樊國旗，霍 超，李小騰，劉 斌，樊國偉，程 林，王志遠，潘偉東

(1. 國網金華供電公司，浙江 金華 321001；2. 國家電網公司西北分部，陜西 西安 710048；3. 國網陜西省電力公司科學研究院，陜西 西安 710010；4. 西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049；5. 國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

電網互聯可以提高不同地區(qū)之間的互濟能力[1]。隨著新能源的大規(guī)模接入和負荷的快速增長，受到電網傳輸能力等因素約束，系統不能滿足調峰需要，出現棄風和供電缺口問題[2-4]。

針對此類問題，文獻[5]利用能量流角度在電-熱系統中引入電轉氣(power to gas，P2G)設備，促進風電消納，減少系統成本；文獻[6]通過場景法表征風電不確定特性，利用P2G裝置實現電氣互聯和能量耦合調度，提高風電利用率；文獻[7]構建含P2G多能量網絡模型，利用不同季節(jié)典型日負荷及風電預測曲線檢驗模型的有效性和經濟性；文獻[8]利用多能量耦合特性優(yōu)化調度，減少棄風棄光；文獻[9-10]利用跨區(qū)電網和氣網互聯調度，減小系統峰谷差，實現資源優(yōu)化配置，增強系統互濟能力。

上述文獻多通過P2G設備實現多能源網絡優(yōu)化調度或者跨區(qū)互聯，較少能針對夏季負荷和風電特性，解決不同地區(qū)能源不平衡問題。因此，下面提出一種含P2G的多能源網優(yōu)化調度方法，利用P2G技術解決風電與負荷不匹配導致棄風問題，并通過燃機實現冷電聯合調度解決電網供電能力不足問題；通過對燃氣輪機消耗天然氣和P2G設備產生天然氣平衡進行控制，減少對天然氣流影響；通過某跨區(qū)電網實際算例驗證所提方法的有效性。

1 棄風與供電缺口問題分析

由于輸電通道(地區(qū)和主網之間)傳輸功率約束，負荷高峰時段出現供電缺口，調峰能力不足，只能采取限負荷的方法。在風電大發(fā)的高峰時段，本地電網消納能力不足，調峰能力受限，且外送通道限制，會導致棄風。為分析地區(qū)1風電消納能力不足、地區(qū)2供電能力不足的電網特性，將該地區(qū)電網簡化如圖1所示：G1、G2分別表示地區(qū)1、地區(qū)2發(fā)電機組；L1、L2分別表示地區(qū)1、地區(qū)2負荷。

圖1 簡化電網

風電消納空間如式(1)表示。

Pwind,r,t=PL,t+Ptrans,t-Pf,min

(1)

式中：Pwind,r,t為風電消納空間；PL,t為負荷功率；Ptrans,t為聯絡線傳輸功率；Pf,min為火電機組最小技術出力。

棄風功率如式(2)所示，棄風電量Wwind,a如式(3)所示，棄風率計算如式(4)所示。

Pwind,a,t=max(Pwind,t-Pwind,r,t,0)

(2)

(3)

(4)

式中：σ為棄風率；Pwind,a,t為風電限電功率；Pwind,t為風電理論功率；T為風電限電總時間。

最大供電能力PTSC(total supply capability，TSC)為機組最大技術出力加上聯絡線通道傳輸功率，如式(5)表示。

PTSC=Pf,max+Ptrans,t

(5)

式中，Pf,max為機組可用最大技術出力。

供電缺口功率PL,a,t如式(6)所示，供電缺口電量WL,a如式(7)所示。

PL,a,t=max(PL,t-PTSC,0)

(6)

(7)

式中，T1為供電缺口總時間。供電不滿足要求的時段(即出現供電缺口時段)記為1，供電滿足要求時段記為0。供電缺口狀態(tài)σt判斷如式(8)所示，結合文獻[11]安全域提出供電缺口率γt如式(9)所示。

(8)

(9)

式中，N為供電時段總數。

2 含P2G的多能源網優(yōu)化調度

2.1 含P2G的多能源網框架

含P2G的多能源網如圖2所示，地區(qū)1包括火電機組、風電機組和P2G設備，地區(qū)2包括火電機組、燃氣輪機、電制冷機及蓄冷器。P2G裝置主要包括兩個功能：地區(qū)1風電消納能力不足時，電轉氣促進風電消納；地區(qū)2供電能力不足時，通過電-氣-電途徑解決，天然氣流和電力流在圖中用箭頭表示。

圖2 含P2G的多能源網

2.2 電氣耦合框架

電氣耦合元件包括燃氣輪機和P2G，燃氣輪機將天然氣轉化為電能，P2G將電轉化為氫氣，然后甲烷化得到燃氣。

2.2.1 氣冷電能源模型

氣冷電能源模型中包括燃氣輪機和電制冷機，燃氣輪機能量轉化如式(10) 所示。

(10)

式中：fMT，t為燃氣輪機天然氣消耗流量；PMT，t為燃氣輪機電功率；ηMT,e為燃氣輪機發(fā)電效率；HG為天然氣熱值。

燃氣輪機發(fā)電成本CMT如式(11)所示。

CMT=a(PMT,t+γDMT,t)2+b(PMT,t+γDMT,t)+c

(11)

式中：a、b、c為機組能耗系數；γ為冷電功率變化相對量；PMT,t、DMT,t分別為微型燃氣輪機電、冷功率。

燃氣輪機發(fā)電功率和制冷功率關系KMT如式(12)所示，燃氣輪機機組電(熱)爬坡功率RP(D)MT,t約束和電(熱)功率上下限P(D)MT,t約束如式(13)—式(14)所示，燃氣輪機功率運行區(qū)域如圖3所示。

圖3 燃氣輪機功率運行區(qū)域

(12)

RP(D)MT,min≤RP(D)MT,t≤RP(D)MT,max

(13)

P(D)MT,min≤P(D)MT,t≤P(D)MT,max

(14)

式中：RP(D)MT,max、RP(D)MT,min分別為燃氣輪機電(冷)最大、最小爬坡功率；P(D)MT,min、P(D)MT,max分別為燃氣輪機電(冷)最大、最小功率。

冷負荷功率由燃氣輪機冷負荷和電制冷機負荷組成，如式(15)所示。

PL,c,t=PL,c,e,t+DMT,t

(15)

式中：PL,c,t為總冷負荷；PL,c,e,t為電制冷機冷負荷。

2.2.2 P2G設備-電氣能源模型

P2G轉化化學方程式如式(16)所示，能量轉化如式(17)所示。

(16)

(17)

式中：FP2G,t為P2G設備產生天然氣產量；ηP2G為P2G能量轉化效率；PP2G,t為P2G設備功率。

P2G設備產生天然氣需要同時滿足地區(qū)1和地區(qū)2需要，因此

PP2G,t=max(PP2G,1,t,PP2G,2,t)

(18)

式中，PP2G,1,t和PP2G,2,t分別為地區(qū)1和地區(qū)2的P2G設備所需功率。地區(qū)1的P2G設備所需功率等于減少棄風功率；地區(qū)2的P2G設備所需功率等于供電缺口減少功率。

P2G設備功率約束如式(19)所示。

PP2G,min≤PP2G,t≤PP2G,max

(19)

式中，PP2G,min、PP2G,max分別為P2G設備最小、最大技術出力。

3 分層優(yōu)化調度模型

3.1 調度目標

電網調度任務為保障電網安全運行，減少供電缺口；支撐新能源消納，減少新能源限電；實現電網經濟高效運行，減少運行成本。為解決地區(qū)1出現的新能源棄風問題和地區(qū)2的供電缺口問題，通過新建P2G裝置，將地區(qū)1棄風時段電量轉化為天然氣通過天然氣管網在地區(qū)2消納。通過新建燃氣輪機，提高供電能力支撐減少供電缺口，提高冷負荷減少電負荷間接減少供電缺口。

調度目標為系統成本最小。

C總=Cwind,a+CL,a+CMT+CP2G+Cf+C主下

(20)

式中：Cwind,a為棄風成本；CL,a為供電缺口成本；CMT為燃氣輪機成本；CP2G為調用P2G裝置增加成本；Cf為火電機組運行成本；C主下為主網下網成本。

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：cwind,a、cL,a、cP2G、c主下分別為棄風、供電缺口、調用P2G設備和主網下網功率的單位成本；T2、T3和T4分別為P2G設備運行總時間、火電機組運行總時間和主網下網總時間；di、ei、εi分別為火電機組成本系數；P主下,t為主網下網功率。

3.2 約束條件

約束條件包括：地區(qū)1和地區(qū)2電功率平衡約束，見式(26)—式(27)；天然氣流量平衡約束，見式(28)；聯絡線功率約束，見式(29)；火電機組爬坡約束，見式(30)；火電機組功率約束，見式(31)。

(26)

(27)

FP2G,t=fMT

(28)

-Ptrans,k,max≤Ptrans,k,t≤Ptrans,k,max，k=1，2

(29)

Rf,i,min≤Rf,i,t≤Rf,i,max

(30)

Pf,i,min≤Pf,i,t≤Pf,i,max

(31)

式中：FP2G，t為P2G量設備天然氣制造量；Ptrans,k,max為地區(qū)k與主網聯絡線最大傳輸功率，結合圖2，地區(qū)1電力流上網為正方向，地區(qū)2電力流下網為正方向；Rf,i,min和Rf,i,max分別為第i臺火電機組最小、最大爬坡功率；Pf,i,min和Pf,i,max分別為第i臺火電機組最小、最大技術出力。

4 算例分析

4.1 地區(qū)情況

地區(qū)1、地區(qū)2負荷和風電如圖4、圖5所示。燃氣輪機冷電功率變化相對量為0.15；發(fā)電功率和制冷功率關系為0.75；發(fā)電效率為0.33；機組能耗成本系數a、b、c分別為0.053 2、 90.12、 7 175.4；最大、最小電功率分別為60 MW和10 MW；最大、最小冷功率分別為60 MW和0；最大電(冷)爬坡功率為45 MW。地區(qū)1與主網最大傳輸功率為200 MW,地區(qū)2與主網最大傳輸功率為700 MW?；痣姍C組成本系數d、e、ε分別為0.078 42、 139.3、 9 604.4；最大、最小功率分別為300 MW和150 MW；最大電(冷)爬坡功率為110 MW。棄風成本為600元/MWh；限負荷成本為4000元/MWh(參考負荷參與需求側響應單價)；主網下網功率成本為250元/MWh；P2G設備功率為140 MW，P2G設備調用功率成本為200元/MWh。

圖4 地區(qū)1風電消納

圖5 地區(qū)2供電

4.2 仿真驗證

所研究問題為非線性規(guī)劃模型問題，調度時間粒度為5 min,采用LINGO11求解。地區(qū)1最大等效負荷(地區(qū)1負荷與風電差值)為856 MW，地區(qū)1最大傳輸功率為200 MW，因此地區(qū)1火電機組最大供電能力需要大于656 MW，則地區(qū)1火電機組300 MW開機3臺，最大開機功率為900 MW，地區(qū)1原調度情況和圖4相同。地區(qū)1調用P2G設備前后棄風對比如圖6所示。

由圖6計算可知，P2G設備參與調度后棄風電量為86.6 MWh；棄風率為1.06%，滿足國家棄風率小于5%要求，棄風率降低了90.6%；最大棄風功率為35.2 MW，相對原最大棄風功率降低79.9%。

圖6 地區(qū)1 P2G設備參與調度前后棄風對比

地區(qū)1的P2G設備參與調度前后聯絡線功率不變；P2G設備參與調度會增加地區(qū)1火電機組功率，因此地區(qū)1火電機組功率在P2G設備參與調度前后會發(fā)生變化。地區(qū)1聯絡線功率和P2G設備參與調度火電機組功率如圖7所示。

圖7 地區(qū)1聯絡線功率P2G設備參與調度前后火電機組功率

地區(qū)2最大負荷為2 411.2 MW，地區(qū)2最大傳輸功率為700 MW，因此地區(qū)2火電機組最大供電能力需要大于1 711.2 MW，則地區(qū)2火電機組300 MW應開機6臺，由于地區(qū)2火電機組只有5臺，最大開機功率為1500 MW，地區(qū)2原調度情況和圖5相同。調用燃氣輪機前后原供電缺口、現供電缺口對比和地區(qū)1火電機組為P2G設備制造天然氣轉化為地區(qū)2電+熱能力如圖8所示。

圖8 調用燃氣輪機前后供電缺口對比和電+熱能力

由圖5計算可知，地區(qū)2供電缺口功率最大為211.17 MW，供電缺口電量為541.5 MWh，相比總用電量45 676.3 MWh，缺口電量只占1.9%，但供電缺口率為26.7%。由圖8計算可知，調用燃氣輪機后地區(qū)2缺口功率最大為124.2 MW，供電缺口電量為230.4 MWh，缺口電量占0.4%，供電缺口率為15.3%，供電缺口率減少43.1%；地區(qū)1火電機組為P2G設備制造天然氣轉化為地區(qū)2電+熱能力和地區(qū)2原供電缺口存在重疊，因此燃氣輪機解決供電缺口會受到地區(qū)1火電機組為P2G設備制造天然氣影響。

地區(qū)2聯絡線原、現功率和P2G設備參與調度火電機組原、現功率如圖9所示。

圖9 地區(qū)2聯絡線功率和火電機組功率變化

P2G設備和燃氣輪機調用功率如圖10所示。

圖10 調用P2G設備和燃氣輪機功率

由圖4計算可知，地區(qū)1棄風最大功率達175.3 MW，棄風電量為918.9 MWh，棄風率為11.35%，棄風率較高，不符合國家棄風率低于5%的要求。由圖10計算可知，P2G設備調用1 340.5 MWh，燃氣輪機電+冷負荷調用833 MWh，減少棄風832.7 MWh,減少供電缺口電量311.1 MWh。

原方法中，地區(qū)1火電機組、地區(qū)1棄風、地區(qū)2火電機組、地區(qū)2供電缺口、主網下網成本、總成本分別為301.8、55.1、687.5、216.6、161.8和1 422.8萬元；現方法中，地區(qū)1火電機組、地區(qū)1棄風、地區(qū)2火電機組、地區(qū)2供電缺口、P2G設備、燃氣輪機和主網下網成本分別為310.5、5.2、680.3、92.2、159.1、26.8、24、1 298.1萬元。所提方法相比原方法節(jié)約成本124.7萬元。

4.3 參數敏感性分析

P2G設備功率和棄風電量與棄風率關系如圖11所示。

圖11 P2G設備功率和棄風電量與棄風率關系

由圖11可知，棄風電量與棄風率隨P2G設備功率增大而減少， P2G設備功率為80 MW時，棄風率為4.67%，符合國家棄風率小于5%要求；最大棄風功率為95.2 MW，相對原最大棄風功率降低45.7%。

棄風電量與棄風率與P2G設備功率呈現近似線性關系，為探究其近似線性關系原因，統計原棄風功率概率分布，如圖12所示。

圖12 原棄風功率分布

由圖12可知，原棄風功率分布數量大部分近似相等，主要分布在風電功率大發(fā)期間的風電功率上升和下降階段；棄風功率分布數量較大時段主要位于風電峰值時間段。

燃氣輪機電+冷能綜合利用率約為62%，因此P2G最大功率為140 MW時，轉化為燃氣輪機電+冷能最大功率約為87 MW，因此燃氣輪機產生能量從而減少供電缺口和燃氣輪機最大電+冷功率直接相關；燃氣輪機最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關系如圖13所示。

由圖13可知，供電缺口電量隨著燃氣輪機最大電+冷功率增大其降低速度逐漸變緩。供電缺口最大功率下降呈線性關系。供電缺口比例與燃氣輪機最大電+冷功率呈現先迅速降低，后緩慢降低關系。供電缺口和燃氣輪機最大電+冷功率相關，且由圖8可知其與地區(qū)1 P2G設備產生天然氣相關，為探究其相互之間關系，其供電缺口功率分布統計如圖14所示。

圖13 燃氣輪機最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關系

圖14 供電缺口功率分布

由圖14可知，原供電缺口在40～70 MW之間分布雖然較多，但受到地區(qū)1 P2G設備制造天然氣影響，不能有效解決該區(qū)間供電缺口問題。原供電缺口在120～140 MW及160～190 MW之間分布較多，但地區(qū)1 P2G設備制造天然氣轉化為燃氣輪機電+熱能最大功率為124 MW，不能有效解決該區(qū)間供電缺口問題。原供電缺口在0～30 MW之間分布解決較好，同時驗證圖13之間關系的正確性。

5 結 論

針對輸電通道傳輸功率約束導致不同地區(qū)負荷高峰時段供電缺口和風電高峰時段棄風問題，通過新建燃氣輪機解決供電缺口問題;通過P2G解決棄風問題；通過對燃氣輪機消耗天然氣和P2G設備產生天然氣平衡進行控制，減少對天然氣流影響。該方法能夠有效解決棄風和供電缺口問題，棄風(供電缺口)隨著P2G設備(燃氣輪機)功率的增大減少速度會放緩。

由于負荷同時率特性，地區(qū)1通過P2G設備為地區(qū)2供應天然氣會受到限制，會影響燃氣輪機解決地區(qū)2供電缺口問題；此外由于燃氣輪機受到地區(qū)1P2G設備制造天然氣影響，不適宜投資功率過大的P2G設備，在后續(xù)研究中將通過其他不受設備和負荷同時率限制的設備參與調度，解決供電缺口問題。