靳瑞強(qiáng)，馬廣昭，周喜超

(國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100021)

能源的充分利用是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前提，當(dāng)前，電、氣能源的廣泛應(yīng)用，還是通過傳統(tǒng)燃燒化石煤炭的火力發(fā)電廠進(jìn)行供給[1]。一定程度上，傳統(tǒng)的電、氣使用模式，既不利于經(jīng)濟(jì)的長期、穩(wěn)定發(fā)展，其燃燒化合物也為周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重污染問題。因此，構(gòu)建電-氣綜合能源的互補(bǔ)利用系統(tǒng)以解決上述問題。

電-氣綜合能源系統(tǒng)能夠促進(jìn)能源間的雙向有效流動，加速電、氣能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)耦合發(fā)展，進(jìn)而實現(xiàn)能源單獨分布使用向能源互聯(lián)的智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變[2]。此外，隨著電-氣綜合能源系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得電力系統(tǒng)中高峰期負(fù)荷值呈增長趨勢，直接加大了低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的運(yùn)行難度。

負(fù)荷具有區(qū)域性、不確定性以及不唯一性等特性，使得負(fù)荷增長在電力系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度中長期處于主導(dǎo)地位，其發(fā)電量往往是根據(jù)負(fù)荷側(cè)的硬性需要進(jìn)行定量[3]。然而，過于頻繁的系統(tǒng)調(diào)度不僅考驗著電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，還直接提高了電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本。因此，實現(xiàn)考慮柔性負(fù)荷的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，需要明確柔性負(fù)荷與電氣并網(wǎng)，以及火電機(jī)組出力等影響因素的關(guān)系，并在降低污染化合物釋放量的基礎(chǔ)上，平衡電-氣綜合能源系統(tǒng)的各時段功率。

1 電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法

1.1 分析電-氣綜合能源系統(tǒng)工作流程

電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)在P2G設(shè)備以及燃?xì)廨啓C(jī)的共同作用下，實現(xiàn)了電-氣綜合能源系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)行[4]。為進(jìn)一步結(jié)合傳統(tǒng)能源與可再生能源，電-氣綜合能源系統(tǒng)需要通過不斷地協(xié)調(diào)以及智能優(yōu)化。與傳統(tǒng)單一分布的電力系統(tǒng)，以及天然氣系統(tǒng)相比，該能源系統(tǒng)具有環(huán)保性、多維性、階梯性以及靈活互聯(lián)等特性[5]。電-氣綜合能源系統(tǒng)的具體工作過程如圖1所示。

圖1 電-氣綜合能源系統(tǒng)工作過程圖

在電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)，為了不斷加深電力與天然氣的耦合程度，需要建立天然氣管存、管道流量暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)模型、驅(qū)動壓縮機(jī)模型、燃?xì)廨啓C(jī)模型以及電-氣設(shè)備模型等多個模型。

電-氣綜合能源系統(tǒng)中的電力網(wǎng)絡(luò)，可以通過計算電網(wǎng)的節(jié)點，以及列寫回路方程實現(xiàn)。具體的電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的電力網(wǎng)絡(luò)的功率表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：Pm為電力網(wǎng)絡(luò)的有功功率，kW；Qm為電力網(wǎng)絡(luò)的無功功率，kW；m為電力節(jié)點；Vm為電壓幅值,V；θmn為相角差；Gmn為實部參數(shù)；Bmn為虛部參數(shù)。

電-氣綜合能源系統(tǒng)中的天然氣網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了盡可能減少天然氣能源在傳輸過程中的壓力值，具體由負(fù)荷、氣源、加壓站，以及天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等多個部分組成?？紤]到在電-氣綜合能源系統(tǒng)中，天然氣能源受到管道流量以及管道兩端壓力的影響[6]，構(gòu)建天然氣管道流量穩(wěn)態(tài)模型。利用非線性方程表示電-氣綜合能源系統(tǒng)中的天然氣管道流量如式2所示。

(2)

式中：a、b為天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；Fp,ab為天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸管道a-b的流量；Sab為天然氣網(wǎng)絡(luò)中天然氣流向的變量；σ為運(yùn)輸管道的定值參數(shù)；pa、pb分別為天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點a、b的壓力值,MPa。

因此，在電-氣綜合能源系統(tǒng)中主要包括電、氣傳輸設(shè)備、電-氣轉(zhuǎn)化設(shè)備以及電、氣能源的存儲設(shè)備三部分[7]。通過不同的轉(zhuǎn)化路徑實現(xiàn)電-氣能源的有效轉(zhuǎn)化，一定程度上為電-氣綜合能源系統(tǒng)提供了配置自由度，使其具有明顯靈活性、多樣性，能夠在一定的周期內(nèi)實現(xiàn)氣能源的協(xié)同互補(bǔ)。

1.2 建立考慮柔性負(fù)荷的調(diào)度模型

隨著電-氣綜合能源系統(tǒng)的廣泛推廣，電、氣互聯(lián)的能源滲透率日益提高。在節(jié)約運(yùn)行成本的同時，電力系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)的高峰期負(fù)荷也呈上升趨勢，導(dǎo)致電力系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷值波動越來越大[8]。因此，為了實現(xiàn)電-氣綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，就需要將柔性負(fù)荷充分融入系統(tǒng)內(nèi)。將特定區(qū)域內(nèi)的柔性負(fù)荷與電氣并網(wǎng)相結(jié)合，并建立適應(yīng)源側(cè)，以及源側(cè)的隨機(jī)變量的正態(tài)分布結(jié)構(gòu)圖(見圖2)。

圖2 考慮柔性負(fù)荷的調(diào)度結(jié)構(gòu)

建立考慮柔性負(fù)荷的調(diào)度模型，首先需要考慮柔性負(fù)荷在電-氣綜合能源系統(tǒng)中實際數(shù)值，與預(yù)測數(shù)值之間的差異性?？醋魇欠木禐?的正態(tài)分布的柔性負(fù)荷預(yù)測誤差，能夠得到具體表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

為了保證電-氣綜合能源系統(tǒng)在實際生活中的平穩(wěn)應(yīng)用，需要在低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法實施之前，對隨機(jī)變量柔性負(fù)荷進(jìn)行條件約束，進(jìn)而得到特定的系統(tǒng)內(nèi)約束條件成立的概率性。具體關(guān)于柔性負(fù)荷的機(jī)會約束規(guī)劃表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

通常情況下，在整個電-氣綜合能源系統(tǒng)選取24小時作為一個調(diào)度周期，并根據(jù)柔性負(fù)荷的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的預(yù)測?？紤]柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)通過削減、平移，以及轉(zhuǎn)移三種方式，實現(xiàn)在約束條件下柔性負(fù)荷概率發(fā)生最小化[10]。因此，得到考慮柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本表達(dá)式，具體如式(5)所示。

minf1=fc+fs+fcut+fsh+ftr

(5)

式中：f為考慮柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本；fc為常規(guī)火電機(jī)的運(yùn)行成本；fs為常規(guī)火電機(jī)停止運(yùn)行的成本；fcut為可削減柔性負(fù)荷的補(bǔ)償費用；fsh為可平移柔性負(fù)荷的補(bǔ)償費用；ftr為可轉(zhuǎn)移柔性負(fù)荷的補(bǔ)償費用。

基于此，在建立考慮柔性負(fù)荷的調(diào)度模型時，需要充分考慮負(fù)荷削減、轉(zhuǎn)移，以及平移這三種方式[11]。在既定的補(bǔ)償條件下，柔性負(fù)荷通過不同方式參與電-氣綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度，得到的相應(yīng)補(bǔ)償也是不同的。

1.3 運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)有效調(diào)度

在考慮柔性負(fù)荷的電-氣綜合能源系統(tǒng)中，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電-氣能源流，以及系統(tǒng)信息流的快速傳遞。在電-氣綜合能源系統(tǒng)中利用常規(guī)發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)電、氣能源的有效輸入；通過耦合轉(zhuǎn)化設(shè)備，整合電、氣兩種能源共同輸出[12]。為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)有效調(diào)度，能夠多次利用電-氣能源，極大地提高了電-氣能源轉(zhuǎn)化的滲透率[13]。

通常情況下，電-氣綜合能源系統(tǒng)的低碳調(diào)度最好建立在24小時內(nèi)，既能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度方法的經(jīng)濟(jì)性，也能夠保證電-氣綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行低碳性[14-15]。在考慮棄風(fēng)成本，以及污染物排放成本的基礎(chǔ)上，獲取電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的目標(biāo)函數(shù)最小值如式(6)所示。

(6)

式中：T為該系統(tǒng)的調(diào)度周期；NGF為火電機(jī)組集合；Ns為天然氣網(wǎng)絡(luò)中氣源集合；N為常規(guī)發(fā)電機(jī)組集合；f(Pi,t)為運(yùn)行費用函數(shù)；Qgs,k,t為天然氣氣源出力；fwp,t為經(jīng)濟(jì)調(diào)度中懲罰成本；fc,t為經(jīng)濟(jì)調(diào)度中污染物排放成本。

此外，經(jīng)濟(jì)調(diào)度中懲罰成本，以及經(jīng)濟(jì)調(diào)度中污染物排放成本能夠得到具體表達(dá)式，如式(7)所示。

(7)

綜上所述，基于電-氣互聯(lián)條件，設(shè)置柔性負(fù)荷的約束性條件發(fā)生概率，在電-氣綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用非線性優(yōu)化算法，使得柔性負(fù)荷具有多樣性，進(jìn)而實現(xiàn)該系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)有效調(diào)度。

2 實 驗

2.1 實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

為驗證所提方法的有效性，設(shè)計對比實驗進(jìn)行驗證。以某地區(qū)電-氣綜合能源系統(tǒng)為研究對象，其中，電力系統(tǒng)包括5組發(fā)電機(jī)組，天然氣系統(tǒng)包括11個節(jié)點。在風(fēng)電場、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，以及燃?xì)廨啓C(jī)的互聯(lián)平衡作用下，對電-氣綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行實驗分析。

將1、2號火電機(jī)組改造為6個氣源點連續(xù)運(yùn)行燃機(jī)機(jī)組、20個設(shè)備節(jié)點、21條互聯(lián)管道、2座加壓站。因此，在電-氣綜合能源系統(tǒng)中得到天然氣網(wǎng)中氣源點，以及儲氣罐相關(guān)參數(shù)值，具體如表1所示。

表1 天然氣網(wǎng)中氣源點以及儲氣罐相關(guān)參數(shù)值

在電-氣綜合能源系統(tǒng)中，壓縮機(jī)壓縮比范圍在1.1～2，其單元特征常數(shù)規(guī)定為0.1。在本次試驗中，電力系統(tǒng)風(fēng)電裝機(jī)容量為100 MW；而天然氣系統(tǒng)內(nèi)裝機(jī)容量為200 MW。通過電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)基準(zhǔn)值的選取，以及平衡點的計算，可以得到該能源系統(tǒng)內(nèi)的污染物排放參數(shù)，具體如表2所示。

表2 電-氣綜合能源系統(tǒng)污染物排放參數(shù)

本次考慮柔性負(fù)荷的電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法有效性的實驗，其所有程序都是在MATLAB仿真軟件平臺進(jìn)行編碼，以及測試。本次實驗的操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)的同時，為了滿足于CPLEX 12.6的商業(yè)求解器版本，需要在64GB RAM內(nèi)存的服務(wù)器，以及中央處理器為Intel(R) Xeon(R) CPU ES-2620 v3(2.4 GHz)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬實驗。

2.2 實驗分析過程

電-氣能源的轉(zhuǎn)換還與風(fēng)速變化息息相關(guān)，而風(fēng)速的數(shù)值變化又極易受到外界環(huán)境的影響。想要實現(xiàn)電-氣綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，設(shè)計能源系統(tǒng)內(nèi)儲能裝置，以及通過LNG冷能實現(xiàn)階梯式利用。隨著電力系統(tǒng)日益增長的高峰期負(fù)荷，需要綜合考慮電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的需求響應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)電-氣綜合能源的協(xié)調(diào)互動調(diào)度。

充分考慮柔性負(fù)荷的電-氣綜合能源系統(tǒng)，能夠有效降低發(fā)電側(cè)大功率機(jī)組在負(fù)荷高峰期的出力值。而P2G可以有效降低電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的棄風(fēng)成本，為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，機(jī)組出力碳排量較大，需要將其向燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

2.3 實驗結(jié)果

實驗過程中將設(shè)置三種經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式進(jìn)行分析，具體可以分為：不考慮P2G，且僅考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的方法稱為調(diào)度方法1；考慮P2G，且僅考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的方法稱為調(diào)度方法2；同時考慮考慮P2G以及柔性負(fù)荷的電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的本文實驗方法。

綜上所述，在已知的風(fēng)電場容量，以及P2G設(shè)備容量為50 MW的基礎(chǔ)上，對三種調(diào)度方法的實驗測試結(jié)果進(jìn)行對比。不同調(diào)度方法的具體對比結(jié)果如表3所示。

表3 不同經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法的結(jié)果對比

根據(jù)實驗的對比結(jié)果可知，在不考慮P2G設(shè)備的前提下，僅考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的調(diào)度方法綜合成本最高。而基于P2G設(shè)備的調(diào)度方法2單純考慮其經(jīng)濟(jì)性，并沒有將電-氣綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)組有效轉(zhuǎn)換為燃?xì)廨啓C(jī)。

基于此，調(diào)度方法2的P2G成本較高，使綜合成本明顯高于本文的調(diào)度方法。綜上所述，本文方法的綜合成本相比最少，僅為2.241。一定程度上，本文調(diào)度方法在實現(xiàn)低碳的基礎(chǔ)上，有效降低了運(yùn)行成本。

3 結(jié) 語

在煤炭等傳統(tǒng)的能源燃燒過程中，產(chǎn)生過量污染化合物氣體，既影響了周邊環(huán)境，也不利于低碳經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行。電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)互聯(lián)的電-氣綜合能源系統(tǒng)，其耦合程度不斷增加，使得該低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法具有多維變量性、多時段優(yōu)化性等特性，從而在一定程度上能夠有效降低模型收斂速度，提高研究方法的實用性。