面向電-氣雙向耦合與低碳的P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃

周步祥，華偉杰，張遠(yuǎn)洪，臧天磊

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610065）

隨著化石燃料的日漸枯竭和節(jié)能減排壓力的增長(zhǎng)，以風(fēng)力發(fā)電為首的可再生能源發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展，使進(jìn)一步取代傳統(tǒng)發(fā)電方式的趨勢(shì)有所增加[1]。針對(duì)可再生能源隨機(jī)性和間歇性導(dǎo)致的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象和電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展趨勢(shì)，可通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)P2G（power-to-gas）構(gòu)成電-氣雙向耦合綜合能源系統(tǒng)，將可再生能源過剩發(fā)電量轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行利用或儲(chǔ)存；在解決可再生能源發(fā)電量消納問題，以及進(jìn)一步加大能源優(yōu)化利用空間的同時(shí)，還可通過P2G廠站的碳捕捉作用消耗二氧化碳，提高系統(tǒng)低碳性[2-3]。

當(dāng)前針對(duì)電-氣耦合系統(tǒng)的研究主要集中在協(xié)同規(guī)劃和聯(lián)合運(yùn)行兩個(gè)方面。在聯(lián)合運(yùn)行方面，文獻(xiàn)[4-6]對(duì)電-氣耦合系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，指出降低投資成本、增加運(yùn)行效益是提升P2G經(jīng)濟(jì)可行性的首要途徑；文獻(xiàn)[7-8]在考慮電-氣耦合系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上建立多能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型；針對(duì)電力和天然氣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間尺度不同的問題，文獻(xiàn)[9]通過推導(dǎo)天然氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)潮流方程，得到耦合系統(tǒng)的最優(yōu)潮流模型；文獻(xiàn)[10]計(jì)及天然氣網(wǎng)管網(wǎng)的慢動(dòng)態(tài)特性，分析了氣網(wǎng)管存對(duì)電-氣雙向耦合系統(tǒng)運(yùn)行的影響；文獻(xiàn)[11]構(gòu)建一種考慮P2G的電-氣綜合能源雙層調(diào)度模型，再通過線性化手段進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[12-13]在綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度中引入碳交易機(jī)制，但并未考慮P2G裝置的碳捕捉作用。

在協(xié)同規(guī)劃方面，文獻(xiàn)[14]在天然氣模型中計(jì)及節(jié)點(diǎn)氣壓，采用分段線性化方法對(duì)非線性問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立多階段聯(lián)合規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[15]提出一種電-氣聯(lián)合管網(wǎng)擴(kuò)建規(guī)劃模型，但均只考慮由天然氣網(wǎng)絡(luò)向電力網(wǎng)絡(luò)的單向能量轉(zhuǎn)化；文獻(xiàn)[16]提出一種電-氣耦合系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方法，基于免疫算法得到P2G機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組的最優(yōu)規(guī)劃和出力分配，但并未解決機(jī)組的容量配置問題；文獻(xiàn)[17]通過風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論處理風(fēng)電不確定性帶來的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建了P2G設(shè)備容量配置的雙層規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[18]建立P2G裝置的優(yōu)化配置模型，研究其對(duì)雙向耦合系統(tǒng)中多個(gè)指標(biāo)的影響，但均未考慮P2G廠站投資運(yùn)行費(fèi)用和風(fēng)電消納水平之間存在的矛盾；文獻(xiàn)[19]提出通過P2G和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻的運(yùn)行場(chǎng)景，得到以最大化凈投資收益為目標(biāo)的P2G最優(yōu)容量；文獻(xiàn)[20]提出以可再生能源發(fā)電公司為投資主體的風(fēng)電場(chǎng)和P2G廠站的協(xié)同規(guī)劃選址模型，以此提高P2G廠站的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[21]提出一種考慮階梯型碳交易的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。

總之，當(dāng)前針對(duì)含P2G的電-氣雙向耦合綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行研究較少。一方面，P2G廠站的選址和容量對(duì)于電-氣耦合系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性有著直接的影響，在當(dāng)前電力系統(tǒng)低碳化發(fā)展背景下，建設(shè)含P2G的綜合能源系統(tǒng)具有很大的發(fā)展前景；另一方面，已有的規(guī)劃研究均是耦合系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行規(guī)劃，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，電-氣耦合系統(tǒng)所含發(fā)電機(jī)等設(shè)備與P2G設(shè)備的規(guī)劃和使用周期不同，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)P2G廠站進(jìn)行規(guī)劃，即可以提高新能源的消納水平，又能提升系統(tǒng)的低碳性，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

綜上，本文針對(duì)新能源過剩發(fā)電量的消納問題，根據(jù)已有風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模配置容量匹配的P2G廠站，構(gòu)成雙向耦合的電-氣綜合系統(tǒng)。針對(duì)P2G廠站過剩的風(fēng)電消納水平與投資建設(shè)經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，以年投資運(yùn)行成本及碳排放成本之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，在目標(biāo)函數(shù)中計(jì)及棄風(fēng)成本和購(gòu)氣成本；同時(shí)在當(dāng)前P2G機(jī)組投資運(yùn)行成本較高的情況下，考慮P2G的碳捕捉作用，在目標(biāo)函數(shù)內(nèi)引入綜合能源系統(tǒng)的碳排放成本，從而進(jìn)一步挖掘P2G的投資潛力；對(duì)耦合系統(tǒng)中各部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。以IEEE-9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)組成的電-氣耦合系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，驗(yàn)證了采用本文方法得出的P2G廠站規(guī)劃結(jié)果能保證在最大限度消納過剩風(fēng)電的前提下，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和低碳性。

1 電-氣雙向耦合系統(tǒng)設(shè)備模型

傳統(tǒng)的電-氣耦合系統(tǒng)僅依靠燃?xì)鈾C(jī)組實(shí)現(xiàn)能量的單向耦合，P2G的出現(xiàn)，使電-氣耦合系統(tǒng)由單向耦合轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)的雙向耦合，加深了二者之間的聯(lián)系，提高了不同能源系統(tǒng)間的互動(dòng)。電-氣雙向耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電-氣雙向耦合系統(tǒng)示意圖Fig.1 Electricity-gas bidirectional coupling system

由圖1可知，系統(tǒng)由電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、電-氣耦合系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)等部分組成。在系統(tǒng)中，電能由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量無法被電網(wǎng)完全消納時(shí)，可將多余電能提供給P2G機(jī)組轉(zhuǎn)化為天然氣注入天然氣管道進(jìn)行傳輸和利用；當(dāng)?shù)貐^(qū)電能供給無法由風(fēng)電機(jī)組和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組滿足時(shí)，可通過燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電進(jìn)行彌補(bǔ)。

1.1 電力系統(tǒng)模型

1.2 天然氣系統(tǒng)模型

天然氣系統(tǒng)通常包括氣源、天然氣管道、加壓器、儲(chǔ)氣站及天然氣負(fù)荷等部分。天然氣在傳輸過程中，由于氣體和天然氣管道管壁發(fā)生摩擦，會(huì)造成壓力損失，因此在天然氣管道中通常會(huì)添加壓縮器用以補(bǔ)償，使其在整個(gè)模型中的能量消耗和成本占比較小，同時(shí)加壓器會(huì)引入大量非線性方程，增加求解難度。本文側(cè)重于風(fēng)電場(chǎng)的P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃，建模重點(diǎn)在于天然氣管道內(nèi)的氣體傳輸模型，因此忽略對(duì)加壓器和儲(chǔ)氣罐模型的建模。

1.2.1 天然氣氣源

受設(shè)備容量及氣井氣壓的限制，單位時(shí)間內(nèi)天然氣氣源產(chǎn)出的天然氣上下限為

式中：QWS,t為氣源在t時(shí)刻的出氣量；分別為供氣源的出氣量上、下限。

1.2.2 天然氣管道流量模型

針對(duì)穩(wěn)態(tài)的管道流量建模，本文采用Weymouth方程[23]描述天然氣管道內(nèi)潮流和節(jié)點(diǎn)氣壓的關(guān)系，即

式中：Fuv為管道流量；Cuv為管道常數(shù)，其與溫度、長(zhǎng)度、直徑等有關(guān)；πu、πv分別為管道節(jié)點(diǎn)u、v處壓力；sgn(πu,πv)為符號(hào)函數(shù)，用以表示天然氣管道內(nèi)氣體流向，同時(shí)節(jié)點(diǎn)壓力應(yīng)滿足運(yùn)行約束。

1.2.3 節(jié)點(diǎn)氣體平衡方程

1.3 耦合系統(tǒng)模型

1.3.1 P2G裝置模型

P2G是通過電化學(xué)反應(yīng)將水電解為氧氣和氫氣，氫氣可再與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷，因此P2G廠站還具有碳捕捉作用。電轉(zhuǎn)甲烷技術(shù)過程的化學(xué)反應(yīng)式[23]為

式中，?H為反應(yīng)的焓變。

P2G廠站的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系可表示為

式中，PP2G,t、GP2G,t分別為t時(shí)刻P2G廠站的電能消耗量和產(chǎn)生天然氣流量；αgas為電能和天然氣流量的單位換算系數(shù)；ηP2G為P2G廠站的能量轉(zhuǎn)化效率。

P2G廠站正常工作時(shí)，其電能消耗量也存在一定限制，即

1.3.2 燃?xì)鈾C(jī)組

燃?xì)廨啓C(jī)通過天然氣進(jìn)行發(fā)電，對(duì)于電力系統(tǒng)是能源供給端，對(duì)于天然氣系統(tǒng)是能源消耗端，其電能產(chǎn)出與天然氣消耗量成正比，轉(zhuǎn)化關(guān)系可表示為

式中：Pi,t,gas為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量；ηG2P為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)化效率；GLi,t,gas為燃?xì)廨啓C(jī)消耗氣負(fù)荷。

2 P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 投資總成本

2.1.2 年運(yùn)行成本

2.1.3 碳排放成本

2.2 約束條件

3 P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃模型求解

本文建立的P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃模型是一個(gè)非線性優(yōu)化問題，同時(shí)P2G廠站規(guī)劃問題對(duì)求解算法實(shí)時(shí)性要求不高，采用粒子群優(yōu)化PSO（particle swarm optimization）等智能優(yōu)化算法求解更為高效。PSO通過設(shè)計(jì)一種無質(zhì)量的粒子在空間中搜索最優(yōu)解[25]，每個(gè)粒子僅具有速度Vi和位置Xi2個(gè)變量，在得到每個(gè)粒子的個(gè)體極值（pbest）和整個(gè)粒子群的全局極值（gbset）后，通過位置更新公式來更新每個(gè)粒子的速度和位置，具有搜索速度快，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。PSO算法簡(jiǎn)捷實(shí)用，符合問題求解需求，對(duì)于較大規(guī)模的P2G廠站規(guī)劃問題，只需設(shè)置合理的種群規(guī)模和迭代次數(shù)即可得到所需解。PSO位置更新公式可表示為

式中：ω為慣性因子；c1、c2為學(xué)習(xí)因子；r1、r2為0～1之間的隨機(jī)數(shù)；分別為粒子迭代過程中的速度和位置。本文通過PSO算法求解P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃模型的具體過程如圖2所示，其步驟如下：

圖2 P2G廠站優(yōu)化規(guī)劃模型的求解流程Fig.2 Solving process of optimal planning model of P2G power station

步驟1設(shè)置種群規(guī)模、迭代次數(shù)等迭代基本條件，初始化粒子群，隨機(jī)產(chǎn)生P2G廠站容量；

步驟2用每個(gè)粒子計(jì)算耦合系統(tǒng)中的功率流和氣體流；

步驟3利用式（14）～（21）計(jì)算系統(tǒng)總成本作為粒子的適應(yīng)度值；

步驟4判斷是否滿足約束條件，若滿足則保留粒子適應(yīng)度值，若不滿足則給粒子賦一個(gè)較大的適應(yīng)度值；

步驟5根據(jù)每個(gè)粒子的適應(yīng)度值獲取本次迭代的個(gè)體最優(yōu)值和群體最優(yōu)值，并利用式（30）和（31）對(duì)粒子的位置和速度進(jìn)行更新；

步驟6判斷迭代是否結(jié)束，若未結(jié)束，則繼續(xù)迭代；若結(jié)束，則輸出當(dāng)前P2G廠站容量作為最優(yōu)容量。

4 案例分析

4.1 應(yīng)用場(chǎng)景

本文以IEEE-9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)組成的綜合能源系統(tǒng)為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)通過總線7的燃?xì)廨啓C(jī)和總線6的P2G廠站進(jìn)行雙向耦合，其運(yùn)行參數(shù)可參考文獻(xiàn)[26]，詳見附錄表A1和表A2；典型日電負(fù)荷和氣負(fù)荷曲線如圖4所示，調(diào)度周期為24 h，單位調(diào)度時(shí)間為1 h。設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)容量為250 MW，P2G生產(chǎn)的天然氣能被負(fù)荷完全消耗，管道、機(jī)組投資成本可參考文獻(xiàn)[16]，詳見附錄表A3；傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組碳排放量設(shè)置為1.2 t/（MW·h），燃?xì)鈾C(jī)組設(shè)置為0.798 t/（MW·h），市場(chǎng)碳交易價(jià)格為40$/t，棄風(fēng)成本設(shè)置為1 000$/（MW·h）[27]。

圖3 電-氣耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of electricity-gas coupling system

圖4 耦合系統(tǒng)典型日運(yùn)行情況Fig.4 Typical daily operation of coupling system

4.2 算例分析

本文所建模型的目的是得到P2G廠站的最優(yōu)規(guī)劃，在盡可能消納過剩風(fēng)電的同時(shí)，建設(shè)P2G廠站后的耦合系統(tǒng)年總費(fèi)用最小。算例分析了具有最優(yōu)容量時(shí)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以及不同容量下耦合系統(tǒng)風(fēng)電消納與其經(jīng)濟(jì)性、低碳性的差異。

在CPU為AMD Ryzen 5 2600 Six-Core Proces?sor、主頻為3.4 GHz的環(huán)境下，基于MATLAB平臺(tái)求解，粒子群算法中粒子個(gè)數(shù)設(shè)置為1 000，迭代次數(shù)為5 000，慣性因子設(shè)置為0.8，學(xué)習(xí)因子設(shè)置為2，得到的計(jì)算結(jié)果P2G廠站的容量為94.75 MW。粒子群在設(shè)定條件下的尋優(yōu)過程如附錄圖B1和圖B2所示。

4.2.1 P2G廠站對(duì)風(fēng)電消納的影響

圖4和圖5為建設(shè)94.75 MW的P2G機(jī)組后耦合系統(tǒng)的典型日運(yùn)行情況。

圖5 P2G機(jī)組出力Fig.5 Output form P2G unit

由圖4和圖5可見，一天內(nèi)風(fēng)電出力波動(dòng)較大，其最大出力、最小出力相差近200 MW。P2G廠站在11：00—19：00期間不工作，此時(shí)風(fēng)電發(fā)電量減少，負(fù)荷端用電量增加，風(fēng)電出力全部供給負(fù)荷側(cè)使用，無剩余電能供給P2G廠站。在23：00—8：00期間，風(fēng)力發(fā)電過剩，且過剩量超過了P2G廠站最大容量，此時(shí)P2G廠站以最大功率消納多余風(fēng)電。

建設(shè)94.75 MW的P2G廠站后，耦合系統(tǒng)的風(fēng)電利用率變化如圖6所示。

圖6 風(fēng)電利用率曲線Fig.6 Curve of wind power utilization

由圖6可知，建設(shè)P2G廠站后耦合系統(tǒng)的風(fēng)電利用率大幅提升，全天風(fēng)電利用率達(dá)到70%以上，近半天時(shí)間達(dá)到完全消納；而未加入P2G廠站時(shí)一天中約有8 h風(fēng)能利用率不足40%。由此可見，建設(shè)P2G廠站后可有效提升風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電消納能力，減少棄風(fēng)量。

4.2.2 不同容量P2G廠站對(duì)系統(tǒng)的影響

為了分析驗(yàn)證P2G廠站對(duì)過剩風(fēng)電的消納能力，以及P2G廠站容量變化對(duì)耦合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和低碳性的影響，設(shè)置3種方案進(jìn)行對(duì)比分析。方案1滿足每小時(shí)最小棄風(fēng)量，建設(shè)60 MW的P2G機(jī)組；方案2根據(jù)模型求解的結(jié)果，建設(shè)94.75 MW的P2G機(jī)組；方案3滿足每小時(shí)最大棄風(fēng)量，建設(shè)170 MW的P2G機(jī)組。不同方案機(jī)組運(yùn)行效率如圖7所示。

圖7 不同方案運(yùn)行效率Fig.7 Operation efficiency in different schemes

由圖7可以看出，在24：00—5：00期間，由于過剩風(fēng)電量較大，超過了方案1、2機(jī)組的容量，60 MW和94.75 MW的P2G機(jī)組都在額定功率下滿載運(yùn)行，170 MW機(jī)組也運(yùn)行在較高效率下；在11：00—19：00期間，風(fēng)力發(fā)電量全部供給負(fù)荷端，沒有過剩風(fēng)電供給P2G機(jī)組，此時(shí)P2G機(jī)組停運(yùn)；20：00以后風(fēng)力發(fā)電量回升，P2G廠站重新投入工作。由此可得60 MW機(jī)組在運(yùn)行時(shí)均保持在額定功率下滿載運(yùn)行；94.75 MW機(jī)組全天有10 h處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，且工作時(shí)效率均保持在60%以上；而170 MW機(jī)組工作時(shí)只有一半時(shí)間保持在60%以上。

不同方案系統(tǒng)的過剩風(fēng)電利用率如圖8所示。

圖8 不同場(chǎng)景過剩風(fēng)電利用率Fig.8 Excess wind power utilization in different scenarios

圖8中，60 MW容量的P2G機(jī)組其過剩風(fēng)電利用率約有1/4的時(shí)間在40%以下，超過一半時(shí)間在60%以下；94.75 MW的P2G機(jī)組過剩風(fēng)電利用率在半天時(shí)間內(nèi)均能保持在100%，全天保持在60%以上；而170 MW的機(jī)組能100%消納過剩風(fēng)電。

3種方案的投資運(yùn)行費(fèi)用如表1所示。

表1 投資運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比Tab.1 Comparison of investment and operation costs

由表1可知，為風(fēng)電場(chǎng)配置P2G廠站后會(huì)增加耦合系統(tǒng)的投資成本，但可有效減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時(shí)隨著P2G廠站容量的提升，系統(tǒng)的碳排放成本減少，低碳性也逐步增加。這是因?yàn)镻2G機(jī)組能消納過剩風(fēng)電降低棄風(fēng)成本，生成的天然氣可以緩解氣井出力，減少天然氣機(jī)組的購(gòu)氣成本；同時(shí)P2G機(jī)組的碳捕捉作用能降低系統(tǒng)的碳排放量，減少碳排放成本。另一方面P2G機(jī)組和發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的閉環(huán)耦合系統(tǒng)能夠有效加大能源利用空間，優(yōu)化系統(tǒng)出力方式，以此降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

由以上分析可得，3種不同容量的P2G機(jī)組擁有不同的投資運(yùn)行成本和碳排放成本。方案1的P2G機(jī)組投資建設(shè)成本較小，能長(zhǎng)時(shí)間保持在高效率下工作，但全天的過剩風(fēng)電利用率只有52.06%，對(duì)過剩風(fēng)電的消納作用不明顯，棄風(fēng)成本高，生產(chǎn)的天然氣和碳捕捉作用也更少，燃?xì)鈾C(jī)組購(gòu)氣成本和碳排放成本隨之上升，致使總成本較高。對(duì)照方案2和方案3的結(jié)果可得，170 MW機(jī)組雖然擁有更好的過剩風(fēng)電的消納能力和碳捕捉能力，天然氣產(chǎn)量也更高，但工作時(shí)只有一半時(shí)間處于較高工作效率下，且投資運(yùn)行成本很高；94.75 MW機(jī)組所需投資費(fèi)用更少，碳捕捉能力較強(qiáng)，且工作時(shí)大部分時(shí)間都處于較高效率，P2G設(shè)備的利用率越高，單位容量下設(shè)備投資帶來的收益也就越高，同時(shí)對(duì)于廠房規(guī)模和運(yùn)行工作的要求也更易滿足，雖然對(duì)于過剩風(fēng)電利用率和碳捕捉作用未達(dá)到170 MW的P2G機(jī)組水平，但全天的過剩風(fēng)電利用率都在60%以上，且有半天時(shí)間達(dá)到100%，其容量也可以滿足耦合系統(tǒng)內(nèi)能源的優(yōu)化調(diào)度需求。

不同容量的P2G廠站與耦合系統(tǒng)的年總費(fèi)用之間變化曲線如圖9所示。

圖9 年總費(fèi)用變化曲線Fig.9 Changing curve of annual total cost

由圖9可知，容量過小和過大的P2G廠站擁有更大的年總費(fèi)用。小容量P2G機(jī)組雖然擁有更小的投資費(fèi)用，其對(duì)于過剩風(fēng)電的消納作用和碳捕捉作用較小，棄風(fēng)成本和碳排放成本較高，致使總成本較高；在收回投資成本后，大容量的P2G機(jī)組較之具有更強(qiáng)的碳捕捉能力和過剩風(fēng)電消納能力，盈利能力更強(qiáng)，系統(tǒng)低碳性更好，同時(shí)P2G廠站的使用壽命較長(zhǎng)，一般能達(dá)到20 a以上，較小容量的P2G廠站不符合投資理念。當(dāng)P2G廠站容量逐漸增大時(shí)，剩余風(fēng)電消納水平和生產(chǎn)的天然氣也隨之遞增，碳捕捉作用也進(jìn)一步增強(qiáng)，系統(tǒng)低碳性得到提升，單位投資成本也隨之下降。得到的P2G廠站最優(yōu)容量為94.75 MW，說明大容量的機(jī)組并不能帶來最優(yōu)的低碳性和經(jīng)濟(jì)效益，P2G廠站容量越大，投資和運(yùn)行成本隨之增加，碳捕捉帶來的低碳排放收益，以及風(fēng)電消納收益無法彌補(bǔ)系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本。當(dāng)容量超過170 MW時(shí)，由于過剩風(fēng)電總量的限制，P2G機(jī)組的利用率降低，投資運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步增長(zhǎng)。因此針對(duì)已有風(fēng)電場(chǎng)的電能消納問題，僅追求P2G機(jī)組工作效率或風(fēng)電消納水平是無法達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性，需要綜合考慮后將其作為P2G廠站的最優(yōu)配置容量。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)配置一定容量的P2G廠站構(gòu)成電-氣雙向耦合的綜合能源系統(tǒng)來解決風(fēng)電場(chǎng)過剩風(fēng)電的消納問題，在耦合系統(tǒng)的運(yùn)行成本中計(jì)及棄風(fēng)成本和購(gòu)氣成本，同時(shí)在目標(biāo)函數(shù)中引入了系統(tǒng)的碳排放成本。考慮電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)約束，通過粒子群優(yōu)化算法得到年投資運(yùn)行成本與系統(tǒng)碳排放成本之和最小的電-氣雙向耦合系統(tǒng)中P2G廠站容量；在P2G廠站提升過剩風(fēng)電消納能力的基礎(chǔ)上，解決耦合系統(tǒng)較高投資運(yùn)行成本與較好風(fēng)電消納水平之間的矛盾，使建設(shè)P2G廠站后耦合系統(tǒng)在盡可能消納風(fēng)電的同時(shí)擁有較好的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。本文采用粒子群算法作為求解算法，通過設(shè)置足夠大的粒子個(gè)數(shù)和迭代次數(shù)使粒子群算法求得更好的工程優(yōu)化解，符合問題求解需求。在后續(xù)研究工作中，可進(jìn)一步考慮P2G廠站和碳捕捉電廠協(xié)同運(yùn)作帶來的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，挖掘P2G廠站的碳交易模式，同時(shí)計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)源-源向源-源-荷的轉(zhuǎn)變。

附錄A

表A1 電力系統(tǒng)路線參數(shù)Tab.A1 Route parameters of power system p.u.

表A2 天然氣管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)Tab.A2 Node parameters of natural gas pipeline network p.u.

表A3 設(shè)備投建費(fèi)用Tab.A3 Equipment investment and construction cost

附錄B

圖B1 多次迭代收斂過程Fig.B1 Multiple iterative convergence process

圖B2 最好、最差、平均收斂過程Fig.B2 Best，worst and average convergence processes