Optimal Dispatch of Electricity-Gas-Hydrogen Integrated Energy System Considering Auxiliary Service

CHEN Sheng; ZHANG Jingchun; HAN Haiteng; WEI Zhinong; SUN Guoqiang; ZHOU Yizhou

doi:10.7500/AEPS20221031009

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Optimal Dispatch of Electricity-Gas-Hydrogen Integrated Energy System Considering Auxiliary Service

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Optimal Dispatch of Electricity-Gas-Hydrogen Integrated Energy System Considering Auxiliary Service
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 11, Pages: 110-120(2023)
- 作者机构：
  
  河海大学能源与电气学院，江苏省南京市 211100
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52007051);Young Elite Scientist Sponsorship Program by CAST(2021QNRC001);Fundamental Research Funds for the Central Universities(B220202006)
- DOI：10.7500/AEPS20221031009
  CLC：
- Received：31 October 2022，
  
  Revised：2023-02-22，
  
  Published：10 June 2023
- 稿件说明：
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陈胜,张景淳,韩海腾等.计及辅助服务的电-气-氢综合能源系统优化调度[J].电力系统自动化,2023,47(11):110-120.

CHEN Sheng,ZHANG Jingchun,HAN Haiteng,et al.Optimal Dispatch of Electricity-Gas-Hydrogen Integrated Energy System Considering Auxiliary Service[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(11):110-120.
陈胜,张景淳,韩海腾等.计及辅助服务的电-气-氢综合能源系统优化调度[J].电力系统自动化,2023,47(11):110-120. DOI： 10.7500/AEPS20221031009.

CHEN Sheng,ZHANG Jingchun,HAN Haiteng,et al.Optimal Dispatch of Electricity-Gas-Hydrogen Integrated Energy System Considering Auxiliary Service[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(11):110-120. DOI： 10.7500/AEPS20221031009.

摘要

氢能是中国能源行业低碳化转型的重要支撑。电制氢技术可将电网难以消纳的新能源转换成绿氢注入天然气管道，实现绿氢的远距离传输与利用。文中提出一种计及绿氢注入的电-气综合能源系统优化调度模型，且计及电网辅助服务以支撑高比例新能源消纳。首先，建立了计及绿氢注入及管道管存的天然气系统准动态运行模型；然后，构建了计及调峰与灵活备用的辅助服务的综合能源系统灵活运行模型。最后，算例测试量化评估了电制氢及多能协同对于支撑新能源消纳及提高系统运行灵活性的价值，并且分析了新能源渗透率、管道掺氢比限制对于综合能源系统调度结果的影响机理。

Abstract

Hydrogen energy can provide important support for the low-carbon transformation of China’s energy industry. The power-to-hydrogen technology can convert the renewable energy that is difficult to be accommodated by the power grid into green hydrogen and inject it into the natural gas pipelines

which enables the long-distance transmission and utilization of green hydrogen. This paper proposes an optimal dispatch model of the electricity-gas integrated energy system with green hydrogen injection

in which the grid auxiliary services are taken into account to accommodate high proportion of renewable energy. First

the quasi-dynamic operation model of the natural-gas system that considers green hydrogen injections and pipeline line-pack is established. Then

a flexible operation model of the integrated energy system considering auxiliary services of peak regulation and flexible reserve is constructed. Finally

numerical examples quantify and evaluate the value of power-to-hydrogen and multi-energy coordination on accommodating renewable energy and improving system operation flexibility. The impact mechanism of penetration ratio of renewable energy and ratio limit of pipeline injected hydrogen on dispatch results of integrated energy system is analyzed.

关键词

Keywords

references

陈胜，卫志农，顾伟，等 . 碳中和目标下的能源系统转型与变革：多能流协同技术［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3 - 12 .

CHEN Sheng ， WEI Zhinong ， GU Wei ， et al . Carbon neutral oriented transition and revolution of energy systems： multi-energy flow coordination technology ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 9 ）： 3 - 12 .

丁剑，方晓松，宋云亭，等 . 碳中和背景下西部新能源传输的电氢综合能源网构想［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 24 ）： 1 - 9 .

DING Jian ， FANG Xiaosong ， SONG Yunting ， et al . Conception of electricity and hydrogen integrated energy network for renewable energy transmission in Western China under background of carbon neutralization ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 24 ）： 1 - 9 .

张鹏成，徐箭，孙元章，等 . 氢能驱动下钢铁园区能源系统低碳发展模式［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 13 ）： 10 - 20 .

ZHANG Pengcheng ， XU Jian ， SUN Yuanzhang ， et al . Low-carbon development mode for energy system of iron and steel park driven by hydrogen energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 13 ）： 10 - 20 .

王一家，董朝阳，徐岩，等 . 利用电转气技术实现可再生能源的大规模存储与传输［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 14 ）： 3586 - 3595 .

WANG Yijia ， DONG Zhaoyang ， XU Yan ， et al . Enabling large-scale energy storage and renewable energy grid connectivity： a power-to-gas approach ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 14 ）： 3586 - 3595 .

高晗，李正烁 . 考虑电转气响应特性与风电出力不确定性的电-气综合能源系统协调调度［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 9 ）： 24 - 30 .

GAO Han ， LI Zhengshuo . Coordinated scheduling of integrated electricity-gas energy system considering response characteristic of power-to-gas and wind power uncertainty ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 9 ）： 24 - 30 .

潘光胜，顾伟，张会岩，等 . 面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 23 ）： 1 - 10 .

PAN Guangsheng ， GU Wei ， ZHANG Huiyan ， et al . Electricity and hydrogen energy system towards accomodation of high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 23 ）： 1 - 10 .

陈沼宇，王丹，贾宏杰，等 . 考虑P2G多源储能型微网日前最优经济调度策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 11 ）： 3067 - 3077 .

CHEN Zhaoyu ， WANG Dan ， JIA Hongjie ， et al . Research on optimal day-ahead economic dispatching strategy for microgrid considering P2G and multi-source energy storage system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 11 ）： 3067 - 3077 .

刘继春，周春燕，高红均，等 . 考虑氢能-天然气混合储能的电-气综合能源微网日前经济调度优化［J］. 电网技术， 2018 ， 42 （ 1 ）： 170 - 179 .

LIU Jichun ， ZHOU Chunyan ， GAO Hongjun ， et al . A day-ahead economic dispatch optimization model of integrated electricity-natural gas system considering hydrogen-gas energy storage system in microgrid ［J］. Power System Technology ， 2018 ， 42 （ 1 ）： 170 - 179 .

杨馥源，田雪沁，徐彤，等 . 面向碳中和电力系统转型的电氢枢纽灵活性应用［J］. 电力建设， 2021 ， 42 （ 8 ）： 110 - 117 .

YANG Fuyuan ， TIAN Xueqin ， XU Tong ， et al . Flexibility of electro-hydrogen hub for power system transformation under the goal of carbon neutrality ［J］. Electric Power Construction ， 2021 ， 42 （ 8 ）： 110 - 117 .

李健强，余光正，汤波，等 . 考虑风光利用率和含氢能流的多能流综合能源系统规划［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 14 ）： 11 - 20 .

LI Jianqiang ， YU Guangzheng ， TANG Bo ， et al . Multi-energy flow integrated energy system planning considering wind and solar utilization and containing hydrogen energy flow ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 14 ）： 11 - 20 .

HAESELDONCKX D ， D’HAESELEER W . The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a changing market structure ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2007 ， 32 （ 10/11 ）： 1381 - 1386 .

STOLECKA K . Hazards of hydrogen transport in the existing natural gas pipeline network ［J］. Journal of Power Technologies ， 2018 ， 98 （ 4 ）： 329 .

李佳蓉，林今，邢学韬，等 . 主动配电网中基于统一运行模型的电制氢（P2H）模块组合选型与优化规划［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 12 ）： 4021 - 4033 .

LI Jiarong ， LIN Jin ， XING Xuetao ， et al . Technology portfolio selection and optimal planning of power-to-hydrogen（P2H） modules in active distribution network ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 12 ）： 4021 - 4033 .

赵雪莹，李根蒂，孙晓彤，等 . “双碳”目标下电解制氢关键技术及其应用进展［J］. 全球能源互联网， 2021 ， 4 （ 5 ）： 436 - 446 .

ZHAO Xueying ， LI Gendi ， SUN Xiaotong ， et al . Key technology and application progress of hydrogen production by electrolysis under peaking carbon dioxide emissions and carbon neutrality targets ［J］. Journal of Global Energy Interconnection ， 2021 ， 4 （ 5 ）： 436 - 446 .

刘玮，万燕鸣，熊亚林，等 . 碳中和目标下电解水制氢关键技术及价格平准化分析［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 11 ）： 2888 - 2896 .

LIU Wei ， WAN Yanming ， XIONG Yalin ， et al . Key technology of water electrolysis and levelized cost of hydrogen analysis under carbon neutral vision ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 11 ）： 2888 - 2896 .

杨修宇，孙健舒，刘玉娇，等 . 气网管存与电转气协调运行提升电-气互联系统灵活性的调度策略［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 1 ）： 236 - 247 .

YANG Xiuyu ， SUN Jianshu ， LIU Yujiao ， et al . Scheduling strategy of coordinated operation of gas network linepack and P2G for flexibility improvement of integrated electricity-gas system ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 1 ）： 236 - 247 .

GUANDALINI G ， COLBERTALDO P ， CAMPANARI S . Dynamic modeling of natural gas quality within transport pipelines in presence of hydrogen injections ［J］. Applied Energy ， 2017 ， 185 ： 1712 - 1723 .

OSIADACZ A J ， CHACZYKOWSKI M . Modeling and simulation of gas distribution networks in a multienergy system environment ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2020 ， 108 （ 9 ）： 1580 - 1595 .

SAEDI I ， MHANNA S ， MANCARELLA P . Integrated electricity and gas system modelling with hydrogen injections and gas composition tracking ［J］. Applied Energy ， 2021 ， 303 ： 117598 .

MATUTE G ， YUSTA J M ， BEYZA J ， et al . Multi-state techno-economic model for optimal dispatch of grid connected hydrogen electrolysis systems operating under dynamic conditions ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2021 ， 46 （ 2 ）： 1449 - 1460 .

魏繁荣，随权，林湘宁，等 . 考虑制氢设备效率特性的煤风氢能源网调度优化策略［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1428 - 1439 .

WEI Fanrong ， SUI Quan ， LIN Xiangning ， et al . Energy control scheduling optimization strategy for coal-wind-hydrogen energy grid under consideration of the efficiency features of hydrogen production equipment ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1428 - 1439 .

袁铁江，谭捷，万志 . 考虑下游氢负荷波动的新能源制氢系统协调控制策略［J/OL］. 电力系统自动化： 1 - 13 ［ 2022-12-28 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221227.1017.001.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221227.1017.001.html .

YUAN Tiejiang ， TAN Jie ， WAN Zhi . Coordinated control strategy of system for producing hydrogen from renewable energy considering downstream hydrogen load fluctuations ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ： 1 - 13 ［ 2022-12-28 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221227.1017.001.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20221227.1017.001.html .

李建林，李光辉，郭丽军，等 . “十四五”规划下氢能应用技术现状综述及前景展望［J］. 电气应用， 2021 ， 40 （ 6 ）： 10 - 16 .

LI Jianlin ， LI Guanghui ， GUO Lijun ， et al . Overview and prospect of hydrogen energy application technology under the 14th Five Year Plan ［J］. Electrotechnical Application ， 2021 ， 40 （ 6 ）： 10 - 16 .

ANTONELLA D C ， ISAM S ， SHARIQ R ， et al . Aggregated flexibility from multiple power-to-gas units in integrated electricity-gas-hydrogen distribution systems ［J］. Electric Power Systems Research ， 2022 ， 212 ： 108409 .

CORREA-POSADA C M ， SÁNCHEZ-MARTÍN P . Integrated power and natural gas model for energy adequacy in short-term operation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 6 ）： 3347 - 3355 .

BELDERBOS A ， VALKAERT T ， BRUNINX K ， et al . Facilitating renewables and power-to-gas via integrated electrical power-gas system scheduling ［J］. Applied Energy ， 2020 ， 275 ： 115082 .

GE P D ， HU Q R ， WU Q W ， et al . Increasing operational flexibility of integrated energy systems by introducing power to hydrogen ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2020 ， 14 （ 3 ）： 372 - 380 .

CHEN S ， CONEJO A J ， SIOSHANSI R ， et al . Unit commitment with an enhanced natural gas-flow model ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 5 ）： 3729 - 3738 .

卫志农，张思德，孙国强，等 . 计及电转气的电-气互联综合能源系统削峰填谷研究［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 16 ）： 4601 - 4609 .

WEI Zhinong ， ZHANG Side ， SUN Guoqiang ， et al . Power-to-gas considered peak load shifting research for integrated electricity and natural-gas energy systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 16 ）： 4601 - 4609 .

MHANNA S ， SAEDI I ， LIU G ， et al . Towards optimal integrated planning of electricity and hydrogen infrastructure for large-scale renewable energy transport ［J］. arXiv Preprint ， 2022 ， 2207 ： 03567 .

FANG X ， HU Q ， BO R ， et al . Redesigning capacity market to include flexibility via ramp constraints in high-renewable penetrated system ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2021 ， 128 ： 106677 .

CHEN S ， CONEJO A J ， SIOSHANSI R ， et al . Operational equilibria of electric and natural gas systems with limited information interchange ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 662 - 671 .

刘晓军，聂凡杰，杨冬锋，等 . 碳捕集电厂-电转气联合运行模式下考虑绿证-碳交易机制的综合能源系统低碳经济调度［J/OL］. 电网技术： 1 - 18 ［ 2023-01-03 ］. http：//10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1507 http://10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1507 .

LIU Xiaojun ， NIE Fanjie ， YANG Dongfeng ， et al . Low carbon economic dispatch of integrated energy systems considering green certificates-carbon trading mechanism under CCPP-P2G joint operation mode ［J/OL］. Power System Technology ： 1 - 18 ［ 2023-01-03 ］. http：// 10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1507 http://10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1507 .

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