計及電轉氣技術的一種區(qū)域綜合能源優(yōu)化方法

王 濤，黃 著，鄭佳麗，朱 杰

（1.西華大學電氣與電子信息學院，四川 成都 610039；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)玉環(huán)市供電公司，浙江 臺州 317600）

全球化石能源危機與氣候環(huán)境危機正在推動著全球能源產業(yè)結構的調整與轉型，因此可持續(xù)能源的開發(fā)利用是未來能源產業(yè)改革與發(fā)展的重要方向。在此背景下，風電發(fā)展尤為迅猛，2018 年我國新增風電裝機容量為20.59 GW，累積并網(wǎng)裝機容量為184 GW，年發(fā)電量為366 TWh[1]。但是風電的隨機性、波動性與間歇性導致大量風電難以被及時消納，從而出現(xiàn)嚴重的“棄風”現(xiàn)象，僅2018 年我國棄風電量就高達27.7 TWh[1]。此外，大規(guī)模風電接入也為大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大挑戰(zhàn)[2]。

為解決上述問題，需要綜合協(xié)調控制發(fā)電側、電網(wǎng)側與負荷側，以促進風電消納[3]。文獻[4－6]將儲能系統(tǒng)與風電廠聯(lián)合運行，以提高風電的消納能力，但是儲能系統(tǒng)經濟成本高且容量低，難以實現(xiàn)大規(guī)模推廣。這嚴重制約著大規(guī)模風電消納，急需探索新的能源消納與利用方式。能源互聯(lián)網(wǎng)（energy internet，EI）的提出可有效解決大規(guī)?？稍偕茉吹南{問題，可有效促進能源最優(yōu)利用[7]，但不同類型能源之間存在一定的隔離性。為解決上述問題，需將具有相似運行模式與網(wǎng)絡拓撲結構的能源系統(tǒng)進行互聯(lián)，例如電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)。電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)已成為能源互聯(lián)網(wǎng)的主要過渡形式之一[8]。

為了促進電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，工業(yè)界提出了一種極具靈活性的技術——電轉氣技術(power to gas,P2G)，即將電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)高度耦合[9]，實現(xiàn)能量動態(tài)分布、轉換與共享，最終達到提高新能源利用率的目的。開展含電轉氣技術綜合能源系統(tǒng)的研究，可有效促進電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡的安全協(xié)作運行，也有助于可再生能源消納，有效緩解“棄風”現(xiàn)象，進而提高能源利用的經濟效益。

文獻[10]說明了電轉氣技術的原理及其可發(fā)展性。文獻[11]探討了電轉氣技術在未來能源系統(tǒng)中的應用，將電轉氣看作容量較大且轉換效率較低的儲能系統(tǒng)。上述文獻并未將電轉氣技術作為綜合能源系統(tǒng)的一部分來綜合分析系統(tǒng)中各類能源的能量流動。文獻[12]闡述了電轉氣技術的原理以及評估其在經濟性方面的能力，但沒有分析電轉氣技術對風電消納的影響。文獻[13]闡述了電轉氣技術能夠實現(xiàn)對可再生能源進行大規(guī)模轉化和傳輸，但是沒有分析電轉氣技術的加入對各能源系統(tǒng)的影響。

本文在上述文獻的基礎上，將電轉氣技術運用在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，以解決富余風電的消納問題，分析了電轉氣技術的加入對各能源系統(tǒng)的影響與各能源系統(tǒng)能量轉移的情況，評估了其在經濟性方面的能力。文章首先介紹了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型，闡述了電轉氣技術的實現(xiàn)過程，然后以經濟性最優(yōu)建立區(qū)域綜合能源優(yōu)化調度模型，最后通過仿真案例分析電轉氣技術存在的價值，目標區(qū)域的經濟效益達到最優(yōu)的運行條件。

1 含P2G 的區(qū)域綜合能源

目標區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包含的主要單元有電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、風廠、P2G 廠與區(qū)域負荷。

1.1 目標區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型中各個單元相互聯(lián)系實現(xiàn)各個單元之間的能量運輸，能量流向如圖1 所示。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型

風廠產生的電能通過電網(wǎng)統(tǒng)一調度給區(qū)域電負荷，還通過P2G 廠將電能轉化為氣能供應給區(qū)域氣負荷。天然氣網(wǎng)的參與，調節(jié)了P2G 廠與區(qū)域氣負荷之間的供需差異。本文基于上述能量流向，建立目標函數(shù)和能量約束，采用優(yōu)化算法確定各個單元之間傳遞能量的具體流量，使各單元能量在約束范圍內達到最優(yōu)值，進而獲得區(qū)域經濟最優(yōu)效益。

1.2 風力發(fā)電模型

風電機組每個時段的出力與各時段的平均風速及風機輸出特性有關。風電機組任意時刻下最大輸出功率與風速的關系為

1.3 電轉氣模型

電轉氣包括電轉氫氣與電轉天然氣2 種技術，本文探討的電轉氣指將電能轉化為天然氣，即將電能用于水的電解，產生氫氣和氧氣后，在高溫環(huán)境下將二氧化碳與氫氣綜合作用產生天然氣，具體過程如圖2 所示。

圖2 本文的電轉氣技術示意圖

本文電轉氣技術消耗的電能來自風能發(fā)電，風電轉為天然氣的公式為

2 區(qū)域綜合能源優(yōu)化方法

2.1 風能特性與負荷特性分析

本文將風廠中1 臺容量為1.5 MW 的風機接入電網(wǎng)，風機根據(jù)該區(qū)域的環(huán)境因素[14]確定出力。同時選定700 戶居民進行電氣用量（不考慮天然氣對室內供暖）調查，其結果如下。

1）居民用氣量在飯點時達到高峰，且在晚上8:00—10:00 洗漱時段用氣量也會有所上升，其余時間用氣量明顯較低。

2)凌晨休息時段，居民用氣量接近為零。24 h 環(huán)境因素如圖3 所示，對應風機出力與區(qū)域負荷如圖4 所示。

圖3 24 h 環(huán)境因素

圖4 風機出力與區(qū)域負荷曲線

2.2 區(qū)域綜合能源優(yōu)化調度模型

2.2.1 目標函數(shù)

從區(qū)域經濟效益最優(yōu)角度出發(fā)，綜合考慮風電廠與P2G 廠的運行成本以及電網(wǎng)側、天然氣網(wǎng)側、風廠側、P2G 廠側、用戶側之間的能源交易成本與收益。目標函數(shù)為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前24 h 最優(yōu)經濟效益，為

式中：Fmax為日前24 h 最優(yōu)經濟效益；Fwind為風廠日前24 h 經濟效益；FP2G為電轉氣廠日前24 h 經濟效益；Fuser為負荷側日前24 h 用電用氣經濟成本。

由于風電企業(yè)為實際收益者，需要向電轉氣公司提供補償措施[10]，因此風廠與電轉氣廠日前24 h 經濟效益為：

區(qū)域負荷日前24 h 用電用氣經濟成本為

式中：λe(t)為電網(wǎng)售電單價；為P2G 廠售氣單價；為天然氣網(wǎng)售氣單價；為t時刻區(qū)域用戶用電量；為t時刻風電上電量不滿足區(qū)域電負荷時電網(wǎng)的借調電量。

2.2.2 約束條件

1)風電機組出力約束。

風電機組出力主要受自然環(huán)境影響，相應約束為

2)電力系統(tǒng)約束。

風電上網(wǎng)電量主要受電網(wǎng)可接納電能影響，相應約束為

3)天然氣系統(tǒng)約束。

天然氣網(wǎng)絡在時刻t所消耗的天然氣量約束為

4)電轉氣模型約束。

電轉氣設備主要受其額定功率影響，相應約束為

5)功率平衡約束。

區(qū)域各單元之間的能量約束為：

2.3 模型求解方法流程

本文采用粒子群算法[16](particle swarm algorithm，PSO)對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型進行優(yōu)化求解，流程圖如圖5 所示。

圖5 基于粒子群算法的區(qū)域能源優(yōu)化調度流程圖

3 案例分析

3.1 基礎數(shù)據(jù)

參照某地區(qū)的電氣價數(shù)據(jù)，電網(wǎng)售電單價、風電上網(wǎng)電價與天然氣單價，如表1 所示。

參考文獻[17]中的典型P2G 廠運行參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

3.2 案例分類

案例設置如下：案例一接入容量為1.5 MW 的風機，參考700 戶家庭用電用氣量，在不考慮P2G技術的情況下，將風電全部上網(wǎng)；案例二在案例一的基礎上考慮P2G 技術，將一部分風電用于上網(wǎng)，一部分用于電轉氣產生天然氣；案例三在案例二的基礎上，將接入電網(wǎng)的風機容量改為2 WM；案例四在案例二的基礎上，擴大供能區(qū)域范圍，參考3 500 戶家庭用電用氣量。

表1 電網(wǎng)售購電電價與天然氣單價

表2 P2G 廠參數(shù)

不同案例下的區(qū)域能源優(yōu)化調度結果依次如圖6—9 所示，不同案例下區(qū)域日前24 h 經濟效益如表3 所示。

圖6 案例一區(qū)域能源優(yōu)化調度結果曲線

在案例一中，當?shù)仉娋W(wǎng)的接納能力不足，風電不穩(wěn)定性等原因導致4.575×102kWh 的風電被浪費。案例一一方面無法消納大量風電，另一方面又需要從其他地方借調電量來滿足區(qū)域電負荷，這造成了較為嚴重的資源浪費。

圖7 案例二區(qū)域能源優(yōu)化調度結果曲線

圖8 案例三區(qū)域能源優(yōu)化調度結果曲線

圖9 案例四區(qū)域能源優(yōu)化調度結果曲線

表3 不同案例下區(qū)域日前24 h 經濟效益對比

在電轉氣技術情況下，對比案例二與案例三可知，風電的合理轉化降低了電網(wǎng)借調電量，從而降低了電網(wǎng)側壓力，如圖8 中的6:00—10:00 與17:00—23:00 時段。同時富余電量的增加有效降低了天然氣網(wǎng)的輸氣波動幅度，進而增加了該區(qū)域的經濟效益。

再對比案例二與案例四，區(qū)域負荷的增加，加大了電網(wǎng)側的能量波動，如圖9 中的4:00—24:00時段。同時由于風廠售賣給P2G 廠的電量減少，區(qū)域用戶需要從天然氣網(wǎng)絡購買大量的天然氣，增加了天然氣網(wǎng)絡的輸氣波動，進而導致案例四中的經濟效益偏低。此外在案例四中，雖然電網(wǎng)依舊限制了風電上網(wǎng)的電量，但多余電量被P2G 廠轉化為了天然氣，實現(xiàn)了風電的再利用，如圖9 中的11:00—14:00 時段。

上述各案例表明：電轉氣技術可有效平抑電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的能量波動，同時電轉氣技術下對風電的多樣化運用有效提升了目標區(qū)域的經濟效益。此外，分析圖6—9 曲線與表3 數(shù)據(jù)可知，電轉氣技術可大力提高綜合能源運行的經濟效益，并有效減少“棄風量”。具體為：運用電轉氣技術降低了電網(wǎng)側風電上網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，如圖7—9 中1:00—8:00 與9:00—16:00 時段；擴展了風廠側對風電的運用，如圖7—8 中的23:00—次日7:00 與9:00—17:00時段，圖9 中1:00—5:00 與11:00—14:00 時段；促進了P2G 廠側對富余風電的消納能力，如圖7—8 中的23:00—次日7:00 與9:00—17:00 時段，圖9 中1:00—5:00 與11:00—14:00 時段；降低了天然氣網(wǎng)側天然氣的輸出波動，如圖7—8 中的9:00—17:00 與23:00—24:00 時段，圖9 中的1:00—2:00 與11:00—14:00 時段。

4 結論

針對區(qū)域綜合能源優(yōu)化問題，為降低可再生能源的浪費，提高區(qū)域經濟效益，本文建立了考慮經濟效益的區(qū)域綜合能源優(yōu)化調度模型。該模型以區(qū)域日前24 h 最優(yōu)經濟效益為目標，在滿足區(qū)域用戶需求的情況下，充分考慮風廠側、P2G 廠、電網(wǎng)側與天然氣網(wǎng)側的最優(yōu)能量調配。同時該模型通過電轉氣技術，實現(xiàn)了電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的單向耦合，提高了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)風電的消納能力，有效解決了“棄風”問題，擴展了風電的適用范圍，從而有效提高了風電利用率。同時實驗表明，電轉氣技術還能有效平抑電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的能量波動，進而提高系統(tǒng)安全性。