王 濤，黃 著，鄭佳麗，朱 杰

（1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)玉環(huán)市供電公司，浙江 臺州 317600）

全球化石能源危機與氣候環(huán)境危機正在推動著全球能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與轉(zhuǎn)型，因此可持續(xù)能源的開發(fā)利用是未來能源產(chǎn)業(yè)改革與發(fā)展的重要方向。在此背景下，風(fēng)電發(fā)展尤為迅猛，2018 年我國新增風(fēng)電裝機容量為20.59 GW，累積并網(wǎng)裝機容量為184 GW，年發(fā)電量為366 TWh[1]。但是風(fēng)電的隨機性、波動性與間歇性導(dǎo)致大量風(fēng)電難以被及時消納，從而出現(xiàn)嚴重的“棄風(fēng)”現(xiàn)象，僅2018 年我國棄風(fēng)電量就高達27.7 TWh[1]。此外，大規(guī)模風(fēng)電接入也為大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了極大挑戰(zhàn)[2]。

為解決上述問題，需要綜合協(xié)調(diào)控制發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與負荷側(cè)，以促進風(fēng)電消納[3]。文獻[4－6]將儲能系統(tǒng)與風(fēng)電廠聯(lián)合運行，以提高風(fēng)電的消納能力，但是儲能系統(tǒng)經(jīng)濟成本高且容量低，難以實現(xiàn)大規(guī)模推廣。這嚴重制約著大規(guī)模風(fēng)電消納，急需探索新的能源消納與利用方式。能源互聯(lián)網(wǎng)（energy internet，EI）的提出可有效解決大規(guī)?？稍偕茉吹南{問題，可有效促進能源最優(yōu)利用[7]，但不同類型能源之間存在一定的隔離性。為解決上述問題，需將具有相似運行模式與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的能源系統(tǒng)進行互聯(lián)，例如電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)。電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)已成為能源互聯(lián)網(wǎng)的主要過渡形式之一[8]。

為了促進電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，工業(yè)界提出了一種極具靈活性的技術(shù)——電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(power to gas,P2G)，即將電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)高度耦合[9]，實現(xiàn)能量動態(tài)分布、轉(zhuǎn)換與共享，最終達到提高新能源利用率的目的。開展含電轉(zhuǎn)氣技術(shù)綜合能源系統(tǒng)的研究，可有效促進電力系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)作運行，也有助于可再生能源消納，有效緩解“棄風(fēng)”現(xiàn)象，進而提高能源利用的經(jīng)濟效益。

文獻[10]說明了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的原理及其可發(fā)展性。文獻[11]探討了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)在未來能源系統(tǒng)中的應(yīng)用，將電轉(zhuǎn)氣看作容量較大且轉(zhuǎn)換效率較低的儲能系統(tǒng)。上述文獻并未將電轉(zhuǎn)氣技術(shù)作為綜合能源系統(tǒng)的一部分來綜合分析系統(tǒng)中各類能源的能量流動。文獻[12]闡述了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的原理以及評估其在經(jīng)濟性方面的能力，但沒有分析電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對風(fēng)電消納的影響。文獻[13]闡述了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對可再生能源進行大規(guī)模轉(zhuǎn)化和傳輸，但是沒有分析電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的加入對各能源系統(tǒng)的影響。

本文在上述文獻的基礎(chǔ)上，將電轉(zhuǎn)氣技術(shù)運用在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中，以解決富余風(fēng)電的消納問題，分析了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的加入對各能源系統(tǒng)的影響與各能源系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移的情況，評估了其在經(jīng)濟性方面的能力。文章首先介紹了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型，闡述了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的實現(xiàn)過程，然后以經(jīng)濟性最優(yōu)建立區(qū)域綜合能源優(yōu)化調(diào)度模型，最后通過仿真案例分析電轉(zhuǎn)氣技術(shù)存在的價值，目標區(qū)域的經(jīng)濟效益達到最優(yōu)的運行條件。

1 含P2G 的區(qū)域綜合能源

目標區(qū)域綜合能源系統(tǒng)包含的主要單元有電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)、風(fēng)廠、P2G 廠與區(qū)域負荷。

1.1 目標區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型中各個單元相互聯(lián)系實現(xiàn)各個單元之間的能量運輸，能量流向如圖1 所示。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型

風(fēng)廠產(chǎn)生的電能通過電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度給區(qū)域電負荷，還通過P2G 廠將電能轉(zhuǎn)化為氣能供應(yīng)給區(qū)域氣負荷。天然氣網(wǎng)的參與，調(diào)節(jié)了P2G 廠與區(qū)域氣負荷之間的供需差異。本文基于上述能量流向，建立目標函數(shù)和能量約束，采用優(yōu)化算法確定各個單元之間傳遞能量的具體流量，使各單元能量在約束范圍內(nèi)達到最優(yōu)值，進而獲得區(qū)域經(jīng)濟最優(yōu)效益。

1.2 風(fēng)力發(fā)電模型

風(fēng)電機組每個時段的出力與各時段的平均風(fēng)速及風(fēng)機輸出特性有關(guān)。風(fēng)電機組任意時刻下最大輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系為

1.3 電轉(zhuǎn)氣模型

電轉(zhuǎn)氣包括電轉(zhuǎn)氫氣與電轉(zhuǎn)天然氣2 種技術(shù)，本文探討的電轉(zhuǎn)氣指將電能轉(zhuǎn)化為天然氣，即將電能用于水的電解，產(chǎn)生氫氣和氧氣后，在高溫環(huán)境下將二氧化碳與氫氣綜合作用產(chǎn)生天然氣，具體過程如圖2 所示。

圖2 本文的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)示意圖

本文電轉(zhuǎn)氣技術(shù)消耗的電能來自風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)電轉(zhuǎn)為天然氣的公式為

2 區(qū)域綜合能源優(yōu)化方法

2.1 風(fēng)能特性與負荷特性分析

本文將風(fēng)廠中1 臺容量為1.5 MW 的風(fēng)機接入電網(wǎng)，風(fēng)機根據(jù)該區(qū)域的環(huán)境因素[14]確定出力。同時選定700 戶居民進行電氣用量（不考慮天然氣對室內(nèi)供暖）調(diào)查，其結(jié)果如下。

1）居民用氣量在飯點時達到高峰，且在晚上8:00—10:00 洗漱時段用氣量也會有所上升，其余時間用氣量明顯較低。

2)凌晨休息時段，居民用氣量接近為零。24 h 環(huán)境因素如圖3 所示，對應(yīng)風(fēng)機出力與區(qū)域負荷如圖4 所示。

圖3 24 h 環(huán)境因素

圖4 風(fēng)機出力與區(qū)域負荷曲線

2.2 區(qū)域綜合能源優(yōu)化調(diào)度模型

2.2.1 目標函數(shù)

從區(qū)域經(jīng)濟效益最優(yōu)角度出發(fā)，綜合考慮風(fēng)電廠與P2G 廠的運行成本以及電網(wǎng)側(cè)、天然氣網(wǎng)側(cè)、風(fēng)廠側(cè)、P2G 廠側(cè)、用戶側(cè)之間的能源交易成本與收益。目標函數(shù)為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前24 h 最優(yōu)經(jīng)濟效益，為

式中：Fmax為日前24 h 最優(yōu)經(jīng)濟效益；Fwind為風(fēng)廠日前24 h 經(jīng)濟效益；FP2G為電轉(zhuǎn)氣廠日前24 h 經(jīng)濟效益；Fuser為負荷側(cè)日前24 h 用電用氣經(jīng)濟成本。

由于風(fēng)電企業(yè)為實際收益者，需要向電轉(zhuǎn)氣公司提供補償措施[10]，因此風(fēng)廠與電轉(zhuǎn)氣廠日前24 h 經(jīng)濟效益為：

區(qū)域負荷日前24 h 用電用氣經(jīng)濟成本為

式中：λe(t)為電網(wǎng)售電單價；為P2G 廠售氣單價；為天然氣網(wǎng)售氣單價；為t時刻區(qū)域用戶用電量；為t時刻風(fēng)電上電量不滿足區(qū)域電負荷時電網(wǎng)的借調(diào)電量。

2.2.2 約束條件

1)風(fēng)電機組出力約束。

風(fēng)電機組出力主要受自然環(huán)境影響，相應(yīng)約束為

2)電力系統(tǒng)約束。

風(fēng)電上網(wǎng)電量主要受電網(wǎng)可接納電能影響，相應(yīng)約束為

3)天然氣系統(tǒng)約束。

天然氣網(wǎng)絡(luò)在時刻t所消耗的天然氣量約束為

4)電轉(zhuǎn)氣模型約束。

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備主要受其額定功率影響，相應(yīng)約束為

5)功率平衡約束。

區(qū)域各單元之間的能量約束為：

2.3 模型求解方法流程

本文采用粒子群算法[16](particle swarm algorithm，PSO)對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型進行優(yōu)化求解，流程圖如圖5 所示。

圖5 基于粒子群算法的區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度流程圖

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

參照某地區(qū)的電氣價數(shù)據(jù)，電網(wǎng)售電單價、風(fēng)電上網(wǎng)電價與天然氣單價，如表1 所示。

參考文獻[17]中的典型P2G 廠運行參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

3.2 案例分類

案例設(shè)置如下：案例一接入容量為1.5 MW 的風(fēng)機，參考700 戶家庭用電用氣量，在不考慮P2G技術(shù)的情況下，將風(fēng)電全部上網(wǎng)；案例二在案例一的基礎(chǔ)上考慮P2G 技術(shù)，將一部分風(fēng)電用于上網(wǎng)，一部分用于電轉(zhuǎn)氣產(chǎn)生天然氣；案例三在案例二的基礎(chǔ)上，將接入電網(wǎng)的風(fēng)機容量改為2 WM；案例四在案例二的基礎(chǔ)上，擴大供能區(qū)域范圍，參考3 500 戶家庭用電用氣量。

表1 電網(wǎng)售購電電價與天然氣單價

表2 P2G 廠參數(shù)

不同案例下的區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果依次如圖6—9 所示，不同案例下區(qū)域日前24 h 經(jīng)濟效益如表3 所示。

圖6 案例一區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果曲線

在案例一中，當?shù)仉娋W(wǎng)的接納能力不足，風(fēng)電不穩(wěn)定性等原因?qū)е?.575×102kWh 的風(fēng)電被浪費。案例一一方面無法消納大量風(fēng)電，另一方面又需要從其他地方借調(diào)電量來滿足區(qū)域電負荷，這造成了較為嚴重的資源浪費。

圖7 案例二區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果曲線

圖8 案例三區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果曲線

圖9 案例四區(qū)域能源優(yōu)化調(diào)度結(jié)果曲線

表3 不同案例下區(qū)域日前24 h 經(jīng)濟效益對比

在電轉(zhuǎn)氣技術(shù)情況下，對比案例二與案例三可知，風(fēng)電的合理轉(zhuǎn)化降低了電網(wǎng)借調(diào)電量，從而降低了電網(wǎng)側(cè)壓力，如圖8 中的6:00—10:00 與17:00—23:00 時段。同時富余電量的增加有效降低了天然氣網(wǎng)的輸氣波動幅度，進而增加了該區(qū)域的經(jīng)濟效益。

再對比案例二與案例四，區(qū)域負荷的增加，加大了電網(wǎng)側(cè)的能量波動，如圖9 中的4:00—24:00時段。同時由于風(fēng)廠售賣給P2G 廠的電量減少，區(qū)域用戶需要從天然氣網(wǎng)絡(luò)購買大量的天然氣，增加了天然氣網(wǎng)絡(luò)的輸氣波動，進而導(dǎo)致案例四中的經(jīng)濟效益偏低。此外在案例四中，雖然電網(wǎng)依舊限制了風(fēng)電上網(wǎng)的電量，但多余電量被P2G 廠轉(zhuǎn)化為了天然氣，實現(xiàn)了風(fēng)電的再利用，如圖9 中的11:00—14:00 時段。

上述各案例表明：電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可有效平抑電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的能量波動，同時電轉(zhuǎn)氣技術(shù)下對風(fēng)電的多樣化運用有效提升了目標區(qū)域的經(jīng)濟效益。此外，分析圖6—9 曲線與表3 數(shù)據(jù)可知，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可大力提高綜合能源運行的經(jīng)濟效益，并有效減少“棄風(fēng)量”。具體為：運用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)降低了電網(wǎng)側(cè)風(fēng)電上網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，如圖7—9 中1:00—8:00 與9:00—16:00 時段；擴展了風(fēng)廠側(cè)對風(fēng)電的運用，如圖7—8 中的23:00—次日7:00 與9:00—17:00時段，圖9 中1:00—5:00 與11:00—14:00 時段；促進了P2G 廠側(cè)對富余風(fēng)電的消納能力，如圖7—8 中的23:00—次日7:00 與9:00—17:00 時段，圖9 中1:00—5:00 與11:00—14:00 時段；降低了天然氣網(wǎng)側(cè)天然氣的輸出波動，如圖7—8 中的9:00—17:00 與23:00—24:00 時段，圖9 中的1:00—2:00 與11:00—14:00 時段。

4 結(jié)論

針對區(qū)域綜合能源優(yōu)化問題，為降低可再生能源的浪費，提高區(qū)域經(jīng)濟效益，本文建立了考慮經(jīng)濟效益的區(qū)域綜合能源優(yōu)化調(diào)度模型。該模型以區(qū)域日前24 h 最優(yōu)經(jīng)濟效益為目標，在滿足區(qū)域用戶需求的情況下，充分考慮風(fēng)廠側(cè)、P2G 廠、電網(wǎng)側(cè)與天然氣網(wǎng)側(cè)的最優(yōu)能量調(diào)配。同時該模型通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，實現(xiàn)了電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的單向耦合，提高了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)風(fēng)電的消納能力，有效解決了“棄風(fēng)”問題，擴展了風(fēng)電的適用范圍，從而有效提高了風(fēng)電利用率。同時實驗表明，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)還能有效平抑電網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的能量波動，進而提高系統(tǒng)安全性。