计及电转气的电气热混联系统风电消纳研究

摘 要：传统单一能源系统的运行会带来能源浪费以及能源效率低下等一系列问题，综合电-气-热等能源在内的多能源联合系统运行是实现能源可持续发展的必经之路。本文基于能源中心的概念，在能源中心中引入电转气（p2g）设备，对供能系统中计及电转气设备使用与否情况下系统的运行情况进行比较，验证了电转气技术可以在电-气-热混联系统中提高风电的消纳水平。

关键词：多能源系统；能源中心；电转气；风电消纳

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.067

0 引言

随着化石能源的过度开采和使用，当前存在可再生能源储量不足以及环境污染严重的问题。深层次的原因就是当前能源系统独立规划，如天然气系统、电能系统、热能系统等单独从满足用户负荷需求的角度规划，这就会带来能源的浪费，因为这三种能源在某种程度上是可以相互补充，相互替代的。基于此，综合电-气-热在内的多能源混联供能系统是当前世界范围内研究的热点。它是实现能源可持续发展，提高可再生能源使用效率的必经之路。为了实现多种能源相互之间的联合供能，文献[1]对能源互联网下的多能源系统进行了研究说明，介绍了实现多能源互联的关键构成部分，主要包括电-气耦合组成部分，电-热耦合组成部分等，并且还引入了多能源系统联合运行研究中重要的一个概念，即能源中心[2]。在能源中心中可以进行多种不同形式能源的转化，供能侧不同形式的能源经过能源中心内部转换装置的转化可以得到需求侧所需的能量。

1 电转气技术

传统的电力系统和天然气系统主要是通过燃气轮机进行互联，燃气轮机燃烧天然气同时发出电能和热能，即在此情况下，天然气只能单一的向电能转化，而电能却不能向天然气转化。近几年来出现的一种新的技术--电转气技术，则改变了这一现状。

电转气技术是一项通过化学反应将电能转化成气体燃料的技术。目前主要有电能转化成氢气和电能转化成甲烷两种类型。前者主要是电解水，后者比前者多了一步甲烷化反应。电解水就是通过电能电解水产生氢气和氧气，其化学方程式如式（1）所示，目前电解水反应的效率大约在55～75%左右。甲烷化反应是一种放热反应，该反应的生成物是甲烷，也就是俗称的天然气，生成的天然气可以直接供给燃气设备使用，也可以通过储气设备将其储存起来，在需要的时候在进行使用，从而能够实现能量的大规模存储以及远距离传输，其化学反应式如式（2）所示。目前，甲烷化反应的效率约为42～58%[4]，相比于电解水的效率较低。

（1）

（2）

电转气技术主要用于在可再生能源发电过剩情况下消纳富余的电能，一方面可以平衡可再生能源发电出力的波动，另一方面它还能实现电能向天然气的转变，使电能和天然气的双向流动变为可能，将传统的天然气网络和电网络进一步更深层次的结合在一起，基于此，电转气在多能源系统运行中扮演着越来越重要的作用。

2 结论分析

本文采用风电、火电和燃气轮机联合供给电能需求，天然气气源点供气给燃气轮机和燃气锅炉燃烧来供给热能需求的方式来验证电转气设备对风电的消纳效果，相关设备的参数见文献[3]。图1所示为某一地区24h電能负荷和热能负荷的负荷曲线图。

考虑两种场景下风电的消纳水平，场景一为不考虑电转气装置的使用，场景下为考虑电转气装置的使用。风电具有反调峰特性，当负荷水平高时，风力发电水平较低，而当负荷水平较低时，风力发电水平上升。两种场景下风电实际风电出力曲线如下图2所示，从图中可以看出，在1时到8时、18时到24时，当使用电转气设备时，风力实际出力曲线远远高于不使用电转气设备时的出力曲线，这是因为，在这两个时段下，火电作为基荷保持不变，由风电作为火电所不能满足的电能负荷的供给，而在此时，由于处于夜间，电能负荷相对较小，风电较大，风电在满足电能负荷需求的基础上还富余很多电能，此时，若未采用电转气装置，则富余的风电就将白白的浪费掉，也就产生了“弃风”的现象。而使用电转气装置的情况下，风电供给电负荷多余的电能可以通过电转气装置转化为天然气，因为天然气需要供给燃气轮机和燃气锅炉燃烧来满足热负荷，此时，电转气装置生成的天然气可以通过传输管道输送到天然气系统中进行利用，从而减少了从气源点购买天然气的量，可以减少系统供能的成本。而在9时到17时，此时处于白天，风电较小，而电负荷较大，风电和火电之和都不能满足电负荷的需求量，所以风电被全部消纳，两条曲线在此时重合。

燃气轮机有两种运行模式，分别为“以热定电”和“以电定热”，本文采用的是后一种“以电定热”的运行方式。如图3所示，在1时到8时、18时到24时，电转气装置有功率而燃气轮机为零，这是因为风电和火电的输出功率大于电负荷的需求，多余的风电就通过电转气装置转化，而燃气轮机出力为零是因为在此时不需要其发电，故其未启动，而此时的热能需求全部由燃气锅炉供给，燃气锅炉消耗的天然气一部分来自电转气装置生成的，另一部分来自天然气气源点购买的。9时到17时，因为在此时风电和火电无法满足电负荷的需求，这

之间有了一个缺额，此时，采用燃气轮机发电来补足这个部分，在该时段，电转气装置未启动，输出功率为零，而燃气轮机启动发电，发电的同时燃气轮机产出热能，此时热负荷需求由燃气轮机和燃气锅炉同时供给。

3 结语

本文在计及能源中心的电-气-热混联系统中考虑了电转气装置的应用，通过对比发现，在风电过剩的情况下，使用电转气设备可以大量的消纳风电，并将电能转化为天然气，从而减少用于燃烧发热所购买的天然气成本，减少了混联系统供能成本。而在风电不足的情况下，使用“以电定热”模式的燃气轮机可以补足电负荷的缺额，同时为热负荷的需求提供一定的热能输出。

参考文献：

[1]王伟亮，王丹，贾宏杰，陈沼宇，郭炳庆，周海明，范孟华.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述[J].中国电机工程学报，2016（12）：3292-3306.

[2]Geidl M， Koeppel G，Favre-Perrod P，et al.Energy hubs for the future[J].IEEE Power & Energy Magazine，2007，5（01）：24-30.

[3]黄国日，刘伟佳，文福拴，董朝阳，郑宇，张睿.具有电转气装置的电-气混联综合能源系统的协同规划[J].电力建设，2016，37（09）：1-13.

[4]李谦，尹成竹.电转气技术及其在能源互联网的应用[J].电工技术，2016（10）：109-111.

作者简介：唐春童（1993-），男，江苏泰州人，硕士研究生，主要从事多能联合优化方面研究内容。