含電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化運行

孫建梅， 耿立楊

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院， 上海 200090)

隨著全球能源需求不斷增長，化石能源日益枯竭，全球變暖等環(huán)境氣候問題不斷加劇，大力發(fā)展清潔能源和實現(xiàn)能源高效化、低碳化已成為能源發(fā)展的必然趨勢。電力行業(yè)是碳排放的主要來源之一，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，快速發(fā)展和有效利用可再生能源是實現(xiàn)電力行業(yè)低碳化的有效途徑。近年來，風(fēng)電、光伏等低碳清潔可再生能源的開發(fā)逐步成熟，裝機并網(wǎng)容量穩(wěn)步增加，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。但由于風(fēng)、光出力呈現(xiàn)較強的間歇性和反調(diào)峰性，伴隨的棄風(fēng)、棄光等能源浪費的現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。以風(fēng)電為例，2016年中國風(fēng)電平均利用小時數(shù)1 742 h，全年棄風(fēng)電量為497×108kW·h，平均棄風(fēng)率高達 17.1%[1]。可見，傳統(tǒng)電網(wǎng)對可再生能源的消納將面臨瓶頸[2]。能源互聯(lián)網(wǎng)[3-4]將多種能源網(wǎng)絡(luò)通過能源轉(zhuǎn)換裝置緊密耦合，形成多網(wǎng)流的綜合能源系統(tǒng)，能夠廣泛接入可再生能源，為其消納提供了新的途徑。

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的一種基礎(chǔ)形式，電氣耦合系統(tǒng)因其能源清潔、高效受到了較多關(guān)注。傳統(tǒng)電與氣之間的耦合僅通過燃氣輪機由氣向電能單向轉(zhuǎn)化，電轉(zhuǎn)氣(power-to-gas，P2G)技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)了電能向氣體燃料的逆向轉(zhuǎn)化，該技術(shù)能夠有效利用具有隨機性、變動性的可再生能源(風(fēng)電、光伏等)產(chǎn)生的富余電能，將其轉(zhuǎn)化為人造天然氣(substitute nature gas，SNG)進行存儲，不僅能夠改善棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象，還為可再生能源大規(guī)模存儲提供了可能[5]，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是目前一些發(fā)達國家為解決棄風(fēng)、棄光問題，構(gòu)建低碳能源系統(tǒng)的主要技術(shù)途徑之一，德國已將電轉(zhuǎn)氣技術(shù)列為消納可再生能源的重要儲能方式。電轉(zhuǎn)氣設(shè)備加深了電網(wǎng)與氣網(wǎng)進一步耦合，與燃氣輪機組一起構(gòu)成電網(wǎng)與氣網(wǎng)的閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對含P2G的電氣耦合系統(tǒng)研究主要集中在優(yōu)化運行等方面。文獻[6-7]將電轉(zhuǎn)氣引入電氣耦合系統(tǒng)中，構(gòu)建了以系統(tǒng)經(jīng)濟成本最低為目標(biāo)的優(yōu)化模型；文獻[8-9]采用能源中心建模方法，研究了包括電能、天然氣等多種能源集成系統(tǒng)經(jīng)濟運行問題，算例結(jié)果表明多種能源之間的互補和轉(zhuǎn)換有助于改善整個系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性；竇迅等[10]介紹了基于電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的電氣耦合系統(tǒng)建模方法以及不同場景下的運行優(yōu)化模型及求解方法；王亞男等[11]提出了含電轉(zhuǎn)氣的電氣耦合系統(tǒng)兩階段優(yōu)化模型，并充分發(fā)掘了氣網(wǎng)接納新能源的潛力；Clegg等[12]利用兩階段最優(yōu)潮流優(yōu)化方法，分析了電轉(zhuǎn)氣對改善電氣耦合綜合能源系統(tǒng)運行以及碳排放水平的影響。現(xiàn)有研究多是以系統(tǒng)運行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，對不可忽視的環(huán)境成本、棄風(fēng)懲罰等因素卻很少計及。文獻[13-16]提出含P2G的電氣耦合綜合能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化目標(biāo)主要考慮系統(tǒng)運行成本、碳排放量以及棄風(fēng)量等因素，雖然計及了電氣耦合綜合能源系統(tǒng)的碳排放，但都是以多目標(biāo)計及權(quán)重的方式處理，且沒有考慮碳排放權(quán)交易機制。為了降低電力工業(yè)的碳排放水平，碳排放權(quán)交易被看作是可同時顧及電力經(jīng)濟性與低碳性的有效方式[17]。隨著碳交易市場的推進，碳交易成本將成為不可忽略的經(jīng)濟成本。衛(wèi)志農(nóng)等[18]、秦婷等[19]將碳交易機制引入電氣耦合綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型，但對能源轉(zhuǎn)化利用過程中帶來的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益未能充分考慮。

在現(xiàn)有文獻研究基礎(chǔ)之上，從新能源消納角度，針對含P2G的電氣耦合系統(tǒng)，充分考慮系統(tǒng)供能的經(jīng)濟性、低碳性以及P2G實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的效益，兼顧富余風(fēng)電消納問題，提出一種包含棄風(fēng)懲罰成本的低碳經(jīng)濟運行優(yōu)化模型，通過引入碳交易機制將系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度模型與低碳調(diào)度模型進行統(tǒng)一，將多目標(biāo)問題以加和的方式轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。綜合考慮系統(tǒng)功率平衡約束和系統(tǒng)內(nèi)各元件運行約束，通過算例驗證該模型的可行性與有效性，并對P2G降低系統(tǒng)整體供能成本、減少碳排放以及消納棄風(fēng)方面的效益進行分析。

1 含P2G的電氣耦合系統(tǒng)

1.1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)

P2G主要技術(shù)分為兩類[20]：電解水制氫和甲烷化(chemical methanation,CM)。目前電解水主要有堿性水電解，高分子水電解、固體氧化物型電解等方法。甲烷化是經(jīng)過巴蒂埃(Sabatier)催化反應(yīng)將第一階段制得的氫氣與二氧化碳合成甲烷。以上2個過程對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式分別如式(1)、式(2)所示[12]：

(1)

(2)

由式(2)可以看到，SNG的生成過程需要利用二氧化碳，實現(xiàn)了碳的回收利用，因此間接地減少了能源利用過程中的碳排放，有良好的環(huán)境效益。P2G過程合成的甲烷與天然氣有相似的特性，可將其直接注入天然氣管網(wǎng)或其他儲氣設(shè)備中，以實現(xiàn)長時間、大規(guī)模存儲和大范圍運輸[21]。目前，電轉(zhuǎn)氣整個過程氣的綜合能量轉(zhuǎn)換效率可達45%～60%。

P2G過程消耗的電能與產(chǎn)生的天然氣功率流的關(guān)系式如式(3)所示，產(chǎn)生的天然氣功率流與氣流量可通過其高熱值(higher heating values,HHV)進行轉(zhuǎn)化，關(guān)系式如式(4)所示：

PSNGi,t=ηegPP2Gi,t

(3)

fP2Gi,t=PSNGi,t/HHVCH4

(4)

式中：PSNGi,t和fP2Gi,t分別為P2G設(shè)備i在t時刻的輸出天然氣功率流和氣流量；PP2Gi,t為P2G裝置i在t時刻消耗的電能；ηeg為P2G全過程能量轉(zhuǎn)換效率，取65%[22]；HHVCH4為甲烷高熱值，是一個可以將氣流量和功率流相互轉(zhuǎn)換的系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為15.5(kW·h)/m3。

1.2 含P2G的電氣耦合系統(tǒng)

圖1 電氣耦合能源循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Electricity-natural gas coupling energy cycle system structure diagram

考慮消納可再生能源(主要是風(fēng)電、光伏)富余的電能，提高能源利用率，以風(fēng)電為例，提出電-氣-電的電氣耦合能源循環(huán)系統(tǒng)，并通過P2G和燃氣輪機分別實現(xiàn)電-氣和氣-電的能源轉(zhuǎn)換。圖1為電氣耦合系統(tǒng)運行的能量流示意圖，系統(tǒng)包括火電機組、風(fēng)電、電轉(zhuǎn)氣裝置、燃氣輪機以及儲氣設(shè)備。在負荷低谷時段，通過P2G設(shè)備將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為SNG，以供燃氣輪機發(fā)電或進入儲氣裝置進行存儲，從而提高新能源消納能力與系統(tǒng)運行靈活性。電-氣-電配置因其運行方式的靈活性，還可作為備用電源參與系統(tǒng)運行[9]。

2 優(yōu)化模型

在經(jīng)濟調(diào)度模型和低碳調(diào)度模型基礎(chǔ)上，將棄風(fēng)懲罰成本計入目標(biāo)函數(shù)，同時引入碳交易機制，以相加的方式將經(jīng)濟目標(biāo)與低碳目標(biāo)進行統(tǒng)一，建立基于碳交易機制的電氣耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行優(yōu)化模型，以期獲得兼顧系統(tǒng)運行經(jīng)濟性、低碳性與風(fēng)電消納能力協(xié)調(diào)的優(yōu)化結(jié)果。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

低碳經(jīng)濟下，考慮消納棄風(fēng)的電氣耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行優(yōu)化目標(biāo)為最小化系統(tǒng)經(jīng)濟成本和碳排放權(quán)交易成本之和，目標(biāo)函數(shù)為

min(F1+F2)

(5)

式(5)中：F1為系統(tǒng)經(jīng)濟成本；F2為系統(tǒng)碳交易成本。

2.1.1 經(jīng)濟成本模型

模型中以系統(tǒng)的能耗成本及棄風(fēng)成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，并將電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消納棄風(fēng)的等效收益計入目標(biāo)函數(shù)，可以得到目標(biāo)函數(shù)為

式(6)中：NGF為火電機組的臺數(shù)；NP為含P2G設(shè)備的節(jié)點的集合；PGFi,t為火電機組i在t時刻的發(fā)電功率；ai，bi，ci為第i個燃煤機組的發(fā)電成本系數(shù)；μ、CM分別為P2G生產(chǎn)單位SNG所需CO2系數(shù)、CO2價格系數(shù)，參考文獻[23]中的CO2成本數(shù)據(jù)，取μ=0.2 t/(MW·h)，CM=90美元/t；Cgas為天然氣價格系數(shù),取為3 元/m3；fw為棄風(fēng)懲罰成本，定義為

(7)

2.1.2 碳交易成本模型

(1)碳排放權(quán)交易機制與其分配原則。碳交易是為減少碳的排放量而建立起的一種交易機制，是在合法允許的情況下進行碳排放權(quán)的買賣。碳交易機制下，監(jiān)管機構(gòu)會給發(fā)電機組分配一定的碳排放配額，若機組實際的碳排放量超過了所得到的分配額度，須在碳交易市場上購買超過部分的排放額度或為超額部分支付相應(yīng)罰金；若是機組實際的碳排放量在規(guī)定時期內(nèi)小于其所獲得的分配額度，其余留的碳排放權(quán)就可作為商品在市場上進行銷售，從而獲得收益。

(2)基于碳交易機制的低碳模型。發(fā)電機組的碳排放權(quán)分配額通常采用與其出力成比例的模型，即：

(8)

式(8)中：Erate為發(fā)電機組T時段分配的碳排放配額；φ為發(fā)電機組單位電量的碳排放配額，由國家發(fā)改委發(fā)布的“區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子”確定，取φ=0.759 8 t/(MW·h)[24]；PGi,t為發(fā)電機組i在t時刻的有功出力。

此外，系統(tǒng)中P2G過程的碳減排量Ec表達式為

(9)

式(9)中：fP2Gi,t為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備i在t時刻產(chǎn)生的SNG量；δP2G為P2G輸出單位氣量所消耗的CO2量，取1.8 kg/m3。

在碳排放權(quán)交易機制下，已知碳交易價格St，電氣耦合系統(tǒng)的碳排放權(quán)交易成本F2為

(10)

式(10)中：NG為發(fā)電機組集合；αi、βi和γi為發(fā)電機組i的碳排放系數(shù)。

當(dāng)F2為負值時表示賣出碳排放權(quán)，從而獲得收益；當(dāng)其為正值時表示買進碳排放權(quán)，即付出成本。

2.2 約束條件

忽略機組爬坡約束和旋轉(zhuǎn)備用約束[25]，滿足系統(tǒng)功率平衡等約束。

(1)功率平衡約束：

(11)

式(11)中：Pl,t為t時刻系統(tǒng)的用電負荷。

(2)發(fā)電機組出力，P2G出力以及風(fēng)電機組出力約束：

(12)

(13)

(14)

(3)儲氣裝置約束。儲氣裝置約束包含自身儲氣容量限制與t時刻的進氣量和出氣量限制。

(15)

(16)

(17)

(18)

3 算例分析

3.1 算例說明

以文獻[12]中給出的基本參數(shù)為例進行分析，算例數(shù)據(jù)主要包含 24 h電負荷與最大可用風(fēng)功率曲線。使用Lingo軟件對考慮碳排放權(quán)交易的2種優(yōu)化模型開展調(diào)度計算。假設(shè)所有碳交易均通過碳排放權(quán)交易機制進行，碳交易價格取100 元/t CO2[26]。圖2為某日24 h的電負荷曲線和最大可用風(fēng)功率曲線。從圖2可以看出，風(fēng)電出力具有反調(diào)峰特性，夜間負荷低谷時風(fēng)電出力較多，此時多余風(fēng)電易被棄掉。

為了分析驗證所提出的考慮消納棄風(fēng)的含P2G的電氣耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟優(yōu)化模型的有效性，研究設(shè)置了以下2個場景。

場景1不含P2G，僅研究傳統(tǒng)火電機組的電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行，多余風(fēng)電全部不消納。

場景2含P2G的電氣耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行，多余風(fēng)電全部消納。

3.2 算例結(jié)果

圖3為兩種場景下棄風(fēng)情況。場景1在負荷低谷時段(0：00—8:00、18：00—24：00)，由于電負荷需求較低，而夜間風(fēng)速高，風(fēng)電機組輸出功率較大，多余風(fēng)電無法上網(wǎng)，產(chǎn)生大量棄風(fēng)。場景2加入電轉(zhuǎn)氣等設(shè)備，多余風(fēng)電可通過P2G轉(zhuǎn)化為甲烷后通過燃氣輪機轉(zhuǎn)為電能或進入儲氣裝置進行存儲，實現(xiàn)了風(fēng)電的全部消納。在9：00—17：00，兩條曲線重合，是由于白天電負荷需求較高，風(fēng)電可被完全消納，不存在棄風(fēng)問題。

圖3 兩種場景下棄風(fēng)情況對比Fig. 3 The wind abandonment of two scenarios

圖4為場景2中燃氣輪機出力以及P2G消耗的電功率。對應(yīng)圖3場景1的棄風(fēng)時段，風(fēng)電在此時段較為富余，而電力負荷處于低谷時段，因此，P2G設(shè)備在此時段工作，消納多余風(fēng)電，將風(fēng)力發(fā)電余量轉(zhuǎn)化為天然氣進行存儲或供燃氣輪機發(fā)電使用，從而提高系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了更大的空間。同時，可將P2G看作系統(tǒng)電負荷，在負荷低谷時段運行，相當(dāng)于增加了電負荷，對系統(tǒng)負荷起到了“填谷”的作用。系統(tǒng)中的儲氣設(shè)備可在夜間負荷低谷時段進行儲氣，在白天峰荷時段為燃氣輪機供氣，也具有消峰填谷的作用。

表1給出了場景1、2的優(yōu)化結(jié)果。

圖4 場景2燃氣輪機和P2G出力曲線Fig. 4 Gas turbine and P2G output curves of scenario 2

表1 2種場景優(yōu)化結(jié)果比較Table 1 The low-carbon economy of 2 scenarios

分析表1中結(jié)果可知，在經(jīng)濟性角度，場景1的經(jīng)濟成本較大，原因在于不考慮電轉(zhuǎn)氣的情況下，場景1中的棄風(fēng)較多，棄風(fēng)懲罰成本較大。而場景2的經(jīng)濟成本中雖然增加了P2G的能耗成本，但由于場景2將對應(yīng)于場景1中的棄風(fēng)全部消納，棄風(fēng)懲罰成本為0，且計及了電轉(zhuǎn)氣消納棄風(fēng)的等效收益，系統(tǒng)經(jīng)濟成本相較于場景1減少了 3.08%。在碳減排效益角度，由表1結(jié)果可知，場景2的碳交易成本低于場景1，這是因為場景2中電轉(zhuǎn)氣將富余棄風(fēng)全部消納，轉(zhuǎn)化為天然氣后通過燃氣輪機發(fā)電供給電負荷，可減少火電機組出力，從而減少了系統(tǒng)總體碳排放。同時場景2還計及了電轉(zhuǎn)氣過程中利用二氧化碳的碳減排量。

在促進風(fēng)電消納角度，對比表1、圖3可知，棄風(fēng)時段主要集中在0：00—8：00、18：00—24：00，此時段系統(tǒng)的負荷水平較低，而風(fēng)電出力水平較高，系統(tǒng)無法全部消納，故場景1的棄風(fēng)量較多。在場景2中，通過P2G可將負荷低谷時段富余風(fēng)電全部消納，棄風(fēng)量為0。

由表1結(jié)果對比可知，場景2對系統(tǒng)經(jīng)濟性和低碳性均起到了積極的作用，同時實現(xiàn)了富余風(fēng)電的完全消納。

4 結(jié)論

針對含P2G的電氣耦合能源系統(tǒng)，在經(jīng)濟調(diào)度模型和低碳調(diào)度模型基礎(chǔ)上，計及棄風(fēng)懲罰成本和電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)效益，建立了基于碳交易機制的電氣耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行優(yōu)化模型。得出以下結(jié)論。

(1)通過P2G設(shè)備與燃氣輪機雙向耦合的電-氣-電耦合能源循環(huán)系統(tǒng)，可將負荷低谷時段的富余風(fēng)電全部消納，棄風(fēng)得到了合理利用，棄風(fēng)懲罰成本降低同時還使得P2G消納風(fēng)電的等效收益水平提高。

(2)P2G實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)能夠利用二氧化碳從而減少了系統(tǒng)總體碳排放量，基于碳排放權(quán)交易將此過程帶來的環(huán)境價值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益，使得碳排放權(quán)交易成本減少，提高了系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性和低碳性，系統(tǒng)總成本比系統(tǒng)不含電轉(zhuǎn)氣裝置降低了3.08%。

后續(xù)工作中，將進一步精細化模型，如考慮多能源互補、需求響應(yīng)等。