在2025年，隨著全球對清潔能源需求的不斷增長，制氫行業迎來了新的發展機遇。氫能作為一種高效、清潔的能源載體，其重要性日益凸顯。特別是在「雙碳」戰略背景下，低碳、零碳制氫技術的發展成為實現綠色氫能經濟的關鍵。本文通過對光熱-生物質聯合制氫廠(STBIHPP)的雙層優化運行模型的研究，探討了在市場環境下如何提高制氫廠的運行效率和經濟效益，同時促進可再生能源的綜合利用。

  一、制氫廠運行框架的構建

  《2025-2030年中國制氫行業市場分析及發展前景預測報告》為提高光熱發電(CSP)系統的發電能力和促進生物質能及氫能等可再生能源的發展，提出了光熱-生物質聯合制氫廠(STBIHPP)的運行框架。該框架結合了槽式CSP系統和生物質氣化發電制氫技術，通過能源互補特性，實現了高效的制氫和發電過程。STBIHPP的主要組成部分包括氣化爐、PSA裝置、儲氫罐、燃氣輪機(GT)、換熱器、生物質輔助制氫電解槽和光熱發電系統。其中，光熱發電系統採用槽式熔鹽技術，能夠有效利用太陽能轉化為熱能進行發電，同時GT產生的餘熱可提高光熱發電系統的發電能力，並為電解槽提供熱能消耗。

  二、制氫廠的雙層優化運行模型

  制氫行業環境分析提到在市場環境下，STBIHPP的運行策略需要綜合考慮電力市場和氫能市場的特點。為此，構建了一個雙層優化運行模型，上層目標是最大化STBIHPP的利潤，下層目標是最大化社會福利。通過Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件，將雙層模型轉化為單層模型，並進一步使用分段McCormick近似等方法將其轉化為混合整數二階錐規劃(MISOCP)模型，以便於求解。

  (一)上層模型：STBIHPP競價模型

  上層模型的目標是最大化STBIHPP的利潤，其目標函數考慮了電力和氫能的銷售收入以及運行成本。運行成本包括生物質收購成本、發電補貼成本、熱鹽罐和儲氫罐的充放能成本、電解槽和PSA裝置的運行成本等。通過優化電力和氫能的輸出，STBIHPP能夠在兩個市場中獲得最大化的利潤。

  (二)下層模型：市場出清模型

  下層模型包括電力市場和氫能市場的出清模型。電力市場出清模型採用直流潮流模型，考慮了發電機的出力約束、線路傳輸容量約束和爬坡約束。氫能市場出清模型則基於Weymouth方程，描述了氫氣流量與節點氣壓的關係，並考慮了氫能供應商的出力約束、管道流量約束和節點氣壓約束。

  三、制氫廠的運行策略分析

  通過仿真分析，驗證了所提模型的有效性。在不同市場環境下，STBIHPP的運行策略表現出顯著的適應性和靈活性。例如，在電力市場中，STBIHPP能夠根據電價和負荷變化調整發電量;在氫能市場中，STBIHPP能夠根據氫價和氫負荷變化調整制氫量。此外，生物質輔助制氫技術的應用有效降低了電解槽的能耗，提高了制氫效率。通過合理利用餘熱，STBIHPP在冬季的收益提高了約27%，在夏季的收益提高了約7.3%。

  四、制氫廠的適用性分析

  為了進一步驗證模型的適用性，採用改進的IEEE-118節點電網和14節點氫網進行大規模系統測試。結果表明，STBIHPP在大規模系統中同樣能夠實現高效的運行和顯著的經濟效益。這表明所提出的雙層優化運行模型具有良好的擴展性和適應性，能夠為不同規模的制氫廠提供有效的運行策略。

  五、總結

  本文通過對光熱-生物質聯合制氫廠(STBIHPP)的雙層優化運行模型的研究，提出了一種在市場環境下提高制氫廠運行效率和經濟效益的新方法。通過構建運行框架和雙層優化模型，STBIHPP能夠有效利用可再生能源進行制氫和發電，並在電力市場和氫能市場中實現靈活的運行策略。仿真結果表明，該模型能夠顯著提高STBIHPP的能源利用率和經濟效益，特別是在餘熱利用方面表現出色。未來，隨著技術的進一步發展和市場的逐步成熟，STBIHPP有望在制氫行業中發揮更重要的作用，為實現綠色氫能經濟做出更大貢獻。