許志恒, 張勇軍, 陳澤興, 林曉明, 陳伯達(dá)

(廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510640)

0　引言

以風(fēng)電和光伏等新能源發(fā)電為主,實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)低碳、清潔化轉(zhuǎn)型已成為趨勢(shì)。預(yù)計(jì)2020年在“三北”地區(qū)建設(shè)的風(fēng)電容量可達(dá)200 GW[1]。但由于風(fēng)電固有的波動(dòng)性和反調(diào)峰特性以及源網(wǎng)規(guī)劃不協(xié)調(diào)等因素,傳統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電消納面臨瓶頸[2-3]。近年來(lái),能源互聯(lián)網(wǎng)的提出,為風(fēng)電等新能源消納提供了新的思路,即通過(guò)多網(wǎng)融合進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)新能源的消納[4]。其中,電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)設(shè)備作為電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的耦合元件,可將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)為天然氣,并注入天然氣網(wǎng)中進(jìn)行傳輸消納[5],正是提高新能源消納的一種直接體現(xiàn)。

當(dāng)前,P2G投資成本仍較高[6],若以第三方公司作為投資運(yùn)營(yíng)主體,會(huì)面臨選址和建設(shè)的投資較大、成本回收困難等問(wèn)題。而考慮以風(fēng)力發(fā)電企業(yè)作為P2G設(shè)備建設(shè)的投資主體,一方面在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)配置P2G設(shè)備,解決了設(shè)備選址問(wèn)題。另一方面,P2G設(shè)備除了能通過(guò)提高風(fēng)電消納量給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)直接的售能效益外,還能為系統(tǒng)提供備用和碳捕獲等輔助服務(wù),給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益[7]。

基于此,對(duì)于P2G規(guī)劃的研究,常在能與附近氣網(wǎng)進(jìn)行耦合的風(fēng)電場(chǎng)等新能源處進(jìn)行P2G設(shè)備的選址建設(shè),再進(jìn)一步對(duì)其容量配置進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[8]以系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),構(gòu)建了包含P2G設(shè)備的能源中心選址定容單層規(guī)劃模型,文獻(xiàn)[9]提出了P2G設(shè)備、蓄電池和燃?xì)廨啓C(jī)協(xié)同規(guī)劃的單層優(yōu)化模型。但以上文獻(xiàn)均未對(duì)P2G設(shè)備的投資及獲益主體進(jìn)行討論分析,只是簡(jiǎn)單地將P2G的成本和收益歸算至電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為P2G設(shè)備由風(fēng)力發(fā)電企業(yè)進(jìn)行投資和運(yùn)營(yíng),能夠有效減少回收周期,并構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)和P2G設(shè)備的協(xié)同規(guī)劃模型。但其沒(méi)有考慮到系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行對(duì)P2G設(shè)備配置方案帶來(lái)的影響。

為此,本文綜合考慮P2G投資和獲益主體及系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)P2G設(shè)備配置方案的影響,對(duì)P2G容量配置進(jìn)行研究。一方面,通過(guò)構(gòu)建雙層規(guī)劃模型來(lái)反映風(fēng)力發(fā)電企業(yè)和電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)兩個(gè)主體對(duì)P2G容量配置的影響。另一方面,考慮風(fēng)電運(yùn)行的不確定因素對(duì)P2G配置策略帶來(lái)的影響,并采用了條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值(conditional value at risk,CVaR)對(duì)風(fēng)電不確定性所帶來(lái)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化描述,克服了傳統(tǒng)處理隨機(jī)性問(wèn)題的方法如隨機(jī)機(jī)會(huì)約束等求解相對(duì)復(fù)雜,無(wú)法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估等不足[11-12]。

1　P2G技術(shù)簡(jiǎn)介

P2G技術(shù)指將電力轉(zhuǎn)化為燃料氣體的技術(shù),主要包括電轉(zhuǎn)氫和電轉(zhuǎn)甲烷兩種技術(shù)。電轉(zhuǎn)氫技術(shù)主要通過(guò)電解水生成氫氣和氧氣。電轉(zhuǎn)甲烷則在電轉(zhuǎn)氫的基礎(chǔ)上,附加甲烷化過(guò)程,即在加溫加壓環(huán)境下,氫氣進(jìn)一步與二氧化碳(CO2)反應(yīng),產(chǎn)生水和甲烷[13]。

由于電轉(zhuǎn)甲烷存在附加的甲烷化過(guò)程,因此能量轉(zhuǎn)化效率較電轉(zhuǎn)氫技術(shù)低。而文獻(xiàn)[14-15]顯示,現(xiàn)階段氫氣雖能注入天然氣網(wǎng)進(jìn)行傳輸,但部分用戶要求天然氣中氫含量要低于2%,有些甚至不能允許混入氫氣。因此,相較于氫氣,甲烷更具傳輸?shù)谋憬菪?。故本文討論P(yáng)2G技術(shù)時(shí)僅考慮電轉(zhuǎn)天然氣。

P2G過(guò)程中,能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。

(1)

式中:下標(biāo)t為調(diào)度時(shí)段;j為P2G設(shè)備的編號(hào);ΩP2G為P2G設(shè)備的集合;PP2G,j,t為P2G設(shè)備消耗的有功功率;wP2G,j,t為P2G設(shè)備產(chǎn)生的天然氣流量;ηP2G為P2G設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率;HG為天然氣的熱值。

P2G設(shè)備利用富余的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣的優(yōu)勢(shì),除了可帶來(lái)直接的售能收益外,還同時(shí)可為系統(tǒng)提供備用、碳捕獲等輔助服務(wù),從而帶來(lái)輔助服務(wù)收益。因此,在可再生能源大規(guī)模接入的電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)中,P2G設(shè)備將成為提高可再生能源消納、促進(jìn)多能互補(bǔ)、提供輔助服務(wù)的重要手段。

但同時(shí),建造技術(shù)及投資成本仍是P2G設(shè)備規(guī)模化的重要阻礙?，F(xiàn)階段,以化學(xué)甲烷化(chemical methanation,CM)為主的甲烷化技術(shù)商業(yè)化推廣應(yīng)用已超過(guò)50年,擁有極佳的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,投資成本僅為200 美元/kW,轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%,且能快速響應(yīng)波動(dòng)性和間歇性的輸入[15]。因此電轉(zhuǎn)氫技術(shù)成為P2G發(fā)展的關(guān)鍵。目前電轉(zhuǎn)氫技術(shù)主要有堿性水電解氫(alkaline electrolysis,AEL)和質(zhì)子交換膜電解法(proton exchange membrane electrolysis,PEME),具體技術(shù)特性如附錄A表A1所示[13,16]。

相較于AEL,PEME雖需要更高的投資成本,但其啟停時(shí)間快,能快速應(yīng)對(duì)新能源的波動(dòng)性,更適合進(jìn)行風(fēng)電消納及提供系統(tǒng)備用。目前Siemens已基于此技術(shù)研發(fā)出容量為90 MW的電轉(zhuǎn)氫設(shè)備[17],并進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。隨著能源市場(chǎng)改革的深化以及建設(shè)技術(shù)的提高,P2G技術(shù)有望得到規(guī)?；膽?yīng)用。據(jù)此,本文中P2G設(shè)備的規(guī)?；ㄔ觳捎肞EME和CM技術(shù)。

2　考慮CVaR的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及其成本分析

2.1　考慮條件風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)備用需求

在含風(fēng)電的電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)中,需要在獲取風(fēng)電預(yù)測(cè)出力的情況下進(jìn)行調(diào)度,但由于安全運(yùn)行約束,無(wú)法保證風(fēng)電全額并網(wǎng)。因此,以風(fēng)電預(yù)測(cè)出力為基準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)電出力誤差預(yù)測(cè)時(shí),會(huì)使利用系統(tǒng)備用應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性的調(diào)度結(jié)果過(guò)于保守[18]。據(jù)此,本文以風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的功率,即風(fēng)電調(diào)度出力作為基準(zhǔn),描述風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差,從而得到系統(tǒng)的備用需求。由風(fēng)電出力預(yù)測(cè)誤差引起的備用需求可表示為:

(2)

(3)

式中:p(e)為風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差百分比e的概率密度函數(shù)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:Ψ為場(chǎng)景數(shù);eI為抽樣產(chǎn)生的第I個(gè)隨機(jī)場(chǎng)景的風(fēng)電誤差百分比。本文采用蒙特卡洛模擬法對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行場(chǎng)景生成。

2.2　基于條件風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)懲罰成本描述

當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)備用需求得不到滿足時(shí),就會(huì)產(chǎn)生切負(fù)荷和棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。本文采用切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)懲罰成本Cload,t和棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)懲罰成本Cwind,t表征切負(fù)荷和棄風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)成本,具體可表示為[21-22]:

(10)

(11)

(12)

3　P2G設(shè)備雙層優(yōu)化配置模型

雙層規(guī)劃可以看作靜態(tài)Stackelberg問(wèn)題,決策具有有序性和非合作性。上層的目標(biāo)函數(shù)和約束條件依賴(lài)于下層的最優(yōu)解,同時(shí)下層的最優(yōu)解會(huì)受到上層決策變量的影響。在這種決策機(jī)制下,下層采取的策略會(huì)影響上層的決策環(huán)境,使上層在達(dá)到自身優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí),必須考慮下層規(guī)劃層采取的運(yùn)行策略[23]。

在含風(fēng)電場(chǎng)的電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)中,包含風(fēng)力發(fā)電企業(yè)和電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)兩個(gè)利益主體。其中電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)作為下層規(guī)劃層,決策變量為發(fā)電機(jī)組、氣源和P2G設(shè)備的出力,目標(biāo)是追求系統(tǒng)運(yùn)行成本最小。期望在P2G設(shè)備接入后,降低運(yùn)行時(shí)的發(fā)電成本和碳稅成本。風(fēng)力發(fā)電企業(yè)作為P2G設(shè)備的投資主體,處于上層規(guī)劃層,具有決策的主導(dǎo)權(quán),目標(biāo)是追求個(gè)體收益最大。但同時(shí),下層的運(yùn)行策略會(huì)影響到上層的決策環(huán)境,進(jìn)而影響P2G設(shè)備的配置策略。

3.1　上層規(guī)劃模型

3.1.1目標(biāo)函數(shù)

風(fēng)電場(chǎng)以個(gè)體日凈收益Ewind最大作為目標(biāo),即

maxEwind=Etotal-Cinv

(13)

式中:Etotal為風(fēng)電場(chǎng)日運(yùn)行收益;Cinv為P2G設(shè)備日投資成本之差。各變量具體計(jì)算方法如下。

1)風(fēng)電場(chǎng)日運(yùn)行收益Etotal

風(fēng)電場(chǎng)日運(yùn)行收益Etotal由售電收益Ee,t、售氣收益Eg,t、備用服務(wù)收益Ere,t、碳捕獲收益Ec,t以及P2G設(shè)備運(yùn)行成本CP2G,t組成,即

(14)

式中:Td為調(diào)度周期(24 h)。

各部分收益及成本可用公式表示為:

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中:ρe和ρg分別為風(fēng)電和天然氣的上網(wǎng)價(jià)格;ρre,P2G,j為P2G設(shè)備提供備用的收益系數(shù);ρc為碳稅價(jià)格;ε為碳捕獲系數(shù),表征P2G設(shè)備單位出力捕獲的CO2質(zhì)量;σj為P2G設(shè)備的單位容量運(yùn)行成本系數(shù)。

2)P2G設(shè)備日投資成本Cinv

按照等年金法折算,Cinv可表示為:

Cinv=mP2GSP2G,j

(20)

(21)

式中:MP2G為P2G設(shè)備單位容量投資成本;λ為利率,取值為5%;Lif為設(shè)備使用年限;DP2G為P2G設(shè)備每年的使用天數(shù);mP2G為P2G設(shè)備日單位容量投資成本。

3.1.2不等式約束

上層規(guī)劃層的決策變量?jī)H包含P2G的建設(shè)容量,因此不等式約束為P2G建設(shè)規(guī)模限制?？紤]到技術(shù)和用地的限制,P2G設(shè)備建設(shè)容量應(yīng)滿足以下約束:

(22)

3.2　下層規(guī)劃模型

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

國(guó)家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出,能源利用應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和節(jié)能,構(gòu)建清潔、安全、高效的能源系統(tǒng)。因此電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)建以系統(tǒng)日運(yùn)行成本Cope、碳稅成本Cct、備用成本Cre和風(fēng)險(xiǎn)成本Cr總和最小為目標(biāo)的調(diào)度模型,即

minCtotal=Cope+Cct+Cre+Cr

(23)

式中:Ctotal為系統(tǒng)日總成本。各部分成本的含義及計(jì)算如下。

1)系統(tǒng)日運(yùn)行成本Cope

Cope包括發(fā)電成本Ce,t、購(gòu)氣成本Cg,t和P2G設(shè)備的運(yùn)行成本CP2G,t,即

(24)

Ce,t和Cg,t具體可由下式表示:

(25)

(26)

式中:Pcoal,f,t和ws,n,t分別為燃煤機(jī)組出力和氣源供給量;cs,n為氣源的購(gòu)氣價(jià);αG,f,βG,f,γG,f為燃煤機(jī)組成本系數(shù);n和f分別為氣源和燃煤機(jī)組的編號(hào);Ωs和Ωcoal分別為氣源和燃煤機(jī)組的集合。

2)碳稅成本Cct

(27)

式中:cgen,m為機(jī)組的碳排系數(shù),表征機(jī)組單位出力的碳排量。

3)系統(tǒng)備用容量成本Cre

(28)

式中:ρre,gen,m為常規(guī)機(jī)組備用容量成本系數(shù)。

4)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成本Cr

系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成本由切負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)和棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)懲罰成本構(gòu)成,即

(29)

3.2.2等式約束

下層規(guī)劃層的等式約束包括有功功率平衡方程(式(30))、流量平衡方程(式(31))、燃?xì)廨啓C(jī)能耗方程(式(32))、壓縮機(jī)升壓方程(式(33)和式(34))、線路傳輸功率方程(式(35))、管道傳輸方程(式(36))和P2G能量轉(zhuǎn)換方程(式(37))。具體如下:

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

3.2.3不等式約束

下層規(guī)劃層的不等式約束包括:電網(wǎng)支路傳輸功率約束(式(38))、發(fā)電機(jī)組出力約束(式(39))及其爬坡速率約束(式(40))、氣源供應(yīng)約束(式(41))、節(jié)點(diǎn)相角約束(式(42))、節(jié)點(diǎn)壓力約束(式(43))、壓縮機(jī)升壓比約束(式(44))、P2G設(shè)備出力約束(式(45))及其爬坡速率約束(式(46))。

(38)

(39)

-rd,m,tΔt≤Pgen,m,t-Pgen,m,t-1≤ru,m,tΔt

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

-μd,j,tΔt≤PP2G,j,t-PP2G,j,t-1≤μu,j,tΔt

(46)

式中:上標(biāo)max和min分別表示對(duì)應(yīng)變量的最大和最小值;θM,t和πN,t分別為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相角和氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng);Kb為壓縮機(jī)的最大升壓比;μd,j,t為P2G設(shè)備減載的速率限值。

4　基于災(zāi)變遺傳算法的雙層規(guī)劃混合求解

雙層規(guī)劃問(wèn)題屬于強(qiáng)NP問(wèn)題,使用非數(shù)值優(yōu)化算法求解難度大、耗時(shí)長(zhǎng),且難以保證收斂性[24]。為提高收斂性和減少求解耗時(shí),本文采用災(zāi)變遺傳算法(cataclysmic genetic algorithm,CGA)和通用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS)中的內(nèi)點(diǎn)法求解器(interior point optimizer,IPOPT)相結(jié)合的混合智能算法進(jìn)行求解。

利用CGA適用范圍廣、尋優(yōu)能力強(qiáng)、不易早熟和收斂穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)上層規(guī)劃層的種群進(jìn)行生成和尋優(yōu)[25]。而IPOPT模塊在求解非線性方程時(shí)具有收斂性好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可用于進(jìn)行下層電—?dú)饣ヂ?lián)最優(yōu)潮流的求解[26]。具體求解流程見(jiàn)附錄A圖A1。

首先,生成上層規(guī)劃層的初始種群,并進(jìn)行可行性驗(yàn)證。將可行的種群個(gè)體代入下層規(guī)劃中,通過(guò)IPOPT求得下層的決策情況。根據(jù)下層的決策值,進(jìn)行上層目標(biāo)函數(shù)值和適應(yīng)度值的計(jì)算,并經(jīng)過(guò)對(duì)種群進(jìn)行選擇、交叉、變異和災(zāi)變等步驟,最后按此循環(huán)一定種群代數(shù)后,得到考慮系統(tǒng)運(yùn)行模式的風(fēng)電場(chǎng)配置P2G設(shè)備的最優(yōu)策略。

5　系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)碳排減少量

P2G設(shè)備接入后,有利于促進(jìn)系統(tǒng)綠色環(huán)保運(yùn)行?？捎孟到y(tǒng)碳排減少量ΔE對(duì)P2G帶來(lái)的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估。ΔE可由下式表示:

(47)

式中:EC為無(wú)P2G接入時(shí)系統(tǒng)的碳排總量;ET為P2G接入后系統(tǒng)的碳排總量;ECO2為P2G在Td內(nèi)吸收的CO2的質(zhì)量。

2)天然氣網(wǎng)風(fēng)電消納率

P2G設(shè)備一方面在風(fēng)電高發(fā)期時(shí)提供負(fù)旋轉(zhuǎn)備用,減少常規(guī)機(jī)組所需提供的備用,進(jìn)而降低機(jī)組出力,達(dá)到提高風(fēng)電消納的目的。另一方面,P2G設(shè)備可將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)為天然氣,通過(guò)天然氣網(wǎng)對(duì)風(fēng)電進(jìn)行消納。因此,可用天然氣網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納率ηgw對(duì)系統(tǒng)多能互補(bǔ)效益進(jìn)行評(píng)估,具體如下：

(48)

式中:Pw,total為風(fēng)電預(yù)測(cè)總出力。

3)P2G設(shè)備利用率

P2G設(shè)備利用率ζP2G可表示為:

(49)

由附錄A表A2和表A3可知,相較于提供單位容量的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用,P2G設(shè)備單位容量出力帶來(lái)的售氣和環(huán)境收益更高。因此,P2G設(shè)備利用率越高,意味著建設(shè)單位容量P2G設(shè)備帶來(lái)的收益也越高。

6　算例分析

6.1　仿真系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)[27-28],本文的仿真系統(tǒng)由IEEE 39節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和修改的比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)構(gòu)成,并假設(shè)系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)附近均存在氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與之耦合,具體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如附錄B圖B1所示。

天然氣網(wǎng)中氣源最大供氣量均為2.5×106m3/h,節(jié)點(diǎn)壓力參數(shù)和壓縮機(jī)參數(shù)詳見(jiàn)附錄B表B1和表B2,電網(wǎng)中電源類(lèi)型及各參數(shù)詳見(jiàn)附錄B表B3至表B5。電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)能源負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)出力如附錄B圖B2所示。

6.2　仿真分析

6.2.1P2G設(shè)備優(yōu)化配置結(jié)果分析

假設(shè)風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差百分比e服從柯西分布,其形狀系數(shù)取x0=0,γ0=0.01[29]。P2G設(shè)備單位容量運(yùn)行成本系數(shù)取單位容量日投資成本的1.5%,其余參數(shù)詳見(jiàn)附錄A表A2。根據(jù)實(shí)際配置情況,P2G容量以10 MW的倍數(shù)進(jìn)行配置。在置信度β1和β2均取0.9,風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)γ+和γ-分別取3和1下進(jìn)行優(yōu)化配置,得到最優(yōu)配置方案為:在節(jié)點(diǎn)32,35,37的風(fēng)電場(chǎng)依次配置60 MW的P2G設(shè)備。優(yōu)化配置后上層目標(biāo)值為32.60萬(wàn)美元,相較于配置前收益提高了0.39萬(wàn)美元。下層目標(biāo)值則為747.03萬(wàn)美元,成本比配置前降低了7.01萬(wàn)美元。

投資建設(shè)P2G設(shè)備前后,系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)備用需求和常規(guī)機(jī)組提供負(fù)旋轉(zhuǎn)備用情況如圖1(a)和(b)所示。

圖1　常規(guī)機(jī)組提供負(fù)旋轉(zhuǎn)備用情況Fig.1　Negative spinning reserve provided by conventional unit

由于P2G設(shè)備具備調(diào)節(jié)方便、動(dòng)作速度快、提供備用費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),在其接入后,一方面使常規(guī)機(jī)組所需提供的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用部分轉(zhuǎn)由P2G設(shè)備提供。另一方面,可使提供單位負(fù)旋轉(zhuǎn)備用的成本降低,進(jìn)而降低棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)比無(wú)P2G設(shè)備接入的電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng),建設(shè)P2G設(shè)備后,系統(tǒng)日棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)Dwind下降了19.34%。

在系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)方面,與沒(méi)有投資建設(shè)P2G設(shè)備的場(chǎng)景相比,投資建設(shè)P2G后,電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)的風(fēng)電消納率提高了4.90%,其中天然氣網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納率為3.88%。同時(shí),P2G接入后,系統(tǒng)運(yùn)行碳排量減少了334.90 t/d,說(shuō)明P2G設(shè)備對(duì)電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)的綠色環(huán)保運(yùn)行有積極作用。

6.2.2風(fēng)電波動(dòng)性對(duì)P2G配置的影響分析

置信度β越高,即對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求也越高,則風(fēng)電的不確定出力范圍需要擴(kuò)大以滿足可信度的要求。不同置信度β下,P2G設(shè)備的配置方案及優(yōu)化目標(biāo)值如表1所示，其中60/60/60表示電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)32，35，37所配置的P2G設(shè)備容量為60 MW，其他以此類(lèi)推。

表1　不同置信度下雙層規(guī)劃優(yōu)化結(jié)果Table 1　Optimal results of bi-level programming under different confidence coefficients

由表1可知,置信度β下降,使系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)備用需求減少,意味著常規(guī)機(jī)組和P2G設(shè)備所需提供的備用下降。一方面,備用成本下降會(huì)導(dǎo)致電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)運(yùn)行成本下降。另一方面,P2G所需提供的備用容量下降,會(huì)使P2G配置容量下降,從而降低配置P2G帶來(lái)的總收益,但同時(shí)也會(huì)促使P2G設(shè)備利用率的提高,進(jìn)而提高建設(shè)單位容量P2G設(shè)備帶來(lái)的收益。因此,隨β降低,風(fēng)力發(fā)電企業(yè)收益呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。

不同置信度β下,系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2　不同置信度下系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2　Evaluation indices of system operation under different confidence coefficients

由表2可知,置信度β下降時(shí),由于P2G配置容量下降,天然氣網(wǎng)風(fēng)電消納率也隨之降低。同時(shí),常規(guī)機(jī)組提供備用的下降會(huì)提高風(fēng)電的消納量和減少碳排量,所以隨著β的下降,棄風(fēng)率呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),而碳排減少量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

可以發(fā)現(xiàn),置信度β較高時(shí),棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)較小,但電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)總成本較高,優(yōu)化目標(biāo)值偏于保守。在系統(tǒng)對(duì)棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的允許范圍內(nèi),調(diào)度人員可通過(guò)選取較低的β來(lái)降低互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的保守度。

6.2.3棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)對(duì)P2G配置的影響分析

棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)表示由于低估風(fēng)電出力而帶來(lái)的風(fēng)電被浪費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)。因此,棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)γ-可以表征系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電資源浪費(fèi)所帶來(lái)的能源損失的重視程度。成本系數(shù)越高,系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電浪費(fèi)的重視程度越高,即盡更大的可能讓風(fēng)電接入,減少因低估風(fēng)電帶來(lái)的浪費(fèi)。不同棄風(fēng)成本系數(shù)下,P2G設(shè)備配置方案及優(yōu)化目標(biāo)值如表3所示。系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)如表4所示。

表3　不同棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)下雙層規(guī)劃優(yōu)化結(jié)果Table 3　Optimal results of bi-level programming under different cost coefficients for risk of abandoning wind power

表4　不同棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)下系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4　Evaluation indices of system operation under different cost coefficients for risk of abandoning wind power

由表3和表4可知,γ-下降,一方面使棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)上升,另一方面使P2G和常規(guī)機(jī)組提供的負(fù)旋轉(zhuǎn)備用減少。因此,P2G配置策略以及系統(tǒng)運(yùn)行情況與置信度β變化時(shí)相似,P2G配置容量和天然氣網(wǎng)風(fēng)電消納率隨棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)下降而下降。同時(shí),風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的收益和棄風(fēng)率呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì),而碳排減少量呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)。

7　結(jié)論

本文在計(jì)及系統(tǒng)條件風(fēng)險(xiǎn)備用的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了包含電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電企業(yè)兩個(gè)主體的P2G容量配置雙層規(guī)劃模型,并進(jìn)行仿真分析,得到如下結(jié)論。

1)在P2G設(shè)備提供備用服務(wù)后,常規(guī)機(jī)組部分負(fù)旋轉(zhuǎn)備用轉(zhuǎn)由P2G設(shè)備提供,一方面可通過(guò)降低常規(guī)機(jī)組所需提供的備用來(lái)提高風(fēng)電消納率,另一方面使系統(tǒng)備用成本降低,進(jìn)而降低了系統(tǒng)棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

2)通過(guò)P2G設(shè)備和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行耦合的電—?dú)饣ヂ?lián)系統(tǒng),在風(fēng)電高發(fā)期時(shí),可借由天然氣網(wǎng)進(jìn)行部分風(fēng)電的消納。同時(shí),P2G設(shè)備的碳捕獲效應(yīng)能有效降低系統(tǒng)碳排量。

3)P2G設(shè)備的配置策略、系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益與模型中的置信度β和棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)成本系數(shù)γ-密切相關(guān)。調(diào)度人員可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)及調(diào)度環(huán)境需求,選擇合適的β和γ-,使P2G配置策略以及系統(tǒng)運(yùn)行效益達(dá)到最優(yōu)。

需要注意的是,由于電—?dú)饴?lián)合最優(yōu)潮流是一個(gè)非凸問(wèn)題,IPOPT在求解非凸問(wèn)題時(shí)容易陷入局部最優(yōu),如何求解聯(lián)合最優(yōu)潮流的全局最優(yōu)解有待進(jìn)一步研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。