考慮需求響應和能量梯級利用的含氫綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

高 玉，王 琦，陳 嚴，葉聞杰，劉 剛，印心童

（1.南京師范大學南瑞電氣與自動化學院,江蘇省南京市 210046；2.江蘇省綜合能源設備及集成國際聯(lián)合實驗室,江蘇省南京市 210046；3.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

實現(xiàn)“碳達峰·碳中和”目標,需要推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,促進可再生能源接入電網(wǎng)［1］。風電具有較強的波動性和間歇性,當電網(wǎng)調(diào)節(jié)資源有限時會產(chǎn)生棄風［2］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system,IES）能夠協(xié)調(diào)規(guī)劃多種能源,促進風電消納［3］。同時,IES 有利于提升能源利用效率［4］。氫能無碳排放、熱值高,其推廣利用可提高運行低碳性［5］。目前,中國東部沿海地區(qū)逐漸出現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)且海上風電資源豐富,如何利用含電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas,P2G）工業(yè)園區(qū)IES 消納風電并提高能效成為研究熱點［6］。

通過實現(xiàn)多能耦合互補［7］及負荷側(cè)資源有機協(xié)調(diào),可促進風電消納。在供能側(cè),可采用電熱泵和電制冷提升風電并網(wǎng)空間。傳統(tǒng)電氣耦合僅采用燃氣輪機,P2G 實現(xiàn)了電能向天然氣的轉(zhuǎn)換。文獻［8］分析了P2G 運行機理。文獻［9-10］證明了P2G 可以促進風電消納。文獻［11］采用P2G 提高削峰填谷能力來減少棄風；文獻［12］進一步分析P2G 對天然氣系統(tǒng)的影響。但目前較少研究P2G 能源耦合特性對用能側(cè)的影響。在用能側(cè),需求響應（demand response,DR）可促進風電消納。DR 已擴展到綜合需求響應（integrated demand response,IDR）。文獻［13］考慮多類型DR 促進風電消納。文獻［14］考慮電熱IDR 解決棄風問題。上述文獻大多考慮電熱負荷,且為橫向時間轉(zhuǎn)移和用能削減,暫未考慮能源耦合替代并影響用戶用能的滿意度,而用能形式轉(zhuǎn)換替代對其影響較小。

在促進風電消納的同時,能效低問題不容忽視,能量梯級利用是提高能效的有效途徑［15］。文獻［16］實現(xiàn)了熱能梯級利用。在IES 中,需要進一步分析異質(zhì)能源替代關(guān)系［17-18］。文獻［19］考慮多能量流優(yōu)化系統(tǒng)運行,節(jié)能效果明顯。隨著氫能的發(fā)展,需研究氫能和不同能源間的耦合替代及梯級利用［20］。目前,主要研究電制天然氣［11］,其效率低于電制氫氣,且暫未考慮氫與電熱間的耦合替代。天然氣管道摻氫具有一定可行性［21］,除將氫氣供應氫燃料電池外,也可考慮供應氫燃料電池汽車。

綜上,本文從利用IDR 促進風電消納和實現(xiàn)能量梯級利用提高能效兩方面考慮,提出一種沿海含P2G 工業(yè)園區(qū)IES 優(yōu)化調(diào)度方法。首先,構(gòu)建了含P2G 的IES 架 構(gòu)；其 次,通 過P2G 挖 掘 氣 負 荷 的 調(diào)度價值,提出了計及多能耦合DR 的電熱氣IDR 模型；然后,挖掘含氫IES 中能量耦合及梯級利用關(guān)系,推導了含P2G 的各能源耦合設備梯級利用轉(zhuǎn)換模型,并結(jié)合氫能實際使用需求,實現(xiàn)氫能高品位利用；最后,計及風電預測誤差,以日運行成本最小為目標構(gòu)建隨機優(yōu)化調(diào)度模型,引入綜合能源利用率及碳排放量作為量化指標,分析了所提調(diào)度模型對促進可再生能源消納和提高能源利用效率的有效性。

1 含P2G 的區(qū)域IES 架構(gòu)

沿海海上風電裝機容量巨大,夜間高發(fā),但用電負荷處在低谷,若不能合理調(diào)度風電出力將導致大量棄風,可在沿海含P2G 的工業(yè)園區(qū)引入電熱泵及電制冷設備。為降低氫氣甲烷化造成的能量損耗,引入氫燃料電池及P2G 余熱回收裝置,改造后的能源耦合設備具有高能效比,且可促進氫能耦合轉(zhuǎn)化,提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性,其架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 含P2G 的區(qū)域IES 架構(gòu)Fig.1 Architecture of regional IES with P2G

在圖1 的架構(gòu)中,上級氣網(wǎng)供應天然氣,上級電網(wǎng)、近海風電及燃氣輪機供應電能,蓄電池與電力網(wǎng)進行電能交互,燃氣輪機與溴冷機構(gòu)成熱電聯(lián)產(chǎn)機組,電解槽及甲烷反應器實現(xiàn)電力與天然氣耦合。電解槽制取的氫氣一部分經(jīng)甲烷反應器生成甲烷注入天然氣系統(tǒng),并對氫氣甲烷化反應熱回收利用供應熱負荷；另一部分存儲在儲氫罐中,供給氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)。燃氣鍋爐燃燒天然氣供熱,尖峰加熱器及吸收式熱泵消耗蒸汽供熱,電熱泵消耗電能供熱,電制冷裝置消耗電能產(chǎn)生冷能,吸收式制冷消耗蒸汽產(chǎn)生冷能。另外,P2G 促進風電消納,氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)的具體運行機理及相關(guān)設備建模見附錄A。若結(jié)合用氫實際需求,采用天然氣管道摻氫并引入氫燃料電池汽車,系統(tǒng)架構(gòu)如附錄B 圖B1所示。

2 電熱氣IDR 模型

IDR 不僅指將電力DR 擴展到電、熱等多種能源形式,還指從用戶能源需求角度深入分析不同能源之間的多能耦合DR。多能耦合DR 是指采用電價DR 后,用電設備相關(guān)聯(lián)的用能需求都會發(fā)生變化。當電價升高時,電能耦合轉(zhuǎn)換為其他能源的部分減少,綜合能源用戶使用其他能源補充受到電價影響的熱冷氣需求缺失部分；當電價降低時,系統(tǒng)更多電能耦合轉(zhuǎn)換為其他能源。

2.1 電負荷DR 建模

電力DR 中價格型DR 可通過電價信號引導用戶調(diào)節(jié)用電方式,優(yōu)化負荷曲線［22］。風電出力與用電負荷峰谷特性不匹配,造成棄風現(xiàn)象嚴重。為此,本文在用能側(cè)采用電價DR 引導用電負荷追隨風電出力變化,提高系統(tǒng)風電消納能力,其模型為:

式中:εij為需求價格彈性系數(shù),i,j=1,2,…,24；Pi和ΔPi分別為i時段電量和其變化量；pj和Δpj分別為j時段電價和其變化量；E為需求彈性矩陣；εff、εpp和εgg分別為峰、平、谷時段的自彈性系數(shù)；εfp和εpf分別為峰-平、平-峰時段的互彈性系數(shù)；εfg和εgf分別為峰-谷、谷-峰時段的互彈性系數(shù)；εpg和εgp分別為平-谷、谷-平時段的互彈性系數(shù)；Pf,0、Pp,0和Pg,0分別為電 價DR 前 峰、平、谷 時 段 的 用 電 負 荷；Pf,1、Pp,1和Pg,1分別為電價DR 后峰、平、谷時段用電負荷；pf,0、pp,0和pg,0分別為響應前峰、平、谷時段電價；Δpf、Δpp和Δpg分別為響應后峰、平、谷時段電價變化量。

為了提高風電與用電負荷的匹配程度,目標函數(shù)采用每一時段電價DR 后用電負荷與風電出力差值在一天時間內(nèi)平方和最小,表達式為:

式中:T為調(diào)度周期；P1(t)為t時段電價DR 后用電負荷；PW(t)為t時段風電出力。

電價DR 模型中,需要對負荷總量、負荷轉(zhuǎn)移量、峰谷電價、用戶的用電滿意度和消費支出滿意度進行約束,具體約束如附錄B 式（B1）至式（B2）所示。

2.2 熱負荷DR 建模

熱負荷包括供暖負荷、蒸汽負荷及熱水負荷,本文設定對熱負荷中的供暖負荷進行DR。在保證舒適度的前提下,室內(nèi)溫度可在一定區(qū)間內(nèi)波動［23］。在負荷高峰時期,可以降低室內(nèi)溫度以減少供暖負荷,進而減少燃氣輪機“以熱定電”的發(fā)電功率,提高系統(tǒng)風電消納能力；在負荷低谷時期,可以適當提升室內(nèi)溫度起到蓄熱作用,優(yōu)化供暖負荷曲線可提升整個IES 經(jīng)濟性?；诮ㄖ锏臒崧纺Ｐ?用戶的室內(nèi)溫度模型為:

式中:Tn(t)和Tw(t)分別為t時段建筑物室內(nèi)和室外溫度；R為建筑物等效熱阻；Ph(t)為t時段建筑物注入熱功率；Cair為建筑物室內(nèi)空氣熱容；Δt為單位調(diào)度時間。

供暖負荷模型可表示為:

式中:N為供暖用戶數(shù)量。

根據(jù)人體舒適度的溫度范圍,室內(nèi)溫度需滿足的約束為:

式中:Tmax、Tmin分別為滿足人體舒適度要求溫度的上、下限。

2.3 電熱氣多能耦合DR 建模

基于熱值等效原理及能量守恒定律,對能源耦合轉(zhuǎn)換負荷建模為:

式中:ΔPechange,1、ΔPechange,2、ΔPechange,3和ΔPechange,4分別為電氣、氣電、電熱及電冷轉(zhuǎn)換引起的電負荷改變量；ΔPgchange,1、ΔPgchange,2分別為電氣、氣電轉(zhuǎn)換引起的氣負荷改變量；ΔPhchange、ΔPcchange分別為電熱轉(zhuǎn)換引起的熱負荷改變量及電冷轉(zhuǎn)換引起的冷負荷改變量；ηeg、ηge、ηeh、ηec分別為電氣、氣電、電熱及電冷轉(zhuǎn)換系數(shù)；ΔPmaxechange、ΔPminechange分別為考慮能源轉(zhuǎn)換后電負荷改變量上、下限。

在負荷側(cè),通過能源耦合設備轉(zhuǎn)換終端用能方式選擇不同的能源形式滿足終端等質(zhì)的能源需求,用戶的舒適度不會發(fā)生變化,IES 運營商不會產(chǎn)生額外的激勵補償成本。通過能源耦合設備將夜間風電或谷-平時段的電能轉(zhuǎn)化為熱、冷、氣等多種能源形式,可以促進系統(tǒng)風電消納,減少IES 從上級氣網(wǎng)的購氣量,提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。本文主要考慮電熱、電冷、電氣用能轉(zhuǎn)換。能量樞紐（energy hub,EH）是一種描述IES 中不同形式能源之間供應、轉(zhuǎn)化、存儲和傳輸?shù)锐詈详P(guān)系的廣義抽象模型。基于圖1 所示的IES 架構(gòu),構(gòu)建EH 模型如附錄B 式（B3）所示。

3 考慮能量梯級利用的IES

基于圖1 所示的IES 架構(gòu),其能量流結(jié)構(gòu)如附錄B 圖B2 所示。

3.1 能量梯級轉(zhuǎn)換模型

通過能量耦合設備可實現(xiàn)不同品位能量間的耦合轉(zhuǎn)化,在高品位能量的驅(qū)動下實現(xiàn)較低品位熱能向較高品位熱能的轉(zhuǎn)化［18］。基于能量守恒定理與熱能比焓定義,可分析不同品位能量及熱能間的多能耦合關(guān)系,在原有數(shù)學模型上進行改寫構(gòu)建梯級利用轉(zhuǎn)換模型。

電熱泵中,電熱及熱能間的多能耦合關(guān)系如附錄B 式（B4）所示,梯級利用轉(zhuǎn)換模型如式（9）所示。

式中:RHP為電熱泵基于比例系數(shù)；HHP,L(t) 和HHP,out(t)分別為t時段電熱泵輸入低溫熱水熱能和輸出中溫熱水熱能；PHP,in(t)為t時段電熱泵輸入的電能；CHP為電熱泵能效比系數(shù)；hbase、hHP,L和hHP,M分別為常溫水、低溫熱水和中溫熱水的比焓。

基于電熱泵梯級利用轉(zhuǎn)換模型的推導過程,可對尖峰加熱器及吸收式熱泵數(shù)學模型進行改寫,如附錄B 式（B5）和式（B6）所示。

3.2 P2G 梯級利用模型

P2G 氫氣甲烷化反應中會放熱,其具體反應過程如附錄B 式（B7）和式（B8）所示。為避免造成資源浪費,本文考慮將反應熱回收利用供應供暖負荷以提高能源利用效率。單位時間內(nèi)氫氣甲烷化反應放熱量計算公式［24］為:

式中:PEC,in(t)和PEC(t)分別為t時段電解槽輸入側(cè)電功率和輸出側(cè)氫氣功率；ηEC為電解槽轉(zhuǎn)化效率；PhP2G(t)為t時段P2G 余熱回收 功率；ηhP2G為P2G 余熱回收效率。

3.3 氫能高品位利用

天然氣管道摻氫時需要考慮如附錄A 式（A1）所示的電解槽制氫環(huán)節(jié)相關(guān)約束以及天然氣管網(wǎng)約束,且向管道中注入的氫氣量不能超過管道中允許的最大的摻氫量以保障天然氣系統(tǒng)的安全運行。燃氣輪機對摻氫比的適用范圍低于5%,經(jīng)調(diào)整和改造后,對摻氫比的適用范圍可提高到5%～10%［25］,本文取摻氫比上限為10%進行分析,具體約束為:

式中:QH2(t)為t時段摻入天然氣管道中的氫氣體積流量；Qg(t)為t時段系統(tǒng)需求的天然氣體積流量；Qgbuy(t)為t時段系統(tǒng)購買天然氣體積流量；φ為天然氣管道摻氫比系數(shù)。

氫燃料電池汽車利用車載燃料電池裝置將氫燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動汽車,其能量剩余情況可定義為荷氫狀態(tài)來表示,具體模型為:

式中:SHV(t)為t時段氫燃料電池汽車荷氫狀態(tài)；BHV為氫燃料電池的額定容量；PHVs(t)和PHVr(t)分別為t時段氫燃料電池汽車充、放氫功率；ηHVs和ηHVr分別為氫燃料電池汽車充、放氫效率；X和Y為t時段0-1 變量,X=1 時,氫燃料電池汽車充氫,Y=1時,氫燃料電池汽車耗氫。

氫燃料電池汽車需滿足充放電功率及荷氫狀態(tài)約束,具體約束如附錄B 式（B9）所示。

4 IES 隨機優(yōu)化調(diào)度模型

為解決風電具有較強的不確定性導致難以準確預測的問題,基于機會約束目標規(guī)劃理論構(gòu)建IES隨機優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1 目標函數(shù)

本文取調(diào)度周期為1 天,等分為24 個時段,以系統(tǒng)運行成本最小為目標建立調(diào)度模型,運行成本包括購能成本CGN、運維成本CYW、環(huán)境成本CHJ、風險成本CFX、備用成本CBY及向氫燃料電池汽車售氫收益CSQ,目標函數(shù)F如式（14）所示,各項成本具體計算公式如附錄B 式（B10）所示。

4.2 約束條件

1）備用容量機會約束

在IES 隨機優(yōu)化調(diào)度模型中,電功率平衡的確定性約束條件被備用容量機會約束條件替代,表達式為:

式中:Pr(?)為概率運算函數(shù)；Pebuy(t)為t時段的購電功率；P2(t) 為t時段考慮IDR 后的電負荷；PRE,in(t)為t時段電制冷耗電功率；PGT(t)為t時段燃氣輪機輸出電功率；PeHFC(t)為t時段氫燃料電池輸出電功率；PESs(t)和PESr(t)分別為t時段蓄電池充、放電功率；dload(t)和dwind(t)分別為t時段失負荷風險和棄風風險；Presu(t)和Presd(t)分別為系統(tǒng)正備用和負備用容量；β為備用容量機會約束置信水平；eW(t)為t時段風電預測誤差函數(shù),采用正態(tài)分布擬合［26］。

式（15）中,隨機變量為風電預測誤差,在給定置信水平時,將機會約束由不確定形式轉(zhuǎn)化為確定性約束如式（16）所示。其依據(jù)定理如附錄B 式（B11）和式（B12）所示。

式中:?(?)為概率分布函數(shù)。

2）多能耦合關(guān)系約束

在采用P2G 技術(shù)將甲烷注入天然氣系統(tǒng)時,電解槽、甲烷反應器及儲氫罐部分多能耦合關(guān)系約束為:

式中:PMR,in(t)為t時段甲烷反應器輸入側(cè)氫氣功率；PH2,in(t)和PH2,out(t)分別為t時段儲氫罐充、放氣功率；PHFC,in(t)為t時段氫燃料電池輸入氫氣功率。

將電制氫氣摻入天然氣管道并采用氫燃料電池汽車替代儲氫罐及氫燃料電池時,多能耦合關(guān)系約束為:

式中:LH2為氫氣的低熱值。

除上述約束外,系統(tǒng)還需滿足功率平衡約束、設備運行、購電購氣及儲能設備約束,如附錄B 式（B13）至式（B16）所示。

4.3 IES 評價指標

為全面分析能量利用過程中不同能量傳遞、轉(zhuǎn)變、品位降低的情況,本文通過引入能質(zhì)系數(shù)對能源利用方式中的所有環(huán)節(jié)進行量化評價［27］,得到系統(tǒng)綜合能源利用率ηECC為:

式中:Pout(t)和Pin(t)分別為t時段總的輸出功率和輸 入 功 率；λe、λs、λh、λc、λW、λg和λH分 別 為 電 能、蒸汽、熱水、冷能、風能、天然氣和氫能的能質(zhì)系數(shù),其中,熱水包含高溫熱水和中溫熱水；Pe,al(t)、Ps,al(t)、Ph,al(t)、Pc,al(t)和PH,al(t)分別為t時段總的電負荷、蒸汽負荷、熱水負荷、冷負荷和氫燃料電池汽車構(gòu)成的氫負荷；Lg為天然氣的低熱值。

雙碳目標下,需構(gòu)建清潔低碳的能源體系,為此引入碳排放量指標。本文計及從主電網(wǎng)購電以及燃氣輪機產(chǎn)生的碳排放量、天然氣管道摻氫和氫氣甲烷化的減碳效益。根據(jù)附錄B 式（B17）和式（B18）可得到氫氣甲烷化消耗的二氧化碳質(zhì)量,最終得到IES 碳排放量如式（20）所示。

式中:ECE為系統(tǒng)的碳排放量；ηcee和ηceg分別為主電網(wǎng)和燃氣輪機的碳排放系數(shù)；QGT(t)為t時段燃氣輪機需求的天然氣體積流量；ηGT為燃氣輪機氣電轉(zhuǎn)換效率；MCO2(t)為P2G 設備吸收的二氧化碳質(zhì)量；a1、a2為 參 數(shù),0 ≤a1+a2≤1,a1=1 時,甲 烷 反 應器生成甲烷注入天然氣管道,a2=1 時,電制氫氣注入天然氣管道。

5 算例分析

本文以中國江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)為研究對象進行分析,各機組及儲能設備參數(shù)如附錄C 表C1 和表C2 所示。主要污染物排放及處理費用［7］以及與主網(wǎng)間購能價格如表C3 和表C4 所示。各能源能質(zhì)系數(shù)［27-29］如表C5 所示。系統(tǒng)負荷與可再生能源出力預測結(jié)果如圖C1 所示。系統(tǒng)其他相關(guān)參數(shù)見附錄D。

為驗證所提調(diào)度方法的有效性,設置6 種調(diào)度方案。方案1 為傳統(tǒng)三聯(lián)供供能結(jié)構(gòu)；方案2 為考慮電熱IDR；方案3 為考慮計及電熱氣多能耦合DR的IDR；方案4 為進一步采用電熱耦合梯級利用供能結(jié)構(gòu)；方案5 為在方案4 基礎(chǔ)上采用氫燃料電池進行熱電聯(lián)產(chǎn)并計及P2G 余熱回收；方案6 為電制氫氣摻入天然氣管道并引入氫燃料電池汽車。

5.1 IDR 促進風電消納調(diào)度結(jié)果分析

方案1 的調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C2 所示。由圖C2 可知,棄風風險較大,調(diào)度成本較高。在隨機優(yōu)化調(diào)度模型中,機組出力的優(yōu)化結(jié)果加上正、負備用容量后,以一定的置信度滿足機會約束條件。圖C2中的總輸出電功率與總電力負荷之間的功率差額由系統(tǒng)預留的正、負備用功率進行平衡,保障系統(tǒng)運行的安全可靠性。

方案2 中,系統(tǒng)內(nèi)部售電電價優(yōu)化為峰谷分時電價,電功率調(diào)度、電負荷轉(zhuǎn)移及供暖調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C3 至圖C5 所示。在夜間風電高發(fā)時段,電價處在低谷,增加用電負荷,并降低此時段供暖負荷以減少熱電聯(lián)供的發(fā)電功率,促進系統(tǒng)風電消納。07:00—16:00 為 平 電 價 時 段,在07:00—12:00 時段,電負荷較小,降低室內(nèi)溫度為系統(tǒng)供電不足時提升用熱空間；在13:00—16:00 時段,電負荷較大,提高室內(nèi)溫度以增加燃氣輪機發(fā)電功率,降低系統(tǒng)購電成本。在風電低發(fā)時段,峰時電價引導負荷轉(zhuǎn)移,降低系統(tǒng)用電高峰時段的供電壓力,并且提高室內(nèi)溫度以增加燃氣輪機發(fā)電功率,減少系統(tǒng)購電。此時,用戶的用電滿意度和消費支出滿意度分別為0.944 8 和0.966 3,滿足電價DR 滿意度下限約束。

方案3 的調(diào)度結(jié)果如圖2 所示。在23:00—24:00 和01:00—06:00 時段,風電高發(fā),能源耦合設備包括電熱泵、電制冷及P2G 設備將夜間風電轉(zhuǎn)化為熱能、冷能及天然氣,促進系統(tǒng)風電消納,將轉(zhuǎn)化的天然氣供給燃氣輪機,降低了系統(tǒng)向上級氣網(wǎng)的購氣量。在07:00—11:00 時段,系統(tǒng)仍存在棄風時,調(diào)用能源耦合設備消納系統(tǒng)多余的風電。能源耦合轉(zhuǎn)換對用戶用能滿意度影響較小,用戶傾向于選擇能源耦合轉(zhuǎn)換參與IDR。

圖2 方案3 電功率調(diào)度結(jié)果Fig.2 Dispatch results of electric power in scheme 3

5.2 能量梯級利用調(diào)度結(jié)果分析

方案4 的調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C6 所示。相較于圖C7 所示的方案2 冷熱功率調(diào)度結(jié)果,方案4 考慮尖峰加熱器及吸收式熱泵能量梯級利用模型后,實現(xiàn)了在高品位熱能驅(qū)動下不同品位熱能間的耦合轉(zhuǎn)換,提高了能源轉(zhuǎn)換設備能效比,減少了各時段的蒸汽需求。尖峰加熱器根據(jù)高溫熱水的供能需求調(diào)節(jié)供熱量,通過提高能效比,降低了消耗的蒸汽量。在23:00—24:00 和01:00—09:00 時段,增加了電熱泵供應中溫熱水,考慮電熱泵及吸收式熱泵能量梯級利用模型提高了能效比,考慮尖峰加熱器能量梯級利用增加了中溫熱水負荷。冷水調(diào)度結(jié)果中增加電制冷供能,實現(xiàn)了高效的電冷耦合轉(zhuǎn)換。

5.3 P2G 相關(guān)設備運行分析

方案5 的P2G 相關(guān)設備出力如圖3 所示。電功率及供暖調(diào)度結(jié)果分別如附錄C 圖C8 和圖C9 所示。由圖3、圖C9 可知,P2G 出力處于風電高發(fā)及電價谷平時段,在01:00—05:00 時段,熱負荷較高；在18:00—19:00 時段,電負荷較高。氫燃料電池利用部分氫氣進行熱電聯(lián)產(chǎn),降低了將電轉(zhuǎn)氫氣再轉(zhuǎn)天然氣的多級轉(zhuǎn)化造成的能量損耗。在23:00—24:00 和07:00—09:00 時段,將氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣供給燃氣輪機,并對反應余熱進行回收供應供暖負荷以提高能效,氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)及P2G余熱回收供應供暖負荷解耦了熱電聯(lián)供機組“以熱定電”的運行約束,增加了系統(tǒng)運行的靈活性。

圖3 方案5 的P2G 相關(guān)設備出力Fig.3 Output of related P2G equipment in scheme 5

方案6 的P2G 相關(guān)設備出力如圖4 所示。由圖4 可知,P2G 出力主要處于風電高發(fā)及電價谷-平時段,并將電制氫大部分注入天然氣系統(tǒng)。氫燃料電池汽車在01:00—05:00 時段充能,消耗風電轉(zhuǎn)化的部分氫氣；在21:00—22:00 時段耗能,該用戶可根據(jù)出行習慣,合理安排充能時間。

圖4 方案6 P2G 相關(guān)設備出力Fig.4 Output of related P2G equipment in scheme 6

5.4 調(diào)度成本及效益評估

6 種方案的調(diào)度成本如表1 所示。由表1 可知,隨著調(diào)度方案的改進,除備用成本外,各運行成本均有大幅降低。方案5 由于部分氫氣不再經(jīng)過轉(zhuǎn)化注入天然氣系統(tǒng),購氣成本較方案4 有小幅上升,氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)擠占了部分風電消納空間,系統(tǒng)棄風風險較方案4 升高了5.81%,但減少了系統(tǒng)購電量,降低了系統(tǒng)環(huán)境成本。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加,方案5 中P2G 配置容量增大,可完全消除系統(tǒng)棄風風險,進一步降低環(huán)境成本。方案6 的經(jīng)濟性提高最為顯著,總成本降低了13.39%。從總體來看,所提調(diào)度方案具有良好的經(jīng)濟及環(huán)保效益。

表1 各方案調(diào)度成本Table 1 Dispatch cost of different schemes

6 種方案的效益評估如表2 所示。方案5 較方案1 的能效提升了7.80%,有效提升了系統(tǒng)能效。方案5 較方案1 的碳排放量減少了19.54%,但較方案4 的碳排放量增加了1.95%,這是由于部分氫氣直接經(jīng)氫燃料電池進行熱電聯(lián)產(chǎn),減少了二氧化碳的消耗量。方案6 相較于方案5,將氫氣摻入天然氣管道,減少了氫氣甲烷化造成的能量損耗,并將部分氫能供給氫燃料電池汽車使用,相較于氫燃料電池電氫電的能量轉(zhuǎn)化效率更高,系統(tǒng)能效提高了0.78%,天然氣管道摻氫減少了燃氣輪機的碳排放量,系統(tǒng)碳排放量減少了0.26%。從總體來說,所提調(diào)度方案有效地降低了系統(tǒng)碳排放量。

表2 各方案效益評估Table 2 Efficiency evaluation of different schemes

6 結(jié)語

本文針對海上風電并網(wǎng)難以消納的問題及沿海含P2G 的工業(yè)園區(qū)IES 能效偏低的問題,提出了一種考慮IDR 和能量梯級利用的IES 優(yōu)化調(diào)度方法,通過算例分析,得到如下結(jié)論:

1）采用計及多能耦合DR 的電熱氣IDR,充分協(xié)調(diào)了源荷兩側(cè)的可調(diào)度資源,提高了系統(tǒng)的靈活運行能力,有效降低了系統(tǒng)的棄風風險。

2）構(gòu)建各能源耦合設備梯級利用供能結(jié)構(gòu),實現(xiàn)氫能高品位利用,充分發(fā)揮了不同能量間的互補優(yōu)勢,提高了系統(tǒng)綜合能效,具有良好的經(jīng)濟效益。

3）進行天然氣管道摻氫并引入氫燃料電池汽車,增加了系統(tǒng)售氫收益,降低了系統(tǒng)碳排放量,提高了系統(tǒng)的能源利用效率,但受限于天然氣管道摻氫比上限約束,隨著天然氣管道摻氫技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)效益會愈加明顯。

4）建立IES 隨機優(yōu)化調(diào)度模型,考慮了風電預測誤差,系統(tǒng)預留了一定的備用容量,有效提高了系統(tǒng)運行的可靠性。

在后續(xù)的研究中,將根據(jù)各能流網(wǎng)絡的時間特性與不同能量轉(zhuǎn)換設備的響應速度,研究不同優(yōu)化周期對IES 運行調(diào)度的影響。

本文研究得到智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室項目(SGNR0000KJJS2200296)的資助，特此感謝！

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