考慮兩階段電轉(zhuǎn)氣的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

陳維榮，冉韻早，韓 瑩，李 奇

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ).針對能源型經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的目標(biāo)，提出了開發(fā)新能源、減少環(huán)境污染、提高能源利用率的理念，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)已成為了近年研究熱點(diǎn)[1-3].相較于傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)含有多種能源類型，不同能源互補(bǔ)耦合，基于能量梯級(jí)利用原則進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化[4-5].目前，針對含有電轉(zhuǎn)氣（P2G）環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)已有較多研究：文獻(xiàn)[6]建立了含P2G 的電-熱系統(tǒng)風(fēng)電消納優(yōu)化運(yùn)行模型，對比采用P2G 設(shè)備前后和不同風(fēng)電占比下風(fēng)電利用率及效益；文獻(xiàn)[7]分析了電、氣、熱需求響應(yīng)及P2G、儲(chǔ)能設(shè)備接入對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的影響；文獻(xiàn)[8]建立了電-氣-熱-冷聯(lián)供的微型能源網(wǎng)模型，并在考慮P2G收益的基礎(chǔ)上進(jìn)行日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度；文獻(xiàn)[9]提出了一種考慮需求響應(yīng)的含P2G 電-氣綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型.上述研究中，P2G 環(huán)節(jié)均采用電轉(zhuǎn)天然氣模型，利用P2G 產(chǎn)生的天然氣供給系統(tǒng)中氣負(fù)荷使用.實(shí)際上P2G 環(huán)節(jié)從原理上分為2 個(gè)階段：一為電解水制氫氣，二為氫氣進(jìn)一步與碳基原料反應(yīng)合成甲烷[10].而電轉(zhuǎn)氫氣這一中間過程具有更高的轉(zhuǎn)換效率[11].且隨著氫燃料電池汽車等的推廣，含有氫負(fù)荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（RIES）日益受到重視[12].因此，本文建立“電-氣-熱-儲(chǔ)-氫”區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，并綜合考慮P2G 的2 階段模型，將一階段制得的氫氣供給區(qū)內(nèi)的氫負(fù)荷使用.

隨著新能源的日益發(fā)展，風(fēng)電光伏發(fā)電場的建設(shè)裝機(jī)容量不斷增加，但由于其與電網(wǎng)建設(shè)不同步、調(diào)峰能力不匹配，導(dǎo)致棄風(fēng)棄光現(xiàn)象較為明顯[13-14].同時(shí)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)耦合情況復(fù)雜，因此優(yōu)化調(diào)度問題成為核心問題之一.針對不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)度問題，文獻(xiàn)[15]對“以熱定電”導(dǎo)致的棄風(fēng)現(xiàn)象及運(yùn)行成本較高問題，提出基于熱電聯(lián)供（CHP）靈活熱電比的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法；文獻(xiàn)[16]提出了一種多目標(biāo)電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，采用多目標(biāo)細(xì)菌群體驅(qū)藥性算法進(jìn)行求解，對系統(tǒng)風(fēng)電消納的效果進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[17]針對風(fēng)電消納問題進(jìn)行研究，考慮電鍋爐、電轉(zhuǎn)氣技術(shù)、儲(chǔ)能設(shè)備，利用Mosek 求解器求解.文獻(xiàn)[18-21]介紹了可轉(zhuǎn)移負(fù)荷以及需求側(cè)響應(yīng)在系統(tǒng)能量管理方面的相關(guān)研究.由于甲烷化反應(yīng)器、電解槽、儲(chǔ)氫罐和儲(chǔ)氣罐等裝置的引入，本文“電-氣-熱-儲(chǔ)-氫”RIES的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與能量耦合情況將更為復(fù)雜，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式的特殊性，需求側(cè)響應(yīng)影響以及建立優(yōu)化調(diào)度模型問題有待深入研究.因此，本文針對電-氣-熱-儲(chǔ)-氫耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，提出考慮兩階段P2G 模型的RIES 優(yōu)化調(diào)度方法，以最小日運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)，充分考慮各方面約束條件，利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法求解優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，并開展不同季節(jié)、是否含P2G 環(huán)節(jié)、是否考慮需求側(cè)響應(yīng)影響因素下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，為RIES 合理運(yùn)行提供科學(xué)可靠的依據(jù).

1 考慮P2G 兩 階段模型的 電-氣-熱-儲(chǔ)-氫RIES 模型

1.1 系統(tǒng)模型

考慮含P2G 兩階段模型的“電-氣-熱-儲(chǔ)-氫”區(qū)域綜合能源系統(tǒng)可用圖1 結(jié)構(gòu)描述，主要包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐、電（氣、熱、氫）能源類型的負(fù)荷和儲(chǔ)能設(shè)備、P2G環(huán)節(jié).

圖1 “電-氣-熱-儲(chǔ)-氫”區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated energy system structure of electricity-gasheat-storage-hydrogen coupling area

1.1.1 傳統(tǒng)設(shè)備模型1）燃?xì)忮仩t燃?xì)忮仩t是以天然氣為燃料，并將其轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備.其數(shù)學(xué)模型如式（1）所示.

式中：Ph,GB(t)、Pg,GB(t)分別為燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱功率、天然氣消耗功率，ηGB為燃?xì)廨啓C(jī)的制熱效率，t為時(shí)刻.

2）電鍋爐

電能經(jīng)電鍋爐轉(zhuǎn)換成熱能，其制熱功率為

式中：Ph,EB(t)、Pe,EB(t)分別為電鍋爐的產(chǎn)熱功率、耗電功率，ηEB為電鍋爐的制熱效率.

3）燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)能夠?qū)⑻烊粴獾哪芰哭D(zhuǎn)化為電能及熱能，其電、熱輸出功率與天然氣輸入功率間均存在近似線性的關(guān)系，數(shù)學(xué)模型如式（3）所示.

式中：Pg,GT(t)為燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣功率，Pe,GT(t)、Ph,GT(t)分別為時(shí)刻t燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率和產(chǎn)熱功率，ηe,GT、ηh,GT分別為燃?xì)廨啓C(jī)輸出電能、熱能的效率，ηloss,GT為熱能自耗散率.

1.1.2 電、熱儲(chǔ)能設(shè)備模型

儲(chǔ)能設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行過程中對多余能量進(jìn)行儲(chǔ)存，并在功率缺額時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，具有能量緩沖、平抑功率波動(dòng)、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度.

電、熱儲(chǔ)能設(shè)備的充放能量為

式中：k∈{e,h}，e、h 分別代表電、熱儲(chǔ)能設(shè)備；ηloss,k為自耗能率；Pch,k(t)、Pdis,k(t)分別為時(shí)刻t的設(shè)備充、放電功率；ηch,k、ηdis,k分別為儲(chǔ)能的充、放能效率；Δt為步長，取1 h.

1.1.3 P2G 2 階段模型

本文構(gòu)建了一種聯(lián)合制氫與制甲烷的2 階段P2G 模型，其流程如圖2 所示.第1 階段為電轉(zhuǎn)氫階段，進(jìn)行電解水反應(yīng)，使用的電能主要是風(fēng)力發(fā)電高峰期而電負(fù)荷相對較低時(shí)富余的電能，生成的H2中一部分注入儲(chǔ)氫罐并供給氫燃料電池車負(fù)荷；另一部分富余H2進(jìn)入第2 階段，即制甲烷階段，進(jìn)行甲烷化反應(yīng)進(jìn)一步制得CH4，注入儲(chǔ)氣罐并供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的天然氣負(fù)荷.

圖2 P2G 2 階段模型Fig.2 Two-stage P2G model

1）制氫階段

電解槽制氫量的數(shù)學(xué)模型如式（5）所示.

由于儲(chǔ)氫罐前、后壓縮機(jī)的精細(xì)模型對系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響較小，因此，主要關(guān)注氫氣的存儲(chǔ)過程.儲(chǔ)氫設(shè)備數(shù)學(xué)模型表示為

式中：EHT(t)為時(shí)刻t氫儲(chǔ)存容量（kmol）；Ein,HT(t)、Eout,HT(t)分別為時(shí)刻t存入、輸出氫氣的量（kmol）.

2）制甲烷階段

氫氣通過甲烷化反應(yīng)器轉(zhuǎn)化為天然氣，儲(chǔ)氣罐模型同式（4），同時(shí)采用式（7）的固定效率簡化模型描述甲烷化反應(yīng).

式中：Pg,M(t)為時(shí)刻t甲烷化反應(yīng)的天然氣功率（kW），為時(shí)刻t輸入甲烷化反應(yīng)器的氫量（kmol），HL為天然氣低熱值（kW/m3）， κ 為氣體密度（kg/m3），ηM為運(yùn)行效率.

1.2 激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)模型

1.2.1 需求側(cè)響應(yīng)模型的目標(biāo)函數(shù)

采用激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)，通過調(diào)整可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的用電時(shí)間，使其與可再生能源發(fā)電在時(shí)序上更加貼合，進(jìn)一步減少能源購買成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性.其目標(biāo)函數(shù)為

式中：T為調(diào)度周期，取T=24 h，PDG(t)為時(shí)刻t可再生能源的輸出功率，Lload(t)、Ldr(t)分別為時(shí)刻t響應(yīng)前、后負(fù)荷大小，Ldr_in(t)、Ldr_out(t)分別為時(shí)刻t負(fù)荷轉(zhuǎn)入量、轉(zhuǎn)出量.

1.2.2 需求側(cè)響應(yīng)模型的約束條件

1）負(fù)荷轉(zhuǎn)移量約束

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，任一時(shí)刻下的實(shí)際負(fù)荷轉(zhuǎn)移量均應(yīng)不大于最大負(fù)荷轉(zhuǎn)移量，且在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入的負(fù)荷總量應(yīng)相等，以維持總負(fù)荷需求不變，故約束條件可表示為

式中：mdr(t)、Mdr(t)分別為時(shí)刻t的負(fù)荷轉(zhuǎn)移容量和最大負(fù)荷可轉(zhuǎn)移容量.

2）負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)段約束

負(fù)荷轉(zhuǎn)移只能在一個(gè)調(diào)度周期T內(nèi)進(jìn)行，即

式中：tin、tout分別為負(fù)荷轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出時(shí)刻.

2 考慮P2G 2 階段模型的“電-氣-熱-儲(chǔ)-氫”RIES 優(yōu)化調(diào)度方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

針對電-氣-熱-氫耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度問題，從系統(tǒng)運(yùn)營商角度出發(fā)，以日運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)為目標(biāo).目標(biāo)函數(shù)F除包括購電成本Cbuye(t)、購氣成本Cbuyg(t)外，還考慮棄風(fēng)懲罰成本Ccurw(t)、棄光懲罰成本Ccurp(t)，以體現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象對系統(tǒng)的影響，以及針對需求側(cè)響應(yīng)的補(bǔ)貼成本Cdr(t)，如式（11）所示.

2.2 約束條件

1）系統(tǒng)功率平衡約束

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需滿足電、氣、熱、氫4 種能源的能量平衡約束，即

式中：Le(t)、Lg(t)、Lh(t)、LH2(t)分別為電負(fù)荷、天然氣負(fù)荷、熱負(fù)荷、氫負(fù)荷功率；Pe,net(t)、Pwt(t)、Ppv(t)、Pe,GT(t)、Pe,EB(t)、PEL(t)、Pch,e(t)、Pdis,e(t)分別為購電功率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率、光伏系統(tǒng)功率、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率、電鍋爐耗電功率、電解槽耗電功率、蓄電池充電功率和放電功率；Pg,net(t)、Pg,GT(t) (Pg,GB(t)/Pg,M(t))、Pg,ch(t)、Pg,dis(t)分別為購氣功率、燃?xì)廨啓C(jī)（燃?xì)忮仩t/甲烷化反應(yīng)）耗氣功率、儲(chǔ)氣設(shè)備充氣功率和放氣功率；Ph,GB(t)(Ph,GT(t)/Ph,EB(t))、Ph,ch(t)、Ph,dis(t)分別為燃?xì)忮仩t（燃?xì)廨啓C(jī)/電鍋爐）產(chǎn)熱功率、儲(chǔ)熱設(shè)備充熱功率和放熱功率；EH2,EL為甲烷化反應(yīng)電解槽產(chǎn)氫量.

2）可再生能源出力約束

光伏、風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的輸出功率Pwt(t)、Ppv(t)均不能超過其預(yù)測輸出功率值，故約束條件為

式中：Pf,wt(t)、Pf,pv(t)分別為系統(tǒng)光伏、風(fēng)機(jī)的預(yù)測最大輸出功率.

3）電/燃?xì)忮仩t約束

電鍋爐、燃?xì)忮仩t在實(shí)際運(yùn)行過程中，需滿足額定功率約束及爬坡約束，即

式中：Pe,EB,rated(t)、Pg,GB,rated(t)分別指系統(tǒng)中電鍋爐、燃?xì)忮仩t的額定功率，Rg,EB,up、Rg,EB,down分別為電鍋爐的爬坡功率上、下限，Rg,GB,up、Rg,GB,down分別為燃?xì)忮仩t的爬坡功率上、下限.

4）燃?xì)廨啓C(jī)約束

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中需滿足額定功率約束及爬坡約束，即

式中：Pg,GT,rated(t)為系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)的額定功率，Rg,GT,up、Rg,GT,down分別指燃?xì)廨啓C(jī)的爬坡上、下限.

5）電解槽約束

電解槽運(yùn)行過程中需滿足其上、下限功率約束，即

式中：PEL,min、PEL,max分別為電解槽運(yùn)行功率的下、上限；uEL(t)為0-1 變量，表示電解槽時(shí)刻t的啟停狀態(tài)，uEL(t)=1 即表示電解槽此時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，uEL(t)=0即表示電解槽此時(shí)處于停機(jī)狀態(tài).

6）甲烷化反應(yīng)器約束

式中：EH2,M,min、EH2,M,max分別指甲烷化反應(yīng)器耗氫量的下、上限；uM(t)為0-1 變量，表示甲烷化反應(yīng)器t時(shí)刻的啟停狀態(tài)，uM(t)=1 表示啟動(dòng)，反之表示停機(jī).

7）儲(chǔ)電/熱/氣設(shè)備

電、熱、氣儲(chǔ)能設(shè)備需滿足上、下限約束，避免過度充放能影響設(shè)備壽命.同時(shí)，為了給下一調(diào)度周期預(yù)留一定的調(diào)節(jié)裕量，使得在下一個(gè)調(diào)度周期開始時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備能夠滿足系統(tǒng)充放能要求，所以將運(yùn)行一個(gè)調(diào)度周期T后的儲(chǔ)能容量恢復(fù)到初始狀態(tài).此外，考慮到同一時(shí)刻儲(chǔ)能裝置不能同時(shí)充放能，所以任一時(shí)刻充放能功率都必有一個(gè)為0.故相關(guān)約束條件為

式中：κ∈{e,h,g}，g 代表氣設(shè)備；Pch,κ(t)、Pdis,κ(t)分別為儲(chǔ)能設(shè)備κ充、放能功率；uκ(t)、vκ(t)均為0-1 變量，表示時(shí)刻t儲(chǔ)能設(shè)備κ的充、放能狀態(tài)，當(dāng)uκ(t)=0 時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備不充能，反之則充能；vκ(t)=0 時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備不放能，反之則放能；同一時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備不能同時(shí)充、放能；Eκ,min、Eκ,max分別為κ儲(chǔ)能設(shè)備允許容量下、上限；Pch,κ,max、Pdis,κ,max分別為儲(chǔ)能設(shè)備κ充能和放能功率的最大值.

8）儲(chǔ)氫罐

儲(chǔ)氫罐也需滿足上、下限約束及調(diào)度周期T內(nèi)充放氫總量相等，即

式中：Eout,HT,max、Ein,HT,max分別為各時(shí)刻儲(chǔ)氫罐注入、輸出的氫氣最大值，EHT,min、EHT,max分別為儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存容量上、下限，EHT(0)和EHT(T)分別為當(dāng)前優(yōu)化調(diào)度周期的初時(shí)刻儲(chǔ)氫量與末時(shí)刻儲(chǔ)氫量.

9）外部網(wǎng)絡(luò)交互功率約束

在本研究中，僅考慮從外部電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)購入能量，不考慮向外部電網(wǎng)售出能量.系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)間聯(lián)絡(luò)線上的傳輸功率有如下關(guān)系：

式中：Pg,net(t)、Pe,net(t)分別為購氣功率和購電功率；Pg,net,max(t)、Pe,net,max(t)分別為購氣和購電功率的最大值.

2.3 求解流程

電-氣-熱-儲(chǔ)-氫耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中耦合了多種類型的設(shè)備，其優(yōu)化變量眾多，本質(zhì)為混合整數(shù)規(guī)劃（MILP）問題.因此，搭建系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型后，利用數(shù)學(xué)優(yōu)化工具包YALMIP 建模求解，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)多種設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度.

1）輸入數(shù)據(jù)：根據(jù)冬季、夏季典型日的風(fēng)光資源條件，輸入其風(fēng)力、光伏發(fā)電預(yù)測值及其相應(yīng)的各類型負(fù)荷數(shù)據(jù)；輸入各設(shè)備模型的相關(guān)數(shù)據(jù)信息.

2）定義優(yōu)化調(diào)度決策變量：定義一個(gè)決策變量矩陣P，第1～24 列分別代表1 d 的24 個(gè)時(shí)段.

表1 算例場景設(shè)置Tab.1 Scenario settings

3）設(shè)定優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)：日運(yùn)行成本最優(yōu).

4）設(shè)定優(yōu)化調(diào)度約束條件：結(jié)合各設(shè)備模型及系統(tǒng)功率平衡原則分別建立相應(yīng)的約束條件，并輸入微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型.

5）求解參數(shù)設(shè)置：設(shè)置求解算法，對決策變量矩陣P進(jìn)行求解.

6）輸出結(jié)果：通過優(yōu)化算法求解輸出滿足系統(tǒng)所有約束條件下的最低日運(yùn)行成本以及相應(yīng)的系統(tǒng)最佳優(yōu)化調(diào)度策略.

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

本文采用的冬季典型日電、氣、熱、氫負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖3，夏、冬季典型日熱負(fù)荷值比例取為1∶4.分時(shí)電價(jià)與天然氣價(jià)如圖4 所示.風(fēng)光出力預(yù)測數(shù)據(jù)如圖5 所示.

圖3 冬季典型日負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)Fig.3 Predicted data of normal daily load in winter

圖4 電價(jià)與天然氣價(jià)Fig.4 Electricity and gas prices

圖5 冬季典型日風(fēng)光出力預(yù)測數(shù)據(jù)Fig.5 Predicted normal output data of wind turbine and photovoltaic system in winter

為研究P2G 對系統(tǒng)的影響，本文按照是否含有P2G 環(huán)節(jié)的冬、夏季節(jié)設(shè)置4 個(gè)場景分析系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，具體場景見表1.

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

加入P2G 環(huán)節(jié)顯著減少了系統(tǒng)日運(yùn)行成本，提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，不同場景下的系統(tǒng)運(yùn)行成本見表2.

表2 不同場景下的系統(tǒng)運(yùn)行成本Tab.2 Operating costs in different scenarios 元

1）購電購氣成本

分別對比場景1、2、3、4，購電購氣成本均有不同程度的降低.其中購氣成本降幅更大，場景2 較場景1 減少442.8 元，場景4 較場景3 減少873.3 元，分別節(jié)省總成本的7.55%和28.86%.對比可知，加入P2G 環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)將多余電能轉(zhuǎn)化為天然氣以滿足氣負(fù)荷，降低購氣成本，尤其是在10：00—15：00的風(fēng)光發(fā)電高峰時(shí)段.由于夏季熱負(fù)荷需求降低，鍋爐出力減少，更多的棄風(fēng)量被P2G 環(huán)節(jié)利用，所以場景4 購氣成本較場景2 節(jié)約比例更大.

2）購氫成本

場景1 和場景3 不含P2G 環(huán)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)氫負(fù)荷需求全部由加氫站購氫滿足，氫負(fù)荷一天內(nèi)的總量約為53.98 kg，則購氫成本固定為1 079.6 元，分別占場景1 和場景3 總?cè)者\(yùn)行成本的12.47%和18.81%.

3）棄風(fēng)棄光成本

由圖3、5 可知：夜間0：00—6：00 電負(fù)荷需求較低，均小于1.0 MW，而此時(shí)風(fēng)力發(fā)電出力最大可達(dá)3.5 MW，因此，夜間產(chǎn)生較大棄風(fēng)量，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較差；日間電負(fù)荷需求于日間11：00—15：00 明顯降低，此時(shí)風(fēng)電出力趨于穩(wěn)定，且光伏出力處于高峰，故午間產(chǎn)生較嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象.綜上，場景1、3 由于缺少P2G 環(huán)節(jié)，都存在較嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象和一定的棄光現(xiàn)象，而場景2、4 加入P2G 后，風(fēng)光能源均得到良好利用，棄風(fēng)棄光成本大幅降低.

3.3 棄風(fēng)棄光現(xiàn)象分析

圖6 和圖7 為各場景下風(fēng)光利用情況.對于場景1、3，午間時(shí)段光照較強(qiáng)，產(chǎn)生一定的棄光量，風(fēng)機(jī)不出力；夜間低負(fù)荷時(shí)段，出現(xiàn)大量棄風(fēng)，日棄風(fēng)量分別為45.26%和58.73%.場景2、4 消除了棄光現(xiàn)象，僅在01：00—03：00 和20：00—23：00 時(shí)間段存在少量棄風(fēng)，棄風(fēng)率降低到0.44%和2.04%.對比場景1、3，夏季熱負(fù)荷需求較冬季更低，棄風(fēng)棄光量更多，加入P2G 環(huán)節(jié)后消納棄風(fēng)棄光效果更顯著.綜上，加入P2G 后電-氣-氫-儲(chǔ)-熱RIES 能有效消納棄風(fēng)棄光可再生能源，顯著減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象.

圖7 光伏出力及光伏利用率Fig.7 Optimal output of photovoltaic system and its utilization

3.4 出力結(jié)果分析

以系統(tǒng)日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)求解得優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，以冬季場景為例進(jìn)行分析，圖8、9 分別為場景1、2 的電、氣、熱功率平衡圖.

圖8 場景1 的功率平衡圖Fig.8 Balance of power in scenario 1

由圖8 可以看出：場景1 在此時(shí)段內(nèi)盡管電鍋爐也滿載運(yùn)行，但由于缺少電解水制氫，仍無法消納大量的棄風(fēng)棄光量；只有蓄電池少量儲(chǔ)放電對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；由于場景1 缺少制甲烷環(huán)節(jié)和儲(chǔ)氣罐，系統(tǒng)日購氣量一直保持在較高值，以滿足氣負(fù)荷的需求.觀察圖9 可以看出：10：00—15：00 時(shí)段，由于光伏出力達(dá)高峰且電負(fù)荷需求有所減少，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備出力增加滿足氣負(fù)荷需求，購氣量減少；熱負(fù)荷需求降低，燃?xì)忮仩t出力減少，購電僅出現(xiàn)在16：00—21：00 時(shí)間段內(nèi)，是由于此時(shí)段內(nèi)電負(fù)荷需求達(dá)到峰值，各設(shè)備無法滿足其需求，故從外部購電來滿足此功率缺額；場景2 在01：00—16：00及22：00—24：00 時(shí)段系統(tǒng)均未從外部購電，燃?xì)廨啓C(jī)不出力，電鍋爐滿載運(yùn)行，同時(shí)P2G 環(huán)節(jié)出力制氫制甲烷.由圖5 可知：風(fēng)光出力之和在此時(shí)段內(nèi)均保持較高水平，因此，存在富余電能供給電鍋爐和P2G 環(huán)節(jié)以減少棄風(fēng)棄光量，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性；燃?xì)忮仩t出力滿足剩余熱負(fù)荷需求，甲烷化反應(yīng)補(bǔ)充供氣.各儲(chǔ)能系統(tǒng)靈活充放能調(diào)節(jié)各能量需求，提高系統(tǒng)緩沖能力.

圖9 場景2 的功率平衡圖Fig.9 Balance of power in scenario 2

圖10 為場景2、4 電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)出力.對比圖10（a）和圖5：場景2 中電解槽產(chǎn)氫時(shí)段與場景1 中的棄風(fēng)棄光時(shí)段幾乎重合，場景4 與場景3 亦然，即場景2、場景4 中P2G 環(huán)節(jié)均能為系統(tǒng)消納多余可再生能源；由于儲(chǔ)氫罐始末態(tài)一致，第1 階段電解水產(chǎn)氫輸入儲(chǔ)氫罐的氫量等于氫負(fù)荷日需求量.由于夏季存在更多棄風(fēng)棄光量，電轉(zhuǎn)氣制甲烷量更大，即圖10（b）第2 階段甲烷化耗氫量更多，P2G 環(huán)節(jié)運(yùn)行時(shí)間略長.

圖10 P2G 環(huán)節(jié)出力Fig.10 Optimal output of P2G

3.5 考慮需求側(cè)響應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析

場景5 在場景2 的基礎(chǔ)上引入電力需求側(cè)響應(yīng)環(huán)節(jié)，圖11 為可再生能源出力曲線及需求響應(yīng)前后電負(fù)荷曲線對比，表3 為冬季各場景下的運(yùn)行成本.

表3 冬季不同場景下的系統(tǒng)運(yùn)行成本Tab.3 Operating costs in different scenarios in winter 元

圖11 冬季典型日電負(fù)荷需求響應(yīng)前、后對比Fig.11 Comparison of normal daily electric load demands in winter before and after introducing response

引入需求側(cè)響應(yīng)后，由于可轉(zhuǎn)移負(fù)荷用電時(shí)段的改變，使得響應(yīng)后負(fù)荷曲線更加平滑，且更加貼近可再生能源出力曲線，使得與外部電網(wǎng)的交互功率減少，大幅降低了購電成本；使得燃?xì)廨啓C(jī)出力有所減少，購氣成本降低；與場景2 相比，棄風(fēng)棄光成本仍處于較低水平.因此，引入需求側(cè)響應(yīng)后，盡管新增了補(bǔ)貼成本，但總成本仍有所降低，相較場景2 節(jié)省成本百分比進(jìn)一步提升為33.69%.

4 結(jié)論

1）引入P2G 環(huán)節(jié)后，冬、夏2 季節(jié)下的系統(tǒng)在購電購氣成本、棄風(fēng)棄光成本、購氫成本各方面都有所下降，使得系統(tǒng)總運(yùn)行成本大幅降低，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

2）引入P2G 環(huán)節(jié)后，配合各儲(chǔ)能設(shè)備靈活充放能，系統(tǒng)能有效消納棄風(fēng)棄光可再生能源，顯著減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象.夏季棄風(fēng)棄光現(xiàn)象更嚴(yán)重，P2G 環(huán)節(jié)運(yùn)行時(shí)間更長，充分提高了系統(tǒng)能源利用效率.

3）考慮電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)，通過負(fù)荷用電時(shí)間轉(zhuǎn)移進(jìn)行削峰填谷，使得與外部網(wǎng)絡(luò)交互功率減少，通過減少能源購買成本，降低了系統(tǒng)的日運(yùn)行成本.