考慮風(fēng)電消納的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)優(yōu)化方案對比分析

姜 濤，張啟蒙，蔣振國，李貴浩，許真

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401147；2.國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250；3.內(nèi)蒙古電力集團(tuán)有限責(zé)任公司呼和浩特供電公司，呼和浩特 010010；4.國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水市蓮都區(qū)供電公司，浙江 麗水 323000；5.國網(wǎng)四川省電力公司蒼溪縣供電分公司，四川 廣元 628000）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，構(gòu)建以新能源為主體的新型能源系統(tǒng)迫在眉睫。RIES（區(qū)域綜合能源系統(tǒng)）通過風(fēng)、光、天然氣、地?zé)岷涂諝饽艿榷喾N能源進(jìn)行多能互補(bǔ)耦合供能，有效提升了用能效率并降低能源轉(zhuǎn)換過程中的污染排放，從而助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)［1-3］。然而，隨著RIES 中可再生能源裝機(jī)容量占比不斷提高，冬季CCHP（冷熱電聯(lián)供）機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行模式導(dǎo)致的棄風(fēng)問題日益突出［4］。如何實(shí)現(xiàn)供暖季風(fēng)電綠色能源的有效消納，成為現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。

多能互補(bǔ)是依據(jù)供能側(cè)各類能源利用條件和用戶端各類負(fù)荷需求信息，采用風(fēng)、光、氣等多種能源互為補(bǔ)充協(xié)調(diào)供能，以緩解單一能源供需矛盾，從而有效應(yīng)對可再生能源消納問題［5］。目前利用多能互補(bǔ)以提升RIES風(fēng)電消納的研究多集中于電-氣多能互補(bǔ)和電-熱多能互補(bǔ)層面。

P2G（電轉(zhuǎn)氣）是將電能轉(zhuǎn)換為氣體燃料的技術(shù)，通過其消納棄風(fēng)并耦合轉(zhuǎn)換為易于存儲(chǔ)與運(yùn)輸?shù)奶烊粴猓軌驅(qū)崿F(xiàn)RIES 電-氣多能互補(bǔ)，從而提升系統(tǒng)可再生能源消納能力與運(yùn)行效益。文獻(xiàn)［6-7］基于P2G 工作原理，闡述了電-氣互聯(lián)系統(tǒng)建模理論與求解方法。文獻(xiàn)［8］建立了P2G參與優(yōu)化運(yùn)行的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)低碳調(diào)度模型，有效提升了系統(tǒng)風(fēng)電消納水平。文獻(xiàn)［9-10］考慮P2G 運(yùn)行特性，建立了電-氣互聯(lián)系統(tǒng)P2G 容量規(guī)劃模型。上述文獻(xiàn)圍繞P2G 進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度、容量規(guī)劃研究，但均忽略了P2G 反應(yīng)過程中的強(qiáng)放熱特性，從而造成余熱資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

在電-熱多能互補(bǔ)層面，利用電制熱設(shè)備將棄風(fēng)電能耦合轉(zhuǎn)換為調(diào)峰熱源以降低CCHP 機(jī)組熱電耦合發(fā)電功率，能夠應(yīng)對系統(tǒng)風(fēng)電消納困局［11］。常見電制熱裝置包括電鍋爐、熱泵等，其中熱泵憑借高能效、無污染的優(yōu)點(diǎn)，已成為“雙碳”目標(biāo)下電-熱轉(zhuǎn)換的重要方式。文獻(xiàn)［12］引入ASHP（空氣源熱泵）參與優(yōu)化調(diào)度，通過解耦能量約束提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)［13］面向分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)，采用改進(jìn)粒子群算法求解含ASHP的優(yōu)化調(diào)度模型，促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)消納。文獻(xiàn)［14］以商業(yè)園區(qū)為研究對象，針對酒店用戶采用ASHP替代燃?xì)忮仩t進(jìn)行供熱，通過電-氣能源替代來提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。上述文獻(xiàn)針對ASHP電-熱多能互補(bǔ)特性進(jìn)行研究，但忽略了環(huán)境溫度對ASHP 制熱能效的影響，并且未對電-氣、電-熱多能互補(bǔ)方案優(yōu)選性進(jìn)行分析。

綜上所述，本文針對RIES多能互補(bǔ)優(yōu)化方案進(jìn)行研究，分別建立計(jì)及反應(yīng)余熱回收利用的P2G 電-氣多能互補(bǔ)模型、考慮環(huán)境溫度影響的ASHP變工況運(yùn)行電-熱多能互補(bǔ)模型。通過優(yōu)化軟件CPLEX對建立的各類多能互補(bǔ)模型求解，并從經(jīng)濟(jì)性、棄風(fēng)率、綜合能效等方面對比仿真結(jié)果，分析多能互補(bǔ)方案的優(yōu)選性。

1 多能互補(bǔ)RIES調(diào)度架構(gòu)

EH（能量樞紐）是RIES 抽象化的表現(xiàn)形式，包含多能源形式輸入、多類型負(fù)荷輸出和能源耦合轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)［15］。優(yōu)化配置EH設(shè)備類型能夠有效提升RIES 綜合效益。本文采用EH 對RIES 能源輸入、轉(zhuǎn)換、分配進(jìn)行分析，同時(shí)由于P2G和ASHP作為系統(tǒng)內(nèi)部能源耦合設(shè)備，并未直接參與能源輸入輸出轉(zhuǎn)換，因此引入P2G和ASHP矩陣對EH進(jìn)行補(bǔ)充。含P2G和ASHP的EH數(shù)學(xué)模型為：

式中：Pin為能源輸入矩陣；Pout為負(fù)荷需求矩陣；C為能源耦合轉(zhuǎn)換矩陣；PP2G和PASHP分別為P2G和ASHP對EH的補(bǔ)充矩陣。

1.1 計(jì)及反應(yīng)余熱再利用的P2G電-氣多能互補(bǔ)模型

含P2G 的RIES 電-氣多能互補(bǔ)調(diào)度架構(gòu)如圖1所示。

圖1 含P2G的電-氣多能互補(bǔ)架構(gòu)

由于供熱季棄風(fēng)主要集中于夜間風(fēng)電高發(fā)時(shí)段，因而棄風(fēng)功率Pwd（t）可表示為：

式中：Pw（t）為t時(shí)段風(fēng)電發(fā)電功率；PGT（t）為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)功率；PFC（t）為t時(shí)段燃料電池功率；Pgrid（t）為t時(shí)段聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，正值表示購電，負(fù)值表示售電；Pe（t）為t時(shí)段系統(tǒng)電負(fù)荷。

同時(shí)，棄風(fēng)功率Pwd（t）也可表示為：

式中：λe（t）為t時(shí)段風(fēng)電分配至集電器的系數(shù)。

P2G化學(xué)反應(yīng)分為2個(gè)過程，其中電制氫為前置階段，氫制天然氣為第二階段。由于氫氣存儲(chǔ)難度較高、運(yùn)輸危險(xiǎn)，P2G 通常采用二階段過程運(yùn)行。P2G化學(xué)反應(yīng)式及數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：為t時(shí)段P2G 電解制得的天然氣氣體體積；ψ1和ψ2分別為P2G 第一階段和第二階段效率；KCH4為天然氣低熱值，取9.7 kWh/m3。

P2G 甲烷化過程中會(huì)釋放出反應(yīng)余熱，目前該部分余熱通常被直接排放處理，造成余熱資源大量浪費(fèi)。根據(jù)文獻(xiàn)［16］，P2G每消耗1 MWh電能，可注入至熱網(wǎng)利用的反應(yīng)余熱約為0.118 8 MWh。計(jì)及反應(yīng)余熱再利用的P2G多能互補(bǔ)優(yōu)化原理如圖2所示。由于冬季電、熱負(fù)荷呈現(xiàn)相反態(tài)勢，棄風(fēng)多集中于夜間負(fù)荷低谷（采暖負(fù)荷高峰），利用P2G 運(yùn)行反應(yīng)余熱進(jìn)行輔助供暖，能夠降低CCHP 機(jī)組承擔(dān)的供熱峰荷，從而改善燃?xì)廨啓C(jī)在用熱高峰期的調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)風(fēng)電并網(wǎng)消納。此外，現(xiàn)階段P2G 投資成本依然較高，對其反應(yīng)熱進(jìn)行再回收，能夠減少因消納棄風(fēng)所需要的P2G配置容量，降低系統(tǒng)投資建設(shè)成本。

圖2 計(jì)及P2G反應(yīng)余熱利用的優(yōu)化原理

考慮P2G反應(yīng)余熱利用的EH數(shù)學(xué)模型為：

式中：Ph為系統(tǒng)熱負(fù)荷；Pv為光伏發(fā)電功率；Pgas為天然氣輸入功率；ηGT和ηFC分別為燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池發(fā)電效率；а和β分別為輸入天然氣分配至燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的系數(shù)，且а+β=1；γ和ω分別為P2G 制得的天然氣分配至燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的系數(shù)，且γ+ω=1；ηloss為燃?xì)廨啓C(jī)煙氣散熱系數(shù)；ηrec和分別為溴冷機(jī)煙氣余熱回收率和制熱效率。

1.2 考慮空氣能利用的ASHP電-熱多能互補(bǔ)模型

含ASHP 的RIES 電-熱多能互補(bǔ)調(diào)度架構(gòu)如圖3所示。ASHP以空氣熱能為利用對象，利用逆卡諾循環(huán)將空氣中的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能加以使用，可實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季采暖。憑借高能效、無污染的優(yōu)點(diǎn)，ASHP 已成為支撐“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要手段。對于冬季供熱而言，室外溫度越低，ASHP室外機(jī)吸收環(huán)境熱量越困難，因此其制熱效能隨著環(huán)境溫度的降低而不斷衰減。

圖3 含ASHP的電-熱多能互補(bǔ)架構(gòu)

考慮環(huán)境溫度影響的ASHP 變工況數(shù)學(xué)模型［17］為：

式中：PASHP（t）和分別為t時(shí)段ASHP 輸入電功率和輸出熱功率；為t時(shí)段ASHP 制熱能效；Tout（t）為t時(shí)段室外環(huán)境溫度。

ASHP 電-熱優(yōu)化原理如圖4 所示。一方面，利用ASHP“荷”的特性，在夜間風(fēng)電高發(fā)時(shí)段啟動(dòng)ASHP 進(jìn)行供熱，通過增加用電負(fù)荷來消納部分棄風(fēng)；另一方面，充分發(fā)揮ASHP“源”屬性，利用ASHP 對熱能耦合環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化以提高CCHP 機(jī)組供能靈活性，通過承擔(dān)CCHP 機(jī)組部分供熱負(fù)荷來釋放因燃?xì)廨啓C(jī)熱電耦合運(yùn)行方式而擠占的風(fēng)電并網(wǎng)空間。

圖4 ASHP電-熱多能互補(bǔ)優(yōu)化原理

含ASHP的EH數(shù)學(xué)模型表示為：

2 RIES電-氣、電-熱多能互補(bǔ)調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

良好的經(jīng)濟(jì)效益是RIES可持續(xù)推廣的核心所在。根據(jù)電-氣、電-熱多能互補(bǔ)特性的不同，建立P2G和ASHP參與能源耦合優(yōu)化的RIES經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型。目標(biāo)函數(shù)為日前階段系統(tǒng)綜合費(fèi)用最低，表示為：

式中：Ccost為系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本；Cfuel（t）、Com（t）、Cwd（t）、Cen（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)燃料成本、運(yùn)維成本、棄風(fēng)懲罰成本、環(huán)境成本；Cgrid（t）為t時(shí)段電能交互成本；為多能互補(bǔ)設(shè)備p的日投資成本；k為多能互補(bǔ)設(shè)備集合，包含P2G和ASHP；T為時(shí)段總數(shù)。

各成本表達(dá)式為：

式中：CCH4為天然氣單價(jià)；Pi（t）和Ki分別為t時(shí)段可控機(jī)組i的電功率和單位功率維護(hù)成本；Pj（t）和Kj分別為t時(shí)段可再生能源機(jī)組j的電功率和單位功率維護(hù)成本；Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)購電和售電功率；Cbuy（t）和Csell（t）分別為t時(shí)段系統(tǒng)購電和售電電價(jià)；X和Y為0-1變量，分別表征系統(tǒng)購電和售電狀態(tài)；Pw，grid（t）為t時(shí)段風(fēng)電并網(wǎng)功率；Cw，dc為單位棄風(fēng)懲罰費(fèi)用；M為污染物質(zhì)種類集合；為可控機(jī)組i單位功率對應(yīng)的污染物質(zhì)r排放量；為單位購電功率對應(yīng)的污染物質(zhì)r排放量；Cr為污染物質(zhì)r單位排放懲罰費(fèi)用；γp、Sp、rp、λp分別為多能互補(bǔ)設(shè)備p的貼現(xiàn)率、規(guī)劃容量、使用壽命、單位功率投資成本。

2.2 約束條件

1）多能互補(bǔ)電平衡約束為：

2）電-氣多能互補(bǔ)熱平衡約束為：

3）電-熱多能互補(bǔ)熱平衡約束為：

4）可控機(jī)組運(yùn)行約束為：

5）可控機(jī)組爬坡約束為：

6）聯(lián)絡(luò)線功率傳輸約束為：

7）系統(tǒng)正旋轉(zhuǎn)備用約束為：

8）棄風(fēng)率約束為：

9）網(wǎng)絡(luò)平衡約束參考文獻(xiàn)［18］，此處不再贅述。

式（12）—（19）中：Pp（t）為t時(shí)段多能互補(bǔ)設(shè)備p消納電功率，設(shè)備類型為P2G或ASHP；和分別為可控機(jī)組i出力上限和下限；和分別為可控機(jī)組i爬坡功率上限和下限；和分別為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率上限和下限；PFC（t）為t時(shí)段燃料電池電功率，為其上限；εe和εREG分別為電負(fù)荷和可再生能源機(jī)組設(shè)置的正備用系數(shù)；αw為系統(tǒng)允許棄風(fēng)率。

2.3 綜合運(yùn)行能效

提升能源利用效率是多能互補(bǔ)目的之一。為對比電-氣多能互補(bǔ)與電-熱多能互補(bǔ)能效優(yōu)勢，采用綜合運(yùn)行能效ηce來衡量P2G 和ASHP 優(yōu)化運(yùn)行下的RIES綜合能源利用效率。計(jì)算公式為：

式中：ηf和ηg分別為發(fā)電廠發(fā)電效率和電網(wǎng)傳輸效率。

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。風(fēng)、光、負(fù)荷數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)［4］并進(jìn)行等比例擴(kuò)大，如圖6 所示。機(jī)組參數(shù)如表1所示，電價(jià)信息如表2 所示［4］，環(huán)境參數(shù)參考文獻(xiàn)［19］。P2G（計(jì)及了反應(yīng)余熱利用）和ASHP 容量按照全額消納棄風(fēng)情況進(jìn)行配置，SP2G=1 716 kW，SASHP=687 kW。其他參數(shù)取值如下：ηGT=0.35，ηFC=0.5，ηrec=0.85，ηloss=0.15；ηLB，h=1.2；ψ1=ψ2=0.8；ηf=0.35，ηg=0.9，εe=5%，εREG=20%，αw=10%；Cw，dc=0.05元/kWh。

圖5 多能互補(bǔ)算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 RIES源荷信息

表1 機(jī)組參數(shù)

表2 RIES與主網(wǎng)間電價(jià)信息

由燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池度電成本計(jì)算公式可知，燃?xì)廨啓C(jī)度電成本為0.74元/kWh，燃料電池度電成本為0.52 元/kWh，在7—22 時(shí)段均低于系統(tǒng)購電電價(jià)、售電電價(jià)。

3.2 電-氣多能互補(bǔ)優(yōu)化結(jié)果分析

電-氣多能互補(bǔ)調(diào)度結(jié)果如圖7所示。由于風(fēng)電反調(diào)峰特性明顯，在夜間用電負(fù)荷低谷風(fēng)電維持較高出力水平，燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”運(yùn)行方式使其發(fā)電功率呈現(xiàn)出“夜高晝低”特性，加之系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線外送容量不足，源網(wǎng)荷三方面因素疊加導(dǎo)致在1—8和24時(shí)段系統(tǒng)出現(xiàn)棄風(fēng)。引入P2G進(jìn)行電-氣多能互補(bǔ)優(yōu)化后，在棄風(fēng)時(shí)段P2G將棄風(fēng)電能耦合轉(zhuǎn)化為天然氣以供給燃?xì)鈾C(jī)組使用，從而降低系統(tǒng)外購天然氣量，在促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

圖7 電-氣多能互補(bǔ)調(diào)度結(jié)果

計(jì)及P2G 反應(yīng)熱回收對燃?xì)廨啓C(jī)和系統(tǒng)綜合運(yùn)行的影響如圖8、圖9所示。隨著P2G配置容量的增加，棄風(fēng)電量能夠更多地被耦合轉(zhuǎn)換為天然氣，因此系統(tǒng)棄風(fēng)率呈逐步下降趨勢。同時(shí)，P2G 反應(yīng)熱作為新的供熱熱源，緩解了CCHP 機(jī)組在風(fēng)電高發(fā)時(shí)段的供熱壓力，擴(kuò)大了燃?xì)廨啓C(jī)熱電耦合運(yùn)行模式擠占的風(fēng)電并網(wǎng)空間，提高了系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力。在全額消納棄風(fēng)場景下：不計(jì)P2G 熱利用時(shí)，P2G 配置容量為1 856 kW，系統(tǒng)成本為63 941.22 元；考慮P2G 熱利用后，P2G配置容量為1 716 kW，系統(tǒng)成本為63 113.26 元。因此，考慮P2G 反應(yīng)熱利用，能夠減少因消納棄風(fēng)所需的P2G配置容量，降低系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本。此外，計(jì)及P2G反應(yīng)熱回收后系統(tǒng)成本有所減少，主要原因是燃?xì)廨啓C(jī)熱電耦合發(fā)電功率在1—8 時(shí)段有所降低，從而降低了系統(tǒng)燃料成本。

圖8 P2G反應(yīng)熱回收對燃?xì)廨啓C(jī)的影響

圖9 P2G反應(yīng)熱回收對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

3.3 電-熱多能互補(bǔ)優(yōu)化結(jié)果分析

ASHP熱電優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖10所示。在1—6、23、24電價(jià)低谷時(shí)段，與系統(tǒng)購電、售電電價(jià)相比，燃?xì)廨啓C(jī)單位供電成本更高，此時(shí)段內(nèi)優(yōu)先調(diào)用ASHP 供熱以減少CCHP 機(jī)組承擔(dān)的供熱負(fù)荷，從而降低燃?xì)廨啓C(jī)供電出力；在時(shí)段7和時(shí)段8內(nèi)系統(tǒng)存在棄風(fēng)，此時(shí)可調(diào)用ASHP進(jìn)行輔助供熱以促進(jìn)該部分棄風(fēng)的并網(wǎng)消納，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行收益。

圖10 電-熱多能互補(bǔ)調(diào)度結(jié)果

ASHP 配置容量對系統(tǒng)運(yùn)行的影響如圖11 所示。隨著ASHP 配置容量不斷提升，夜間用熱高峰期ASHP替代CCHP機(jī)組承擔(dān)的供熱負(fù)荷增多，燃?xì)廨啓C(jī)“熱電耦合”對棄風(fēng)現(xiàn)象的改善效果增強(qiáng)，因此系統(tǒng)棄風(fēng)率隨著ASHP 配置容量的增加而逐步下降。同時(shí)，ASHP 的使用減少了用熱高峰期燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馐褂昧?，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效益。

圖11 ASHP容量對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

3.4 成本分析

各多能互補(bǔ)方式系統(tǒng)運(yùn)行成本如表3所示。對于電-氣多能互補(bǔ)而言，配置P2G能夠有效改善系統(tǒng)棄風(fēng)情況，但受限于P2G較高的投資建設(shè)成本，系統(tǒng)運(yùn)行成本改善并不明顯，并且在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電全額消納場景下（即棄風(fēng)率為0），系統(tǒng)運(yùn)行成本會(huì)高于未配置P2G 場景。對于電-熱多能互補(bǔ)而言，ASHP 單位投資建設(shè)成本較低，并且具有較高的制熱能效，因此在不同棄風(fēng)消納場景下系統(tǒng)運(yùn)行成本均能得到明顯改善，在棄風(fēng)率為0時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行成本較未配置ASHP場景降低了10.89%。

表3 各場景的系統(tǒng)運(yùn)行成本

3.5 綜合能效分析

各場景系統(tǒng)綜合能源利用效率如表4所示。當(dāng)引入P2G和ASHP 分別參與電-氣多能互補(bǔ)和電-熱多能互補(bǔ)時(shí)，在風(fēng)電全額消納場景下系統(tǒng)綜合能效分別提高了2.85%和7.61%。其中，ASHP具有較高的電-熱轉(zhuǎn)換效率，棄風(fēng)電量能夠高效地被其耦合轉(zhuǎn)換為熱能，因此ASHP 熱電優(yōu)化場景的系統(tǒng)綜合能效更具優(yōu)勢。

表4 各場景的系統(tǒng)綜合能效

4 結(jié)論

為應(yīng)對冬季RIES 棄風(fēng)問題，從電-氣多能互補(bǔ)、電-熱多能互補(bǔ)角度分別提出風(fēng)電消納方案，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)建立多能互補(bǔ)優(yōu)化模型，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到如下結(jié)論：

1）對P2G 反應(yīng)余熱進(jìn)行回收供熱，能夠減少因消納棄風(fēng)所需要的P2G 配置容量，并降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2）P2G 和ASHP 均能有效提高系統(tǒng)風(fēng)電消納水平，但受限于P2G 較高的投資建設(shè)成本，其參與電-氣多能互補(bǔ)優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行成本改善效果弱于ASHP電-熱多能互補(bǔ)場景。

3）ASHP具有較高的電-熱轉(zhuǎn)換效率，其參與電-熱多能互補(bǔ)優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)綜合運(yùn)行能效提升較P2G電-氣多能互補(bǔ)場景更明顯。