陳 琦，李紅偉，周海林

(西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，將電、熱等多種能源耦合，提高能源利用率，促進(jìn)可再生能源消納[1-2]。常見的可再生能源形式包括風(fēng)電、光伏等。由于風(fēng)電在我國(guó)更為普遍，并網(wǎng)規(guī)模較大，且特點(diǎn)更為突出，因此本文以風(fēng)電作為可再生能源代表，完成關(guān)于可再生能源消納問題的研究。隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)規(guī)模日益增大，風(fēng)電又具有隨機(jī)性、波動(dòng)性等特征，棄風(fēng)等問題逐漸凸顯。根據(jù)資料顯示，2017 年我國(guó)新能源棄電總量為 492×108kWh，其中，棄風(fēng)電量高達(dá) 419×108kWh[3]。因此，可再生能源消納問題成為了研究熱點(diǎn)。目前，關(guān)于我國(guó)的新能源消納問題存在明顯的地域與時(shí)段集中分布的特征，例如棄風(fēng)問題主要出現(xiàn)在新疆、甘肅等地，時(shí)間集中在供暖季及夜間電負(fù)荷低谷時(shí)段。本文針對(duì)的是棄風(fēng)問題較為嚴(yán)重的“三北”地區(qū)。

為解決棄風(fēng)問題，促進(jìn)可再生能源的消納，出現(xiàn)了大量有關(guān)于以燃?xì)廨啓C(jī)為主要設(shè)備的熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power, CHP）機(jī)組的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的研究并得到了廣泛的應(yīng)用，CHP機(jī)組在實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用的同時(shí)，還具有良好的社會(huì)效益[4]。但由于CHP機(jī)組受到“以熱定電”的約束，不具有良好的可調(diào)節(jié)性，將電鍋爐設(shè)備和P2G（power to gas）設(shè)備引入綜合能源系統(tǒng)中成為有效解決辦法。P2G設(shè)備將多余的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為人造天然氣進(jìn)行傳輸與儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)了電力與天然氣的雙向流動(dòng)，加深了電、氣之間的耦合，促進(jìn)了可再生能源的消納。目前，電轉(zhuǎn)天然氣完整的化學(xué)反應(yīng)綜合能量轉(zhuǎn)換效率為 49%～65%[5]。

針對(duì)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行的研究一直以來都是研究的重點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[6]以區(qū)域能源供應(yīng)商凈收益最大為目標(biāo)，建立綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型并驗(yàn)證其有效性，但考慮的系統(tǒng)成本較單一；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于電熱聯(lián)合調(diào)度的區(qū)域并網(wǎng)型微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型，將燃料成本、電能交互成本及機(jī)組啟停成本等考慮到總成本中，利用cplex求解驗(yàn)證得到聯(lián)合調(diào)度模型可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行，但未考慮風(fēng)電問題；文獻(xiàn)[8]考慮了風(fēng)電不確定性并建立優(yōu)化調(diào)度模型，仿真分析不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)運(yùn)行收益，得出最佳模式，但其能源模型單一；文獻(xiàn)[9]將蓄冷、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電以及混合儲(chǔ)能分別考慮進(jìn)綜合能源系統(tǒng)中討論其經(jīng)濟(jì)性與可行性，但未考慮需求響應(yīng)。

鑒此，本文將電鍋爐與P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備結(jié)合起來，引入綜合能源系統(tǒng)中，并且考慮需求響應(yīng)，將設(shè)備初始投資費(fèi)用及運(yùn)維成本考慮到系統(tǒng)運(yùn)行總成本中，并使得總成本最小，風(fēng)電消納最大為目標(biāo)，建立綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，算例驗(yàn)證方案的可行性，最終得出最優(yōu)方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文針對(duì)的是滿足電負(fù)荷與熱負(fù)荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。系統(tǒng)中含有上級(jí)電網(wǎng)、上級(jí)氣網(wǎng)、CHP機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、電鍋爐、P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備，上級(jí)電網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組及CHP機(jī)組供給電負(fù)荷，熱負(fù)荷由CHP機(jī)組及電鍋爐提供。P2G及電鍋爐用電直接由風(fēng)電提供，在凌晨及夜間風(fēng)電過剩而電負(fù)荷較小時(shí)將風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能供熱，或轉(zhuǎn)化為天然氣儲(chǔ)存起來。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

本文假設(shè)綜合能源系統(tǒng)由統(tǒng)一的調(diào)度機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)調(diào)度，綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行必須保證其總費(fèi)用最小?？傎M(fèi)用包括設(shè)備初始投資等年值成本、設(shè)備運(yùn)維成本、年化系統(tǒng)購能成本及需求響應(yīng)補(bǔ)償?？紤]到風(fēng)電機(jī)組是利用自然資源發(fā)電，故在此不考慮風(fēng)電出力費(fèi)用[10]。目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中：Fz、Fe、Fg——系統(tǒng)運(yùn)行總成本、購電費(fèi)用、購氣費(fèi)用；

Finv——該系統(tǒng)總的設(shè)備初始投資等年值費(fèi)用；

Fem——總的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；

FDR——需求響應(yīng)補(bǔ)償；

Cinv(i)——第i個(gè)設(shè)備的初始投資費(fèi)用；

r——貼現(xiàn)率，取6%；

y——規(guī)劃年限，取10年；

mf和mv——設(shè)備的固定和可變的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；

Pi——設(shè)備的輸出功率；

Ce、Cg、Pin、Gin——電價(jià)、氣價(jià)、系統(tǒng)購電功率和購氣功率；

Pint、Pshif——可中斷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷；

Cint、Cshif——對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償費(fèi)用。

2.1 約束條件

2.1.1 CHP 機(jī)組約束

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組分為抽汽式與背壓式。對(duì)于背壓式的CHP機(jī)組，其電出力完全由熱出力決定，即電熱比為固定的。而抽汽式CHP機(jī)組可通過調(diào)節(jié)抽汽量來調(diào)整熱電比[11]。本文考慮的CHP機(jī)組都運(yùn)行在固定熱電比模式，即使是抽汽式機(jī)組，不調(diào)節(jié)抽汽量，實(shí)際運(yùn)行情況中也是固定的熱電比。CHP機(jī)組的運(yùn)行約束為：

2.1.2 電鍋爐約束

電鍋爐安裝簡(jiǎn)單，易于控制，維修方便，因此被廣泛應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)之中[6]。電鍋爐產(chǎn)熱功率與用電功率的關(guān)系：

2.1.3 P2G 約束

在晚間風(fēng)電高發(fā)、電負(fù)荷低谷時(shí)段，可利用P2G設(shè)備，將過剩的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣直接供給CHP機(jī)組產(chǎn)熱或存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐[12]，提高了系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力。P2G運(yùn)行約束如下：

2.1.4 儲(chǔ)氣設(shè)備

儲(chǔ)氣設(shè)備在P2G產(chǎn)有多余天然氣時(shí)將天然氣儲(chǔ)存起來，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，有效降低系統(tǒng)成本費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)天然氣的合理分配。儲(chǔ)氣設(shè)備的約束為

式(21)表示為了給下一個(gè)周期留有調(diào)節(jié)余量，一般一個(gè)周期的初始量與最后的容量相等。

2.1.5 能量平衡約束

在綜合能源系統(tǒng)中必須滿足電力平衡與熱力平衡約束。

1）電力平衡約束

2.2 模型求解

本文所建立的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可以利用成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行求解。本文在Matlab運(yùn)行環(huán)境下調(diào)用YALMIP工具箱中的mosek求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。

3 算例分析

本文算例數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[13]的電、熱負(fù)荷數(shù)據(jù)以及風(fēng)電出力數(shù)據(jù)并進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。

圖2 電、熱負(fù)荷及風(fēng)電出力曲線

由圖2可以看出，風(fēng)力發(fā)電在00:00-06:00及23:00-24:00出力較大，而在白天時(shí)段出力較小。

CHP機(jī)組作為電熱綜合能源系統(tǒng)中最具代表的熱電聯(lián)供設(shè)備，不僅將電熱兩種能源形式高度耦合，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，更能為系統(tǒng)減小供能所帶來的成本。但其缺點(diǎn)也較為明顯。由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的特性，機(jī)組在夜間及凌晨加大供熱，同時(shí)，電出力也增加，導(dǎo)致該時(shí)段棄風(fēng)尤為嚴(yán)重。因此，本文以僅含有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組等基本元件作為參考方案一；在方案一的基礎(chǔ)上增加1 MW的電鍋爐，作為方案二；在方案二的基礎(chǔ)上增加1 MW的P2G設(shè)備及儲(chǔ)氣設(shè)備，作為方案三，儲(chǔ)氣容量為2 MWh；在方案三的基礎(chǔ)上考慮需求響應(yīng)作為方案四。CHP機(jī)組的電、熱轉(zhuǎn)換效率分別為0.35、0.65；電鍋爐的轉(zhuǎn)換效率為0.9；P2G設(shè)備的制氣效率為0.6[14]。

本文采用的分時(shí)電價(jià)如表1所示[11]。

表1 分時(shí)電價(jià)

各方案下CHP電、熱出力如圖3所示。由于CHP機(jī)組為固定熱電比，電出力與熱出力只存在比例關(guān)系，故此處未再給出。由圖可知，在方案一情況下，由于熱負(fù)荷在夜間較大，而熱負(fù)荷完全由CHP機(jī)組滿足，故CHP機(jī)組在00:00-08:00及23:00-24:00出力較大，導(dǎo)致夜間過剩的風(fēng)電無法消納，從而棄風(fēng)量較大；方案二中增設(shè)了電鍋爐設(shè)備，一方面消納過剩的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能，另一方面轉(zhuǎn)換而來的熱能供給熱負(fù)荷，減小了CHP機(jī)組的熱出力，同時(shí)CHP機(jī)組電出力也減小，在00:00-07:00及23:00-24:00時(shí)段可以看出方案二與方案三相比方案一的CHP機(jī)組出力明顯減小，過剩的風(fēng)電供給電負(fù)荷，進(jìn)一步消納棄風(fēng)量；方案三增設(shè)P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備，利用夜間風(fēng)電制氣并儲(chǔ)存，消納了過剩風(fēng)電，制出的天然氣供給CHP消耗，減少了系統(tǒng)購氣成本。此外，CHP機(jī)組在10:00-15:00及18:00-21:00這樣的電價(jià)峰時(shí)段工作，增大電出力，減少系統(tǒng)在電價(jià)峰時(shí)段的購電成本，從而使得系統(tǒng)購能成本減小。

圖3 CHP熱出力

方案二與方案三中電鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示；可以看出，電鍋爐在00:00-07:00及23:00-24:00時(shí)段工作，因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)電過剩，電鍋爐將過剩的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能供熱，減少棄風(fēng)量的同時(shí)，使得CHP機(jī)組出力減少，促使更多的風(fēng)能供電，同時(shí)減少了購氣成本。而在08:00-22:00時(shí)段，電價(jià)相對(duì)較高，此時(shí)電鍋爐不工作，將此時(shí)段的風(fēng)電完全供給電負(fù)荷，減少從上級(jí)電網(wǎng)的購電，從而降低系統(tǒng)的購能成本。從圖4可以看出兩個(gè)方案中電鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)差別不大，這是因?yàn)榉桨溉腜2G及儲(chǔ)氣設(shè)備對(duì)于系統(tǒng)的風(fēng)電消納起到了更大的作用。

圖4 電鍋爐運(yùn)行狀態(tài)圖

方案三下的天然氣平衡如圖5所示；由圖5可以看出，P2G在00:00-07:00以及23:00-24:00時(shí)段制氣，因?yàn)榇藭r(shí)的風(fēng)電過剩，P2G利用多余的風(fēng)電制造天然氣，一部分供給CHP機(jī)組利用，CHP機(jī)組所需燃?xì)馔耆蒔2G提供，無需購氣，降低系統(tǒng)購能成本；多余的部分儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣設(shè)備中。而在08:00-22:00時(shí)段，電價(jià)相對(duì)較高，應(yīng)將風(fēng)電先滿足電負(fù)荷，且P2G本身成本較高，所以此時(shí)段P2G不工作。在01:00-07:00時(shí)段儲(chǔ)氣設(shè)備將P2G產(chǎn)出的多余的天然氣儲(chǔ)存起來，在08:00-12:00時(shí)段，P2G不再產(chǎn)氣時(shí)，儲(chǔ)氣設(shè)備放氣并供給CHP機(jī)組使用，減少綜合能源系統(tǒng)向上級(jí)氣網(wǎng)的購氣量，有效降低了系統(tǒng)購能成本。綜合能源系統(tǒng)只在08:00-23:00時(shí)段購氣且儲(chǔ)氣設(shè)備的放氣減少了一部分購能，購氣成本明顯比前面的兩個(gè)方案減少。

圖5 方案三下的天然氣平衡

3個(gè)方案下的棄風(fēng)功率如圖6所示?？梢钥闯?個(gè)方案下的棄風(fēng)都主要集中在00:00-08:00以及22:00-24:00時(shí)段，只是由于凌晨及夜間的風(fēng)電過剩。方案一的棄風(fēng)量是最大的，這是由于熱負(fù)荷完全由CHP機(jī)組提供，而夜間的熱負(fù)荷較大，電負(fù)荷較小，CHP機(jī)組加大出力以滿足熱負(fù)荷，導(dǎo)致了大量風(fēng)電棄風(fēng)。方案二中加入了電鍋爐設(shè)備，將這多余的風(fēng)電用來轉(zhuǎn)化為熱能，不僅滿足了一部分的熱負(fù)荷，減少CHP機(jī)組的出力，同時(shí)減少系統(tǒng)購氣量，還進(jìn)一步地消納了風(fēng)電，所以與方案一相比，在00:00-07:00時(shí)段以及24:00時(shí)刻的棄風(fēng)量大大減少。方案三在方案二的基礎(chǔ)上增設(shè)了P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備，利用過剩風(fēng)電制氣，傳輸或者儲(chǔ)存起來，在00:00-07:00時(shí)段棄風(fēng)相比于方案二有明顯減少。P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備的引入一方面給綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生人造天然氣供給使用，減少了天然氣的購入，節(jié)省了系統(tǒng)購能成本；另一方面，利用多余的風(fēng)電進(jìn)行制氣，加強(qiáng)了電力與天然氣之間的聯(lián)系，增加了風(fēng)電消納量，另外儲(chǔ)氣設(shè)備相對(duì)于儲(chǔ)電設(shè)備等來說成本更小，壽命更長(zhǎng)，是儲(chǔ)能設(shè)備考慮的首選。

圖6 棄風(fēng)功率示意圖

方案四中考慮電需求響應(yīng)后的電負(fù)荷如圖7所示。需求響應(yīng)需要提前與用戶簽訂協(xié)議，在電負(fù)荷高峰時(shí)期或電價(jià)峰時(shí)段對(duì)一些負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移或切除，以此平抑負(fù)荷波動(dòng)，減小購電成本。為了彌補(bǔ)用戶，需對(duì)參與需求響應(yīng)的用戶進(jìn)行補(bǔ)償。由圖7可知，考慮需求響應(yīng)后，電負(fù)荷峰值時(shí)段負(fù)荷被中斷或轉(zhuǎn)移，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價(jià)谷時(shí)段，降低了購電成本，電負(fù)荷趨于平緩。

圖7 需求響應(yīng)后的電負(fù)荷

在4個(gè)方案下系統(tǒng)的總成本以及棄風(fēng)量如表2所示。其中年化投資費(fèi)用包括設(shè)備初始投資費(fèi)用和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，年化運(yùn)行費(fèi)用包括購電和購氣費(fèi)用。值得注意的是，初始投資費(fèi)用等均為等年值費(fèi)用，故成本均以一年計(jì)算?？梢钥闯?，4個(gè)方案下的運(yùn)行成本依次減少，但由于在方案二和方案三中增設(shè)其他設(shè)備，年化投資費(fèi)用相對(duì)增大，方案四中需要考慮需求響應(yīng)補(bǔ)償費(fèi)用，但總的費(fèi)用呈減小趨勢(shì)。從棄風(fēng)量上看，方案四相比于方案一棄風(fēng)量減少了13.25 MW，達(dá)到了有效降低棄風(fēng)量的目的。

表2 成本與棄風(fēng)量

4 結(jié)束語

本文針對(duì)風(fēng)電消納問題，提出了引入電鍋爐、P2G及儲(chǔ)氣設(shè)備和需求響應(yīng)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

1) 電鍋爐、P2G等設(shè)備的引入增加了系統(tǒng)的靈活性與高效性，減少了系統(tǒng)的成本，加深了綜合能源系統(tǒng)能流之間的耦合。

2) 考慮到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)等的能源交互存在限制，所以需要將需求響應(yīng)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行中，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與靈活性。

3) 本文只考慮了風(fēng)電一種可再生能源形式，而可再生能源還有多種形式，且研究中并未考慮其不確定性所帶來的影響，在未來的研究中可從這兩個(gè)方向進(jìn)行更加深入的研究。