樊國(guó)旗,霍 超,李小騰,劉 斌,樊國(guó)偉,程 林,王志遠(yuǎn),潘偉東
(1. 國(guó)網(wǎng)金華供電公司,浙江 金華 321001;2. 國(guó)家電網(wǎng)公司西北分部,陜西 西安 710048;3. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司科學(xué)研究院,陜西 西安 710010;4. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049;5. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)
電網(wǎng)互聯(lián)可以提高不同地區(qū)之間的互濟(jì)能力[1]。隨著新能源的大規(guī)模接入和負(fù)荷的快速增長(zhǎng),受到電網(wǎng)傳輸能力等因素約束,系統(tǒng)不能滿足調(diào)峰需要,出現(xiàn)棄風(fēng)和供電缺口問(wèn)題[2-4]。
針對(duì)此類問(wèn)題,文獻(xiàn)[5]利用能量流角度在電-熱系統(tǒng)中引入電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)設(shè)備,促進(jìn)風(fēng)電消納,減少系統(tǒng)成本;文獻(xiàn)[6]通過(guò)場(chǎng)景法表征風(fēng)電不確定特性,利用P2G裝置實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)和能量耦合調(diào)度,提高風(fēng)電利用率;文獻(xiàn)[7]構(gòu)建含P2G多能量網(wǎng)絡(luò)模型,利用不同季節(jié)典型日負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線檢驗(yàn)?zāi)P偷挠行院徒?jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[8]利用多能量耦合特性優(yōu)化調(diào)度,減少棄風(fēng)棄光;文獻(xiàn)[9-10]利用跨區(qū)電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度,減小系統(tǒng)峰谷差,實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置,增強(qiáng)系統(tǒng)互濟(jì)能力。
上述文獻(xiàn)多通過(guò)P2G設(shè)備實(shí)現(xiàn)多能源網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度或者跨區(qū)互聯(lián),較少能針對(duì)夏季負(fù)荷和風(fēng)電特性,解決不同地區(qū)能源不平衡問(wèn)題。因此,下面提出一種含P2G的多能源網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法,利用P2G技術(shù)解決風(fēng)電與負(fù)荷不匹配導(dǎo)致棄風(fēng)問(wèn)題,并通過(guò)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)冷電聯(lián)合調(diào)度解決電網(wǎng)供電能力不足問(wèn)題;通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣和P2G設(shè)備產(chǎn)生天然氣平衡進(jìn)行控制,減少對(duì)天然氣流影響;通過(guò)某跨區(qū)電網(wǎng)實(shí)際算例驗(yàn)證所提方法的有效性。
由于輸電通道(地區(qū)和主網(wǎng)之間)傳輸功率約束,負(fù)荷高峰時(shí)段出現(xiàn)供電缺口,調(diào)峰能力不足,只能采取限負(fù)荷的方法。在風(fēng)電大發(fā)的高峰時(shí)段,本地電網(wǎng)消納能力不足,調(diào)峰能力受限,且外送通道限制,會(huì)導(dǎo)致棄風(fēng)。為分析地區(qū)1風(fēng)電消納能力不足、地區(qū)2供電能力不足的電網(wǎng)特性,將該地區(qū)電網(wǎng)簡(jiǎn)化如圖1所示:G1、G2分別表示地區(qū)1、地區(qū)2發(fā)電機(jī)組;L1、L2分別表示地區(qū)1、地區(qū)2負(fù)荷。
圖1 簡(jiǎn)化電網(wǎng)
風(fēng)電消納空間如式(1)表示。
Pwind,r,t=PL,t+Ptrans,t-Pf,min
(1)
式中:Pwind,r,t為風(fēng)電消納空間;PL,t為負(fù)荷功率;Ptrans,t為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率;Pf,min為火電機(jī)組最小技術(shù)出力。
棄風(fēng)功率如式(2)所示,棄風(fēng)電量Wwind,a如式(3)所示,棄風(fēng)率計(jì)算如式(4)所示。
Pwind,a,t=max(Pwind,t-Pwind,r,t,0)
(2)
(3)
(4)
式中:σ為棄風(fēng)率;Pwind,a,t為風(fēng)電限電功率;Pwind,t為風(fēng)電理論功率;T為風(fēng)電限電總時(shí)間。
最大供電能力PTSC(total supply capability,TSC)為機(jī)組最大技術(shù)出力加上聯(lián)絡(luò)線通道傳輸功率,如式(5)表示。
PTSC=Pf,max+Ptrans,t
(5)
式中,Pf,max為機(jī)組可用最大技術(shù)出力。
供電缺口功率PL,a,t如式(6)所示,供電缺口電量WL,a如式(7)所示。
PL,a,t=max(PL,t-PTSC,0)
(6)
(7)
式中,T1為供電缺口總時(shí)間。供電不滿足要求的時(shí)段(即出現(xiàn)供電缺口時(shí)段)記為1,供電滿足要求時(shí)段記為0。供電缺口狀態(tài)σt判斷如式(8)所示,結(jié)合文獻(xiàn)[11]安全域提出供電缺口率γt如式(9)所示。
(8)
(9)
式中,N為供電時(shí)段總數(shù)。
含P2G的多能源網(wǎng)如圖2所示,地區(qū)1包括火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和P2G設(shè)備,地區(qū)2包括火電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)及蓄冷器。P2G裝置主要包括兩個(gè)功能:地區(qū)1風(fēng)電消納能力不足時(shí),電轉(zhuǎn)氣促進(jìn)風(fēng)電消納;地區(qū)2供電能力不足時(shí),通過(guò)電-氣-電途徑解決,天然氣流和電力流在圖中用箭頭表示。
圖2 含P2G的多能源網(wǎng)
電氣耦合元件包括燃?xì)廨啓C(jī)和P2G,燃?xì)廨啓C(jī)將天然氣轉(zhuǎn)化為電能,P2G將電轉(zhuǎn)化為氫氣,然后甲烷化得到燃?xì)狻?/p>
2.2.1 氣冷電能源模型
氣冷電能源模型中包括燃?xì)廨啓C(jī)和電制冷機(jī),燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)化如式(10) 所示。
(10)
式中:fMT,t為燃?xì)廨啓C(jī)天然氣消耗流量;PMT,t為燃?xì)廨啓C(jī)電功率;ηMT,e為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率;HG為天然氣熱值。
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本CMT如式(11)所示。
CMT=a(PMT,t+γDMT,t)2+b(PMT,t+γDMT,t)+c
(11)
式中:a、b、c為機(jī)組能耗系數(shù);γ為冷電功率變化相對(duì)量;PMT,t、DMT,t分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)電、冷功率。
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率和制冷功率關(guān)系KMT如式(12)所示,燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組電(熱)爬坡功率RP(D)MT,t約束和電(熱)功率上下限P(D)MT,t約束如式(13)—式(14)所示,燃?xì)廨啓C(jī)功率運(yùn)行區(qū)域如圖3所示。
圖3 燃?xì)廨啓C(jī)功率運(yùn)行區(qū)域
(12)
RP(D)MT,min≤RP(D)MT,t≤RP(D)MT,max
(13)
P(D)MT,min≤P(D)MT,t≤P(D)MT,max
(14)
式中:RP(D)MT,max、RP(D)MT,min分別為燃?xì)廨啓C(jī)電(冷)最大、最小爬坡功率;P(D)MT,min、P(D)MT,max分別為燃?xì)廨啓C(jī)電(冷)最大、最小功率。
冷負(fù)荷功率由燃?xì)廨啓C(jī)冷負(fù)荷和電制冷機(jī)負(fù)荷組成,如式(15)所示。
PL,c,t=PL,c,e,t+DMT,t
(15)
式中:PL,c,t為總冷負(fù)荷;PL,c,e,t為電制冷機(jī)冷負(fù)荷。
2.2.2 P2G設(shè)備-電氣能源模型
P2G轉(zhuǎn)化化學(xué)方程式如式(16)所示,能量轉(zhuǎn)化如式(17)所示。
(16)
(17)
式中:FP2G,t為P2G設(shè)備產(chǎn)生天然氣產(chǎn)量;ηP2G為P2G能量轉(zhuǎn)化效率;PP2G,t為P2G設(shè)備功率。
P2G設(shè)備產(chǎn)生天然氣需要同時(shí)滿足地區(qū)1和地區(qū)2需要,因此
PP2G,t=max(PP2G,1,t,PP2G,2,t)
(18)
式中,PP2G,1,t和PP2G,2,t分別為地區(qū)1和地區(qū)2的P2G設(shè)備所需功率。地區(qū)1的P2G設(shè)備所需功率等于減少棄風(fēng)功率;地區(qū)2的P2G設(shè)備所需功率等于供電缺口減少功率。
P2G設(shè)備功率約束如式(19)所示。
PP2G,min≤PP2G,t≤PP2G,max
(19)
式中,PP2G,min、PP2G,max分別為P2G設(shè)備最小、最大技術(shù)出力。
電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行,減少供電缺口;支撐新能源消納,減少新能源限電;實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行,減少運(yùn)行成本。為解決地區(qū)1出現(xiàn)的新能源棄風(fēng)問(wèn)題和地區(qū)2的供電缺口問(wèn)題,通過(guò)新建P2G裝置,將地區(qū)1棄風(fēng)時(shí)段電量轉(zhuǎn)化為天然氣通過(guò)天然氣管網(wǎng)在地區(qū)2消納。通過(guò)新建燃?xì)廨啓C(jī),提高供電能力支撐減少供電缺口,提高冷負(fù)荷減少電負(fù)荷間接減少供電缺口。
調(diào)度目標(biāo)為系統(tǒng)成本最小。
C總=Cwind,a+CL,a+CMT+CP2G+Cf+C主下
(20)
式中:Cwind,a為棄風(fēng)成本;CL,a為供電缺口成本;CMT為燃?xì)廨啓C(jī)成本;CP2G為調(diào)用P2G裝置增加成本;Cf為火電機(jī)組運(yùn)行成本;C主下為主網(wǎng)下網(wǎng)成本。
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
式中:cwind,a、cL,a、cP2G、c主下分別為棄風(fēng)、供電缺口、調(diào)用P2G設(shè)備和主網(wǎng)下網(wǎng)功率的單位成本;T2、T3和T4分別為P2G設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間、火電機(jī)組運(yùn)行總時(shí)間和主網(wǎng)下網(wǎng)總時(shí)間;di、ei、εi分別為火電機(jī)組成本系數(shù);P主下,t為主網(wǎng)下網(wǎng)功率。
約束條件包括:地區(qū)1和地區(qū)2電功率平衡約束,見(jiàn)式(26)—式(27);天然氣流量平衡約束,見(jiàn)式(28);聯(lián)絡(luò)線功率約束,見(jiàn)式(29);火電機(jī)組爬坡約束,見(jiàn)式(30);火電機(jī)組功率約束,見(jiàn)式(31)。
(26)
(27)
FP2G,t=fMT
(28)
-Ptrans,k,max≤Ptrans,k,t≤Ptrans,k,max,k=1,2
(29)
Rf,i,min≤Rf,i,t≤Rf,i,max
(30)
Pf,i,min≤Pf,i,t≤Pf,i,max
(31)
式中:FP2G,t為P2G量設(shè)備天然氣制造量;Ptrans,k,max為地區(qū)k與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線最大傳輸功率,結(jié)合圖2,地區(qū)1電力流上網(wǎng)為正方向,地區(qū)2電力流下網(wǎng)為正方向;Rf,i,min和Rf,i,max分別為第i臺(tái)火電機(jī)組最小、最大爬坡功率;Pf,i,min和Pf,i,max分別為第i臺(tái)火電機(jī)組最小、最大技術(shù)出力。
地區(qū)1、地區(qū)2負(fù)荷和風(fēng)電如圖4、圖5所示。燃?xì)廨啓C(jī)冷電功率變化相對(duì)量為0.15;發(fā)電功率和制冷功率關(guān)系為0.75;發(fā)電效率為0.33;機(jī)組能耗成本系數(shù)a、b、c分別為0.053 2、 90.12、 7 175.4;最大、最小電功率分別為60 MW和10 MW;最大、最小冷功率分別為60 MW和0;最大電(冷)爬坡功率為45 MW。地區(qū)1與主網(wǎng)最大傳輸功率為200 MW,地區(qū)2與主網(wǎng)最大傳輸功率為700 MW?;痣姍C(jī)組成本系數(shù)d、e、ε分別為0.078 42、 139.3、 9 604.4;最大、最小功率分別為300 MW和150 MW;最大電(冷)爬坡功率為110 MW。棄風(fēng)成本為600元/MWh;限負(fù)荷成本為4000元/MWh(參考負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)單價(jià));主網(wǎng)下網(wǎng)功率成本為250元/MWh;P2G設(shè)備功率為140 MW,P2G設(shè)備調(diào)用功率成本為200元/MWh。
圖4 地區(qū)1風(fēng)電消納
圖5 地區(qū)2供電
所研究問(wèn)題為非線性規(guī)劃模型問(wèn)題,調(diào)度時(shí)間粒度為5 min,采用LINGO11求解。地區(qū)1最大等效負(fù)荷(地區(qū)1負(fù)荷與風(fēng)電差值)為856 MW,地區(qū)1最大傳輸功率為200 MW,因此地區(qū)1火電機(jī)組最大供電能力需要大于656 MW,則地區(qū)1火電機(jī)組300 MW開(kāi)機(jī)3臺(tái),最大開(kāi)機(jī)功率為900 MW,地區(qū)1原調(diào)度情況和圖4相同。地區(qū)1調(diào)用P2G設(shè)備前后棄風(fēng)對(duì)比如圖6所示。
由圖6計(jì)算可知,P2G設(shè)備參與調(diào)度后棄風(fēng)電量為86.6 MWh;棄風(fēng)率為1.06%,滿足國(guó)家棄風(fēng)率小于5%要求,棄風(fēng)率降低了90.6%;最大棄風(fēng)功率為35.2 MW,相對(duì)原最大棄風(fēng)功率降低79.9%。
圖6 地區(qū)1 P2G設(shè)備參與調(diào)度前后棄風(fēng)對(duì)比
地區(qū)1的P2G設(shè)備參與調(diào)度前后聯(lián)絡(luò)線功率不變;P2G設(shè)備參與調(diào)度會(huì)增加地區(qū)1火電機(jī)組功率,因此地區(qū)1火電機(jī)組功率在P2G設(shè)備參與調(diào)度前后會(huì)發(fā)生變化。地區(qū)1聯(lián)絡(luò)線功率和P2G設(shè)備參與調(diào)度火電機(jī)組功率如圖7所示。
圖7 地區(qū)1聯(lián)絡(luò)線功率P2G設(shè)備參與調(diào)度前后火電機(jī)組功率
地區(qū)2最大負(fù)荷為2 411.2 MW,地區(qū)2最大傳輸功率為700 MW,因此地區(qū)2火電機(jī)組最大供電能力需要大于1 711.2 MW,則地區(qū)2火電機(jī)組300 MW應(yīng)開(kāi)機(jī)6臺(tái),由于地區(qū)2火電機(jī)組只有5臺(tái),最大開(kāi)機(jī)功率為1500 MW,地區(qū)2原調(diào)度情況和圖5相同。調(diào)用燃?xì)廨啓C(jī)前后原供電缺口、現(xiàn)供電缺口對(duì)比和地區(qū)1火電機(jī)組為P2G設(shè)備制造天然氣轉(zhuǎn)化為地區(qū)2電+熱能力如圖8所示。
圖8 調(diào)用燃?xì)廨啓C(jī)前后供電缺口對(duì)比和電+熱能力
由圖5計(jì)算可知,地區(qū)2供電缺口功率最大為211.17 MW,供電缺口電量為541.5 MWh,相比總用電量45 676.3 MWh,缺口電量只占1.9%,但供電缺口率為26.7%。由圖8計(jì)算可知,調(diào)用燃?xì)廨啓C(jī)后地區(qū)2缺口功率最大為124.2 MW,供電缺口電量為230.4 MWh,缺口電量占0.4%,供電缺口率為15.3%,供電缺口率減少43.1%;地區(qū)1火電機(jī)組為P2G設(shè)備制造天然氣轉(zhuǎn)化為地區(qū)2電+熱能力和地區(qū)2原供電缺口存在重疊,因此燃?xì)廨啓C(jī)解決供電缺口會(huì)受到地區(qū)1火電機(jī)組為P2G設(shè)備制造天然氣影響。
地區(qū)2聯(lián)絡(luò)線原、現(xiàn)功率和P2G設(shè)備參與調(diào)度火電機(jī)組原、現(xiàn)功率如圖9所示。
圖9 地區(qū)2聯(lián)絡(luò)線功率和火電機(jī)組功率變化
P2G設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)用功率如圖10所示。
圖10 調(diào)用P2G設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)功率
由圖4計(jì)算可知,地區(qū)1棄風(fēng)最大功率達(dá)175.3 MW,棄風(fēng)電量為918.9 MWh,棄風(fēng)率為11.35%,棄風(fēng)率較高,不符合國(guó)家棄風(fēng)率低于5%的要求。由圖10計(jì)算可知,P2G設(shè)備調(diào)用1 340.5 MWh,燃?xì)廨啓C(jī)電+冷負(fù)荷調(diào)用833 MWh,減少棄風(fēng)832.7 MWh,減少供電缺口電量311.1 MWh。
原方法中,地區(qū)1火電機(jī)組、地區(qū)1棄風(fēng)、地區(qū)2火電機(jī)組、地區(qū)2供電缺口、主網(wǎng)下網(wǎng)成本、總成本分別為301.8、55.1、687.5、216.6、161.8和1 422.8萬(wàn)元;現(xiàn)方法中,地區(qū)1火電機(jī)組、地區(qū)1棄風(fēng)、地區(qū)2火電機(jī)組、地區(qū)2供電缺口、P2G設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)和主網(wǎng)下網(wǎng)成本分別為310.5、5.2、680.3、92.2、159.1、26.8、24、1 298.1萬(wàn)元。所提方法相比原方法節(jié)約成本124.7萬(wàn)元。
P2G設(shè)備功率和棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率關(guān)系如圖11所示。
圖11 P2G設(shè)備功率和棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率關(guān)系
由圖11可知,棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率隨P2G設(shè)備功率增大而減少, P2G設(shè)備功率為80 MW時(shí),棄風(fēng)率為4.67%,符合國(guó)家棄風(fēng)率小于5%要求;最大棄風(fēng)功率為95.2 MW,相對(duì)原最大棄風(fēng)功率降低45.7%。
棄風(fēng)電量與棄風(fēng)率與P2G設(shè)備功率呈現(xiàn)近似線性關(guān)系,為探究其近似線性關(guān)系原因,統(tǒng)計(jì)原棄風(fēng)功率概率分布,如圖12所示。
圖12 原棄風(fēng)功率分布
由圖12可知,原棄風(fēng)功率分布數(shù)量大部分近似相等,主要分布在風(fēng)電功率大發(fā)期間的風(fēng)電功率上升和下降階段;棄風(fēng)功率分布數(shù)量較大時(shí)段主要位于風(fēng)電峰值時(shí)間段。
燃?xì)廨啓C(jī)電+冷能綜合利用率約為62%,因此P2G最大功率為140 MW時(shí),轉(zhuǎn)化為燃?xì)廨啓C(jī)電+冷能最大功率約為87 MW,因此燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生能量從而減少供電缺口和燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率直接相關(guān);燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關(guān)系如圖13所示。
由圖13可知,供電缺口電量隨著燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率增大其降低速度逐漸變緩。供電缺口最大功率下降呈線性關(guān)系。供電缺口比例與燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率呈現(xiàn)先迅速降低,后緩慢降低關(guān)系。供電缺口和燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率相關(guān),且由圖8可知其與地區(qū)1 P2G設(shè)備產(chǎn)生天然氣相關(guān),為探究其相互之間關(guān)系,其供電缺口功率分布統(tǒng)計(jì)如圖14所示。
圖13 燃?xì)廨啓C(jī)最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關(guān)系
圖14 供電缺口功率分布
由圖14可知,原供電缺口在40~70 MW之間分布雖然較多,但受到地區(qū)1 P2G設(shè)備制造天然氣影響,不能有效解決該區(qū)間供電缺口問(wèn)題。原供電缺口在120~140 MW及160~190 MW之間分布較多,但地區(qū)1 P2G設(shè)備制造天然氣轉(zhuǎn)化為燃?xì)廨啓C(jī)電+熱能最大功率為124 MW,不能有效解決該區(qū)間供電缺口問(wèn)題。原供電缺口在0~30 MW之間分布解決較好,同時(shí)驗(yàn)證圖13之間關(guān)系的正確性。
針對(duì)輸電通道傳輸功率約束導(dǎo)致不同地區(qū)負(fù)荷高峰時(shí)段供電缺口和風(fēng)電高峰時(shí)段棄風(fēng)問(wèn)題,通過(guò)新建燃?xì)廨啓C(jī)解決供電缺口問(wèn)題;通過(guò)P2G解決棄風(fēng)問(wèn)題;通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)消耗天然氣和P2G設(shè)備產(chǎn)生天然氣平衡進(jìn)行控制,減少對(duì)天然氣流影響。該方法能夠有效解決棄風(fēng)和供電缺口問(wèn)題,棄風(fēng)(供電缺口)隨著P2G設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī))功率的增大減少速度會(huì)放緩。
由于負(fù)荷同時(shí)率特性,地區(qū)1通過(guò)P2G設(shè)備為地區(qū)2供應(yīng)天然氣會(huì)受到限制,會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)解決地區(qū)2供電缺口問(wèn)題;此外由于燃?xì)廨啓C(jī)受到地區(qū)1P2G設(shè)備制造天然氣影響,不適宜投資功率過(guò)大的P2G設(shè)備,在后續(xù)研究中將通過(guò)其他不受設(shè)備和負(fù)荷同時(shí)率限制的設(shè)備參與調(diào)度,解決供電缺口問(wèn)題。