重庆大学电力和能源可靠性研究中心低碳电力能源系统课题组提出了电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统调度方法。根据送、受端区域的能源供需特点、电/氢子系统运行特性以及甲醇的输运特性，设计电-氢耦合系统跨区协同运行机制和调度框架；提出电能-甲醇联合输运下的送、受端供需平衡模型；建立电能-甲醇跨区协同输运下的电氢耦合系统双层优化调度模型；通过算例仿真验证了本文方法的有效性。

研究背景

1、电-氢耦合系统被认为是促进新能源消纳、实现能源结构绿色低碳转型发展的关键路径；

2、我国新能源发电/制氢资源主要分布在三北地区，氢气和电能需求主要分布在中东部地区，呈现典型的供需逆向分布特征。随着京津冀、华东、华南及华中氢能产业群的飞速发展，电、氢供需的时空逆向分布特征将进一步凸显，严重制约了新能源的规模化消纳以及绿氢产业发展。

论文所解决的问题及意义

针对我国电氢供需时空分布不均导致新能源利用率低、系统运行成本过高等问题，提出一种电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统调度方法。通过电能、甲醇双能源渠道，实现新能源的跨区转移和规模化消纳，促进跨区电-氢耦合系统的经济高效运行。

论文方法及创新点

1、根据送、受端区域的能源供需特点、电/氢子系统运行特性以及甲醇的输运特性，设计电-氢耦合系统跨区协同运行机制和调度框架。

图1 考虑电能-甲醇协同互济的电-氢耦合系统运行机制示意图

本文基于送端区域的多能供给机制及灵活用能机制，利用输电联络线和甲醇交通运输渠道实现能量的跨区域、跨时间转移，有效地促进新能源规模化消纳。依托电、氢、甲醇异质能量间的转换通道，灵活满足电、氢、化工原料等能源需求，最大限度地保障送、受端系统多时间尺度下的能量平衡，从而实现多能协同互济下的电-氢耦合系统跨区协同运行，有望大幅提高多区域互联系统的经济、低碳、安全运行水平。

图2 跨区电-氢耦合系统双层调度框架

跨区电-氢耦合系统呈现复杂的多时空耦合特征，如何在多时间尺度下的运行优化中充分考虑送、受端区域内异质能源供需平衡需求以及区域间能源传输渠道的差异化运行特性，是实现送、受端区域电-氢耦合系统协同互补运行的关键。

在多时间尺度的运行优化中，电能子系统需要满足实时供需平衡，通常需要制定小时级的运行方案；而氢能子系统和甲醇子系统具有很强的储运能力，并不需要满足实时的供需平衡，另外，区域间的远距离交通运输耗时较长，通常以天为单位进行优化。

2、建立电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统双层优化调度模型

在上层优化中，考虑送、受端区域中电、氢等异质能量的日平衡需求，以日为时间尺度建立送、受端区域的异质能量平衡模型，确定区域间的甲醇运输计划、送/受端区域内的火电机组启停计划等。

下层优化以上层优化结果为边界，考虑送、受端系统中电力、氢气等异质能量的小时级平衡需求，建立以小时为单位的优化运行模型，确定最优调度策略。

为分析不同能源输运方式对跨区电-氢耦合系统运行调度的影响，本文设置以下四个方案进行仿真分析：

（1）新能源消纳水平分析

图3 第33周送端电力供需平衡

新能源出力最大周时Case1、Case2、Case4的可再生能源消纳情况如图4所示。可知，在新能源出力较大时，Case1 只能利用容量有限的电解槽消纳送端富余的新能源，因此，导致大量弃风光。Case2 利用区域联络线将送端富余的新能源输送至受端区域，有效提高了新能源消纳水平，但受联络线输送容量限制，仍会出现弃风光。

相比之下，在新能源大发阶段，除了利用联络线输出功率， Case4还可利用电解槽制氢和甲醇合成反应，将富余的新能源转换为甲醇，通过交通系统输送至受端区域，“变废为宝”，新能源弃能量显著减少。

（2）氢供应成本分析

图4 case3与case4中的受端区域氢供应成本

在跨区电-氢耦合系统中，与单一能源传输渠道和现有电能-氢长管拖车相比，电能-甲醇 双渠道跨区协同输运方法灵活性更高、储运更经济，在促进新能源消纳和提高系统运行经济性方面具有显著优势，有望在我国现有氢能技术经济水平下实现新能源跨区规模化经济消纳，促进区域供需均衡。

结论

本文提出的电-氢耦合系统运行机制与运行优化方法，能够充分利用送、受端区域电、氢、甲醇易相互转换等特点，通过电能、甲醇双能源渠道，在我国现有技术经济水平下实现新能源的跨区转移和规模化消纳，促进跨区电-氢耦合系统的经济高效运行。

团队介绍

重庆大学电力和能源可靠性研究中心低碳电力能源系统课题组长期致力于新型电力系统概率运行与规划、电氢综合能源系统、人工智能等方向的研究和工程实践工作，成功研发主配变负载智能监控与预警系统、新型电力系统供需平衡分析与边界智能调整系统，研究成果应用于近20个地市电力系统，经济效益显著。

任洲洋，副教授，博士生导师，研究方向为新型电力系统概率运行与规划、电氢综合能源系统、人工智能。承担国家级、省部级及企业横向项目30余项，发表SCI/EI论文80余篇，申请/授权国家发明专利60余项。先后担任IEEE Trans. on Smart Grid、IEEE Trans. on Sustainable Energy等6本国际知名期刊副编辑，获省部级奖励3项，入选省级人才计划，获IEEE Trans. on Sustainable Energy Outstanding Associate Editor of 2022等荣誉。

孙志媛，教授级高工，长期从事电力系统仿真建模、分析计算工作，现任IEEE可再生能源电力系统调度技术分委员会副秘书长、中国电机工程学会电力系统建模与仿真学术工作组委员、南方电网公司运行与控制技术标准工作组成员、南方电网交直流串并联复杂大电网规划与运行科研团队成员。主持和参与科技部政府间国际科技创新合作项目、自治区科技计划项目等省部级及以上重点项目7项，荣获省部级科技奖励11项，地市级科技奖励15项，发表论文10余篇，授权专利20余件。

程欢，硕士研究生，研究方向为新能源发电系统、氢能系统运行等。

本工作成果发表在2024年第3期《电工技术学报》，论文标题为“电能-甲醇跨区协同输运下的电-氢耦合系统调度”。本课题得到国家自然科学基金的支持。