清华大学熊宇峰、司杨 等：基于主从博弈的工业园区综合能源系统氢储能优化配置

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团队介绍

熊宇峰

硕士研究生，主要研究方向为新能源发电及氢储能技术。

司杨

博士研究生，研究方向为新能源综合利用。

郑天文

副研究员/高级工程师，博士，研究方向为压缩空气储能及智慧能源网、储能、新能源运行调控等。

陈来军

硕士生导师，清华大学电机系副教授，博士，主要研究方向为新能源发电和微电网、储能技术。

梅生伟

教授、博士生导师，长江学者、杰青、IEEE Fellow、IET Fellow，基金委创新群体学术带头人。主要从事电力系统鲁棒控制、大电网灾变防治和可再生能源综合利用等研究。

清华大学电机系“现代电力能源系统安全控制与高效利用”团队，卢强院士、梅生伟教授为学术带头人，目前共有教授3人，研究员1人，副教授/副研究员5人，助理研究员1人，博士后3人，研究生40余人。

团队建立了电力系统非线性控制理论，提出了适用于复杂电力系统的安全分析和灾变防治技术；开创了电力系统工程博弈新理论和新方法，提出了聚纳高比例新能源的控制调度新技术；发明了非补燃压缩空气储能技术和装置，为能源互联网系统提供了清洁储能和高效能量转换技术支撑；研发了完全自主知识产权的全电磁暂态和多能耦合多时间尺度云仿真平台CloudPss。

团队近5年发表和录用SCI论文100余篇，曾获国家自然科学二等奖2项，国家科技进步二等奖1项，省部级奖励16项。

本文针对中小规模工业园区综合能源系统，通过运营商优化配置氢储能系统促进系统的多能平衡，丰富运营商盈利模式。采用了主从博弈方法对现有商业模式下氢储能的应用和综合能源系统的运营展开研究。

研究背景

综合能源系统(integrate energy system, IES)是综合多种能源形式的产供销一体化系统，对于提升能源利用效率，促进可持续发展具有重要意义。然而在一类中小规模工业园区的综合能源系统中，存在外部供能网络薄弱和用热负荷高等现状，网侧运营商常常不具备对产能、负荷、储能的直接调控能力，仅仅通过制定能源价格引导源、荷、储侧参与市场交易，客观上运营商存在能量失衡、收益空间小的风险。上述问题对于综合能源系统源网分离商业模式的推广带来一定的制约。

为改善系统能量平衡和运营商的收益，本文提出了一种工业园区综合能源系统运营商配置氢储能系统的方式，以提升工业园区的能源调节能力、扩展其收益渠道。分析结果表明，氢储能系统改善了运营商的能源调节能力，并在供能之外为运营商带来售氢收益。

主要方法原理及创新点

针对多种可再生能源互补与氢能的制/储/运技术的协调发展问题，本文将多种可再生能源与氢能作为一个整体，分别从制/储/运三个方面进行分析，并详细阐述了制氢技术中的发展历史、研究水平和发展趋势，储氢运氢方式的发展趋势以及氢能应用未来的发展方向等，为基于多种可再生能源互补的氢能发展领域的研究提供了借鉴和参考。

论文方法及创新点

本文紧扣综合能源系统中、源网分离模式下网侧运营商配置氢储能系统以改善能量平衡和自身收益这一问题，其中，氢储能系统由电解槽、储氢罐、燃料电池组成，兼产能、储能、用能于一体，并涉及气、电、热多种能量形式，具有较强的能量调控能力。

基于氢储能多能联储联供模型，提出了系统的基本架构（如图1），涉及源、网、荷、储四方主体，并构建了各方的博弈模型。

图1 含氢储能的IES架构

参考现有的价格-能量博弈模式，构建了含氢储能的综合能源系统的三阶段主从博弈框架（如图2）。

1. 第一阶段：网侧运营商决策中长期能量价格；

2. 第二阶段：源、荷、储侧依据能量价格决策能量交互量；

3. 第三阶段：网侧运营商依据各方能量交互量决微氢储能配置容量以改善能量平衡。

图2 考虑氢储能配置的IES博弈流程

根据主从博弈的阶段性特点，提出了基于遗传算法和混合整数优化的三层主从博弈求解方法。

• 上层：采用遗传算法模拟系统运营商决策能源价格；

• 中层：采用混合整数二次优化求解源、荷、储侧决策的能量交互量；

• 下层：采用混合整数线性优化求解系统运营商决策的氢储能配置容量。

学术观点和结论

以济南某地的工业园区综合能源系统为例，配置了氢储能后，依据综合能源系统各主体决策变化，得到以下结论：

1.系统能量平衡方面：能量失衡状况大幅改善，失弃负荷总量下降20%，且总量意义的供能不平衡转化为时间意义的不平衡，激励储能商扩大储能容量进一步改善能量平衡。

2.网侧系统运营商方面：运营商对能量失衡的顾虑减少，价格决策空间更加灵活。购能费用和售能收益无明显变化，能量失衡减少和可观的售氢收益使得总收益明显改善，上升约1/3。

3.系统其他主体方面：负荷聚合商倾向于分摊负荷响应以提升用能舒适度；能源生产商倾向于提升清洁能源出力比例；储能运营商的行为未有明显变化，可与氢储能形成良性互补。

工程价值及意义

在技术层面，通过充分发挥氢储能多能综合利用、产能储能用能一体化的优点，将其引入工业园区综合供能系统，在源网荷储分离的模式下，提出了一种网侧运营商引入如氢储能弥补期能量调节能力不足的技术思路。对于综合能源系统的规划与运行有一定借鉴意义。

在商业层面，本文提出了一种有前景的商业模式，基于氢储能的多能综合利用模型，构建了氢储能系统参与综合能源系统运行的模式，对于氢储能这一新技术的规模化应用有较大意义。

局限性与进一步研究方向

本文针对特定的综合能源系统（中小规模工业园区）开展氢储能配置的研究。除综合能源系统外，氢储能系统的其他规模化应用的场景，还需要进一步探索和分析。

引用本文

熊宇峰, 司杨, 郑天文, 陈来军, 梅生伟. 基于主从博弈的工业园区综合能源系统氢储能优化配置[J]. 电工技术学报, 2021, 36(3): 507-516. Xiong Yufeng, Si Yang, Zheng Tianwen, Chen Laijun, Mei Shengwei. Optimal Configuration of Hydrogen Storage in Industrial Park Integrated Energy System Based on Stackelberg Game. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 507-516.

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