孟冰冰，胡林獻，白雪峰，劉 超

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具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)消納棄風(fēng)效果分析

孟冰冰，胡林獻，白雪峰，劉 超

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)實現(xiàn)了電力與天然氣之間能量的雙向流動，為多能源系統(tǒng)協(xié)同消納棄風(fēng)提供了新途徑。本文研究了P2G設(shè)備的技術(shù)原理，建立了P2G的數(shù)學(xué)模型，分析了其消納棄風(fēng)原理，并在提出其啟停策略的基礎(chǔ)上，建立了具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。對比分析了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組加P2G和常規(guī)熱電機組加電鍋爐2種組合方案的消納棄風(fēng)效果。研究表明：P2G和電鍋爐都有利于風(fēng)電消納，但P2G的消納棄風(fēng)效果不如電鍋爐，而燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組加P2G組合方案的消納棄風(fēng)效果更佳。

多能源系統(tǒng)；P2G技術(shù)；電鍋爐；風(fēng)電消納；優(yōu)化調(diào)度

隨著可再生能源與清潔能源的大力發(fā)展，我國風(fēng)電裝機容量不斷增長，但局部地區(qū)新能源開發(fā)與能源消納、環(huán)境保護之間的矛盾逐漸凸顯，比如我國的“三北”地區(qū)，棄風(fēng)現(xiàn)象愈來愈嚴重，造成了風(fēng)力資源的極大浪費。2017年，全國風(fēng)電棄風(fēng)量為419億kW·h，其中，甘肅、新疆、吉林、內(nèi)蒙古的棄風(fēng)量都超過15%，甘肅地區(qū)棄風(fēng)量高達33%[1]。

為解決上述問題，研究人員提出將多種能源系統(tǒng)進行耦合與協(xié)同，以提高可再生能源的消納率[2]。現(xiàn)有的研究主要集中在機組靈活性改造[3-6]與在系統(tǒng)中增設(shè)電鍋爐[7-9]等措施上。針對機組靈活性改造的方案，文獻[3-4]分析了我國火電機組運行現(xiàn)狀，論述了機組靈活性改造的可行性與必要性，對靈活性改造的目標(biāo)和提高機組深度調(diào)峰能力的手段進行探討。文獻[5]分析了熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對系統(tǒng)功能效率的影響，對比了幾種靈活性改造方案的特點及其適用性。文獻[6]對集中提高燃煤機組靈活性的手段進行了討論，并著重研究了凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在靈活性改造中的應(yīng)用情況。針對系統(tǒng)增設(shè)電鍋爐進行消納棄風(fēng)的方案，文獻[7]提出在熱電機組配置電鍋爐的調(diào)峰方案，以降低熱電機組“以熱定電”發(fā)電功率，為風(fēng)電上網(wǎng)創(chuàng)造空間。文獻[8]構(gòu)建了增設(shè)調(diào)峰電鍋爐的電熱聯(lián)合調(diào)度模型以消納棄風(fēng)。文獻[9]提出通過在熱電機組裝備電鍋爐以解耦其“以熱定電”約束的運行方案，進而降低強迫出力消納棄風(fēng)。

近年來，新興的電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)在消納棄風(fēng)領(lǐng)域嶄露頭角，其將多余風(fēng)電轉(zhuǎn)換成天然氣，便于大規(guī)模運輸及儲存。P2G設(shè)備在容量可調(diào)節(jié)性方面優(yōu)于電鍋爐，且其產(chǎn)品為清潔能源，在進一步促進風(fēng)電消納的同時也具有積極的環(huán)保作用。目前，針對P2G技術(shù)已有一些初步研究，如文獻[10]介紹了德國為實現(xiàn)低碳化，對P2G技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用進展，并提出在我國發(fā)展P2G技術(shù)的必要性及可行性。文獻[11]針對P2G技術(shù)的基本原理及P2G設(shè)備在能源互聯(lián)網(wǎng)中的聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用方案進行了綜述。

本文首先探討P2G設(shè)備的技術(shù)原理及其消納棄風(fēng)原理，并建立其數(shù)學(xué)模型；然后研究P2G啟停策略，構(gòu)建具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型；最后通過算例分析燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組加P2G和常規(guī)熱電機組加電鍋爐2種組合方案的消納棄風(fēng)效果。

1 P2G技術(shù)及其消納棄風(fēng)原理

1.1 P2G技術(shù)原理

P2G技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)換為天然氣或氫氣的一種新興技術(shù)，按照產(chǎn)品類別，可分為電轉(zhuǎn)氫氣技術(shù)和電轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)。一般來說，氫氣在遠距離傳輸及儲存難易程度等方面遜色于天然氣，因此目前使用較多的是電轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)。電轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)首先采用電解水技術(shù)，用多余電能將水分解，制造氫氣，然后通過薩巴蒂反應(yīng)將氫氣與二氧化碳合成，制造甲烷[12-13]。這2個階段所對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)如下：

P2G設(shè)備輸出天然氣與輸入電功率關(guān)系如下：

式中：P2G為P2G設(shè)備的產(chǎn)氣量；P2G為P2G設(shè)備的運行功率；G為天然氣熱值；P2G為P2G設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率，目前，P2G技術(shù)的效率可達到45%~60%[14]。

1.2 P2G設(shè)備消納棄風(fēng)原理

P2G設(shè)備可將天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)耦合起來，形成多能源系統(tǒng)，從而實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化消納棄風(fēng)，如通過控制電鍋爐啟停及其制熱功率調(diào)節(jié)，削熱電機組供熱峰值、填電負荷谷值，實現(xiàn)電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度來消納棄風(fēng)。多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由于風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，電負荷低谷時段正是風(fēng)電出力的高峰階段，造成風(fēng)電消納困難。如果在電負荷低谷、風(fēng)電大發(fā)時段投入P2G設(shè)備，將多余的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣，則起到了“填谷”的作用，減少甚至徹底消納棄風(fēng)。

1.3 P2G設(shè)備啟?？刂撇呗?/h3>

為消納棄風(fēng)，提高供能效率及多能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，避免不必要的能量轉(zhuǎn)換，P2G設(shè)備應(yīng)采用棄風(fēng)啟?？刂撇呗訹7]，即根據(jù)有無棄風(fēng)現(xiàn)象來決定P2G設(shè)備的啟停。判斷是否出現(xiàn)棄風(fēng)由式(4)確定：

2 具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)多能源系統(tǒng)中有燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠座，每座電廠中有臺燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，每臺機組有個換熱站以及個制冷站；有座常規(guī)熱電廠，每座熱電廠有臺常規(guī)熱電機組，每臺熱電機組有個換熱站以及個制冷站；系統(tǒng)中有臺純凝火電機組，臺風(fēng)電機組，臺水電機組。系統(tǒng)中裝設(shè)臺P2G設(shè)備。每個換熱站都裝設(shè)電鍋爐。

本文以系統(tǒng)總成本最小為目標(biāo)，進行調(diào)度優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)為

2.2 約束條件

1）電功率平衡約束

2）熱功率平衡約束

熱網(wǎng)類似于配電網(wǎng)，采用輻射狀結(jié)構(gòu)，且熱能不能遠距離輸送，每個熱源（如熱電廠）固定供給某一區(qū)域（簡稱分區(qū)）的熱負荷，熱源之間不相連，因此各區(qū)域熱負荷由各區(qū)熱電廠分別平衡。普通燃煤熱電廠、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電廠的熱功率平衡約束如下：

3）冷功率平衡約束

冷氣網(wǎng)絡(luò)與熱網(wǎng)具有類似特性，因此，各區(qū)域冷負荷由各區(qū)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠分別平衡。

4）氣量平衡約束

5）燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組出力約束

式中上標(biāo)max、min表示上、下限。

6）燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組內(nèi)部約束

式中、、、為擬合常數(shù)。

7）熱電機組出力約束

8）吸收式制冷機約束

9）純凝火電機組出力約束

10）風(fēng)電場出力約束

11）水電出力約束

12）電鍋爐約束

13）P2G設(shè)備約束

14）機組爬坡約束

3 算例分析

3.1 原始數(shù)據(jù)

算例系統(tǒng)由2座熱電廠（分別為熱電廠1、熱電廠2）、1座風(fēng)電場、1座火電廠組成。每座熱電廠附帶3個換熱站，2個換冷站?；痣姀S配置4臺純凝機組（7號—10號），風(fēng)電場的裝機容量為250 MW。調(diào)度時段為1 h，調(diào)度周期為1天。

仿真場景1：熱電廠1配置2臺燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（1號—2號），熱電廠2配置4臺燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（3號—6號），且系統(tǒng)安裝P2G設(shè)備來消納棄風(fēng)。該場景與目前為治理冬季供暖時的空氣污染問題，以及北方地區(qū)正積極落實的“煤改氣”工程匹配。

仿真場景2：熱電廠1配置2臺熱電機組（1號—2號），熱電廠2配置4臺熱電機組（3號—6號）。每個換熱站裝設(shè)相應(yīng)容量的調(diào)峰電鍋爐來消納棄風(fēng)。此場景與常規(guī)熱電聯(lián)合系統(tǒng)相對應(yīng)。

仿真場景3：熱電廠1配置2臺熱電機組（1號—2號），熱電廠2配置4臺熱電機組（3號—6號），系統(tǒng)安裝P2G設(shè)備來消納棄風(fēng)。

各設(shè)備的參數(shù)與全網(wǎng)氣負荷見表1、表2，各時段熱、冷負荷、風(fēng)電預(yù)測出力詳見文獻[15]。電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率取0.95，P2G的轉(zhuǎn)換效率取0.6，蒸汽焓降取2 327.53 kJ/kg。

3.2 調(diào)度結(jié)果

本文采用改進粒子群算法求解多能源系統(tǒng)調(diào)度模型。3種仿真場景的電功率調(diào)度結(jié)果如圖2、圖5、圖6所示，場景2換熱站1的熱功率調(diào)度結(jié)果如圖4所示，場景1、3的天然氣調(diào)度結(jié)果如圖3、圖7所示。

表1 設(shè)備主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of the equipment

表2 各時段全網(wǎng)氣負荷

Tab.2 The full network gas load in each period

圖2 場景1電功率調(diào)度結(jié)果

圖3 場景1天然氣調(diào)度結(jié)果

圖4 場景2換熱站1的熱功率調(diào)度結(jié)果

圖5 場景2電功率調(diào)度結(jié)果

圖6 場景3電功率調(diào)度結(jié)果

圖7 場景3天然氣調(diào)度結(jié)果

對比場景2和場景3的仿真結(jié)果可見：電鍋爐、P2G設(shè)備都在夜間熱負荷高峰時段啟動，但P2G設(shè)備不能降低熱電廠的供熱峰值；場景3的熱電廠供熱功率和“以熱定電”功率高于場景2，因而棄風(fēng)量也大，即P2G設(shè)備的消納棄風(fēng)效果不如電鍋爐。

對比場景1和場景3的仿真結(jié)果可見：當(dāng)使用熱電機組滿足負荷需求時，棄風(fēng)量大，棄風(fēng)率高，但成本較??；使用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組時，棄風(fēng)量小，棄風(fēng)率低，但系統(tǒng)總成本較大。這是由于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電功率下限比熱電機組要低，風(fēng)電出力增加，因此棄風(fēng)量減少；然而，燃氣機組的單位發(fā)電氣耗要高于熱電機組的單位發(fā)電煤耗：因此相較于熱電機組，采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組后，總運行成本上升。

對比場景1和場景2的仿真結(jié)果可見：當(dāng)多能源系統(tǒng)采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組與P2G設(shè)備組合時，棄風(fēng)消納效果好，棄風(fēng)率較低，但成本較高；采用熱電機組與電鍋爐組合時，棄風(fēng)消納效果差，棄風(fēng)率高，但成本較小。這是由于使用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的系統(tǒng)風(fēng)電上網(wǎng)空間大，棄風(fēng)量減少，即使P2G設(shè)備的消納棄風(fēng)效果不如電鍋爐，但其對整個系統(tǒng)的影響較小，因此燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組與P2G設(shè)備組合仍然具有良好的棄風(fēng)消納效果。

3.3 天然氣價格對成本及風(fēng)電消納的影響

3種場景的系統(tǒng)棄風(fēng)率和總成本見表3。為進一步分析天然氣價格對系統(tǒng)成本及風(fēng)電消納率的影響，以3.1節(jié)中的場景1與場景2為背景進行仿真，當(dāng)天然氣價格變化時，氣價與多能源系統(tǒng)成本和棄風(fēng)率的關(guān)系見表4。

表3 3種場景的系統(tǒng)棄風(fēng)率和總成本

Tab.3 The wind abandon rate and total cost of the system in three scenes

表4 氣價與系統(tǒng)總?cè)剂铣杀竞蜅夛L(fēng)率的關(guān)系

Tab.4 The total fuel costs and wind abandon rates of the system at different gas prices

由表4可見：在系統(tǒng)使用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組與P2G設(shè)備組合（場景1）時，當(dāng)天然氣的價格在3元/m3的基礎(chǔ)上下降10%時，系統(tǒng)的總成本將下降6.12%，而棄風(fēng)率有所上升；當(dāng)上升10%時，系統(tǒng)總成本將上升5.76%，而棄風(fēng)率有所下降；在系統(tǒng)使用熱電機組與電鍋爐組合（場景2）時，當(dāng)天然氣的價格在3元/m3的基礎(chǔ)上變化10%時，系統(tǒng)的總成本波動均小于1%，棄風(fēng)率變化也不大，原因是當(dāng)氣價上升時，在成本最優(yōu)的情況下，燃氣-蒸汽循環(huán)機組的發(fā)電量減小，風(fēng)電上網(wǎng)率增加，棄風(fēng)量減小，棄風(fēng)率有所下降，反之亦然。

4 結(jié) 論

1）在建立P2G設(shè)備數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了P2G設(shè)備的啟停策略，構(gòu)建了具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型。

2）電鍋爐、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備都有利于風(fēng)電消納。但P2G設(shè)備的消納棄風(fēng)效果不如電鍋爐，而燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組加P2G的組合方案的消納棄風(fēng)效果更佳。

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Analysis on wind power accommodation effect of multi-energy system with P2G function

MENG Bingbing, HU Linxian, BAI Xuefeng, LIU Chao

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The power-to-gas (P2G) technology realizes bidirectional flow of energy between electricity and natural gas, and provides a new way for waste wind power accommodation in multi-energy systems. The technical principle of the P2G system equipment is studied, the mathematical model of the P2G system is established, and the principle of waste wind power accommodation is analyzed. On the basis of putting forward start-stop strategy of the P2G, a cooperative optimal dispatching model of multi-energy system with P2G conversion function is established. Moreover, the waste wind power accommodation effect of two combination schemes, the gas-steam combined cycle unit combined with the P2G and the conventional thermoelectric unit combined electric boiler, are compared. The result shows that, both the P2G and electric boiler are beneficial to waste wind power accomodation, but the consumption effect of the P2G is weaker than that of the electric boiler. However, the scheme of gas-steam combined cycle unit combined with the P2G has better effect.

multi-energy system, P2G technology, electric boiler, wind power accommodation, optimized dispatching

National Natural Science Foundation of China (51877049)

孟冰冰(1995—)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，cc19840310@126.com。

TM71

A

10.19666/j.rlfd.201901001

孟冰冰, 胡林獻, 白雪峰, 等. 具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)消納棄風(fēng)效果分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 18-23. MENG Bingbing, HU Linxian, BAI Xuefeng, et al. Analysis on wind power accommodation effect of multi-energy system with P2G function[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 18-23.

2019-01-02

國家自然科學(xué)基金項目(51877049)

胡林獻(1966—)，男，博士，教授，linxian_hu@163.com。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）