考慮電轉(zhuǎn)氣精細化模型的氣電聯(lián)合微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度

趙有林，邱曉燕，趙長樞，張浩禹，張楷，李凌昊

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著全球環(huán)境污染及能源短缺問題的加劇，可再生能源的發(fā)展受到越來越多的重視，我國提出在2030年可再生能源達到一次能源消費比重的20%，預(yù)計風(fēng)電消費比重將達到10%[1]。但是由于風(fēng)電出力隨機性大、波動性強及電網(wǎng)建設(shè)不同步等原因使得目前棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴重，因此大規(guī)模、高比例風(fēng)電的建設(shè)發(fā)展進入瓶頸期。在風(fēng)電場投建電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）系統(tǒng)，將過剩的風(fēng)電轉(zhuǎn)化成天然氣存儲在氣網(wǎng)中，為大規(guī)模、高比例風(fēng)電的消納提供了新途徑[2]。目前，有關(guān)P2G消納新能源發(fā)電的研究已經(jīng)逐步展開：文獻[3]利用P2G技術(shù)和燃氣輪機解決了電-氣綜合能源系統(tǒng)凈負荷削峰填谷問題，但只考慮了燃氣輪機電出力，忽略了熱出力；文獻[4]對P2G消納風(fēng)電的效益進行了分析，但并未考慮機組出力的爬坡功率約束，使調(diào)度結(jié)果出現(xiàn)偏差；文獻[5]從促進風(fēng)電調(diào)度方面對P2G進行研究，但對P2G系統(tǒng)的建模比較粗略；文獻[6]將P2G應(yīng)用于微網(wǎng)，驗證了P2G有利于改善微網(wǎng)中的棄風(fēng)現(xiàn)象，文中雖然分析了電轉(zhuǎn)氫的優(yōu)勢，但研究過程仍只考慮將風(fēng)電轉(zhuǎn)化成甲烷存儲在氣網(wǎng)中，使得P2G應(yīng)用于微網(wǎng)時能量損失過大；文獻[7]評估了P2G在微網(wǎng)系統(tǒng)負荷低谷時期對可再生能源的消納能力，但其將氫氣直接注入到天然氣網(wǎng)，沒有考慮氫氣對天然氣管道造成的危害。上述文獻都證明了P2G有利于風(fēng)電的消納，但只將P2G設(shè)備看成是能量型儲能[8]，即將風(fēng)電直接轉(zhuǎn)化成甲烷存儲到天然氣網(wǎng)中，雖然存儲容量大，但是轉(zhuǎn)化效率低、能量損失大且經(jīng)濟性差。

鑒于此，文獻[9-10]將P2G分為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個過程進行研究，形成電-氫-電高效型儲能和電-天然氣-電能量型儲能兩種模式。但是對甲烷化環(huán)節(jié)處理過于簡單，并未考慮啟停過程。實際上甲烷化啟停過程中存在冷、熱啟動和長、短期停車多個狀態(tài)，各狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的時間達到h級[11-12]，所以這種方法難以保障調(diào)度結(jié)果的準確性。

因此，本文在把P2G過程精細化為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮了甲烷化環(huán)節(jié)短期停車至熱啟動過程的耗時耗能特性，建立了甲烷化環(huán)節(jié)的啟動模型和運行模型。基于上述模型提出了氣電聯(lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法，并考慮了機組出力的爬坡功率約束，以期促進風(fēng)電消納，提高電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的利用率，優(yōu)化氣電聯(lián)合微網(wǎng)的機組出力。

1 氣電聯(lián)合微網(wǎng)能量流動及P2G精細化建模

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能量流動

將P2G精細化為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個環(huán)節(jié)，其中電轉(zhuǎn)氫環(huán)節(jié)運行成本低、轉(zhuǎn)化效率高（75%～80%），但存儲容量有限。甲烷化環(huán)節(jié)運行成本高，將電轉(zhuǎn)化成甲烷能量損失大、效率低（55%～60%），但轉(zhuǎn)化成的天然氣可以存儲在天然氣網(wǎng)中，存儲容量大。當(dāng)微網(wǎng)中配備的高壓儲氫罐能夠存儲由盈余風(fēng)電轉(zhuǎn)化的氫氣時，只需啟用電轉(zhuǎn)氫環(huán)節(jié)消納風(fēng)電，否則就要啟動甲烷化環(huán)節(jié)將盈余風(fēng)電產(chǎn)生的氫氣轉(zhuǎn)化成天然氣存儲在天然氣網(wǎng)之中。當(dāng)微網(wǎng)出現(xiàn)電功率缺額時，開啟氫氧燃料電池和燃氣輪機為微網(wǎng)供電。這樣就分別構(gòu)成了電-氫-電高效型閉環(huán)流動圈和電-天然氣-電能量型閉環(huán)流動圈。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能量流動如圖1所示。

圖1 氣電聯(lián)合微網(wǎng)能量流動圖Fig.1 Energy flow diagram of microgrid in gas-electricity combined system

1.2 P2G精細化建模

1.2.1 電轉(zhuǎn)氫模型

1.2.2 儲氫罐模型

電解水產(chǎn)生的氫氣要經(jīng)過壓縮機加壓存儲在儲氫罐中。儲氫罐模型為

1.2.3 氫氣甲烷化模型

甲烷化啟停包含冷、熱啟動及長、短期停車多個狀態(tài)，流程如圖2所示。長期停車使甲烷化反應(yīng)器內(nèi)溫度變化大，會造成催化劑失活，影響機組使用壽命，且冷啟動過程耗時長、啟動成本高。因此將甲烷化裝置投入到微網(wǎng)運行后，若要停用甲烷化裝置，只需通入氮氣稍微降低反應(yīng)器溫度和壓強使甲烷化裝置處于短期停車狀態(tài)；若要啟用只需小幅提溫提壓使甲烷化環(huán)節(jié)熱啟動即可。

圖2 甲烷化啟停流程圖Fig.2 Start stop diagram of methanation

熱啟動過程中使甲烷化反應(yīng)器溫度和壓力達到運行條件需要一定的時間，因此將甲烷化過程進一步精細化為考慮耗時耗能的啟動模型和運行模型。

1）考慮耗時耗能的啟動模型如下：

式中：Pm,H為甲烷化反應(yīng)的啟動壓強；λ為氫氣注入甲烷化反應(yīng)器的壓縮系數(shù)；mH,t為單位時間注入甲烷化反應(yīng)器的氫氣；P為甲烷化熱啟動耗能；μt為（0，1）變量，甲烷化啟動時為1，否則為0；Pt為單位時間對甲烷化反應(yīng)器供能；t0，t1分別為甲烷化環(huán)節(jié)開啟的時間和啟動完成的時間。

2）運行模型如下：

2 考慮P2G精細化的氣電聯(lián)合微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

在P2G精細化建模基礎(chǔ)上，構(gòu)建氣電聯(lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型，模型考慮了負荷供給成本、P2G運行成本、棄風(fēng)成本和甲烷化售氣收益。負荷供給成本包括從天然氣網(wǎng)的購氣費用和從主網(wǎng)的購電成本，其中從主網(wǎng)購電量要用電功率缺額減去氫氧燃料電池發(fā)電量。P2G運行成本包括電轉(zhuǎn)氫的運行成本和甲烷化環(huán)節(jié)成本。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以微網(wǎng)系統(tǒng)日運行成本最小為目標(biāo)：

式（5）中，各項成本計算如下式：

式中：CP2H為電轉(zhuǎn)氫的運行成本；CH2G為氫氣甲烷化的成本。

式中：C0為熱啟動成本；C1為甲烷化單位時間運行成本，T1為甲烷化環(huán)節(jié)運行時間。

甲烷化環(huán)節(jié)是絕熱的[13]，所以不考慮短期停車時的成本。

2.2 約束條件

1）功率平衡約束。電能、熱能、天然氣功率平衡如下式：

2）機組出力約束如下：

式中：PEB,max，PEB,min分別為電鍋爐出力的上、下限；ΔPEB,up，ΔPEB,down分別為電鍋爐的上、下爬坡速率。

式中：PGB,max，PGB,min分別為燃氣鍋爐出力的上、下限；ΔPGB,up，ΔPGB,down分別為燃氣鍋爐的上、下爬坡速率。

式中：PG,max，PG,min分別為燃氣輪機出力的上、下限；ΔPG,up，ΔPG,down分別為燃氣輪機的上、下爬坡速率。

式中：PHO,max，PHO,min分別為氫氧燃料電池出力的上、下限；ΔPHO,up，ΔPHO,down分別為氫氧燃料電池的上、下爬坡速率。

式中：PP2H,max，PP2H,min分別為電轉(zhuǎn)氫過程出力的上、下限；PH2G,max，PH2G,min分別為氫氣甲烷化過程設(shè)備出力的上、下限。

3）儲氫罐約束如下：

2.3 模型求解

文中將日前優(yōu)化調(diào)度模型的求解過程分為求解甲烷化啟停時間和發(fā)電機組有功出力兩部分，然后采用遺傳算法求解，流程如圖3所示。

圖3 遺傳算法求解流程圖Fig.3 Genetic algorithm solving flow chart

3 算例分析

P2G消納風(fēng)電產(chǎn)生的天然氣需存儲在氣網(wǎng)中，氣網(wǎng)也要向燃氣輪機提供天然氣來供給電負荷，所以雖未對氣負荷進行分析，但還是以圖4所示的氣電聯(lián)合微網(wǎng)為基礎(chǔ)進行仿真計算，來驗證文中所建模型的有效性。

圖4 氣電聯(lián)合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microgrid structure of gas-electricity combined

調(diào)度周期T取24 h，時間間隔為1 h。其中，分時電價如表1所示；天然氣氣價3.46元/m3；電轉(zhuǎn)氫運行成本0.16元/（kW·h），甲烷化環(huán)節(jié)運行成本0.4元/（kW·h），電轉(zhuǎn)氫效率0.8，甲烷化效率0.75，甲烷化環(huán)節(jié)啟動過程耗能34 kW·h，耗氫20 m3[11]；棄風(fēng)成本3元/（kW·h）；燃氣輪機熱效率0.4，電效率為0.37；燃氣鍋爐額定功率為100 kW，效率為0.9；電鍋爐額定功率70 kW，效率為0.9。

表1 分時電價Tab.1 Prices of electric at different time

風(fēng)電出力、電負荷及熱負荷原始數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Raw data curves

為分析考慮甲烷化啟停過程的P2G設(shè)備精細化模型在調(diào)度過程中的經(jīng)濟性和準確性，設(shè)定了4個方案進行對比：

方案1：不投入P2G設(shè)備；

方案2：投入P2G設(shè)備，不考慮P2G精細化模型；

方案3：投入P2G設(shè)備，考慮P2G精細化模型，不考慮甲烷化啟停過程；

方案4：投入P2G設(shè)備，考慮P2G精細化模型，考慮甲烷化啟停過程。

4種方案各環(huán)節(jié)的成本如表2所示。

表2 不同方案下成本對比Tab.2 Cost comparison under different schemes

由表2可知方案2、方案3和方案4的棄風(fēng)成本都很低，總成本相較于方案1分別降低了21.84%，26.48%和25.24%。由此可以得出P2G設(shè)備的引入能夠有效提高微網(wǎng)對風(fēng)電的消納能力和微網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

下面根據(jù)表2和各設(shè)備有功出力優(yōu)化結(jié)果，對不同方案造成調(diào)度結(jié)果的差異進行分析。方案1各設(shè)備的出力情況如圖6和圖7所示。

圖6 方案1各設(shè)備電出力Fig.6 Electric output of equipment in scheme 1

由圖6和圖7可知：1：00—6：00和23：00—24：00兩個時段盈余風(fēng)電為正，聯(lián)絡(luò)線上無功率交換，主要由電鍋爐對風(fēng)電進行消納，由于場景一沒有配置P2G設(shè)備，所以多余風(fēng)電只能棄掉，從而造成棄風(fēng)成本比較大，達到了1 215元。此時熱負荷較高，電鍋爐滿額出力仍不能滿足熱負荷需求，由于燃氣輪機在產(chǎn)熱的同時也要發(fā)電，會導(dǎo)致微網(wǎng)接納風(fēng)電的空間變小，從而加劇棄風(fēng)現(xiàn)象，所以熱負荷缺額由燃氣鍋爐補充。7：00—10：00時段盈余風(fēng)電開始為負，此時分時電價低于燃氣輪機的發(fā)電成本，故優(yōu)先從外網(wǎng)購電來滿足電功率缺額，熱負荷也優(yōu)先由電鍋爐提供。在11：00—15：00和19：00—22：00兩個時段分時電價高于燃氣輪機發(fā)電成本，所以優(yōu)先考慮燃氣輪機供電，由于爬坡功率的限制，只能逐漸增加燃氣輪機發(fā)電量，電功率缺額仍要從外網(wǎng)購電來補充。電鍋爐由于滑坡功率的限制，也只能逐漸減少其熱功率，余下熱負荷由燃氣輪機和燃氣鍋爐提供。16：00—18：00時段分時電價低于燃氣輪機發(fā)電成本，由于燃氣輪機滑坡功率和電鍋爐爬坡功率的限制，只能逐漸減少燃氣輪機出力，逐漸增加電鍋爐出力。從而得出方案1中各有功電源和設(shè)備在24 h內(nèi)的運行策略。

圖7 方案1各設(shè)備熱出力Fig.7 Thermal output of equipment in scheme 1

根據(jù)4種方案在棄風(fēng)消納和從外網(wǎng)購電的差異對4種方案做詳細對比，差異圖如圖8所示。

圖8 4種方案差異圖Fig.8 Difference chart of four schemes

方案2相較于方案1投運了P2G設(shè)備，因此方案 2可以將方案1在 1：00—5：00和 23：00—24：00兩個時段的棄風(fēng)功率轉(zhuǎn)化成天然氣進行存儲，從而使棄風(fēng)成本僅為87元。由于氫氣甲烷化過程有最低耗氫量[14]，而 3：00，5：00和23：00的棄風(fēng)量較少，盈余風(fēng)電轉(zhuǎn)化的氫氣不足以滿足甲烷化耗氫，需要額外購電，可見啟用P2G設(shè)備消納風(fēng)電并不具備經(jīng)濟性，所以此時仍會有少量棄風(fēng)。

方案3和方案4將P2G精細化為電轉(zhuǎn)氫和甲烷化兩個環(huán)節(jié)，由于電解槽有快速的啟停能力，負荷變化可以從0至100%[15]，所以電轉(zhuǎn)氫能夠?qū)?：00，5：00和23：00少量的盈余風(fēng)電進行消納，見圖8。另外P2G精細化使得中間過程有氫氣的存儲，所以在11：00—15：00和19：00—22：00兩個分時電價高的時段引入氫氧燃料電池補充發(fā)電，從而使購電成本降低了108元。因為氫氧燃料電池爬坡和滑坡功率的限制，所以氫氧燃料電池出力也只能逐步增加和減少。由于精細化過程不再讓盈余電量全都轉(zhuǎn)化成甲烷，所以甲烷產(chǎn)量減少，售氣收益降低。

根據(jù)方案3和方案4電轉(zhuǎn)氣精細化出力的情況如圖9和圖10所示，進一步分析甲烷化環(huán)節(jié)啟停對電轉(zhuǎn)氣出力的影響。

圖9 方案3電轉(zhuǎn)氣精細化出力Fig.9 Refined output of power to gas in scheme 3

圖10 方案4電轉(zhuǎn)氣精細化出力Fig.10 Refined output of power to gas in scheme 4

由圖9和圖10可知：方案4甲烷化環(huán)節(jié)在24：00開啟，在1：00啟動完成，然后一直運行到5：00關(guān)停；而方案3甲烷化環(huán)節(jié)在3：00多啟停一次。這是由于方案3不考慮甲烷化啟停過程，當(dāng)棄風(fēng)電量較少時直接停運，由電轉(zhuǎn)氫對風(fēng)電進行消納。而方案4考慮了甲烷化啟停過程的耗時耗能特性，為了滿足經(jīng)濟性，在3：00仍繼續(xù)使甲烷化裝置運行。因為甲烷化環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)即時啟停，所以采用方案3的調(diào)度方法會在實際操作中出現(xiàn)偏差。

另外，方案4甲烷化裝置熱啟動過程中需要耗能耗氫，所以在24：00需要一部分風(fēng)電用于甲烷化環(huán)節(jié)啟動。在運行過程中存在最低耗氫量，所以在3：00需要從儲氫罐中補充甲烷化反應(yīng)所需的氫氣。所以方案4中用于電轉(zhuǎn)氫的風(fēng)電和用于甲烷化反應(yīng)的氫氣相對較少，使得方案4成本比方案3多62.42元。

方案3和方案4中儲氫罐內(nèi)氫氣體積變化如圖11所示。

圖11 儲氫罐內(nèi)氫氣體積變化Fig.11 Hydrogen volume change in hydrogen storage tank

由圖11可知，隨著電轉(zhuǎn)氫的運行（23：00—5：00），儲氫罐內(nèi)的儲氫量在逐漸增加。方案4由于3：00盈余風(fēng)電產(chǎn)氫量不足以維持甲烷化設(shè)備運行，所以需要消耗儲氫罐內(nèi)的氫氣，使得3：00儲氫罐內(nèi)的氫氣減少。電負荷高峰時段需要氫氧燃料電池發(fā)電來減少系統(tǒng)的運行成本，所以在（11：00—15：00，19：00—22：00）儲氫罐內(nèi)的儲氫量在逐漸減少，直至降到儲氫罐內(nèi)氫氣容量下限（10 m3）。

4 結(jié)論

本文將P2G與高風(fēng)電滲透率微網(wǎng)相結(jié)合，在考慮甲烷化啟動過程耗時耗能特性構(gòu)建P2G精細化模型的基礎(chǔ)上，提出了氣電聯(lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法。在算例分析中通過對不同方案進行對比得出：

1）對P2G的精細化建模提高了P2G過程的運行效率和對風(fēng)電的消納能力，降低了P2G運行成本，實現(xiàn)了對P2G系統(tǒng)的高效利用。

2）考慮甲烷化啟動過程的耗時耗能特性，使調(diào)度方法符合實際操作規(guī)程，提高了調(diào)度結(jié)果的準確性。

3）日前優(yōu)化調(diào)度方法能夠優(yōu)化機組出力，保證微網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。