馬書(shū)文

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

隨著煤炭等化石能源儲(chǔ)量逐漸減少以及燃煤帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，人類(lèi)面臨著能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題。此時(shí)，以風(fēng)電為主要代表的清潔能源成為解決兩大難題的重要對(duì)策。風(fēng)電取之無(wú)盡，用之不竭，而且規(guī)模大，范圍廣，技術(shù)難度小，維護(hù)成本低，成為各國(guó)開(kāi)發(fā)清潔能源的首選。

然而，風(fēng)力發(fā)電由于受地理?xiàng)l件和天氣情況限制，具有波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，直接并網(wǎng)會(huì)危害對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電通常是在我國(guó)新疆、青海、蒙西等西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)?shù)責(zé)o法就地消納風(fēng)電，而且由于電力難以長(zhǎng)距離、跨區(qū)域傳輸，風(fēng)電也無(wú)法輸送到東部電力需求大的地區(qū)，不可避免的產(chǎn)生了棄風(fēng)現(xiàn)象。為了大規(guī)模利用風(fēng)電，提高風(fēng)電利用率，需要盡快解決如何消納風(fēng)電這一制約我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的重大難題。

綜合能源系統(tǒng)[1，2]概念的興起，成為解決這一難題的新方式。通過(guò)將電力網(wǎng)和天然氣網(wǎng)等不同形式能源系統(tǒng)進(jìn)行耦合，構(gòu)成電- 氣綜合能源系統(tǒng)，相比于就地儲(chǔ)存電能存在的容量規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)成本高等缺陷，利用棄風(fēng)電力轉(zhuǎn)化成的天然氣更易于儲(chǔ)存，且天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)有著巨大的儲(chǔ)存容量，達(dá)到消納棄風(fēng)，提高風(fēng)電利用率的目的。

電轉(zhuǎn)氣（power to gas（P2G））技術(shù)[3，4]是實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)電力轉(zhuǎn)化為天然氣的關(guān)鍵技術(shù)。電轉(zhuǎn)氣（P2G）設(shè)備可以將富余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣，并以天然氣的形式大規(guī)模儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)移消納。因此，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備是電力網(wǎng)與天然氣網(wǎng)耦合的重要設(shè)備，天然氣網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電能和天然氣化學(xué)能的雙向流動(dòng)，形成了深度耦合的電- 氣綜合能源系統(tǒng)，也為解決風(fēng)電消納問(wèn)題提供了新的方式。

近年來(lái)，利用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)促進(jìn)可再生能源消納的問(wèn)題得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[5]建立了一種電- 氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)，通過(guò)削峰填谷方式有效平抑凈負(fù)荷波動(dòng)并提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。文獻(xiàn)[6]提出了一種含電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的電- 氣- 熱多能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型, 并分析了消納風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[7]論證了通過(guò)綜合能源系統(tǒng)形成多元消納技術(shù)和多元存儲(chǔ)技術(shù)可以增加可再生能源的就地消納,提高風(fēng)機(jī)利用率。文獻(xiàn)[8]則提出一種考慮電轉(zhuǎn)氣合理利用棄風(fēng)并考慮天然氣系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的電力- 天然氣綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化調(diào)度模型。

本文以考慮電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電- 氣綜合能源系統(tǒng)模型作為研究對(duì)象，并對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)的總體運(yùn)行成本最小作，并采用粒子群算法求解該模型，并設(shè)置多種場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析，論證了P2G 技術(shù)對(duì)電- 氣綜合能源系統(tǒng)消納風(fēng)電的影響。

1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是一種新興的綠色環(huán)保技術(shù)，通過(guò)兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)電能到天然氣的轉(zhuǎn)化。第一步電解水得到氫氣，副產(chǎn)物為氧氣；第二步為氫氣甲烷化，使氫氣在催化劑的作用下與二氧化碳結(jié)合生成甲烷。

第一步：電解水，消耗電能得到氫氣和氧氣，其化學(xué)方程式如下式所示。

目前世界范圍內(nèi)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)性P2G 廠集中在歐洲，尤其是德國(guó)、丹麥等國(guó)家。德國(guó)在P2G 技術(shù)的研究中處于世界前列，早在2015 年德國(guó)大型電力公司RWE 率先投產(chǎn)利用可再生能源制取氫氣、甲烷等氣體的P2G 工廠。同樣也是德國(guó)的E. ON 公司最先實(shí)現(xiàn)P2G 設(shè)施的工業(yè)化運(yùn)營(yíng)，向天然氣管道中注入氫氣。我國(guó)對(duì)P2G 技術(shù)的研究尚處在起步階段，全國(guó)范圍內(nèi)僅有河北沽源風(fēng)電制氫一項(xiàng)試驗(yàn)性項(xiàng)目，且沒(méi)有將氫氣進(jìn)一步甲烷化制成天然氣。

2 電- 氣綜合能源系統(tǒng)模型

本文建立的電- 氣綜合能源系統(tǒng)含有燃?xì)廨啓C(jī)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，使電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的深度耦合，形成電能和天然氣能的雙向流動(dòng)。如圖1 所示，當(dāng)電力系統(tǒng)中的發(fā)電出力來(lái)自于風(fēng)電機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)，電力負(fù)荷要求優(yōu)先由風(fēng)電機(jī)組滿足，當(dāng)風(fēng)電出力無(wú)法滿足電力負(fù)荷需求時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)從天然氣管網(wǎng)購(gòu)氣進(jìn)行發(fā)電，彌補(bǔ)電力缺額。當(dāng)風(fēng)電出力超過(guò)電力負(fù)荷需求時(shí)，特別是在夜間風(fēng)電大發(fā)但電力負(fù)荷處于一天中最低的時(shí)段，富余的風(fēng)電利用P2G 技術(shù)轉(zhuǎn)化為天然氣，輸入天然氣管網(wǎng)中進(jìn)行輸送或者儲(chǔ)存。因此，通過(guò)P2G 設(shè)備耦合在一起的電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)提高了實(shí)現(xiàn)消納風(fēng)電的目標(biāo)。

圖1 電- 氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 天然氣網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.1 天然氣管道模型

天然氣管道模型主要由管道中天然氣流量方程體現(xiàn)，管道天然氣流量由下列公式?jīng)Q定:

Kij為管道傳輸系數(shù)，為固定值，由管道直徑、溫度、長(zhǎng)度等因素決定；

Sij為表示氣體流向的系數(shù)。

2.1.2 加壓站建模

天然氣在傳輸過(guò)程會(huì)損失部分壓力，因此需要加壓站對(duì)天然氣進(jìn)行加壓。壓縮機(jī)有關(guān)模型為：

式中：Hkij為壓縮機(jī)消耗的電能；

Bk為壓縮機(jī)的效率系數(shù)；

zk為壓縮機(jī)的壓縮系數(shù)。

2.2 P2G 模型

P2G 生產(chǎn)過(guò)程中有著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，但可以通過(guò)P2G設(shè)備功率與產(chǎn)氣量的關(guān)系簡(jiǎn)化得到P2G 模型。P2G 設(shè)備生產(chǎn)的天然氣量與P2G 設(shè)備的功率之間的關(guān)系為：

P2G 設(shè)備在氫氣甲烷化過(guò)程中會(huì)吸收二氧化碳，用于和氫氣反應(yīng)，吸收的二氧化碳質(zhì)量為：

式中，Vp2g（t）為t 時(shí)段的P2G 設(shè)備生產(chǎn)的天然氣量；

ηP2G為P2G 設(shè)備的產(chǎn)氣效率；

Pp2g（t）為t 時(shí)段的P2G 設(shè)備的功率；

Lgas為天然氣的燃燒熱值。

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)模型

燃?xì)廨啓C(jī)的模型可表達(dá)如下:

式中，Pgt（t）為t 時(shí)段的燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)的電能；

Vgt（t）為t 時(shí)段的燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣量；

ηgt為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率。

2.4 蓄電池模型

蓄電池在t 時(shí)刻荷電狀態(tài)由多項(xiàng)因素決定，包括t-1 時(shí)刻的荷電狀態(tài)、還與t 時(shí)刻和t-1 時(shí)刻間時(shí)段的充放電狀態(tài)，其表達(dá)式見(jiàn)下：

式中，Pcha（t）和Pdis（t）分別為t 時(shí)段蓄電池的充、放電功率；

2.5 儲(chǔ)氣罐模型

儲(chǔ)氣罐模型與儲(chǔ)蓄電池類(lèi)似，在t 時(shí)刻儲(chǔ)氣狀態(tài)不僅與t-1 時(shí)刻的儲(chǔ)氣狀態(tài)有關(guān)，還與t 時(shí)刻和t-1 時(shí)刻間時(shí)段的充放氣狀態(tài)密切相關(guān)，其表達(dá)式見(jiàn)下：

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 碳交易機(jī)制

在含有P2G 設(shè)備的電- 氣綜合能源系統(tǒng)中，P2G 設(shè)備的加入不僅僅提高了風(fēng)電等可再生能源的利用率，而且電轉(zhuǎn)氣過(guò)程中會(huì)吸收大量的二氧化碳，起到了減少碳排放的作用。根據(jù)這一特性，可考慮加入碳交易機(jī)制，使P2G 設(shè)備除賣(mài)出自身生產(chǎn)的天然氣賺取利潤(rùn)外，也可通過(guò)在碳交易市場(chǎng)出售碳排放額度，進(jìn)一步增加收入，降低系統(tǒng)總體成本。P2G 設(shè)施的利潤(rùn)可顯示為：

3.2 目標(biāo)函數(shù)

以電- 氣綜合能源系統(tǒng)總體運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，包括一天24 小時(shí)內(nèi)購(gòu)買(mǎi)電能、氣能等多種能源成本，碳交易機(jī)制可以衡量系統(tǒng)的環(huán)境效益，設(shè)置碳交易成本加入系統(tǒng)總體成本中。為體現(xiàn)含電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電- 氣綜合能源系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電的消納作用，可以對(duì)棄風(fēng)進(jìn)行一定程度的懲罰，使系統(tǒng)總成本中增加棄風(fēng)懲罰成本。因此，綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為：

式中，ugt和um分別為燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放強(qiáng)度和碳排放配額。

式中，σ 為棄風(fēng)懲罰系數(shù)

Pwt（t）為t 時(shí)段風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)出功率；

Pw（t）為t 時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組直接上網(wǎng)功率。

3.3 約束條件

3.3.1 電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束

電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束包括電功率平衡約束、發(fā)電機(jī)組功率約束、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備出力約束等。

（1）電功率平衡約束

式中，-Δgt、Δgt分別為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組向上、向下爬坡速率。

4 算例仿真與分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

以由燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、蓄電池、儲(chǔ)氣罐等裝置組成的電- 氣綜合能源系統(tǒng)為例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，日前市場(chǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)和氣價(jià)和各個(gè)時(shí)段下電負(fù)荷、氣負(fù)荷與風(fēng)電預(yù)測(cè)出力如圖2、圖3 所示。

圖2 實(shí)時(shí)電價(jià)與氣價(jià)

圖3 電負(fù)荷、氣負(fù)荷、風(fēng)電預(yù)測(cè)出力

為綜合研究是否加入P2G 設(shè)備和是否考慮碳交易機(jī)制對(duì)電- 氣綜合能源系統(tǒng)消納棄風(fēng)的影響，設(shè)置兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，分別為：（1）不含P2G 設(shè)備，不含碳交易機(jī)制；（2）含有P2G 設(shè)備，含碳交易機(jī)制。在Matlab 中采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行仿真。

4.2 場(chǎng)景優(yōu)化調(diào)度與分析

4.2.1 不含P2G 設(shè)備，不含碳交易機(jī)制

燃?xì)鈾C(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的工作狀況如圖4 所示。

圖4 場(chǎng)景1 下發(fā)電機(jī)組出力狀況

系統(tǒng)棄風(fēng)量如圖5 所示。

圖5 場(chǎng)景1 下棄風(fēng)量

4.2.2 含P2G 設(shè)備，含碳交易機(jī)制場(chǎng)景下燃?xì)鈾C(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的工作狀況如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)景2 下燃?xì)鈾C(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的工作狀況

P2G 設(shè)備的運(yùn)行狀況如圖7 所示。

圖7 場(chǎng)景2 下P2G 設(shè)備的運(yùn)行狀況

表1 給出了兩種方案下電- 氣綜合能源系統(tǒng)中各項(xiàng)成本對(duì)比。

表1 兩種方案優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)對(duì)比兩種場(chǎng)景下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的運(yùn)行狀況，可以看出，當(dāng)不考慮P2G 設(shè)備以及碳交易機(jī)制時(shí)，在夜晚23：00～6：00 時(shí)段，風(fēng)力發(fā)電量遠(yuǎn)超此刻電力負(fù)荷，有大量的風(fēng)電無(wú)法被及時(shí)消納，產(chǎn)生了棄風(fēng)現(xiàn)象。在11：00～23：00 時(shí)間段，受天氣狀況影響風(fēng)電出力較小，無(wú)法滿足這個(gè)時(shí)間段人們生活所需的電力負(fù)荷，燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)，從天然氣網(wǎng)購(gòu)氣進(jìn)行發(fā)電以滿足電力缺額。當(dāng)考慮P2G 設(shè)備加入電- 氣綜合能源系統(tǒng)和碳交易機(jī)制時(shí)，夜晚雖然風(fēng)電大發(fā)超過(guò)了電力負(fù)荷所需，但是P2G 設(shè)備可以迅速啟動(dòng)，將富余風(fēng)電制成天然氣，一部分儲(chǔ)存到儲(chǔ)氣罐中，超過(guò)儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)量上限的部分可以直接輸入天然氣管網(wǎng)中。11：00～21：00 時(shí)段，由燃?xì)廨啓C(jī)補(bǔ)足電力缺額。

而碳交易機(jī)制的加入，使P2G 設(shè)備不僅僅可以通過(guò)出售制成的天然氣獲得部分利潤(rùn)，也可以通過(guò)出售碳排放配額增加收入。燃?xì)廨啓C(jī)由于碳交易的限制，會(huì)減少部分出力，使風(fēng)電得到更充分的消納。

方案2 相比于方案1，系統(tǒng)總成本降為原方案的38.2%，P2G 設(shè)備的利潤(rùn)可以降低部分成本，并且將夜晚的棄風(fēng)消納后，減少了棄風(fēng)懲罰成本，使系統(tǒng)整體的總成本進(jìn)一步降低。P2G 設(shè)備在氫氣甲烷化過(guò)程中吸收了2332.4kg 二氧化碳，降低了環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了減排效果。

5 結(jié)論

本文建立了包括燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備等關(guān)鍵裝置的電- 氣綜合能源系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)建模，以系統(tǒng)總體成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，分為不含P2G 設(shè)備，不含碳交易機(jī)制和含P2G 設(shè)備且含碳交易機(jī)制兩種情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，對(duì)兩種情況下的燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組和P2G 設(shè)備的工作狀況進(jìn)行了分析對(duì)比。仿真結(jié)果表明：

5.1 電轉(zhuǎn)氣設(shè)備加入電- 氣綜合能源系統(tǒng)中，可以有效地將棄風(fēng)電力轉(zhuǎn)化為天然氣，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域，跨時(shí)間消納，增強(qiáng)系統(tǒng)消納風(fēng)電能力，并且與燃?xì)廨啓C(jī)一起實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的“削峰填谷”功能。

5.2 碳交易機(jī)制的加入，降低了系統(tǒng)的整體運(yùn)行成本，使P2G 設(shè)備獲得了更大的利潤(rùn)，有利于降低碳排放，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。