具有电转气功能的多能源系统消纳弃风效果分析

孟冰冰，胡林献，白雪峰，刘 超



具有电转气功能的多能源系统消纳弃风效果分析

孟冰冰，胡林献，白雪峰，刘 超

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

电转气（P2G）技术实现了电力与天然气之间能量的双向流动，为多能源系统协同消纳弃风提供了新途径。本文研究了P2G设备的技术原理，建立了P2G的数学模型，分析了其消纳弃风原理，并在提出其启停策略的基础上，建立了具有电转气功能的多能源系统协同优化调度模型。对比分析了燃气-蒸汽联合循环机组加P2G和常规热电机组加电锅炉2种组合方案的消纳弃风效果。研究表明：P2G和电锅炉都有利于风电消纳，但P2G的消纳弃风效果不如电锅炉，而燃气-蒸汽联合循环机组加P2G组合方案的消纳弃风效果更佳。

多能源系统；P2G技术；电锅炉；风电消纳；优化调度

随着可再生能源与清洁能源的大力发展，我国风电装机容量不断增长，但局部地区新能源开发与能源消纳、环境保护之间的矛盾逐渐凸显，比如我国的“三北”地区，弃风现象愈来愈严重，造成了风力资源的极大浪费。2017年，全国风电弃风量为419亿kW·h，其中，甘肃、新疆、吉林、内蒙古的弃风量都超过15%，甘肃地区弃风量高达33%[1]。

为解决上述问题，研究人员提出将多种能源系统进行耦合与协同，以提高可再生能源的消纳率[2]。现有的研究主要集中在机组灵活性改造[3-6]与在系统中增设电锅炉[7-9]等措施上。针对机组灵活性改造的方案，文献[3-4]分析了我国火电机组运行现状，论述了机组灵活性改造的可行性与必要性，对灵活性改造的目标和提高机组深度调峰能力的手段进行探讨。文献[5]分析了热电联产技术对系统功能效率的影响，对比了几种灵活性改造方案的特点及其适用性。文献[6]对集中提高燃煤机组灵活性的手段进行了讨论，并着重研究了凝结水节流技术在灵活性改造中的应用情况。针对系统增设电锅炉进行消纳弃风的方案，文献[7]提出在热电机组配置电锅炉的调峰方案，以降低热电机组“以热定电”发电功率，为风电上网创造空间。文献[8]构建了增设调峰电锅炉的电热联合调度模型以消纳弃风。文献[9]提出通过在热电机组装备电锅炉以解耦其“以热定电”约束的运行方案，进而降低强迫出力消纳弃风。

近年来，新兴的电转气（P2G）技术在消纳弃风领域崭露头角，其将多余风电转换成天然气，便于大规模运输及储存。P2G设备在容量可调节性方面优于电锅炉，且其产品为清洁能源，在进一步促进风电消纳的同时也具有积极的环保作用。目前，针对P2G技术已有一些初步研究，如文献[10]介绍了德国为实现低碳化，对P2G技术的开发应用进展，并提出在我国发展P2G技术的必要性及可行性。文献[11]针对P2G技术的基本原理及P2G设备在能源互联网中的联产应用方案进行了综述。

本文首先探讨P2G设备的技术原理及其消纳弃风原理，并建立其数学模型；然后研究P2G启停策略，构建具有电转气功能的多能源系统协同优化调度模型；最后通过算例分析燃气-蒸汽联合循环机组加P2G和常规热电机组加电锅炉2种组合方案的消纳弃风效果。

1 P2G技术及其消纳弃风原理

1.1 P2G技术原理

P2G技术是将电能转换为天然气或氢气的一种新兴技术，按照产品类别，可分为电转氢气技术和电转天然气技术。一般来说，氢气在远距离传输及储存难易程度等方面逊色于天然气，因此目前使用较多的是电转天然气技术。电转天然气技术首先采用电解水技术，用多余电能将水分解，制造氢气，然后通过萨巴蒂反应将氢气与二氧化碳合成，制造甲烷[12-13]。这2个阶段所对应的化学反应如下：

P2G设备输出天然气与输入电功率关系如下：

式中：P2G为P2G设备的产气量；P2G为P2G设备的运行功率；G为天然气热值；P2G为P2G设备的转换效率，目前，P2G技术的效率可达到45%~60%[14]。

1.2 P2G设备消纳弃风原理

P2G设备可将天然气系统与电力系统、热力系统、供冷系统耦合起来，形成多能源系统，从而实现多种能源系统协同优化消纳弃风，如通过控制电锅炉启停及其制热功率调节，削热电机组供热峰值、填电负荷谷值，实现电力系统与热力系统的协调优化调度来消纳弃风。多能源系统结构示意如图1所示。

图1 多能源系统结构示意

由于风电具有反调峰特性，电负荷低谷时段正是风电出力的高峰阶段，造成风电消纳困难。如果在电负荷低谷、风电大发时段投入P2G设备，将多余的风电转化为天然气，则起到了“填谷”的作用，减少甚至彻底消纳弃风。

1.3 P2G设备启停控制策略

为消纳弃风，提高供能效率及多能源系统的经济性，避免不必要的能量转换，P2G设备应采用弃风启停控制策略[7]，即根据有无弃风现象来决定P2G设备的启停。判断是否出现弃风由式(4)确定：

2 具有电转气功能的多能源系统协调优化模型

2.1 目标函数

假设多能源系统中有燃气-蒸汽联合循环电厂座，每座电厂中有台燃气-蒸汽联合循环机组，每台机组有个换热站以及个制冷站；有座常规热电厂，每座热电厂有台常规热电机组，每台热电机组有个换热站以及个制冷站；系统中有台纯凝火电机组，台风电机组，台水电机组。系统中装设台P2G设备。每个换热站都装设电锅炉。

本文以系统总成本最小为目标，进行调度优化，目标函数为

2.2 约束条件

1）电功率平衡约束

2）热功率平衡约束

热网类似于配电网，采用辐射状结构，且热能不能远距离输送，每个热源（如热电厂）固定供给某一区域（简称分区）的热负荷，热源之间不相连，因此各区域热负荷由各区热电厂分别平衡。普通燃煤热电厂、燃气-蒸汽联合循环热电厂的热功率平衡约束如下：

3）冷功率平衡约束

冷气网络与热网具有类似特性，因此，各区域冷负荷由各区燃气-蒸汽联合循环电厂分别平衡。

4）气量平衡约束

5）燃气-蒸汽联合循环机组出力约束

式中上标max、min表示上、下限。

6）燃气-蒸汽联合循环机组内部约束

式中、、、为拟合常数。

7）热电机组出力约束

8）吸收式制冷机约束

9）纯凝火电机组出力约束

10）风电场出力约束

11）水电出力约束

12）电锅炉约束

13）P2G设备约束

14）机组爬坡约束

3 算例分析

3.1 原始数据

算例系统由2座热电厂（分别为热电厂1、热电厂2）、1座风电场、1座火电厂组成。每座热电厂附带3个换热站，2个换冷站。火电厂配置4台纯凝机组（7号—10号），风电场的装机容量为250 MW。调度时段为1 h，调度周期为1天。

仿真场景1：热电厂1配置2台燃气-蒸汽联合循环机组（1号—2号），热电厂2配置4台燃气-蒸汽联合循环机组（3号—6号），且系统安装P2G设备来消纳弃风。该场景与目前为治理冬季供暖时的空气污染问题，以及北方地区正积极落实的“煤改气”工程匹配。

仿真场景2：热电厂1配置2台热电机组（1号—2号），热电厂2配置4台热电机组（3号—6号）。每个换热站装设相应容量的调峰电锅炉来消纳弃风。此场景与常规热电联合系统相对应。

仿真场景3：热电厂1配置2台热电机组（1号—2号），热电厂2配置4台热电机组（3号—6号），系统安装P2G设备来消纳弃风。

各设备的参数与全网气负荷见表1、表2，各时段热、冷负荷、风电预测出力详见文献[15]。电锅炉的电热转换效率取0.95，P2G的转换效率取0.6，蒸汽焓降取2 327.53 kJ/kg。

3.2 调度结果

本文采用改进粒子群算法求解多能源系统调度模型。3种仿真场景的电功率调度结果如图2、图5、图6所示，场景2换热站1的热功率调度结果如图4所示，场景1、3的天然气调度结果如图3、图7所示。

表1 设备主要参数

Tab.1 The main parameters of the equipment

表2 各时段全网气负荷

Tab.2 The full network gas load in each period

图2 场景1电功率调度结果

图3 场景1天然气调度结果

图4 场景2换热站1的热功率调度结果

图5 场景2电功率调度结果

图6 场景3电功率调度结果

图7 场景3天然气调度结果

对比场景2和场景3的仿真结果可见：电锅炉、P2G设备都在夜间热负荷高峰时段启动，但P2G设备不能降低热电厂的供热峰值；场景3的热电厂供热功率和“以热定电”功率高于场景2，因而弃风量也大，即P2G设备的消纳弃风效果不如电锅炉。

对比场景1和场景3的仿真结果可见：当使用热电机组满足负荷需求时，弃风量大，弃风率高，但成本较小；使用燃气-蒸汽联合循环机组时，弃风量小，弃风率低，但系统总成本较大。这是由于燃气-蒸汽联合循环机组的发电功率下限比热电机组要低，风电出力增加，因此弃风量减少；然而，燃气机组的单位发电气耗要高于热电机组的单位发电煤耗：因此相较于热电机组，采用燃气-蒸汽联合循环机组后，总运行成本上升。

对比场景1和场景2的仿真结果可见：当多能源系统采用燃气-蒸汽联合循环机组与P2G设备组合时，弃风消纳效果好，弃风率较低，但成本较高；采用热电机组与电锅炉组合时，弃风消纳效果差，弃风率高，但成本较小。这是由于使用燃气-蒸汽联合循环机组的系统风电上网空间大，弃风量减少，即使P2G设备的消纳弃风效果不如电锅炉，但其对整个系统的影响较小，因此燃气-蒸汽联合循环机组与P2G设备组合仍然具有良好的弃风消纳效果。

3.3 天然气价格对成本及风电消纳的影响

3种场景的系统弃风率和总成本见表3。为进一步分析天然气价格对系统成本及风电消纳率的影响，以3.1节中的场景1与场景2为背景进行仿真，当天然气价格变化时，气价与多能源系统成本和弃风率的关系见表4。

表3 3种场景的系统弃风率和总成本

Tab.3 The wind abandon rate and total cost of the system in three scenes

表4 气价与系统总燃料成本和弃风率的关系

Tab.4 The total fuel costs and wind abandon rates of the system at different gas prices

由表4可见：在系统使用燃气-蒸汽联合循环机组与P2G设备组合（场景1）时，当天然气的价格在3元/m3的基础上下降10%时，系统的总成本将下降6.12%，而弃风率有所上升；当上升10%时，系统总成本将上升5.76%，而弃风率有所下降；在系统使用热电机组与电锅炉组合（场景2）时，当天然气的价格在3元/m3的基础上变化10%时，系统的总成本波动均小于1%，弃风率变化也不大，原因是当气价上升时，在成本最优的情况下，燃气-蒸汽循环机组的发电量减小，风电上网率增加，弃风量减小，弃风率有所下降，反之亦然。

4 结 论

1）在建立P2G设备数学模型的基础上，提出了P2G设备的启停策略，构建了具有电转气功能的多能源系统协同优化调度模型。

2）电锅炉、电转气设备都有利于风电消纳。但P2G设备的消纳弃风效果不如电锅炉，而燃气-蒸汽联合循环机组加P2G的组合方案的消纳弃风效果更佳。

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Analysis on wind power accommodation effect of multi-energy system with P2G function

MENG Bingbing, HU Linxian, BAI Xuefeng, LIU Chao

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The power-to-gas (P2G) technology realizes bidirectional flow of energy between electricity and natural gas, and provides a new way for waste wind power accommodation in multi-energy systems. The technical principle of the P2G system equipment is studied, the mathematical model of the P2G system is established, and the principle of waste wind power accommodation is analyzed. On the basis of putting forward start-stop strategy of the P2G, a cooperative optimal dispatching model of multi-energy system with P2G conversion function is established. Moreover, the waste wind power accommodation effect of two combination schemes, the gas-steam combined cycle unit combined with the P2G and the conventional thermoelectric unit combined electric boiler, are compared. The result shows that, both the P2G and electric boiler are beneficial to waste wind power accomodation, but the consumption effect of the P2G is weaker than that of the electric boiler. However, the scheme of gas-steam combined cycle unit combined with the P2G has better effect.

multi-energy system, P2G technology, electric boiler, wind power accommodation, optimized dispatching

National Natural Science Foundation of China (51877049)

孟冰冰(1995—)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统优化调度，cc19840310@126.com。

TM71

A

10.19666/j.rlfd.201901001

孟冰冰, 胡林献, 白雪峰, 等. 具有电转气功能的多能源系统消纳弃风效果分析[J]. 热力发电, 2019, 48(6): 18-23. MENG Bingbing, HU Linxian, BAI Xuefeng, et al. Analysis on wind power accommodation effect of multi-energy system with P2G function[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 18-23.

2019-01-02

国家自然科学基金项目(51877049)

胡林献(1966—)，男，博士，教授，linxian_hu@163.com。

（责任编辑 马昕红）