李夢(mèng)露， 烏云高娃， 姜鵬

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電分公司， 江蘇 揚(yáng)州 225000；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗自然資源局， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400；3. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 北京 102206)

0 引言

中國(guó)提出的“雙碳” 目標(biāo)， 加速了以降碳為主的能源革命。 綜合能源系統(tǒng)作為整合電、 熱、冷、 氣等多種能源資源的集成體， 具有推動(dòng)多能源互補(bǔ)互濟(jì)和協(xié)調(diào)優(yōu)化的作用[1]。 燃?xì)鉄犭娐?lián)供系統(tǒng)(cogeneration system， combined heat and power system， CHP) 機(jī)組、 電轉(zhuǎn)氣(power to gas， P2G)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備， 具有運(yùn)行效率高、 碳排放量低等優(yōu)勢(shì)， 在綜合能源集成模型中起到多種能源的耦合作用。 具體而言， 當(dāng)園區(qū)的需求側(cè)電負(fù)荷需求小或風(fēng)電等可再生能源利用發(fā)生冗余時(shí)， 為減少棄風(fēng)現(xiàn)象， P2G 設(shè)備可以及時(shí)將過(guò)剩電能為天然氣系統(tǒng)中天然氣加壓， 促進(jìn)氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行[2]。 文獻(xiàn)[3－6] 分析了P2G 設(shè)備的容量等特性對(duì)氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響和成本分析； 文獻(xiàn)[7－11] 對(duì)P2G 設(shè)備的功能進(jìn)行量化研究， 構(gòu)建了包含系統(tǒng)削峰填谷率、 系統(tǒng)可靠率等多個(gè)指標(biāo)， 便于研究設(shè)備的功能優(yōu)劣性。

針對(duì)氣電綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度建模及求解， 文獻(xiàn)[12－14] 分別從不同角度構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型， 常見(jiàn)的目標(biāo)包括生產(chǎn)運(yùn)行成本最小化、 運(yùn)行可靠性最大化、 環(huán)境成本最小化等； 文獻(xiàn)[15] 考慮天然氣管道的運(yùn)行約束， 構(gòu)建了天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)耦合的電力風(fēng)險(xiǎn)最小化目標(biāo)下的系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型； 文獻(xiàn)[16] 以氣電互聯(lián)綜合能源園區(qū)各主體利益總體最大化為目標(biāo)構(gòu)建了優(yōu)化調(diào)度模型， 綜合考慮了系統(tǒng)的多種能源耦合之間的影響因素； 文獻(xiàn)[17] 提出綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行必須建立在安全性和可靠性前提下， 并提出了不確定性因素下優(yōu)化調(diào)度模型的建立過(guò)程。

綜上所述， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)P2G 技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)中的影響路徑機(jī)制、 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化建模等方面做了一定的研究， 然而目前的研究對(duì)P2G 設(shè)備在系統(tǒng)中的功能特性研究不足， 沒(méi)有將功能特性與協(xié)同優(yōu)化模型緊密結(jié)合。 因此， 本文在P2G 碳捕捉效應(yīng)、 氣電耦合效應(yīng)等功能特征基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

1 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)相關(guān)理論

1.1 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)元件

氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)是通過(guò)P2G 設(shè)備、 燃?xì)廨啓C(jī)等耦合元件， 將電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度的一種綜合能源系統(tǒng)。 按照能源中心模型設(shè)備的作用[18]， 可將一個(gè)氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的元件劃分為三類， 見(jiàn)表1。

表1 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)元件分類

在氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中， P2G 設(shè)備可以及時(shí)將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化為天然氣系統(tǒng)中所需要的加壓天然氣； 燃?xì)鈾C(jī)組的作用是將天然氣快速轉(zhuǎn)化為電力， 從而即時(shí)調(diào)峰， 彌補(bǔ)電力負(fù)荷曲線中的差值。

1.2 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

基于能源中心模型理論， 在系統(tǒng)能源輸入側(cè)考慮風(fēng)電、 燃煤、 燃?xì)釩HP 和天然氣； 在能源中心環(huán)節(jié)包含P2G 設(shè)備、 燃?xì)廨啓C(jī)、 燃?xì)忮仩t、 儲(chǔ)氣罐、 加壓站等； 能源需求側(cè)包括天然氣負(fù)荷、 熱負(fù)荷、 電負(fù)荷。 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)具體運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 氣電綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

2 多目標(biāo)優(yōu)化建模

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)， 基于P2G 設(shè)備耦合特性、 碳捕捉效應(yīng)等功能， 最大程度消納輸入側(cè)的風(fēng)電， 最小化輸出側(cè)的碳減排總量， 構(gòu)建多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。

2.1.1 運(yùn)行成本最小化

本文考慮燃煤機(jī)組的發(fā)電成本、 天然氣氣源的供氣成本、 儲(chǔ)氣罐運(yùn)行成本和P2G 設(shè)備運(yùn)行成本。假設(shè)系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行成本和各類其他設(shè)備的運(yùn)行成本為0。 氣電綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本:

式中，Ctotal、Ccoal、Cgas、Ctank和CP2G分別為綜合能源系統(tǒng)的總運(yùn)行成本、 燃煤機(jī)組的發(fā)電成本、 天然氣氣源出氣成本、 儲(chǔ)氣罐運(yùn)行成本、 P2G 設(shè)備運(yùn)行成本；Ωs、Ωtu、Ωg、Ωm、ΩP2G分別為情景集合、燃煤機(jī)組節(jié)點(diǎn)集合、 天然氣氣源節(jié)點(diǎn)集合、 儲(chǔ)氣罐節(jié)點(diǎn)集合、 P2G 設(shè)備耦合電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合；T為一個(gè)調(diào)度周期；qs為情景發(fā)生的概率；αi、βi和γi分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的燃煤機(jī)組發(fā)電成本函數(shù)的常數(shù)項(xiàng)、一次和項(xiàng)系數(shù)；Pi，s，t，coal、Pi，s，t，P2G分別為情景s第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t的燃煤機(jī)組出力、 P2G 設(shè)備的出氣流量；ci，gas、ci，in、ci，out和ci，P2G分別為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的天然氣氣源價(jià)格、 儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣和出氣流量?jī)r(jià)格、P2G 設(shè)備單位氣流量的運(yùn)行費(fèi)用；qi，s，t，source、qi，s，t，in和qi，s，t，out分別為情景s下第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t的天然氣氣源出氣量、 儲(chǔ)氣罐進(jìn)氣和出氣流量。

2.1.2 風(fēng)電消納率最大化

基于P2G 設(shè)備電轉(zhuǎn)甲烷耦合特性， 為量化P2G設(shè)備的風(fēng)電消納作用， 風(fēng)電消納率最大化目標(biāo):

式中，Pwind，total為風(fēng)電機(jī)組總出力；PP2G，t為P2G 有功功率；ΩP2G為P2G 設(shè)備集合。

2.1.3 碳減排總量最大化

利用P2G 設(shè)備的碳捕捉效應(yīng)， 為量化系統(tǒng)的碳減排量， 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)碳減排總量最大化目標(biāo):

式中，EC為無(wú)P2G 接入時(shí)系統(tǒng)碳排放總量；ET為P2G 接入后系統(tǒng)碳排放總量；ECO2為調(diào)度周期T內(nèi)吸收的二氧化碳的質(zhì)量；cC，i和cT，i分別為有P2G 接入和無(wú)P2G 接入時(shí)第i臺(tái)發(fā)電機(jī)組(第i個(gè)節(jié)點(diǎn))在調(diào)度周期內(nèi)發(fā)電的煤耗或天然氣耗量；fE為單位標(biāo)準(zhǔn)煤或天然氣完全燃燒所產(chǎn)生的碳排放量；ν為碳捕獲系數(shù)， 表示P2G 設(shè)備單位出力可捕獲的全部二氧化碳量。

2.2 約束條件

2.2.1 電力系統(tǒng)約束

如圖1 所示， 電力系統(tǒng)主要包含煤電機(jī)組、 燃?xì)釩HP、 燃?xì)廨啓C(jī)以及電負(fù)荷用戶等。 電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要滿足以下系統(tǒng)約束條件。

1) 功率平衡約束

氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)中的發(fā)電功率與用電功率需要保持瞬時(shí)平衡， 即:

式中，Pt，load為系統(tǒng)的電能需求；Ptu，t、Pwind，t、Pgu，t、PP2G，t、PCHP，t分別為系統(tǒng)燃煤機(jī)組、 風(fēng)電機(jī)組、 燃?xì)廨啓C(jī)、 P2G 設(shè)備、 燃?xì)釩HP 機(jī)組的實(shí)時(shí)功率；Pnsp，t為系統(tǒng)未滿足的電功率。

2) 機(jī)組出力約束

機(jī)組出力受限于機(jī)組出力最大最小參數(shù)， 即:

式中，Ωtu、Ωgu分別為燃煤機(jī)組集合、 燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組集合；Pi，max、Pi，min分別為機(jī)組有功出力上下限。

3) 機(jī)組爬坡約束

機(jī)組爬坡受限于機(jī)組爬坡過(guò)程最大最小速率， 即:

式中，Ri，up、Ri，down分別為機(jī)組向上、 向下爬坡速率。

2.2.2 天然氣系統(tǒng)約束

如圖1 所示， 天然氣系統(tǒng)主要包含氣源、 加壓站、 儲(chǔ)氣罐等。 天然氣系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要滿足以下系統(tǒng)約束條件。

1) 功率平衡約束

氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的天然氣系統(tǒng)應(yīng)保持需求量與供氣量平衡， 即:

式中，qk，t，load為天然氣需求；qw，t，gu為燃?xì)鈾C(jī)組的天然氣耗量；qw，t，CHP為燃?xì)釩HP 機(jī)組的天然氣耗量；qw，t，well為t時(shí)刻氣源w的輸出氣流量；ql，t，out、ql，t，in分別為管道l出口與入口的氣流量。

2) 氣源點(diǎn)出力約束

氣源點(diǎn)出力受到出力上下限約束， 即:

式中，qw，t，well為氣源w在t時(shí)刻的輸出氣流量；qw，min，well、qw，max，well分別為氣源w的出力下限和上限。

3) 節(jié)點(diǎn)壓力約束

天然氣節(jié)點(diǎn)壓力限于可承受壓力上下限， 即:

式中，pk，t為t時(shí)刻天然氣節(jié)點(diǎn)k的壓力；pk，min、pk，max分別為天然氣節(jié)點(diǎn)k的壓力下限和上限。

4) 加壓站

由于天然氣管壁摩擦和地勢(shì)變化， 天然氣在傳輸過(guò)程中存在一定的輸氣損耗。 僅考慮進(jìn)氣端和出氣端之間的升壓關(guān)系， 以及加壓站的容量限制， 即:

式中，ξ> 1， 為壓縮常數(shù)， 保證天然氣從低氣壓節(jié)點(diǎn)流向高氣壓節(jié)點(diǎn)。

5) 儲(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐既受到自身儲(chǔ)氣容量的限制， 也有每個(gè)時(shí)刻進(jìn)氣量和出氣量的限制。 一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)儲(chǔ)氣罐約束， 即:

式中，Es，t為天然氣儲(chǔ)氣罐s在t時(shí)刻的儲(chǔ)氣量；Es，t－1為天然氣儲(chǔ)氣罐s在t－1 時(shí)刻的儲(chǔ)氣量；Es，min和Es，max分別為儲(chǔ)氣罐s儲(chǔ)氣容量的最小值和最大值；Qs，min和Qs，max分別為儲(chǔ)氣罐s的最小和最大氣流量限制；Qs，t，in為儲(chǔ)氣罐在t時(shí)刻的進(jìn)氣量；Qs，t，ourt為儲(chǔ)氣罐s在t時(shí)刻的出氣量。

2.2.3 熱能系統(tǒng)約束

如圖1 所示， 系統(tǒng)中熱能系統(tǒng)的元件包括熱源CHP 機(jī)組、 燃?xì)忮仩t， 熱能系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要滿足以下系統(tǒng)約束條件。

1) 功率平衡約束

氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的熱能系統(tǒng)需保持熱負(fù)荷需求量與供給量均衡， 即:

式中，Ht，load為系統(tǒng)熱能需求；Ht，nsh為系統(tǒng)未滿足的熱風(fēng)功率；Hi，t，CHP為CHP 機(jī)組在t時(shí)刻的熱功率輸出；ΩCHP為所有CHP 機(jī)組的集合。

2) CHP 出力約束

CHP 出力受機(jī)組出力上下限參數(shù)約束， 即:

式中，c為水的比熱容；mc，CHP、Tc，t，s、Tc，t，r分別為CHP 機(jī)組出口處的熱水流量、 供水溫度與回水溫度。

3) 燃?xì)忮仩t約束

燃?xì)忮仩t熱能功率Pgu，t受限于上下限， 即:

式中，Pmax，t為燃?xì)忮仩t熱能功率輸出上限。

2.2.4 耦合元件約束

如圖1 所示， 系統(tǒng)中能發(fā)揮耦合功能的元件有P2G 設(shè)備、 燃?xì)廨啓C(jī)和CHP 機(jī)組， 在氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要滿足以下耦合約束條件。

1) P2G 功率約束

P2G 設(shè)備運(yùn)行的功率PP2G，t受到約束， 即:

式中，PP2G，max，t為P2G 設(shè)備電功率的上限。

2) P2G 轉(zhuǎn)換約束

在P2G 轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 能量轉(zhuǎn)換效率受到約束， 即:

式中，PP2G為P2G 設(shè)備消耗的有功功率；QP2G為P2G 設(shè)備產(chǎn)生的天然氣流量；ηP2G為P2G 設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率；uGHV為天然氣的熱值。

3) CHP 機(jī)組轉(zhuǎn)換約束

CHP 機(jī)組的電、 熱出力需滿足約束關(guān)系， 即:

式中，Pc，t，CHP為CHP 機(jī)組在t時(shí)刻的有功功率；kc，t，CHP為機(jī)組電熱比；Hc，t，CHP為CHP 機(jī)組t時(shí)刻的熱出力。

CHP 機(jī)組的耗量受到轉(zhuǎn)換效率約束， 即:

式中，ηCHP為CHP 的轉(zhuǎn)換效率；HGV為天然氣的高熱值， 取值為39 MJ/m3；為CHP 機(jī)組在t時(shí)刻的天然氣消耗量。

4) 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)換約束

燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)氣轉(zhuǎn)電時(shí)需滿足約束條件， 即:

式中，ηgu為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)換效率；qg，t，gu為燃?xì)鈾C(jī)組在t時(shí)刻的天然氣消耗量；Pg，t，gu為燃?xì)鈾C(jī)組在t時(shí)刻的有功功率；HGV取值為39 MJ/m3。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化模型求解方法

多目標(biāo)布谷鳥算法是由Yang 等人于2009 年提出[19]， 該算法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 搜索效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)果尋優(yōu)過(guò)程， 該算法已被文獻(xiàn)[20] 證明在多目標(biāo)優(yōu)化約束問(wèn)題中具有更高的魯棒性。 在標(biāo)準(zhǔn)的多目標(biāo)布谷鳥算法中， 布谷鳥的搜索路徑及位置更新公式如下:

式中，xi，t為第i個(gè)鳥窩在第t代的鳥窩位置；xi，t＋1為第i個(gè)鳥窩在t＋1 代的鳥窩位置；xj，t為第j個(gè)鳥窩在t代的鳥窩位置；α為步長(zhǎng)， 用于控制算法搜索范圍；f(β) 為levy 分布；β為levy 分布中的變量；α?f(β) 為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)乘；α0為常數(shù)， 取為0.01。levy 飛行從根本上提供一個(gè)服從levy 分布的隨機(jī)游走。

在算法尋優(yōu)中， 為了充分利用局部最優(yōu)解， 完整的levy 分布公式如式(27):

u和v的方差分別為:

式中，u和v服從正態(tài)分布；Γ 是標(biāo)準(zhǔn)卡方分布。

在標(biāo)準(zhǔn)的多目標(biāo)布谷鳥優(yōu)化算法中， 鳥窩位置的更新使用Pareto 分布， 基于Pareto 分布， 定義全局游走為:

式中，R1與R2為[0，1] 之間的隨機(jī)數(shù)；xi，new為第i個(gè)鳥窩的最新位置。

α?R1常取0.01。 但是多目標(biāo)布谷鳥優(yōu)化算法在尋優(yōu)初始階段， 應(yīng)該保證步長(zhǎng)大些， 來(lái)保證搜索范圍較大， 避免陷入局部最優(yōu)； 但隨著迭代次數(shù)的增加， 尋優(yōu)過(guò)程需要較小的步長(zhǎng)來(lái)使得收斂過(guò)程逐漸逼近全局最優(yōu)， 找到最優(yōu)解。 所以常值的步長(zhǎng)控制量使得收斂速度慢， 尋優(yōu)效果差。

經(jīng)多次仿真測(cè)試， 對(duì)基本的Pareto 分布中的α?R1進(jìn)行調(diào)整， 用公式(31) 進(jìn)行替代。

式中，p取30；kiter為迭代次數(shù)；為迭代次數(shù)的最大值。

因此， 全局搜索過(guò)程迭代公式更新為:

式中，j、p、l是不同的鳥巢。

本文采用布谷鳥算法對(duì)模型進(jìn)行求解， 詳細(xì)原理及求解流程參考文獻(xiàn)[22]， 優(yōu)化算法的流程如下。

步驟1: 參數(shù)初始化， 設(shè)置鳥巢數(shù)目、 最大迭代次數(shù)等參數(shù)。

步驟2: 在邊界范圍內(nèi)隨機(jī)初始化一定數(shù)目的鳥巢， 利用公式(1) 計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值、 當(dāng)前最優(yōu)值和最優(yōu)解。

步驟3: 開始循環(huán)迭代， 利用公式(32) 進(jìn)行全局搜索， 利用公式(1) 重新計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，若較之前的解優(yōu)越， 則替換最優(yōu)值和最優(yōu)解。

步驟4: 判斷循環(huán)是否結(jié)束， 若是結(jié)束， 則直接輸出結(jié)果， 否則跳轉(zhuǎn)步驟3。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某10 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和6 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 氣電綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在6 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)中， 節(jié)點(diǎn)1 與P2G 設(shè)備相連， 節(jié)點(diǎn)3 與燃?xì)鈾C(jī)組相連， 天然氣系統(tǒng)中各氣源最大供氣量均為10 Mm3/h， 氣源點(diǎn)和儲(chǔ)氣罐的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 天然氣系統(tǒng)氣源點(diǎn)和儲(chǔ)氣罐參數(shù)

在10 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)中， 燃煤機(jī)組位于節(jié)點(diǎn)3、6、 7、 8、 9， 風(fēng)電機(jī)組和P2G 設(shè)備均位于節(jié)點(diǎn)5，燃?xì)鈾C(jī)組位于節(jié)點(diǎn)10， 各發(fā)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表3。 本文熱電解耦、 燃煤機(jī)組最小技術(shù)出力為額定功率20%， 爬坡速率為額定功率0.5%， 不考慮風(fēng)電和燃?xì)鈾C(jī)組的最小技術(shù)出力要求。

表3 發(fā)電機(jī)組參數(shù)

本文構(gòu)建的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型涉及的P2G 設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 P2G 設(shè)備參數(shù)

本文設(shè)定氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)一天24 h 內(nèi)電負(fù)荷及風(fēng)電出力預(yù)測(cè)情況如圖3 所示。

圖3 一日內(nèi)電負(fù)荷及風(fēng)電出力

3.2 算例結(jié)果分析

氣源點(diǎn)1 價(jià)格為0.76 元/m3、 氣源點(diǎn)2 價(jià)格為0.96 元/m3、 P2G 設(shè)備容量為0.35 W。 在10 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和6 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)所構(gòu)成的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上， 設(shè)置兩種情景， 調(diào)度結(jié)果分析如下。

3.2.1 情景1

P2G 不參與調(diào)度運(yùn)行的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)， 經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度后， 以24 h 為一個(gè)調(diào)度周期， 1 h 為間隔， 該情景下機(jī)組調(diào)度如圖4 所示。

圖4 情景1 各類發(fā)電機(jī)組出力

基于運(yùn)行目標(biāo)結(jié)果角度， 情景1 下優(yōu)化目標(biāo)的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 情景1 運(yùn)行結(jié)果

由圖4 和表5 可知， 系統(tǒng)大致可分為夜間(01:00—06:00、 23:00—24:00)、 白天(07:00—22:00 ) 兩種運(yùn)行狀態(tài)， 在夜間 (20:00—次日06:00)， 各類燃?xì)鈾C(jī)組均處于低出力運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組的出力卻處于高峰期， 這是風(fēng)電的反調(diào)峰特性， 因此， 夜間是產(chǎn)生棄風(fēng)的高峰時(shí)期。 在P2G未接入情況下， 系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮碳捕捉效應(yīng)， 碳排放減少量為0。 風(fēng)電機(jī)組在夜間的高出力沒(méi)有在天然氣系統(tǒng)得到消納， 因此天然氣系統(tǒng)風(fēng)電消納率為0。

3.2.2 情景2

P2G 參與系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行并提供備用容量服務(wù)的氣電綜合能源系統(tǒng)， 以24 h 為一個(gè)調(diào)度周期、1 h為間隔進(jìn)行系統(tǒng)出力調(diào)度， 該情景下的機(jī)組調(diào)度如圖5 所示。

圖5 情景2 中各類發(fā)電機(jī)組出力及P2G 用電功率

基于運(yùn)行目標(biāo)結(jié)果角度， 情景2 下優(yōu)化目標(biāo)的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 情景2 運(yùn)行結(jié)果

由圖5 和表6 可知， 與情景1 相比， 情景2 的運(yùn)行成本降低了19.41%， 由于P2G 促進(jìn)常規(guī)機(jī)組出力下降， 系統(tǒng)碳排放減少量提高了401.941 t，碳減排成果顯著。

為更好地研究P2G 技術(shù)對(duì)促進(jìn)氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的效率， 定義廣義電負(fù)荷為P2G設(shè)備用電功率之和與燃?xì)鈾C(jī)組出力差值， 可快速分析P2G 參與系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)的優(yōu)化效率。 為了便于計(jì)算P2G 設(shè)備在系統(tǒng)中產(chǎn)生的作用和效率，通過(guò)對(duì)比情景1 和情景2 下的廣義電負(fù)荷與狹義用電負(fù)荷的差異， 就可以明確P2G 設(shè)備在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化效率， 如圖6 所示。

圖6 廣義電負(fù)荷與狹義電負(fù)荷

由圖6 可知， 在電負(fù)荷高峰時(shí)段， 情景1 和情景2 的狹義電負(fù)荷均高于廣義電負(fù)荷， 這是因?yàn)殡娯?fù)荷高峰時(shí)段， 燃?xì)鈾C(jī)組被用于調(diào)峰， 因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電負(fù)荷削峰， 且隨著天然氣氣源價(jià)格的降低，對(duì)電負(fù)荷削峰的力度加大； 而在電負(fù)荷低谷時(shí)段，情景1 的廣義電負(fù)荷與電負(fù)荷差別較小， 甚至還略有下降。 情景2 的廣義電負(fù)荷比狹義電負(fù)荷高， 這是因?yàn)镻2G 設(shè)備可以將電力系統(tǒng)中過(guò)剩的電能轉(zhuǎn)化成加壓天然氣， 輸送到天然氣系統(tǒng)中， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電負(fù)荷填谷。 因此， 證明了P2G 設(shè)備可以聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)電力系統(tǒng)中的電負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某10 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和6 節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)為研究對(duì)象， 進(jìn)行多情景仿真算例分析。 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)整體優(yōu)化效率結(jié)果表明， P2G 設(shè)備接入后， 可有效地降低運(yùn)行總成本， 提高天然氣系統(tǒng)風(fēng)電消納率； P2G 設(shè)備的碳捕獲效應(yīng)可以促進(jìn)系統(tǒng)碳減排； 電力系統(tǒng)優(yōu)化效率結(jié)果表明， P2G設(shè)備可以聯(lián)合燃?xì)釩HP 機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)中的電負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷。