電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法是電氫區域綜合能源系統規劃理論的關鍵組成部分，具有重要的理論研究價值和工程應用前景。現有可靠性評估方法未充分考慮氫能裝置故障機理及其多狀态運作特性、缺乏供氫可靠性水準量化評估名額。重慶大學電力和能源可靠性研究中心研究人員剖析了氫能裝置運作特性與故障機理，建立了氫能裝置多狀态可靠性評估模型，提出了基于氫能裝置多狀态模型的電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法，實作了對電氫異質能源供給可靠性水準的準确量化。
研究背景
“雙碳”戰略目标下，大陸能源系統清潔低碳轉型迫在眉睫。電氫區域綜合能源系統能夠充分發揮氫能系統零碳、靈活、高效運作等優勢，被認為是實作電力能源系統綠色低碳轉型的關鍵路徑之一。電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法可為系統規劃與運作等提供科學的理論支撐與決策依據，指導氫能有序、健康發展。
論文所解決的問題及意義
氫能系統包含制氫、儲氫、用氫、加氫等環節，涉及電解槽、儲氫罐、燃料電池、加氫機等關鍵裝置，且氫能裝置故障機理複雜，而現有可靠性模型沒有深入挖掘其多狀态運作特征，難以準确評估系統的供能可靠性水準。
此外，電、氫、熱等異質能源系統之間存在強耦合關系，目前尚缺乏有效的電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法及供氫可靠性評估名額，無法量化氫負荷供給可靠性水準，難以确定影響供氫可靠性的關鍵因素。是以，如何建構氫能裝置可靠性模型，準确量化氫能等異質能源的供給可靠性成為電氫綜合能源系統可靠性評估方法亟待解決的關鍵難題。
論文方法及創新點
氫能裝置的故障狀态将直接影響系統的運作狀态。是以，首先在氫能裝置層面，根據氫能裝置運作特性與故障機理，建立氫能裝置多狀态可靠性評估模型。
氫能裝置模組化包括：1）揭示換熱器管程故障對制氫效率的影響機理，建立考慮降額運作狀态的堿性電解槽多狀态模型；2）分析燃料電池元件故障與熱電轉化效率關系，建立考慮熱電聯産模式的燃料電池多狀态模型；3）基于加氫機組故障和加氫機台數，建立加氫機組的多狀态模型。
圖1 堿性電解槽結構示意圖及其多狀态Markov模型
圖2 質子交換膜燃料電池結構示意圖及其多狀态Markov模型
圖3 加氫機組化簡前後的多狀态Markov模型+
在評估系統可靠性層面，基于氫能裝置的可靠性評估模型，以棄風棄光懲罰成本和氫能等異質能源負荷削減懲罰成本之和最小為目标，綜合考慮異質能量流限制和氫能裝置運作限制等，建立了系統的最優負荷削減模型，以模拟裝置故障狀态下系統運作狀态及氫能等負荷的缺供量，并基于馬爾科夫鍊蒙特卡洛法，建立了電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法。
圖4 電氫區域綜合能源系統結構示意圖
仿真結果表明，本文所提堿性電解槽和加氫機組的多狀态模型能夠充分考慮其降額運作狀态造成的氫負荷削減，避免過高地估計供氫可靠性水準；所提燃料電池多狀态模型能夠充分考慮燃料電池熱電聯産模式對供熱可靠性的貢獻，避免過低地估計供熱可靠性水準。
表1 不同方法下電氫區域綜合能源系統可靠性評估名額
此外，通過計算得到典型算例中各類裝置的供氫貢獻度名額，從中可以看出：電力線路和風光機組對系統供氫貢獻度之和達到了32.61%，這是因為電力裝置的随機故障會導緻電解槽缺乏電能制氫，進而導緻氫負荷的供應不足。
而電解槽對系統供氫貢獻度名額高達53.72%，這是因為電解槽作為系統中唯一的制氫裝置，其降額運作狀态和故障停運狀态均會造成較大的氫能供應缺額。由此說明電力裝置和電解槽是影響供氫可靠性的關鍵因素。
圖5 裝置供氫貢獻度名額
結論
本文建立了堿性電解槽、熱電聯産燃料電池和加氫機組的多狀态模型，提出了供氫可靠性評估名額及電氫區域綜合能源系統可靠性評估方法，并通過算例仿真驗證了本文模型及方法的有效性和适應性。
作者介紹
任洲洋
副教授，博士生導師，研究方向為電氫綜合能源系統、電力系統機率分析與人工智能。承擔國家級、省部級及橫向項目30餘項，發表SCI/EI論文80餘篇，申請/授權國家發明專利50餘項。先後擔任IEEE Trans. on Smart Grid、IEEE Trans. on Sustainable Energy等6本國際知名期刊副編輯，獲省部級獎勵3項，入選重慶英才-青年拔尖人才計劃，獲IEEE Trans. on Sustainable Energy Outstanding Associate Editor of 2022等榮譽。
王皓
碩士研究所學生，研究方向為配電網運作與規劃、電氫區域綜合能源系統可靠性評估。
姜雲鵬
博士研究所學生，研究方向為配電網新能源消納、區域綜合能源系統等。
李文沅
中國工程院外籍院士、加拿大工程院院士、IEEE Life Fellow。研究方向為電力系統可靠性與規劃、電力系統大資料。發表論文300餘篇，完成技術報告100餘個，出版中英文專著6本。先後榮獲IEEE PES Roy Billinton 電力可靠性獎、國際PMAPS成就獎、加拿大IEEE傑出工程師獎、加拿大IEEE電力勳章獎等。
本工作成果發表在2023年第24期《電工技術學報》，論文标題為“基于氫能裝置多狀态模型的電氫區域綜合能源系統可靠性評估”。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支援。