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计及电转气技术的一种区域综合能源优化方法

2020-07-20郑佳丽

关键词:风电经济效益天然气

王 涛,黄 著,郑佳丽,朱 杰

(1.西华大学电气与电子信息学院,四川 成都 610039;2.国网四川省电力公司检修公司,四川 成都 610041;3.国网玉环市供电公司,浙江 台州 317600)

全球化石能源危机与气候环境危机正在推动着全球能源产业结构的调整与转型,因此可持续能源的开发利用是未来能源产业改革与发展的重要方向。在此背景下,风电发展尤为迅猛,2018 年我国新增风电装机容量为20.59 GW,累积并网装机容量为184 GW,年发电量为366 TWh[1]。但是风电的随机性、波动性与间歇性导致大量风电难以被及时消纳,从而出现严重的“弃风”现象,仅2018 年我国弃风电量就高达27.7 TWh[1]。此外,大规模风电接入也为大电网的安全稳定运行带来了极大挑战[2]。

为解决上述问题,需要综合协调控制发电侧、电网侧与负荷侧,以促进风电消纳[3]。文献[4-6]将储能系统与风电厂联合运行,以提高风电的消纳能力,但是储能系统经济成本高且容量低,难以实现大规模推广。这严重制约着大规模风电消纳,急需探索新的能源消纳与利用方式。能源互联网(energy internet,EI)的提出可有效解决大规模可再生能源的消纳问题,可有效促进能源最优利用[7],但不同类型能源之间存在一定的隔离性。为解决上述问题,需将具有相似运行模式与网络拓扑结构的能源系统进行互联,例如电力系统与天然气系统。电-气互联综合能源系统已成为能源互联网的主要过渡形式之一[8]。

为了促进电-气互联综合能源系统的安全稳定运行,工业界提出了一种极具灵活性的技术——电转气技术(power to gas,P2G),即将电力系统与天然气系统高度耦合[9],实现能量动态分布、转换与共享,最终达到提高新能源利用率的目的。开展含电转气技术综合能源系统的研究,可有效促进电力系统与天然气网络的安全协作运行,也有助于可再生能源消纳,有效缓解“弃风”现象,进而提高能源利用的经济效益。

文献[10]说明了电转气技术的原理及其可发展性。文献[11]探讨了电转气技术在未来能源系统中的应用,将电转气看作容量较大且转换效率较低的储能系统。上述文献并未将电转气技术作为综合能源系统的一部分来综合分析系统中各类能源的能量流动。文献[12]阐述了电转气技术的原理以及评估其在经济性方面的能力,但没有分析电转气技术对风电消纳的影响。文献[13]阐述了电转气技术能够实现对可再生能源进行大规模转化和传输,但是没有分析电转气技术的加入对各能源系统的影响。

本文在上述文献的基础上,将电转气技术运用在区域综合能源系统中,以解决富余风电的消纳问题,分析了电转气技术的加入对各能源系统的影响与各能源系统能量转移的情况,评估了其在经济性方面的能力。文章首先介绍了区域综合能源系统模型,阐述了电转气技术的实现过程,然后以经济性最优建立区域综合能源优化调度模型,最后通过仿真案例分析电转气技术存在的价值,目标区域的经济效益达到最优的运行条件。

1 含P2G 的区域综合能源

目标区域综合能源系统包含的主要单元有电网、天然气网、风厂、P2G 厂与区域负荷。

1.1 目标区域综合能源系统

区域综合能源系统模型中各个单元相互联系实现各个单元之间的能量运输,能量流向如图1 所示。

图1 区域综合能源系统模型

风厂产生的电能通过电网统一调度给区域电负荷,还通过P2G 厂将电能转化为气能供应给区域气负荷。天然气网的参与,调节了P2G 厂与区域气负荷之间的供需差异。本文基于上述能量流向,建立目标函数和能量约束,采用优化算法确定各个单元之间传递能量的具体流量,使各单元能量在约束范围内达到最优值,进而获得区域经济最优效益。

1.2 风力发电模型

风电机组每个时段的出力与各时段的平均风速及风机输出特性有关。风电机组任意时刻下最大输出功率与风速的关系为

1.3 电转气模型

电转气包括电转氢气与电转天然气2 种技术,本文探讨的电转气指将电能转化为天然气,即将电能用于水的电解,产生氢气和氧气后,在高温环境下将二氧化碳与氢气综合作用产生天然气,具体过程如图2 所示。

图2 本文的电转气技术示意图

本文电转气技术消耗的电能来自风能发电,风电转为天然气的公式为

2 区域综合能源优化方法

2.1 风能特性与负荷特性分析

本文将风厂中1 台容量为1.5 MW 的风机接入电网,风机根据该区域的环境因素[14]确定出力。同时选定700 户居民进行电气用量(不考虑天然气对室内供暖)调查,其结果如下。

1)居民用气量在饭点时达到高峰,且在晚上8:00—10:00 洗漱时段用气量也会有所上升,其余时间用气量明显较低。

2)凌晨休息时段,居民用气量接近为零。24 h 环境因素如图3 所示,对应风机出力与区域负荷如图4 所示。

图3 24 h 环境因素

图4 风机出力与区域负荷曲线

2.2 区域综合能源优化调度模型

2.2.1 目标函数

从区域经济效益最优角度出发,综合考虑风电厂与P2G 厂的运行成本以及电网侧、天然气网侧、风厂侧、P2G 厂侧、用户侧之间的能源交易成本与收益。目标函数为区域综合能源系统日前24 h 最优经济效益,为

式中:Fmax为日前24 h 最优经济效益;Fwind为风厂日前24 h 经济效益;FP2G为电转气厂日前24 h 经济效益;Fuser为负荷侧日前24 h 用电用气经济成本。

由于风电企业为实际收益者,需要向电转气公司提供补偿措施[10],因此风厂与电转气厂日前24 h 经济效益为:

区域负荷日前24 h 用电用气经济成本为

式中:λe(t)为电网售电单价;为P2G 厂售气单价;为天然气网售气单价;为t时刻区域用户用电量;为t时刻风电上电量不满足区域电负荷时电网的借调电量。

2.2.2 约束条件

1)风电机组出力约束。

风电机组出力主要受自然环境影响,相应约束为

2)电力系统约束。

风电上网电量主要受电网可接纳电能影响,相应约束为

3)天然气系统约束。

天然气网络在时刻t所消耗的天然气量约束为

4)电转气模型约束。

电转气设备主要受其额定功率影响,相应约束为

5)功率平衡约束。

区域各单元之间的能量约束为:

2.3 模型求解方法流程

本文采用粒子群算法[16](particle swarm algorithm,PSO)对区域综合能源系统模型进行优化求解,流程图如图5 所示。

图5 基于粒子群算法的区域能源优化调度流程图

3 案例分析

3.1 基础数据

参照某地区的电气价数据,电网售电单价、风电上网电价与天然气单价,如表1 所示。

参考文献[17]中的典型P2G 厂运行参数,具体数据如表2 所示。

3.2 案例分类

案例设置如下:案例一接入容量为1.5 MW 的风机,参考700 户家庭用电用气量,在不考虑P2G技术的情况下,将风电全部上网;案例二在案例一的基础上考虑P2G 技术,将一部分风电用于上网,一部分用于电转气产生天然气;案例三在案例二的基础上,将接入电网的风机容量改为2 WM;案例四在案例二的基础上,扩大供能区域范围,参考3 500 户家庭用电用气量。

表1 电网售购电电价与天然气单价

表2 P2G 厂参数

不同案例下的区域能源优化调度结果依次如图6—9 所示,不同案例下区域日前24 h 经济效益如表3 所示。

图6 案例一区域能源优化调度结果曲线

在案例一中,当地电网的接纳能力不足,风电不稳定性等原因导致4.575×102kWh 的风电被浪费。案例一一方面无法消纳大量风电,另一方面又需要从其他地方借调电量来满足区域电负荷,这造成了较为严重的资源浪费。

图7 案例二区域能源优化调度结果曲线

图8 案例三区域能源优化调度结果曲线

图9 案例四区域能源优化调度结果曲线

表3 不同案例下区域日前24 h 经济效益对比

在电转气技术情况下,对比案例二与案例三可知,风电的合理转化降低了电网借调电量,从而降低了电网侧压力,如图8 中的6:00—10:00 与17:00—23:00 时段。同时富余电量的增加有效降低了天然气网的输气波动幅度,进而增加了该区域的经济效益。

再对比案例二与案例四,区域负荷的增加,加大了电网侧的能量波动,如图9 中的4:00—24:00时段。同时由于风厂售卖给P2G 厂的电量减少,区域用户需要从天然气网络购买大量的天然气,增加了天然气网络的输气波动,进而导致案例四中的经济效益偏低。此外在案例四中,虽然电网依旧限制了风电上网的电量,但多余电量被P2G 厂转化为了天然气,实现了风电的再利用,如图9 中的11:00—14:00 时段。

上述各案例表明:电转气技术可有效平抑电网与天然气网的能量波动,同时电转气技术下对风电的多样化运用有效提升了目标区域的经济效益。此外,分析图6—9 曲线与表3 数据可知,电转气技术可大力提高综合能源运行的经济效益,并有效减少“弃风量”。具体为:运用电转气技术降低了电网侧风电上网对电网的冲击,如图7—9 中1:00—8:00 与9:00—16:00 时段;扩展了风厂侧对风电的运用,如图7—8 中的23:00—次日7:00 与9:00—17:00时段,图9 中1:00—5:00 与11:00—14:00 时段;促进了P2G 厂侧对富余风电的消纳能力,如图7—8 中的23:00—次日7:00 与9:00—17:00 时段,图9 中1:00—5:00 与11:00—14:00 时段;降低了天然气网侧天然气的输出波动,如图7—8 中的9:00—17:00 与23:00—24:00 时段,图9 中的1:00—2:00 与11:00—14:00 时段。

4 结论

针对区域综合能源优化问题,为降低可再生能源的浪费,提高区域经济效益,本文建立了考虑经济效益的区域综合能源优化调度模型。该模型以区域日前24 h 最优经济效益为目标,在满足区域用户需求的情况下,充分考虑风厂侧、P2G 厂、电网侧与天然气网侧的最优能量调配。同时该模型通过电转气技术,实现了电-气互联系统的单向耦合,提高了区域综合能源系统风电的消纳能力,有效解决了“弃风”问题,扩展了风电的适用范围,从而有效提高了风电利用率。同时实验表明,电转气技术还能有效平抑电网与天然气网的能量波动,进而提高系统安全性。

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