含P2G棄風(fēng)啟停的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行

粟世瑋，趙一鳴，鄒 宇，韓紫燁

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.三峽大學(xué) 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443000；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司欽州供電局，廣西 欽州 535000)

近些年來，環(huán)境、能源問題越來越被中國重視，加快能源轉(zhuǎn)型、加大新能源發(fā)電比例成為電力發(fā)展的重要任務(wù)。包含電轉(zhuǎn)氣(power-to-gas，P2G)的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)因P2G本身具有的能量轉(zhuǎn)換功能逐漸成為了經(jīng)濟和環(huán)保的風(fēng)電消納途經(jīng)，同時，由于天然氣占比較高，P2G具有吸碳性，它也成為了良好的清潔功能平臺，有良好的低碳潛力和效益。

目前，電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度正受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。文獻[1]對P2G消納風(fēng)電的經(jīng)濟性方面展開了研究；文獻[2]通過算例分析驗證了P2G設(shè)備與電鍋爐都具有消納棄風(fēng)效果，但僅考慮機組運行成本最小無法發(fā)揮P2G消納棄風(fēng)潛力；文獻[3]在兼顧經(jīng)濟性的同時加入分段棄風(fēng)懲罰因子；文獻[4]引入經(jīng)濟折算系數(shù)，將削峰填谷目標(biāo)投影到經(jīng)濟維度，驗證了電轉(zhuǎn)氣具有削峰填谷功能；文獻[5]提出了一種消納棄風(fēng)雙層優(yōu)化模型，使系統(tǒng)在運行時成本更低；文獻[6-7]提出了低碳經(jīng)濟調(diào)度模型，通過算例仿真驗證了電—氣聯(lián)合系統(tǒng)可以減少碳排放，但沒有考慮系統(tǒng)運行時P2G設(shè)備吸收的二氧化碳量；文獻[8-12]引入碳交易市場，通過對發(fā)電機組分配碳排放額，若機組碳排放量低于此額度給予獎勵，高于此額度給予懲罰。研究證明，在此政策刺激下，燃氣電廠與P2G設(shè)備出力會大幅提高，火電廠出力會下降，以減少系統(tǒng)的總碳排放量。

但以上文獻并沒有考慮到，在國家發(fā)電機組單位電量的碳排放配額為0.759 8 t/(MW·h)條件下，當(dāng)考慮P2G設(shè)備的吸碳性且當(dāng)下碳交易價格較高時，極大可能存在P2G設(shè)備與燃氣輪機的碳排放收益超過成本，并且隨著P2G的發(fā)展，成本會進一步降低。在系統(tǒng)無棄風(fēng)時，將導(dǎo)致P2G也會作為負(fù)荷運行，以降低系統(tǒng)的總成本，但因為棄風(fēng)已被完全消納，此時P2G并無實際作用。當(dāng)P2G作為負(fù)荷運行時，輸入功率會全部來源于燃氣輪機的出力，這部分的額外出力并沒有實際效益，雖然此時系統(tǒng)的總成本得到減少，但碳排放總量卻增加，故應(yīng)約束P2G設(shè)備，使P2G設(shè)備僅在系統(tǒng)存在棄風(fēng)時運行，即設(shè)置P2G棄風(fēng)啟停約束。

本文對含P2G棄風(fēng)啟停的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)消納棄風(fēng)能力與低碳排放能力進行研究，建立含P2G棄風(fēng)啟停的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，并且通過設(shè)置約束條件使P2G在有棄風(fēng)時開啟、無棄風(fēng)時關(guān)閉，減少額外的碳排放，使系統(tǒng)兼顧棄風(fēng)量、碳排放量的同時達到經(jīng)濟成本最小目標(biāo)，此模型相較與其他模型更具有實際效益。分別設(shè)置3種場景利用YALMIP調(diào)用CPLEX求解器進行求解，最后，進行P2G有、無啟停的對比，比較2種情況下碳排放量及經(jīng)濟效益，驗證P2G棄風(fēng)啟停的必要性。

1 含P2G的電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)

1.1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)原理

在電—氣聯(lián)合系統(tǒng)中，P2G可以將夜間難以消納的風(fēng)電轉(zhuǎn)換為天然氣，同時燃氣輪機可以在電負(fù)荷高時使用P2G產(chǎn)生的天然氣進行發(fā)電[13]，通過電解水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣和氫氣，化學(xué)方程式為

因為氫氣易爆炸、不易儲存且遠距離傳輸困難，而天然氣較氫氣有更高的單位能量密度，更易儲存運輸且更加環(huán)保，故將電解水產(chǎn)生的氫氣進一步與二氧化碳合成為天然氣：

CO2+2H2→CH4+2H2O

P2G轉(zhuǎn)換公式為

(1)

式中Hg為天然氣高熱值，取為39 MJ/m3；λ為轉(zhuǎn)換效率，取為0.6[14]。

1.2 P2G棄風(fēng)啟停策略

在系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)保證P2G的輸入功率全部來源于棄風(fēng)功率，當(dāng)系統(tǒng)無棄風(fēng)時，必須保證P2G設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。故加入函數(shù)：

(2)

式中Pl,t為棄風(fēng)功率；PP2G,min、PP2G,max分別為電轉(zhuǎn)氣最小、最大功率，同時滿足ZonoffPP2G,min≤PP2G,t≤ZonoffPP2G,max。Zonoff為0時電轉(zhuǎn)氣功率必然為0，使電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸入功率全部來源于為棄風(fēng)。

1.3 電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)

含P2G的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)如圖1所示，P2G與燃氣輪機將電力與天然氣網(wǎng)絡(luò)雙向連接起來[15]，兩者協(xié)同可以在消納棄風(fēng)的同時減少系統(tǒng)凈負(fù)荷。此外，電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)也會使碳排放量降低，天然氣作為一種清潔能源，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，改善環(huán)境質(zhì)量。燃氣輪機可以替代部分火電機組出力，從而在電源側(cè)減少二氧化碳排放，同時，因為P2G在第2個反應(yīng)階段吸收二氧化碳，故P2G本身也具有減少碳排的功能，實現(xiàn)低碳排放。在環(huán)境保護越加重要的今天，電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)具有可觀的前景。

圖1 電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)Figure 1 Schematic diagram of the integrated electrical and natural gas energy system

2 電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文的目標(biāo)函數(shù)由三部分組成：機組運行成本最小、棄風(fēng)懲罰及碳排放權(quán)函數(shù)。將棄風(fēng)量與碳排放量折算到經(jīng)濟維度后與機組運行成本一同構(gòu)成多目標(biāo)函數(shù)。若系統(tǒng)中含有N臺火電機組，M臺燃氣輪機，Y臺風(fēng)電機組，X臺P2G設(shè)備，J個氣源點，Q個儲氣罐，則系統(tǒng)總成本：

minF=f1+f2+f3

(3)

式中f1、f2、f3分別為機組運行成本最小、棄風(fēng)懲罰、碳排放權(quán)函數(shù)。

(4)

式中CG、CP2G、CN、CS分別為火電機組燃料價格、P2G單位出力成本、氣源點j處的天然氣價格、第q個儲氣罐的存儲價格；PP2G,x,t為t時刻第x臺P2G設(shè)備的出力；QN,j,t為t時刻氣源點j的供應(yīng)流量；Qs,q,t為t時刻儲氣罐q的流入流量；fG(PG,n,t)為火電機組的熱耗函數(shù)，關(guān)系式為

(5)

式中ai、bi、ci為火電機組耗量特性曲線參數(shù)。

f2=λPl,t

(6)

式中λ為分段棄風(fēng)懲罰因子，即

在碳交易市場中，f3對企業(yè)設(shè)置碳排放權(quán)配額，對超出配額的排放設(shè)立懲罰，對低于配額的排放給予獎勵，充分調(diào)動企業(yè)節(jié)能減排的積極性。

(7)

式中CCO2為碳交易價格，取40 $/t；χN為火電機組單位發(fā)電量碳排放量，取為1.2 t/(MW·h)；χM為燃氣輪機單位發(fā)電量碳排放量，取為0.48 t/(MW·h)；χX為P2G單位發(fā)電量碳吸放量，取為-0.2 t/(MW·h)；χq為單位發(fā)電量的碳排放分配額，取為0.759 8 t/(MW·h)。

2.2 電力網(wǎng)絡(luò)常規(guī)約束

電力網(wǎng)絡(luò)約束包括電功率平衡、發(fā)電機組功率、P2G功率、節(jié)點電壓、平衡節(jié)點相角以及線路功率約束。

1)電功率平衡約束。

(8)

式中PG,n,t、Pg,m,t、Pw,y,t分別為第n臺火電機組、第m臺燃氣輪機、第y臺風(fēng)電機在時段t內(nèi)發(fā)出的電功率；PP2G,x,t為第x臺P2G在時段t內(nèi)吸收的電功率。

2)發(fā)電機組功率約束。

(9)

式中Pw,t、PG,t、Pg,t分別為t時刻風(fēng)電機組、火電機組、燃氣輪機出力。

3)P2G功率約束。

PP2G,min

(10)

式中PP2G,t為t時刻P2G消耗功率 。

4)節(jié)點電壓約束。

Ui,min≤Ui,t≤Ui,max

(11)

式中Ui,min、Ui,max分別為節(jié)點i電壓幅值的下限、上限。

5)平衡節(jié)點相角約束。

tanθbal,t-fbal,t/ebal,t=0

(12)

式中θbal,t為平衡節(jié)點在t時刻的電壓相角；fbal,t、ebal,t分別為平衡節(jié)點在t時刻的電壓虛部、實部。

6)線路功率約束。

Pl,min≤Pl,t≤Pl,max

(13)

式中Pl,min、Pl,max分別為t時刻線路功率的下限、上限。

2.3 天然氣網(wǎng)絡(luò)約束

1)氣源點約束。

Qj,min≤Qj,t≤Qj,max

(14)

式中Qj,min、Qj,max分別為氣源點j供應(yīng)流量的下限、上限。

2)管道流量約束。管道內(nèi)氣體流量通常用非線性方程描述：

(15)

(16)

式(15)、(16)中xn為天然氣管道傳輸系數(shù)；xb、xa分別為兩端節(jié)點b、a的氣壓；λab為管道內(nèi)天然氣傳輸方向。

Fn,min≤Fn,ab≤Fn,max

(17)

式中Fn,min、Fn,max分別為管道內(nèi)流量下限、上限。

3)管存。管存與管道兩端的平均壓力和管道參數(shù)成正比，表達式為

(18)

式中Mab為與管道長度、半徑等有關(guān)的常數(shù)。

4)儲氣罐約束。

(19)

5)壓縮機。壓縮機的天然氣流入量與流出量關(guān)系式為

Fk,out=Fk,inσ(xb-xa)

(20)

式中σ為壓縮機常數(shù)。

(21)

式中Rk,min、Rk,max分別為壓縮機的下限、上限。

6)節(jié)點能量平衡約束。天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)類似，同樣存在節(jié)點流量平衡。

(22)

2.4 求解方法

YALMIP是一種通過調(diào)用CPLEX、GLPX等高性能求解器求解非線性規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)高級建模系統(tǒng)，它提供了一種統(tǒng)一、簡單的建模語言，實現(xiàn)了建模和算法二者的分離。本文建立的模型為非線性規(guī)劃模型，適合調(diào)用CPLEX求解器求解。

3 算例分析

3.1 算例結(jié)構(gòu)

本文采用算例為IEEE 6節(jié)點電力系統(tǒng)與7節(jié)點天然氣系統(tǒng)，如圖2所示，其中，第1、3、5臺發(fā)電機為燃煤火電機組，第2、4臺發(fā)電機為燃氣輪機，分別接入到天然氣系統(tǒng)的1、3節(jié)點。氣源W1、W2的成本系數(shù)為0.036 M$/Mm3，P2G的成本系數(shù)為20 $/(MW·h)，儲氣設(shè)備的使用成本為0.02 M$/Mm3。一日內(nèi)電負(fù)荷、風(fēng)電可用出力、氣負(fù)荷曲線如圖3所示，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

圖2 修改的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of a modified integrated electrical and natural-gas energy systems

圖3 電負(fù)荷、氣負(fù)荷、風(fēng)電場可用出力曲線Figure 3 Electricity,gas and wind power output curve

表1 設(shè)備主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the equipment

3.2 場景說明

設(shè)置3種場景進行對比分析，即①系統(tǒng)不考慮P2G，目標(biāo)函數(shù)僅考慮f1、f2；②系統(tǒng)考慮P2G，目標(biāo)函數(shù)僅考慮f1、f2；③系統(tǒng)考慮P2G，目標(biāo)函數(shù)綜合考慮f1、f2、f3。計算3種場景下風(fēng)電、P2G、燃氣輪機出力，分別如圖4～6所示；3種場景下碳排放量及成本如表2所示。

圖4 各場景風(fēng)電場功率曲線Figure 4 Wind power output under each scenario

圖5 各場景P2G功率曲線Figure 5 P2G power profiles under each scenario

圖6 各場景燃氣輪機功率曲線Figure 6 Gas turbine output power under each scenario

表2 各場景下優(yōu)化結(jié)果Table 2 The main parameters of the equipment

3.3 消納棄風(fēng)效果分析

由圖4～6各場景對比可以看出，場景1在消納棄風(fēng)函數(shù)的刺激下，棄風(fēng)率達到了6.6%，且01:00—06:00、20:00—24:00時棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，09:00—16:00時風(fēng)電全部消納。在此場景下，燃氣輪機運行成本高于燃煤火電機組，不會參與到系統(tǒng)運行，機組運行成本最低，但綜合成本最高。在此條件下加入P2G后，棄風(fēng)率明顯降低，達到2.3%，期間，夜晚難以消納的風(fēng)電被P2G利用，轉(zhuǎn)換為天然氣進行儲存，且在白天被燃氣輪機利用，由此看出，當(dāng)加入電轉(zhuǎn)氣后消納棄風(fēng)效果顯著，但機組運行成本較場景1、2有所增加，這是因為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備目前依然存在運行成本較高、轉(zhuǎn)換效率較低等缺點，使機組運行成本上升。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)考慮碳排放目標(biāo)時，由于P2G的吸碳性與燃氣輪機的低碳排放，進一步刺激P2G、燃氣輪機出力，電轉(zhuǎn)氣一天內(nèi)消納風(fēng)電量自645.17 MW增加到764.2 MW，燃氣輪機出力自1 327 MW增加到4 114 MW，風(fēng)電被完全消納，同時機組運行成本進一步增加，經(jīng)濟性降低。

3.4 碳排放效果分析

由表2可以看出，場景1碳排放量全部來自于燃煤火電機組，碳排放量最高，場景2中加入P2G，燃氣輪機日間出力增加的同時火電機組出力下降，使得碳排放量降低，較場景1減少6.7%，場景3中加入碳排放權(quán)函數(shù)，進一步刺激P2G與燃氣輪機出力，此時碳排放量較場景1約減少13%，碳排放成本約減少41%。這是由于加入碳排放權(quán)函數(shù)后，P2G與燃氣輪機的碳排放量小于分配額，產(chǎn)生碳排放收益，系統(tǒng)會優(yōu)先調(diào)用碳排放量更小的燃氣輪機出力，同時刺激P2G出力，使得系統(tǒng)碳排放量減少。

3.5 P2G有無啟停分析

當(dāng)碳交易價格為40 $/t、單位發(fā)電量的碳排放分配額為0.759 8 t/(MW·h)時，P2G設(shè)備與燃氣輪機的碳排放收益高于成本。此時不考慮P2G設(shè)備棄風(fēng)啟停函數(shù)Zonoff，僅使P2G滿足最大最小功率約束，即P2G在無棄風(fēng)條件下可以開啟。在場景3下進行仿真，P2G無棄風(fēng)啟停時功率如圖7所示，其余仿真結(jié)果如表3所示。

圖7 場景3下P2G無棄風(fēng)啟停日間出力曲線Figure 7 P2G output power without wind curtailment start-stop device under scenario 3

表3 場景3有無棄風(fēng)啟停優(yōu)化結(jié)果對比Table 3 Results comparison of scenario 3 with or without wind curtailment start-stop device

通過圖7可以得出，在場景3下，P2G無棄風(fēng)啟停時出力較有啟停時增加，且在無棄風(fēng)時段09:00—12:00時運行，此時P2G充當(dāng)負(fù)荷，僅在碳交易市場中獲取利益，并無實際效益。電轉(zhuǎn)氣日消耗功率由764.2 MW增加為1 037 MW，增加的功率全部來自燃氣輪機。如表3所示，機組運行成本由于P2G與燃氣輪機出力增加而升高，相應(yīng)的由于P2G與燃氣輪機碳排放收益大于成本，出力越多則凈收益越大，使系統(tǒng)總的碳排放成本減少，但碳排放量增加130.9 t，對低碳排放形成反作用。綜上，當(dāng)P2G設(shè)備與燃氣輪機的碳排放收益高于成本時，應(yīng)使得P2G輸入電能全部來源棄風(fēng)，否則會擾亂碳交易市場秩序，破壞公平。

4 結(jié)語

本文基于P2G的吸碳能力與時空平移、能量轉(zhuǎn)換特性，在消納棄風(fēng)、低碳運行模型的基礎(chǔ)上，引入碳交易市場，使P2G參與到碳交易市場中，同時計及P2G棄風(fēng)啟停策略，構(gòu)建電—氣互聯(lián)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，得出結(jié)論如下：

1)P2G具有優(yōu)秀的消納棄風(fēng)能力，同時產(chǎn)生的天然氣可以在日間供燃氣輪機使用，兩者協(xié)同運行使經(jīng)濟性更為合理；

2)當(dāng)P2G參與到碳交易市場時，會更加刺激P2G出力，燃氣輪機成本進一步減少，出力增加，可以從電源側(cè)減少二氧化碳排放，同時，P2G出力增加會進一步提高風(fēng)電消納率，由于電轉(zhuǎn)氣設(shè)備與燃氣輪機運行成本較高，系統(tǒng)犧牲了經(jīng)濟性以達到減少碳排放的效果；

3)當(dāng)引入碳交易市場時，由于碳交易價格較高，當(dāng)P2G與燃氣輪機產(chǎn)生的碳排放收益可以抵消運行成本產(chǎn)生盈余時，此時P2G的輸入電能應(yīng)全部來源于棄風(fēng)，保證碳交易市場的公平性，使模型更具有實際效益。