劉海濤，朱海南，李豐碩，孫華忠，王娟娟，姜心怡，陳健

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司, 山東省濰坊市 261014；2.山東大學電氣工程學院，濟南市 250061)

0 引 言

隨著能源與環(huán)境問題的日益凸顯，以化石能源為主導能源的電力產(chǎn)業(yè)面臨著改革任務[1]。為此，電力產(chǎn)業(yè)需要接納更多清潔能源，引入多種能源形式，不斷提高綜合能源的利用效率，減少能源不必要轉(zhuǎn)化損失能量，提高綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)的降碳減排性能。同時，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，氫能的開發(fā)利用是能源清潔化的重要環(huán)節(jié)。此外，隨著各種能源轉(zhuǎn)換設備技術(shù)的不斷發(fā)展，各種形式的能源在生產(chǎn)、傳輸、消費等各個環(huán)節(jié)的耦合作用也越來越強[2]。因此，包含多種能源形式的綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化研究已逐漸成為熱點問題。

綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行研究，按照能源形式可以分為電、天然氣、熱、氫和冷等兩種及以上能源形式組合的優(yōu)化運行研究[3-12]。文獻[3]兼顧到IES中能耗成本、污染排放、風電消納等調(diào)度目標，提出了考慮綜合需求響應的電-氣-熱IES多目標優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[4]以綜合能源系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性為優(yōu)化目標提出了兩階段可調(diào)魯棒優(yōu)化的冷-熱-電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度策略。文獻[5]提出了一種含電熱氫綜合能量的儲能系統(tǒng)，在此基礎上提出了計及混合儲能的微網(wǎng)優(yōu)化運行模型。按照地理因素與能源發(fā)輸配用特性可將IES分為跨區(qū)級、區(qū)域級和用戶級[6]。文獻[2]關(guān)注輸電環(huán)節(jié)，提出了一種同時考慮氣、熱網(wǎng)絡動態(tài)特性的跨區(qū)級電-氣-熱互聯(lián)IES優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[9-10]關(guān)注配電環(huán)節(jié)，提出了一種以系統(tǒng)運行經(jīng)濟性為優(yōu)化目標的電氣熱混聯(lián)系統(tǒng)日前調(diào)度模型。文獻[11]關(guān)注發(fā)電環(huán)節(jié)，提出了一種考慮光熱電站和多能轉(zhuǎn)換的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化運行模型。上述部分文獻只對電、氣、熱系統(tǒng)研究較多，引入氫能源也只是與其中一個系統(tǒng)進行相關(guān)研究。對于氫能源的深入研究以及熱電之間單向的轉(zhuǎn)化也沒有進行全面研究。

低碳可持續(xù)能源系統(tǒng)已成為我國未來能源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。在IES中，大型燃煤機組或燃氣機組作為熱電聯(lián)產(chǎn)核心機組，盡管有相應的減排措施，但排放的CO2造成環(huán)境污染仍是亟待解決的問題。目前關(guān)于低碳清潔的綜合能源系統(tǒng)的研究主要集中為引入減碳功能的設備(電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)等)、建立市場碳交易機制、增加可再生能源的利用等。文獻[11]引入了光熱電站代替部分熱電聯(lián)產(chǎn)機組，建立了P2G裝置碳交易市場激勵機制，提出考慮系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和碳排放成本的低碳優(yōu)化運行模型。文獻[13]提出處理城市生活垃圾，建立廢物處理單元模型結(jié)合獎懲階梯碳交易成本模型，提出了綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行策略。文獻[14]充分考慮了P2G設備的環(huán)保效益，提出了計及P2G過程能量轉(zhuǎn)換損失和環(huán)境成本的日前經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化模型。上述文獻在研究低碳運行的研究僅以單一能源形式或兩種能源形式網(wǎng)絡為研究對象，例如電氣、電熱等。沒有全面考慮多種能源形式的耦合對提升綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性的提升作用，且對于考慮有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)設備進行碳管理也沒有進行深入研究。綜上所述，多能源形式的綜合能源系統(tǒng)中如何更好地通過能源耦合設備的優(yōu)化運行實現(xiàn)整體運行的經(jīng)濟性和環(huán)保性仍是亟待解決的問題。

本文研究考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化問題。首先，建立電-氣-熱綜合能源動態(tài)網(wǎng)絡潮流模型，引入氫儲能設備，增加氫能源的轉(zhuǎn)化。其次引入ORC余熱發(fā)電增加熱電耦合關(guān)系，提升能源利用效率，建立考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化運行模型。最后，在綜合能源網(wǎng)絡中，采用不同運行場景進行仿真分析，探討并驗證本文所提策略能夠保證IES運行的經(jīng)濟性能和環(huán)保性能。

1 電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)

IES能夠集合多種形式能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，互補運行，以滿足系統(tǒng)中多元化能量需求。電-氣-熱-氫IES中主要包括電力系統(tǒng)、氫能、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、負荷以及各種能源形式之間的轉(zhuǎn)換設備。電-氣-熱-氫IES的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括了各種能源形式之間的轉(zhuǎn)換方式。

圖1 電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of an electricity-gas-heat-hydrogen integrated energy system

P2G技術(shù)可以實現(xiàn)電轉(zhuǎn)氣，可提高電力系統(tǒng)對可再生能源的接納能力，是消納棄風和優(yōu)化調(diào)度的一個重要技術(shù)手段[15]。P2G技術(shù)可以分為電轉(zhuǎn)氫氣(power to hydrogen， P2H)和氫氣甲烷化兩個過程。P2H過程只產(chǎn)生氫氣和氧氣，工藝過程簡單，投資成本較低，無污染，轉(zhuǎn)換效率可達到75%～85%。P2H在電力系統(tǒng)中應用優(yōu)勢主要有：1) P2H為功率型原件，可以進行超大容量的電力消納，提升電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性；2) P2H可作為大型可控負荷參與電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰服務[16]。P2G裝置的原料為CO2，具有顯著的減碳能力，但P2G的轉(zhuǎn)換效率僅為45%～55%。P2G過程分為P2H過程和氫氣甲烷化兩階段運行，可優(yōu)先在制氫環(huán)節(jié)利用氫能，減輕能量損耗，提高IES運行經(jīng)濟性，也可在環(huán)保產(chǎn)生的效益下將電能轉(zhuǎn)化為氣，產(chǎn)生碳收益，提高IES運行環(huán)保性。

氫燃料電池(hydrogen fuel cell, HFC)可以實現(xiàn)氫能向電能和熱能的轉(zhuǎn)化。氫燃料電池的產(chǎn)電原理是利用氧化原反應時電子運動產(chǎn)生的電勢，經(jīng)變壓器升壓后將電堆反應生成的電能輸送至電網(wǎng)，集熱裝置收集電堆反應過程中產(chǎn)生的熱量，通過換熱器對循環(huán)熱力系統(tǒng)回水進行加熱，實現(xiàn)為熱負荷供熱[10]。

ORC余熱發(fā)電裝置可實現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)化。在傳統(tǒng)的IES中，熱能和電能在熱電聯(lián)產(chǎn)機組中受制于機組的固定效率模型，不能靈活調(diào)整機組對電能和熱能的出力，存在“以熱定電”的現(xiàn)象，電熱負荷不均衡時，就會存在一方面的負荷供應受到影響或一方面產(chǎn)能過剩問題。而在熱電聯(lián)產(chǎn)機組和燃料電池中高溫煙氣余熱和冷卻介質(zhì)余熱浪費，不利于IES的能源利用效率提升。本文采用ORC余熱發(fā)電引入余熱轉(zhuǎn)電過程，如圖2所示。ORC余熱發(fā)電的主要工作原理為有機工質(zhì)在蒸發(fā)器中從余熱源吸收熱量產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動膨脹機旋轉(zhuǎn)進而帶動汽輪機發(fā)電，產(chǎn)生乏氣進入冷凝器冷卻為液體，由工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。

圖2 ORC余熱發(fā)電裝置Fig.2 ORC waste heat power generation device

2 綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型

本文所提的考慮碳成本的電-氣-熱-氫IES優(yōu)化運行模型包括了配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和熱網(wǎng)、氫儲能系統(tǒng)以及IES中的轉(zhuǎn)換設備：熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power, CHP)機組、ORC余熱發(fā)電裝置、P2G設備、P2H設備、氫燃料電池等。電-氣-熱-氫IES優(yōu)化運行模型如下所示。

2.1 目標函數(shù)

minf=fope+fenv

(1)

fope=fe+fg+fh

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 約束條件

本文所提電-氣-熱-氫IES優(yōu)化運行模型約束條件主要包括：電力系統(tǒng)潮流約束、天然氣網(wǎng)絡動態(tài)潮流約束、熱力網(wǎng)絡動態(tài)潮流約束、氫儲能約束以及能量轉(zhuǎn)設備約束。

2.2.1 電力系統(tǒng)潮流約束

本文采用二階錐松弛處理的DistFlow潮流模型。

(10)

U2,j,t=U2,i,t-2(Pl,tRl+Ql,tXl)+

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

U2,l,t=1

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

2.2.2 天然氣網(wǎng)絡動態(tài)潮流約束

考慮到天然氣在管道中的傳輸速度遠小于電能的傳輸速度，本文采用動態(tài)天然氣傳輸方程，分為動量方程、物質(zhì)平衡方程和狀態(tài)方程[9]，方程的差分化形式如下：

(Mn,t+1+Mm,t+1-Mn,t-Mm,t)=0

(25)

Mn,t-Mm,t+1-Mm,t)=0

(26)

PA=c2ρ

(27)

天然氣網(wǎng)絡還有一些邊界約束條件。相互連接的管道在連接點會有相同的氣體密度，同一節(jié)點的質(zhì)量流量需要平衡。

(28)

(29)

ρm,t=ρm+1,t=ρm+2,t=…

(30)

Mm/Am+Mm+1/Am+1+Mm+2/Am+2+…=0

(31)

式中：MDm,t表示末端節(jié)點的節(jié)點質(zhì)量流量；PASm,0表示首端節(jié)點的壓強；ρSm,0表示首端節(jié)點的密度。

2.2.3 熱網(wǎng)動態(tài)潮流約束

供熱網(wǎng)絡的傳遞介質(zhì)是水流且密度不變，但網(wǎng)絡中缺少控制設備，難以實現(xiàn)對網(wǎng)絡中水流的控制，因此熱網(wǎng)中水流質(zhì)量流量一般是固定不變的。由于水流質(zhì)量流量是不變的，因此熱網(wǎng)潮流模型中非線性項問題得到解決。熱網(wǎng)的傳輸能量的載體是熱水，相較于天然氣網(wǎng)絡的傳輸速度更慢，時間常數(shù)更大，因此在IES的優(yōu)化運行研究中，需要考慮到熱網(wǎng)的動態(tài)特性。熱網(wǎng)的動態(tài)特性主要是熱水沿著較長的管道運輸過程中會由于熱損失和首端節(jié)點溫度實時變化導致溫度下降[17]。動態(tài)熱網(wǎng)潮流模型可以分為：描述供熱管道中熱量損失和溫度變化的方程；供水、回水管道中水流熱功率和水溫的變化關(guān)系；熱功率平衡方程；供水、回水管道中水溫的上下限約束；回水網(wǎng)絡節(jié)點水流匯合后的水溫方程。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

2.2.4 能量轉(zhuǎn)換設備約束

1)CHP機組運行約束。

CHP機組的電熱出力關(guān)系可表示為：

(42)

(43)

(44)

(45)

2)P2H設備運行約束。

電解水的轉(zhuǎn)化效率近似取為固定值，運行約束可表示如下：

(46)

(47)

3)P2G設備運行約束。

(48)

(49)

4)HFC運行約束。

氫燃料電池可直接產(chǎn)生電能，用集熱裝置收集電能供給熱負荷，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，HFC的運行模型如下所示：

(50)

(51)

(52)

(53)

5)儲氫系統(tǒng)運行約束。

儲氫罐的氫氣來源是P2H設備，并且為氫燃料電池提供氫氣來源，只考慮氫燃料電池的輸入輸出特性，儲氫系統(tǒng)的模型如下所示：

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

6)ORC運行約束。

簡化固定效率的ORC 余熱發(fā)電模型如下所示：

(60)

(61)

(62)

(63)

2.2.5 電力系統(tǒng)中源荷不確定性

本文采用機會約束處理配電網(wǎng)中的光伏和負荷的不確定性。即考慮誤差之后的功率滿足需求的概率大于一定值：

(64)

式中：P{·}表示事件發(fā)生的概率。在現(xiàn)有研究中，正態(tài)分布概率模型是一種在不確定性處理中使用較為廣泛的模型[18]，因此本文基于正態(tài)分布概率模型對上述概率形式描述進行確定性轉(zhuǎn)化[19]：

(65)

式中：φ(α)為標準正態(tài)分布下相應概率的α分位點；σpv、σload為標準正態(tài)分布下光伏、負荷預測誤差的標準偏差。

3 算例分析

本文所提出的考慮經(jīng)濟與碳排放的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)日前調(diào)度模型在電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)上進行測試，建立的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型采用Gurobi 9.0.2求解器進行求解。

3.1 算例基本信息

本文采用IEEE 33節(jié)點的配電網(wǎng)和改造的比利時20節(jié)點的天然氣系統(tǒng)[20]和10節(jié)點的熱網(wǎng)[21]，分別在對應節(jié)點接入相關(guān)能量轉(zhuǎn)化設備。電-氣-熱-氫IES算例系統(tǒng)如圖3所示。配電網(wǎng)中包含3個光伏系統(tǒng)分別安裝在節(jié)點11、20、29處，額定容量分別為500、600和500 kW，安裝儲能系統(tǒng)在節(jié)點8處，安裝P2G系統(tǒng)在節(jié)點17處；天然氣系統(tǒng)中節(jié)點14安裝CHP系統(tǒng)，供熱設備均安裝到熱網(wǎng)中1節(jié)點處。各能量轉(zhuǎn)化設備參數(shù)如表1所示。光伏和負荷變化曲線及配電網(wǎng)實時電價如圖4和圖5所示。配電網(wǎng)額定功率為10 MW，其他參數(shù)為標準IEEE 33節(jié)點參數(shù)；天然氣網(wǎng)絡參數(shù)見參考文獻[20]，熱網(wǎng)參數(shù)見參考文獻[21]，天然氣的購氣費用為3.5元/m3。

表1 設備參數(shù)Table 1 Device parameters

3.2 算例仿真結(jié)果

采用5種不同運行策略驗證本文所提計及碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略的正確性，分別設置5種不同經(jīng)濟成本和碳成本的權(quán)重。5種運行策略仿真運行結(jié)果中經(jīng)濟成本和環(huán)境成本如表2所示。

圖3 電-氣-熱-氫IES系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.3 Grid structure of the electricty-gas-heat-hydrogen IES system

圖4 光伏負荷變化曲線Fig.4 Typical daily output curves of PV and load

圖5 實時電價Fig.5 Real-time electricity price

從表2中可以看出隨著運行成本的權(quán)重不斷增大，碳排放帶來的環(huán)境成本權(quán)重逐漸減小，對應的運行成本不斷減小，環(huán)境成本不斷增大。策略1和策略5屬于單目標優(yōu)化，在只考慮一種成本的情況下，經(jīng)濟成本和環(huán)境成本分別能達到最優(yōu)值的狀態(tài)，綜合考慮兩種優(yōu)化目標均衡，找到兩者的權(quán)重能夠起到一個很好的平衡，策略3不僅能夠提高能源利用率還能夠減少碳排放引起的環(huán)境污染，能夠?qū)崿F(xiàn)電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)保運行。因此驗證了本文所提的策略的正確性和有效性。

表2 不同策略仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of different strategies

在策略3的情況下，對電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)的運行進行分析。圖6是天然氣管道的質(zhì)量流量，天然氣管道的首末節(jié)點均有一個觀測點，在觀測點10附近和15附近的突然下降是由于天然氣網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在節(jié)點5和節(jié)點9附近進行分支，近距離輸氣管道距離較近，壓力比較低，變化比較小。隨著天然氣沿著網(wǎng)絡流通到網(wǎng)絡末端，管道中的質(zhì)量流量就逐漸減小，驗證了動態(tài)天然氣潮流的正確性。

圖6 天然氣管道質(zhì)量流量Fig.6 Mass flow of the natural gas pipelines

圖7是熱網(wǎng)進水管道中管道的首末節(jié)點溫度，熱網(wǎng)潮流模型采用考慮了外界溫度損失和時間延遲等動態(tài)潮流模型，從進水口和出水口的溫度差可以看出大概有3～4 ℃左右的溫差，證明了熱水在同一管道中，從首節(jié)點到末節(jié)點的過程中溫度有損失，驗證了動態(tài)網(wǎng)絡潮流的正確性，且隨著熱水逐漸流到網(wǎng)絡末端管道，溫度逐漸降低，但均在限制的溫度范圍內(nèi)。

圖7 供熱管道水溫Fig.7 Water temperature of the heating pipes

圖8為配電網(wǎng)中各設備的運行情況，根據(jù)電價變化情況，為保證配電網(wǎng)中經(jīng)濟性最優(yōu)，在谷電價時配電網(wǎng)從主電網(wǎng)的購電電量最多，在電價較高時，購電量較小，主要靠配電網(wǎng)中光伏進行出力，儲能系統(tǒng)充分低儲高發(fā)來實現(xiàn)配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，ORC余熱發(fā)電在配電網(wǎng)中能夠?qū)⒂酂岢浞掷?，實現(xiàn)能量的再次利用，提高能源利用率，氫氣燃料電池也在電價較高時參與配電網(wǎng)的優(yōu)化運行，從而使電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)化運行。

圖8 配電網(wǎng)各設備出力情況Fig.8 The output of each equipment in the distribution network

引入ORC余熱發(fā)電和氫能源形式前后IES的運行成本和環(huán)境成本情況如表3所示，從表3中的策略1和2可以看出，引入ORC余熱發(fā)電不僅能夠提高綜合能源系統(tǒng)的能源利用效率，減少綜合能源系統(tǒng)的運行成本，還能夠減小系統(tǒng)的碳排放，提高綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境效益。主要是因為，在引入ORC后，系統(tǒng)的能量利用效率有所提高，燃氣輪機和配電網(wǎng)的購電功率會減少，碳排放就會減小，從而提高系統(tǒng)運行的環(huán)境效益。驗證了本文中ORC余熱發(fā)電技術(shù)的引入能夠明顯減少碳帶來的環(huán)境成本，提高運行的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

表3 不同策略綜合能源系統(tǒng)運行情況Table 3 Operation of integrated energy systems with different strategies

在表3中通過策略1和3可以看出，引入氫能源形式可以在保證環(huán)境成本最優(yōu)的情況下，有效地降低綜合能源系統(tǒng)的運行成本，P2G設備可以分為電轉(zhuǎn)氫氣和氫氣甲烷化兩個部分，在氫氣甲烷化過程中可以通過吸收CO2獲得碳收益，因此，引入P2H設備即氫能源并不會對減少環(huán)境成本有很明顯效益，但卻可以通過多能源形式的引入，增強多種能源耦合程度，提高能源利用效率，提高運行經(jīng)濟性。文章驗證了所提引入氫能源形式可以提高綜合能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。最后，通過策略1和4的對比可以看出，本文提出的考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行模型可以有效提高綜合能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟性和環(huán)保性。

4 結(jié) 論

本文建立了考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行模型，提出了計及ORC余熱發(fā)電，氫燃料電池等能量轉(zhuǎn)換設備的綜合能源系統(tǒng)運行策略。算例仿真驗證了本文所提策略通過采用合適的權(quán)重系數(shù)能夠保證運行的經(jīng)濟性和環(huán)保性，同時驗證了本文引入的ORC余熱發(fā)電以及氫能源的能量轉(zhuǎn)換設備能夠有效地提高綜合能源系統(tǒng)的能量利用效率和環(huán)境收益。

由于本文考慮能源形式較多樣，能量轉(zhuǎn)換設備比較多，忽視了能量轉(zhuǎn)換設備的內(nèi)特性，設備模型精確度沒有保證，因此下一步的研究方向主要是細化各能量轉(zhuǎn)化設備的模型以及氫能源的精細化建模。