jià)優(yōu)化匹配結(jié)果Tab.6　Optimal matching results of unit price

通過(guò)智能算法，在等值風(fēng)電輸入為200MW情況下，得到的電解槽功率、儲(chǔ)氫罐容積、煤化工制甲醇年產(chǎn)量。進(jìn)一步，在已有廠家報(bào)價(jià)中，對(duì)比技術(shù)指標(biāo)符合要求的廠商報(bào)價(jià)，以便于選擇合適價(jià)格區(qū)間且產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異的廠家。由規(guī)劃結(jié)果可知，該模型在一定程度上有益于企業(yè)投資生產(chǎn)規(guī)劃。

3.2風(fēng)電場(chǎng)容量對(duì)設(shè)備優(yōu)化選型的影響

表7為四種不同風(fēng)電容量下的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化匹配結(jié)果，表8為不同風(fēng)電容量下的單價(jià)優(yōu)化匹配結(jié)果。從仿真結(jié)果看，風(fēng)電輸入的容量越大，其對(duì)應(yīng)的各子系統(tǒng)匹配的容量、容積和產(chǎn)量越大；從表 7和表8中得出各子系統(tǒng)在一次性投資最小的約束條件下的最優(yōu)容量及產(chǎn)量匹配和最優(yōu)單價(jià)匹配，對(duì)投資者規(guī)劃設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)參數(shù)具有一定的指導(dǎo)作用，決策者通過(guò)風(fēng)電輸入容量即可選擇設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行最優(yōu)容量以及最優(yōu)容量下的投資成本最小的設(shè)備廠家。但是在規(guī)劃中，多能耦合系統(tǒng)的選型需要針對(duì)實(shí)地考察及資金情況具體分析。

表7　不同風(fēng)電容量下的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化匹配結(jié)果Tab.7　Optimal matching results of technical parameter under different wind power capacity

表8　不同風(fēng)電容量下的單價(jià)優(yōu)化匹配結(jié)果Tab.8　Optimal matching results of unit price under different wind power capacity

本文模型只闡述了系統(tǒng)設(shè)備規(guī)劃問(wèn)題，并沒(méi)有針對(duì)電能分配系統(tǒng)以及氫能分配系統(tǒng)涉及的控制問(wèn)題進(jìn)行深入研究，這是本文需要進(jìn)一步研究的地方，將另文詳細(xì)探索。

3.3設(shè)備優(yōu)化選型結(jié)果對(duì)風(fēng)電電解水制氫氣比例以及煤化工需氫氣比例變化的敏感性

3.3.1風(fēng)電電解水制氫氣比例對(duì)設(shè)備選型的影響

風(fēng)電電解水制氫氣比例在整個(gè)多能耦合系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的參數(shù)。圖4為風(fēng)電電解水制氫比例變化對(duì)設(shè)備選型與一次性投資影響的變化曲線。通過(guò)分析可得：風(fēng)電電解水制氫比例與電解水制氫功率、儲(chǔ)氣罐容積與煤化工產(chǎn)量的優(yōu)化選型存在明顯的顯性關(guān)系。在風(fēng)電電解水制氫比例相同情況下，不同容量對(duì)應(yīng)不同增長(zhǎng)幅度的設(shè)備選型結(jié)果。風(fēng)電輸入容量越大，設(shè)備選型參數(shù)幅度增長(zhǎng)越明顯；多能耦合系統(tǒng)設(shè)備的一次性投資成本對(duì)風(fēng)電輸入容量、風(fēng)電電解水制氫比例比較敏感。總體分析得出：在風(fēng)電輸入容量不同時(shí)，設(shè)備一次性投資也不同，風(fēng)電輸入容量越大一次性投資越多，在具體系統(tǒng)投資時(shí)要避免在一次性投資增長(zhǎng)幅度較大的比例點(diǎn)規(guī)劃系統(tǒng)。也就是說(shuō)，多能耦合系統(tǒng)不能盲目地追求系統(tǒng)某個(gè)具體參數(shù)作為規(guī)劃的主要選擇條件，要綜合考慮不同情況下的參數(shù)指標(biāo)來(lái)規(guī)劃系統(tǒng)。

圖4　風(fēng)電電解水制氫氣比例變化對(duì)設(shè)備選型以及一次性投資影響的變化曲線Fig.4　Changing curves of equipment selection results and one-time investment with the changing of hydrogen generation rate via water electrolysis

3.3.2煤化工需氫氣比例對(duì)設(shè)備選型的影響

圖5為在不同風(fēng)電容量輸入下的煤化工需氫氣比例對(duì)煤化工年產(chǎn)量與一次性投資影響的變化曲線，其中，實(shí)線和虛線分別對(duì)應(yīng)年產(chǎn)量和投資。由式（10）和式（11）可得：電解水制氫氣系統(tǒng)功率、壓力儲(chǔ)氣系統(tǒng)容量與風(fēng)電輸入容量呈線性關(guān)系，在圖4中也能體現(xiàn)，因此在圖5中沒(méi)有具體描述。由圖5分析可知：鑒于煤化工制甲醇設(shè)備的高投資、高回報(bào)性，煤化工需氫氣比例變化對(duì)煤化工年產(chǎn)量與系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用影響較大：煤化工年產(chǎn)量隨煤化工需氫氣比例fjc的增大而增大；在風(fēng)電輸入容量越大時(shí)，系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用與煤化工需氫氣比例fjc的變化整體呈正相關(guān)趨勢(shì)，但在風(fēng)電輸入容量一定時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在圖5中所示該容量下的系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用在煤化工需氫氣比例fjc逐漸變化過(guò)程中總有一個(gè)投資費(fèi)用最低點(diǎn)，也就是說(shuō)，在實(shí)際規(guī)劃選型中要考慮整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，盡量選取系統(tǒng)投資費(fèi)用最低點(diǎn)的區(qū)間，進(jìn)而以性價(jià)比最高的參數(shù)取值。

3.3.3風(fēng)電電解水制氫氣比例與煤化工需氫氣比例同時(shí)變化對(duì)設(shè)備優(yōu)化選型的影響

圖5　不同風(fēng)電容量下的煤化工需氫氣比例對(duì)煤化工年產(chǎn)量以及一次性投資影響的變化曲線Fig.5　Changing curves of coal chemical production and one-time investment under different wind power capacity with the changing of hydrogen requirement rate of coal chemical

圖6　兩個(gè)比例變量同時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化選型以及一次性投資影響的變化曲線Fig.6　Changing curves of equipment selection results and one-time investment with the changing of two ratio variable

圖6為兩個(gè)比例變量同時(shí)變化對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化選型以及一次性投資影響的變化曲線。分析可知：①風(fēng)電電解水制氫氣比例變化與電解槽制氫氣系統(tǒng)以及壓力儲(chǔ)氣系統(tǒng)之間存在明顯的線性關(guān)聯(lián)，但在風(fēng)電電解水制氫氣比例 fwf位于 0.8～1區(qū)域和煤化工需氫氣比例 fjc位于 0.8～1的區(qū)域內(nèi)明顯存在一個(gè)弧度，即在這個(gè)區(qū)域電解水制氫氣功率和壓力存儲(chǔ)設(shè)備容積應(yīng)有一個(gè)最佳的性價(jià)比值；②由于風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)的一次性投資費(fèi)用對(duì)煤化工年產(chǎn)量十分敏感，因此隨煤化工需氫氣比例變化的多能耦合系統(tǒng)的設(shè)備一次性投資費(fèi)用變化曲線與煤化工年產(chǎn)量變化曲線基本一致，但在風(fēng)電電解水制氫氣比例fwf位于0.6～0.8區(qū)域和煤化工需氫氣比例fjc位于0.6～0.8的區(qū)域內(nèi)，煤化工年產(chǎn)量和系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用變化之間存在一個(gè)凹陷效應(yīng)區(qū)域，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)最優(yōu)比例選擇值，使系統(tǒng)設(shè)備一次性投資最小；③在風(fēng)電電解水制氫氣比例 fwf位于 0.8～1區(qū)域和煤化工需氫氣比例 fjc位于0.8～1的區(qū)域內(nèi)時(shí)，煤化工年產(chǎn)量和系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用變化之間存在一個(gè)較明顯的陡增效應(yīng)區(qū)域，其煤化工需氫氣比例fjc逐漸增大，煤化工年產(chǎn)量亦逐漸增大，進(jìn)而顯著地影響這個(gè)區(qū)域內(nèi)的多能耦合系統(tǒng)設(shè)備一次性投資費(fèi)用，也就是說(shuō)若所選擇的煤化工需氫氣比例fjc剛好在該區(qū)域中，那么得到的規(guī)劃結(jié)果將不具有很高性價(jià)比，因此在實(shí)際規(guī)劃中應(yīng)避開此區(qū)域。

4　結(jié)論

1）建立了兼顧風(fēng)電高水平消納與設(shè)備一次性投資最小的風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)的投資規(guī)劃模型，并運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。研究結(jié)論為多能耦合系統(tǒng)的設(shè)備選型以及投資規(guī)劃提供了新思路。

2）本文僅考慮了系統(tǒng)設(shè)備的一次性投資費(fèi)用，并沒(méi)有涉及系統(tǒng)全壽命周期的綜合經(jīng)濟(jì)效益以及節(jié)能減排帶來(lái)的社會(huì)效益，在進(jìn)一步的研究中需要考慮風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)系統(tǒng)的運(yùn)行效益，以更加全面地考察此系統(tǒng)的綜合效益。

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Optimal Modeling on Equipment Investment Planning of Wind Power-Hydrogen Energy Storage and Coal Chemical Pluripotent Coupling System

Yuan Tiejiang1，4Li Guojun1Zhang Zengqiang2Zhang Long3Cai Gaolei1Mei Shengwei1，4
（1. School of Electrical EngineeringXinjiang UniversityUrumqi830047China 2. The National Network of Xinjiang Electrical Power Economy and Technology Research Institute Urumqi830013China 3. The National Network of Xinjiang Electric Power Research InstituteUrumqi830011China 4. State Key Laboratory of Power SystemTsinghua UniversityBeijing100084China）

Organically combining the wind power and coal chemical via the hydrogen energy storage system is one of the effective measures to increase the consumption capacity of wind farm and reduce energy consumption and emission of hydrogen production. A highly absorptive and low carbon integrated architecture design of wind power-hydrogen energy storage and coal chemical pluripotent coupling system was put forward. The optimized mathematical model of pluripotent coupling system was established， to minimize the one off investment， where the fully consumption of wind power and stable operation of coupling system were taken as constraint conditions. The above model was solved by genetic algorithm （GA）. At last， taken a wind farm and coal enterprises in Xinjiang as examples， the validity of the proposed integrated architecture and its optimal mathematical model were verified. The changing rules of system investment costs were analyzed under the different wind power grid scalesand wind power non-electric consumption scales according to prescriptive application scenarios.

Wind power， hydrogen energy storage， coal chemical， equipment investment plan，genetic algorithm

TK91

袁鐵江男，1975年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)和風(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合技術(shù)。

E-mail： xjuytj@163.com

李國(guó)軍男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電—?dú)鋬?chǔ)能與煤化工多能耦合技術(shù)。

E-mail： 1353106613@qq.com（通信作者）

新疆杰出青年自然科學(xué)基金（2014711005），國(guó)家自然科學(xué)基金（51577163）和國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體（51321005）資助項(xiàng)目。

2015-12-30改稿日期 2016-04-19