计及能源利用效率的含生物质沼气发电农村能源系统优化运行

2022-07-23冯凯辉闫湖戴吴珍陈健刘永亮

中国电力 2022年7期

冯凯辉，闫湖，戴吴珍，陈健，刘永亮

(1.国网能源研究院有限公司，北京 102209；2.山东大学电气工程学院，山东济南 250061)

0 引言

随着“乡村振兴”计划的不断深入推进，农村经济发展受到极大重视。农村新能源发展迅速，但农村能源系统中能源消费结构不合理、能源消费层次低、农村能源能效低下等问题依旧存在。农村能源系统建设还需要根据当地自然资源禀赋，实现多能互补利用，提高能源利用效率。

近年来，农村能源系统对以生物质能为代表的新能源需求越来越强烈。文献[1]研究了生物质发电的微网动态经济调度问题。文献[2]构建基于沼气的内燃机热电气联供系统，研究了系统的一次能源利用效率。文献[3]在基于沼气生产的生物质资源利用的基础上，研究了对应的经济效益、生态效益与社会效益。文献[4]建立了风机、光伏、沼气发电机和蓄电池的控制模型，实现多种能源的综合利用。文献[5]重点阐述了沼气发电技术的系统特点和运行工况要求。上述文献没有充分探讨能源系统中能源利用效率问题。

在能源利用效率方面，文献[6]构建了冷热电联产系统，提出了一次能效指标。文献[7]基于热力学第二定律，提出了㶲效率的概念。文献[8]引入能量价值参数以解决园区中不同能源的统一问题。

本文构建了含生物质沼气的综合能源系统模型，在考虑风光、负荷出力的不确定性条件下，建立了基于机会约束的电气热综合能源系统优化运行模型。通过算例验证了本文所提方法的正确性与有效性。

1 电-气-热综合能源系统模型

生物质沼气发电技术利用了农村地区的废弃物，经厌氧发酵处理产生沼气，并驱动沼气发电机组发电。沼气应用结构如图1所示。

图1 沼气应用结构Fig.1 Application structure of biogas

2 机会约束处理

3 目标函数

4 案例分析

本文以某地区含生物质沼气发电的电气热能源系统为研究对象，结构如图2所示。

图2 系统结构Fig.2 Structure of the system

该系统内风机、光伏24 h内出力情况如图3所示。电、气、热负荷数据如图4所示。系统运行周期为24 h。01:00—08:00时段购电电价为0.43 元/（kW·h），售电电价为 0.27 元/（kW·h）。09:00—11:00、16:00—18:00、22：00—24:00时段购电电价为0.69元/（kW·h），售电电价为0.5元/（kW·h）。12:00—15:00、19:00—21:00 峰时段购电电价为 1.21 元/（kW·h）[21-25]，售电电价为1.02元/（kW·h）。天然气气价为0.25 元/（kW·h）。

图3 新能源的出力情况Fig.3 Output of new energy

图4 电气热负荷数据Fig.4 Electrical heat load data

为分析不同场景下优化运行方案，在此设置3种方案。方案1只考虑系统日前优化运行经济性。方案2只考虑系统能源利用效率。方案3综合考虑系统经济性与能源利用效率。

4.1 方案1

当能源系统不考虑风光负荷出力不确定性时，各发电机组的出力变化情况如图5～7所示。从图5～7中可知，在电价较低的时候，储能系统储存多余的电量以备套利运作，且由于此时电转气的成本低于直接购气，故也会产生较多的气来供应气网，此时的天然气供应充足，故热负荷更多的是由燃气轮机供应。随着电价的上升，电转气的成本高于直接购气，故不再经济，气网开始更多的购气，沼气发电机组开始向外发电，而为了更好地供应电力负荷，储能也会释放多余的电能，以减少购电费用。

图5 电网交互情况Fig.5 Interaction of power grid

图6 气网交互情况Fig.6 Gas network interaction

图7 热网交互情况Fig.7 Heat supply network interaction

在考虑新能源出力以及负荷功率不确定性时，电负荷波动方差取值为0.01（p.u.），风光发电波动方差为0.1（p.u.）。当采用不同的置信水平时，不同置信度的选取会对结果产生影响，具体的运行成本如表1所示。从表1可以看出，随着置信水平的不断增大，总成本不断增多。这说明系统考虑不确定性使得系统可靠性水平提高，是以总运行成本的增加为代价。当置信度提高时，总运行成本也依次增加，可以体现风光、负荷的随机性对调度结果的影响。

表1 方案1的优化结果Table 1 Optimization results of scheme 1

4.2 方案2

为了更好地研究能源利用效率，本文分析在考虑能效下的调度策略，为决策者如何考虑能效提供方案。考虑不同置信水平的运行结果如表2所示。在表2中，随着置信水平α的不断增大，系统能源利用效率逐渐减小，说明系统考虑不确定性使得系统可靠性水平提高，这是以系统能效的减小为代价。

表2 方案2的优化结果Table 2 Optimization results of scheme 2

4.3 方案3

3 种情况下置信水平α取60%的运行费用和能效情况如表3所示。

表3 方案3的优化结果Table 3 Optimization results of scheme 3

从表3中可以看出，以经济性为优化目标时，系统日运行费用最低，但此时系统能效结果不是很理想。以能效为优化目标时，系统取得较高的能效水平，但此时系统经济性水平较差。以经济性和能效为单一目标时，系统运行存在一定地局限性。采用本文所提的模糊隶属度函数较好的解决了多目标优化问题，使系统能够统筹兼顾经济性与能源利用效率。