基于可逆固体氧化物电池的气电双向耦合统一调度优化

黄正源、高慈伟、陈涛、左娟、吴欣红

（东南大学电气工程学院；国网上海能源互联网研究院有限公司；国网浙江综合能源服务有限公司）

DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee。

背景

随着电、气、热等多种异构能源协同利用研究的逐渐深入，能源传输成本及损耗、可再生能源的随机性、间歇性等问题凸显。许多研究工作基于能源互联网理念，对异构能源的耦合建模、协调运行、协同优化、交易清算等进行研究，但如果没有网络能源的双向耦合，能源互联网的应用场景和性能效果就会受到限制。

可逆固体氧化物燃料电池（rSOC）技术可实现高效的双向能量转换，rSOC电站可根据负载能量需求实现电解气生产与燃料电池发电的可逆切换，为实现单一场景下异构能源的双向转换提供了可能。将rSOC作为能量转换设备引入综合能源系统，可以降低生产成本，进一步提高能源互联网的运行效率，一般以双边网能源供应商和能源用户的身份参与能源市场，但rSOC究竟应该作为市场主体参与能源互联网，还是作为能源传输网络的组成部分参与能源互联网，目前尚无统一意见，基于能源互联互通的需求，rSOC设备的定位值得进一步探讨。

论文解决的问题及其意义

本文在对rSOC物理外特性建模的基础上，提出了rSOC电池堆物理等效模型，将rSOC能量转换技术与能源互联网结构相结合，提出了rSOC作为双向能源传输管道的非市场主体应用模型，分析了电力-天然气耦合网络的运行、市场交易与价格形成机制，基于rSOC设备双向互通特性，完成真正意义上的广义能源交易，实现异构能源从物理到经济层面的融合，从理论上证明了能源互联网中rSOC电站作为气电耦合网络中能源传输管道的应用，具有打破能源类型间壁垒、跨类型传递价格信号的功效。

论文要点

1. rSOC等效物理模型

rSOC是利用燃料电池原理发电的能量转换装置，由于其具有可逆的化学性质，具有双向可操作性，故称为可逆固体氧化物电池。本文考虑氧化物电池的质量平衡和能量平衡，利用法拉第定律将反应物的流速与电化学反应的电流密度联系起来，得到SOFC的数学模型。根据800℃下支撑rSOC的阳极运行实验和1023K下SOEC电堆的运行曲线可知，功率密度

rSOC与氢气流量密度fH2的关系接近于二次函数，基于拟合的数学关系，构建了rSOC物理等效模型的能量换算方程。

rSOC由无损燃气轮机和内置可变电阻串联构成，认为电网到天然气网的能量流为正方向，等效模型结构可表示为图2，等效模型中无损燃气轮机为天然气转化为电能，表示标准状态下输入输出燃气流燃烧产生的能量与电能之间的转化，模型中的串联电阻r由拟合曲线参数确定，根据能量流方向、化学反应中热能变化等变化，电阻产生的有效热量

，用rSOC电池中的化学电流I表示。rSOC最终输入输出电功率可以用模型内部电功率与化学反应热能变化量之和来表示。总能量转换方程如下：

图1 可逆固体氧化物电池工作原理

图2 rSOC物理等效模型示意图

2. rSOC在综合能源系统中的管道应用

现有的多能源市场模型中，异质能源转换设备被视为参与市场竞价的市场主体，如燃气发电机组、电转气设备等。当rSOC电站作为市场主体参与竞价时，则在两个体系中扮演着两个角色，利用供应能源的收益与消耗原材料成本的差额来获取利润。如果仅将rSOC视为容量提供者的市场主体，天然气和电力网络仍然会分为两个市场，不符合异质能源形成统一网络的原则。将rSOC作为能源转换管道的概念更符合能源互联网的需求，rSOC将电力和天然气相互转换并传输，这可以类比为电力变压器对不同电压等级的电能进行转换和传输的功能。在综合能源市场中，电力和天然气是能源产业的核心，天然气可以看作是两个等级的能源，通过rSOC进行双向转换传输。本质上，它们都作为能源进行交易，不区分类型。

rSOC电站作为电气耦合网络中的能源输送管道，不参与市场竞价，按照最优潮流分配运行，能源转换损耗计入网络损耗，分摊给节点用户，联合市场统一出清，LMP以每kW·h能源的边际价格为目标，理论上可以提高社会总福利。

3. 综合能源系统优化运行与rSOC管道应用

基于rSOC等效物理模型和rSOC管道应用出清模型，模拟电-气综合网络24小时市场出清，验证rSOC作为综合能源网络中能量耦合装置对降低综合供能成本的作用。以系统综合供能成本最低为优化目标，编制综合能源网络市场出清模型，利用.8求解经济调度结果，得到各节点的调度计划、系统流量和LMP。从rSOC市场定位对系统效率的影响、rSOC的双向价格信号传递功能3个方面分析rSOC管道应用对综合能源系统的影响。

1）计算rSOC双向耦合、电转气甲烷化单向互联、燃气轮机单向互联三种应用场景下气电耦合网络总能源成本，rSOC设备双向互联模式rSOC设备以两网实时能源价格为依据，选择合适的运行模式与单纯的电转气或燃气发电模式相比，分别可节省11.8%和17.7%的能源成本，在相同成本条件下，双向耦合网络系统效率更高。

2）rSOC电站作为双向能源传输管道时，社会总福利为RMB，比作为市场主体时高8.83%（RMB），对应传输电能为78.66MW·h，也高于作为市场主体参与交易时。作为能源传输管道，rSOC会在容量约束内无条件地传输线路两端的全部能源，实现社会福利最大化。

3）仿真计算表明，rSOC一般在天然气价格较低时运行于SOFC模式，在电价较低时运行于SOEC模式。rSOC电站的双向运行特性为气电网提供了双向的价格传导功能。运行模式的实时调整证明了rSOC的应用有利于寻找最优的生产容量方法，降低系统总生产成本，提高价格反映的准确性。

综上所述

本文首先基于实验曲线拟合构建了rSOC双向物理等效模型及外特性数学表达式，证明了rSOC作为能源双向转换设备能够打破能源种类壁垒，实现异构能源网络双向互联，并建立了气电联合市场双向耦合统一运营模型及统一清算模型。与现有气电市场相比，该模型基于rSOC设备双向互通特性完成了真正意义上的广义能源交易，实现了异构能源从物理到经济层面的融合。接下来，本文阐述了rSOC设备作为能源传输管道参与气电耦合系统，可以降低综合生产成本，提高系统效率，有助于增强气电耦合网络的灵活性。最后证明了在气电市场联合调度中，rSOC发挥了跨能源种类双向价格传导的作用，为节点寻找最低能源价格，降低总综合能源生产成本，提高系统效率。

引文信息

黄正元, 高慈伟, 陈涛, 等. 基于可逆固体氧化物电池的气电双向耦合统一调度优化[J]. 中国电机工程学报, 2024, 44(5): 1860-1871.

黄,高慈伟,陈涛,等.气基固体氧化物电池[J].中国电机工程学报,2024,44(5):1860-1871.

关于作者

黄正元（1998），女，硕士生，主要从事综合能源管理与需求响应、能源互联网与电力市场研究，E-mail：。

高慈伟（1977—），男，教授，博士生导师，主要从事电力需求侧管理与需求响应、电力市场与电力监管、能源互联网、电力规划等方面的研究。E-mail：