高 玉，王 琦，陳 嚴(yán)，葉聞杰，劉 剛，印心童

（1.南京師范大學(xué)南瑞電氣與自動(dòng)化學(xué)院,江蘇省南京市 210046；2.江蘇省綜合能源設(shè)備及集成國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,江蘇省南京市 210046；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo),需要推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,促進(jìn)可再生能源接入電網(wǎng)［1］。風(fēng)電具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性,當(dāng)電網(wǎng)調(diào)節(jié)資源有限時(shí)會(huì)產(chǎn)生棄風(fēng)［2］。綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system,IES）能夠協(xié)調(diào)規(guī)劃多種能源,促進(jìn)風(fēng)電消納［3］。同時(shí),IES 有利于提升能源利用效率［4］。氫能無(wú)碳排放、熱值高,其推廣利用可提高運(yùn)行低碳性［5］。目前,中國(guó)東部沿海地區(qū)逐漸出現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)且海上風(fēng)電資源豐富,如何利用含電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas,P2G）工業(yè)園區(qū)IES 消納風(fēng)電并提高能效成為研究熱點(diǎn)［6］。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)多能耦合互補(bǔ)［7］及負(fù)荷側(cè)資源有機(jī)協(xié)調(diào),可促進(jìn)風(fēng)電消納。在供能側(cè),可采用電熱泵和電制冷提升風(fēng)電并網(wǎng)空間。傳統(tǒng)電氣耦合僅采用燃?xì)廨啓C(jī),P2G 實(shí)現(xiàn)了電能向天然氣的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)［8］分析了P2G 運(yùn)行機(jī)理。文獻(xiàn)［9-10］證明了P2G 可以促進(jìn)風(fēng)電消納。文獻(xiàn)［11］采用P2G 提高削峰填谷能力來(lái)減少棄風(fēng)；文獻(xiàn)［12］進(jìn)一步分析P2G 對(duì)天然氣系統(tǒng)的影響。但目前較少研究P2G 能源耦合特性對(duì)用能側(cè)的影響。在用能側(cè),需求響應(yīng)（demand response,DR）可促進(jìn)風(fēng)電消納。DR 已擴(kuò)展到綜合需求響應(yīng)（integrated demand response,IDR）。文獻(xiàn)［13］考慮多類(lèi)型DR 促進(jìn)風(fēng)電消納。文獻(xiàn)［14］考慮電熱IDR 解決棄風(fēng)問(wèn)題。上述文獻(xiàn)大多考慮電熱負(fù)荷,且為橫向時(shí)間轉(zhuǎn)移和用能削減,暫未考慮能源耦合替代并影響用戶(hù)用能的滿(mǎn)意度,而用能形式轉(zhuǎn)換替代對(duì)其影響較小。

在促進(jìn)風(fēng)電消納的同時(shí),能效低問(wèn)題不容忽視,能量梯級(jí)利用是提高能效的有效途徑［15］。文獻(xiàn)［16］實(shí)現(xiàn)了熱能梯級(jí)利用。在IES 中,需要進(jìn)一步分析異質(zhì)能源替代關(guān)系［17-18］。文獻(xiàn)［19］考慮多能量流優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行,節(jié)能效果明顯。隨著氫能的發(fā)展,需研究氫能和不同能源間的耦合替代及梯級(jí)利用［20］。目前,主要研究電制天然氣［11］,其效率低于電制氫氣,且暫未考慮氫與電熱間的耦合替代。天然氣管道摻氫具有一定可行性［21］,除將氫氣供應(yīng)氫燃料電池外,也可考慮供應(yīng)氫燃料電池汽車(chē)。

綜上,本文從利用IDR 促進(jìn)風(fēng)電消納和實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用提高能效兩方面考慮,提出一種沿海含P2G 工業(yè)園區(qū)IES 優(yōu)化調(diào)度方法。首先,構(gòu)建了含P2G 的IES 架 構(gòu)；其 次,通 過(guò)P2G 挖 掘 氣 負(fù) 荷 的 調(diào)度價(jià)值,提出了計(jì)及多能耦合DR 的電熱氣IDR 模型；然后,挖掘含氫IES 中能量耦合及梯級(jí)利用關(guān)系,推導(dǎo)了含P2G 的各能源耦合設(shè)備梯級(jí)利用轉(zhuǎn)換模型,并結(jié)合氫能實(shí)際使用需求,實(shí)現(xiàn)氫能高品位利用；最后,計(jì)及風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,以日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)構(gòu)建隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型,引入綜合能源利用率及碳排放量作為量化指標(biāo),分析了所提調(diào)度模型對(duì)促進(jìn)可再生能源消納和提高能源利用效率的有效性。

1 含P2G 的區(qū)域IES 架構(gòu)

沿海海上風(fēng)電裝機(jī)容量巨大,夜間高發(fā),但用電負(fù)荷處在低谷,若不能合理調(diào)度風(fēng)電出力將導(dǎo)致大量棄風(fēng),可在沿海含P2G 的工業(yè)園區(qū)引入電熱泵及電制冷設(shè)備。為降低氫氣甲烷化造成的能量損耗,引入氫燃料電池及P2G 余熱回收裝置,改造后的能源耦合設(shè)備具有高能效比,且可促進(jìn)氫能耦合轉(zhuǎn)化,提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,其架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 含P2G 的區(qū)域IES 架構(gòu)Fig.1 Architecture of regional IES with P2G

在圖1 的架構(gòu)中,上級(jí)氣網(wǎng)供應(yīng)天然氣,上級(jí)電網(wǎng)、近海風(fēng)電及燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)電能,蓄電池與電力網(wǎng)進(jìn)行電能交互,燃?xì)廨啓C(jī)與溴冷機(jī)構(gòu)成熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,電解槽及甲烷反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)電力與天然氣耦合。電解槽制取的氫氣一部分經(jīng)甲烷反應(yīng)器生成甲烷注入天然氣系統(tǒng),并對(duì)氫氣甲烷化反應(yīng)熱回收利用供應(yīng)熱負(fù)荷；另一部分存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫罐中,供給氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)。燃?xì)忮仩t燃燒天然氣供熱,尖峰加熱器及吸收式熱泵消耗蒸汽供熱,電熱泵消耗電能供熱,電制冷裝置消耗電能產(chǎn)生冷能,吸收式制冷消耗蒸汽產(chǎn)生冷能。另外,P2G 促進(jìn)風(fēng)電消納,氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)的具體運(yùn)行機(jī)理及相關(guān)設(shè)備建模見(jiàn)附錄A。若結(jié)合用氫實(shí)際需求,采用天然氣管道摻氫并引入氫燃料電池汽車(chē),系統(tǒng)架構(gòu)如附錄B 圖B1所示。

2 電熱氣IDR 模型

IDR 不僅指將電力DR 擴(kuò)展到電、熱等多種能源形式,還指從用戶(hù)能源需求角度深入分析不同能源之間的多能耦合DR。多能耦合DR 是指采用電價(jià)DR 后,用電設(shè)備相關(guān)聯(lián)的用能需求都會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電價(jià)升高時(shí),電能耦合轉(zhuǎn)換為其他能源的部分減少,綜合能源用戶(hù)使用其他能源補(bǔ)充受到電價(jià)影響的熱冷氣需求缺失部分；當(dāng)電價(jià)降低時(shí),系統(tǒng)更多電能耦合轉(zhuǎn)換為其他能源。

2.1 電負(fù)荷DR 建模

電力DR 中價(jià)格型DR 可通過(guò)電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)用戶(hù)調(diào)節(jié)用電方式,優(yōu)化負(fù)荷曲線［22］。風(fēng)電出力與用電負(fù)荷峰谷特性不匹配,造成棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。為此,本文在用能側(cè)采用電價(jià)DR 引導(dǎo)用電負(fù)荷追隨風(fēng)電出力變化,提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力,其模型為:

式中:εij為需求價(jià)格彈性系數(shù),i,j=1,2,…,24；Pi和ΔPi分別為i時(shí)段電量和其變化量；pj和Δpj分別為j時(shí)段電價(jià)和其變化量；E為需求彈性矩陣；εff、εpp和εgg分別為峰、平、谷時(shí)段的自彈性系數(shù)；εfp和εpf分別為峰-平、平-峰時(shí)段的互彈性系數(shù)；εfg和εgf分別為峰-谷、谷-峰時(shí)段的互彈性系數(shù)；εpg和εgp分別為平-谷、谷-平時(shí)段的互彈性系數(shù)；Pf,0、Pp,0和Pg,0分別為電 價(jià)DR 前 峰、平、谷 時(shí) 段 的 用 電 負(fù) 荷；Pf,1、Pp,1和Pg,1分別為電價(jià)DR 后峰、平、谷時(shí)段用電負(fù)荷；pf,0、pp,0和pg,0分別為響應(yīng)前峰、平、谷時(shí)段電價(jià)；Δpf、Δpp和Δpg分別為響應(yīng)后峰、平、谷時(shí)段電價(jià)變化量。

為了提高風(fēng)電與用電負(fù)荷的匹配程度,目標(biāo)函數(shù)采用每一時(shí)段電價(jià)DR 后用電負(fù)荷與風(fēng)電出力差值在一天時(shí)間內(nèi)平方和最小,表達(dá)式為:

式中:T為調(diào)度周期；P1(t)為t時(shí)段電價(jià)DR 后用電負(fù)荷；PW(t)為t時(shí)段風(fēng)電出力。

電價(jià)DR 模型中,需要對(duì)負(fù)荷總量、負(fù)荷轉(zhuǎn)移量、峰谷電價(jià)、用戶(hù)的用電滿(mǎn)意度和消費(fèi)支出滿(mǎn)意度進(jìn)行約束,具體約束如附錄B 式（B1）至式（B2）所示。

2.2 熱負(fù)荷DR 建模

熱負(fù)荷包括供暖負(fù)荷、蒸汽負(fù)荷及熱水負(fù)荷,本文設(shè)定對(duì)熱負(fù)荷中的供暖負(fù)荷進(jìn)行DR。在保證舒適度的前提下,室內(nèi)溫度可在一定區(qū)間內(nèi)波動(dòng)［23］。在負(fù)荷高峰時(shí)期,可以降低室內(nèi)溫度以減少供暖負(fù)荷,進(jìn)而減少燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”的發(fā)電功率,提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力；在負(fù)荷低谷時(shí)期,可以適當(dāng)提升室內(nèi)溫度起到蓄熱作用,優(yōu)化供暖負(fù)荷曲線可提升整個(gè)IES 經(jīng)濟(jì)性?；诮ㄖ锏臒崧纺Ｐ?用戶(hù)的室內(nèi)溫度模型為:

式中:Tn(t)和Tw(t)分別為t時(shí)段建筑物室內(nèi)和室外溫度；R為建筑物等效熱阻；Ph(t)為t時(shí)段建筑物注入熱功率；Cair為建筑物室內(nèi)空氣熱容；Δt為單位調(diào)度時(shí)間。

供暖負(fù)荷模型可表示為:

式中:N為供暖用戶(hù)數(shù)量。

根據(jù)人體舒適度的溫度范圍,室內(nèi)溫度需滿(mǎn)足的約束為:

式中:Tmax、Tmin分別為滿(mǎn)足人體舒適度要求溫度的上、下限。

2.3 電熱氣多能耦合DR 建模

基于熱值等效原理及能量守恒定律,對(duì)能源耦合轉(zhuǎn)換負(fù)荷建模為:

式中:ΔPechange,1、ΔPechange,2、ΔPechange,3和ΔPechange,4分別為電氣、氣電、電熱及電冷轉(zhuǎn)換引起的電負(fù)荷改變量；ΔPgchange,1、ΔPgchange,2分別為電氣、氣電轉(zhuǎn)換引起的氣負(fù)荷改變量；ΔPhchange、ΔPcchange分別為電熱轉(zhuǎn)換引起的熱負(fù)荷改變量及電冷轉(zhuǎn)換引起的冷負(fù)荷改變量；ηeg、ηge、ηeh、ηec分別為電氣、氣電、電熱及電冷轉(zhuǎn)換系數(shù)；ΔPmaxechange、ΔPminechange分別為考慮能源轉(zhuǎn)換后電負(fù)荷改變量上、下限。

在負(fù)荷側(cè),通過(guò)能源耦合設(shè)備轉(zhuǎn)換終端用能方式選擇不同的能源形式滿(mǎn)足終端等質(zhì)的能源需求,用戶(hù)的舒適度不會(huì)發(fā)生變化,IES 運(yùn)營(yíng)商不會(huì)產(chǎn)生額外的激勵(lì)補(bǔ)償成本。通過(guò)能源耦合設(shè)備將夜間風(fēng)電或谷-平時(shí)段的電能轉(zhuǎn)化為熱、冷、氣等多種能源形式,可以促進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)電消納,減少I(mǎi)ES 從上級(jí)氣網(wǎng)的購(gòu)氣量,提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。本文主要考慮電熱、電冷、電氣用能轉(zhuǎn)換。能量樞紐（energy hub,EH）是一種描述IES 中不同形式能源之間供應(yīng)、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和傳輸?shù)锐詈详P(guān)系的廣義抽象模型?；趫D1 所示的IES 架構(gòu),構(gòu)建EH 模型如附錄B 式（B3）所示。

3 考慮能量梯級(jí)利用的IES

基于圖1 所示的IES 架構(gòu),其能量流結(jié)構(gòu)如附錄B 圖B2 所示。

3.1 能量梯級(jí)轉(zhuǎn)換模型

通過(guò)能量耦合設(shè)備可實(shí)現(xiàn)不同品位能量間的耦合轉(zhuǎn)化,在高品位能量的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)較低品位熱能向較高品位熱能的轉(zhuǎn)化［18］。基于能量守恒定理與熱能比焓定義,可分析不同品位能量及熱能間的多能耦合關(guān)系,在原有數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行改寫(xiě)構(gòu)建梯級(jí)利用轉(zhuǎn)換模型。

電熱泵中,電熱及熱能間的多能耦合關(guān)系如附錄B 式（B4）所示,梯級(jí)利用轉(zhuǎn)換模型如式（9）所示。

式中:RHP為電熱泵基于比例系數(shù)；HHP,L(t) 和HHP,out(t)分別為t時(shí)段電熱泵輸入低溫?zé)崴疅崮芎洼敵鲋袦責(zé)崴疅崮?；PHP,in(t)為t時(shí)段電熱泵輸入的電能；CHP為電熱泵能效比系數(shù)；hbase、hHP,L和hHP,M分別為常溫水、低溫?zé)崴椭袦責(zé)崴谋褥省?/p>

基于電熱泵梯級(jí)利用轉(zhuǎn)換模型的推導(dǎo)過(guò)程,可對(duì)尖峰加熱器及吸收式熱泵數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改寫(xiě),如附錄B 式（B5）和式（B6）所示。

3.2 P2G 梯級(jí)利用模型

P2G 氫氣甲烷化反應(yīng)中會(huì)放熱,其具體反應(yīng)過(guò)程如附錄B 式（B7）和式（B8）所示。為避免造成資源浪費(fèi),本文考慮將反應(yīng)熱回收利用供應(yīng)供暖負(fù)荷以提高能源利用效率。單位時(shí)間內(nèi)氫氣甲烷化反應(yīng)放熱量計(jì)算公式［24］為:

式中:PEC,in(t)和PEC(t)分別為t時(shí)段電解槽輸入側(cè)電功率和輸出側(cè)氫氣功率；ηEC為電解槽轉(zhuǎn)化效率；PhP2G(t)為t時(shí)段P2G 余熱回收 功率；ηhP2G為P2G 余熱回收效率。

3.3 氫能高品位利用

天然氣管道摻氫時(shí)需要考慮如附錄A 式（A1）所示的電解槽制氫環(huán)節(jié)相關(guān)約束以及天然氣管網(wǎng)約束,且向管道中注入的氫氣量不能超過(guò)管道中允許的最大的摻氫量以保障天然氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)摻氫比的適用范圍低于5%,經(jīng)調(diào)整和改造后,對(duì)摻氫比的適用范圍可提高到5%～10%［25］,本文取摻氫比上限為10%進(jìn)行分析,具體約束為:

式中:QH2(t)為t時(shí)段摻入天然氣管道中的氫氣體積流量；Qg(t)為t時(shí)段系統(tǒng)需求的天然氣體積流量；Qgbuy(t)為t時(shí)段系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)天然氣體積流量；φ為天然氣管道摻氫比系數(shù)。

氫燃料電池汽車(chē)?yán)密?chē)載燃料電池裝置將氫燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē),其能量剩余情況可定義為荷氫狀態(tài)來(lái)表示,具體模型為:

式中:SHV(t)為t時(shí)段氫燃料電池汽車(chē)荷氫狀態(tài)；BHV為氫燃料電池的額定容量；PHVs(t)和PHVr(t)分別為t時(shí)段氫燃料電池汽車(chē)充、放氫功率；ηHVs和ηHVr分別為氫燃料電池汽車(chē)充、放氫效率；X和Y為t時(shí)段0-1 變量,X=1 時(shí),氫燃料電池汽車(chē)充氫,Y=1時(shí),氫燃料電池汽車(chē)耗氫。

氫燃料電池汽車(chē)需滿(mǎn)足充放電功率及荷氫狀態(tài)約束,具體約束如附錄B 式（B9）所示。

4 IES 隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型

為解決風(fēng)電具有較強(qiáng)的不確定性導(dǎo)致難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的問(wèn)題,基于機(jī)會(huì)約束目標(biāo)規(guī)劃理論構(gòu)建IES隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文取調(diào)度周期為1 天,等分為24 個(gè)時(shí)段,以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立調(diào)度模型,運(yùn)行成本包括購(gòu)能成本CGN、運(yùn)維成本CYW、環(huán)境成本CHJ、風(fēng)險(xiǎn)成本CFX、備用成本CBY及向氫燃料電池汽車(chē)售氫收益CSQ,目標(biāo)函數(shù)F如式（14）所示,各項(xiàng)成本具體計(jì)算公式如附錄B 式（B10）所示。

4.2 約束條件

1）備用容量機(jī)會(huì)約束

在IES 隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型中,電功率平衡的確定性約束條件被備用容量機(jī)會(huì)約束條件替代,表達(dá)式為:

式中:Pr(?)為概率運(yùn)算函數(shù)；Pebuy(t)為t時(shí)段的購(gòu)電功率；P2(t) 為t時(shí)段考慮IDR 后的電負(fù)荷；PRE,in(t)為t時(shí)段電制冷耗電功率；PGT(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)輸出電功率；PeHFC(t)為t時(shí)段氫燃料電池輸出電功率；PESs(t)和PESr(t)分別為t時(shí)段蓄電池充、放電功率；dload(t)和dwind(t)分別為t時(shí)段失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)和棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)；Presu(t)和Presd(t)分別為系統(tǒng)正備用和負(fù)備用容量；β為備用容量機(jī)會(huì)約束置信水平；eW(t)為t時(shí)段風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差函數(shù),采用正態(tài)分布擬合［26］。

式（15）中,隨機(jī)變量為風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,在給定置信水平時(shí),將機(jī)會(huì)約束由不確定形式轉(zhuǎn)化為確定性約束如式（16）所示。其依據(jù)定理如附錄B 式（B11）和式（B12）所示。

式中:?(?)為概率分布函數(shù)。

2）多能耦合關(guān)系約束

在采用P2G 技術(shù)將甲烷注入天然氣系統(tǒng)時(shí),電解槽、甲烷反應(yīng)器及儲(chǔ)氫罐部分多能耦合關(guān)系約束為:

式中:PMR,in(t)為t時(shí)段甲烷反應(yīng)器輸入側(cè)氫氣功率；PH2,in(t)和PH2,out(t)分別為t時(shí)段儲(chǔ)氫罐充、放氣功率；PHFC,in(t)為t時(shí)段氫燃料電池輸入氫氣功率。

將電制氫氣摻入天然氣管道并采用氫燃料電池汽車(chē)替代儲(chǔ)氫罐及氫燃料電池時(shí),多能耦合關(guān)系約束為:

式中:LH2為氫氣的低熱值。

除上述約束外,系統(tǒng)還需滿(mǎn)足功率平衡約束、設(shè)備運(yùn)行、購(gòu)電購(gòu)氣及儲(chǔ)能設(shè)備約束,如附錄B 式（B13）至式（B16）所示。

4.3 IES 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為全面分析能量利用過(guò)程中不同能量傳遞、轉(zhuǎn)變、品位降低的情況,本文通過(guò)引入能質(zhì)系數(shù)對(duì)能源利用方式中的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)［27］,得到系統(tǒng)綜合能源利用率ηECC為:

式中:Pout(t)和Pin(t)分別為t時(shí)段總的輸出功率和輸 入 功 率；λe、λs、λh、λc、λW、λg和λH分 別 為 電 能、蒸汽、熱水、冷能、風(fēng)能、天然氣和氫能的能質(zhì)系數(shù),其中,熱水包含高溫?zé)崴椭袦責(zé)崴?；Pe,al(t)、Ps,al(t)、Ph,al(t)、Pc,al(t)和PH,al(t)分別為t時(shí)段總的電負(fù)荷、蒸汽負(fù)荷、熱水負(fù)荷、冷負(fù)荷和氫燃料電池汽車(chē)構(gòu)成的氫負(fù)荷；Lg為天然氣的低熱值。

雙碳目標(biāo)下,需構(gòu)建清潔低碳的能源體系,為此引入碳排放量指標(biāo)。本文計(jì)及從主電網(wǎng)購(gòu)電以及燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的碳排放量、天然氣管道摻氫和氫氣甲烷化的減碳效益。根據(jù)附錄B 式（B17）和式（B18）可得到氫氣甲烷化消耗的二氧化碳質(zhì)量,最終得到IES 碳排放量如式（20）所示。

式中:ECE為系統(tǒng)的碳排放量；ηcee和ηceg分別為主電網(wǎng)和燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放系數(shù)；QGT(t)為t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)需求的天然氣體積流量；ηGT為燃?xì)廨啓C(jī)氣電轉(zhuǎn)換效率；MCO2(t)為P2G 設(shè)備吸收的二氧化碳質(zhì)量；a1、a2為 參 數(shù),0 ≤a1+a2≤1,a1=1 時(shí),甲 烷 反 應(yīng)器生成甲烷注入天然氣管道,a2=1 時(shí),電制氫氣注入天然氣管道。

5 算例分析

本文以中國(guó)江蘇省沿海某工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象進(jìn)行分析,各機(jī)組及儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)如附錄C 表C1 和表C2 所示。主要污染物排放及處理費(fèi)用［7］以及與主網(wǎng)間購(gòu)能價(jià)格如表C3 和表C4 所示。各能源能質(zhì)系數(shù)［27-29］如表C5 所示。系統(tǒng)負(fù)荷與可再生能源出力預(yù)測(cè)結(jié)果如圖C1 所示。系統(tǒng)其他相關(guān)參數(shù)見(jiàn)附錄D。

為驗(yàn)證所提調(diào)度方法的有效性,設(shè)置6 種調(diào)度方案。方案1 為傳統(tǒng)三聯(lián)供供能結(jié)構(gòu)；方案2 為考慮電熱IDR；方案3 為考慮計(jì)及電熱氣多能耦合DR的IDR；方案4 為進(jìn)一步采用電熱耦合梯級(jí)利用供能結(jié)構(gòu)；方案5 為在方案4 基礎(chǔ)上采用氫燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)并計(jì)及P2G 余熱回收；方案6 為電制氫氣摻入天然氣管道并引入氫燃料電池汽車(chē)。

5.1 IDR 促進(jìn)風(fēng)電消納調(diào)度結(jié)果分析

方案1 的調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C2 所示。由圖C2 可知,棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)較大,調(diào)度成本較高。在隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型中,機(jī)組出力的優(yōu)化結(jié)果加上正、負(fù)備用容量后,以一定的置信度滿(mǎn)足機(jī)會(huì)約束條件。圖C2中的總輸出電功率與總電力負(fù)荷之間的功率差額由系統(tǒng)預(yù)留的正、負(fù)備用功率進(jìn)行平衡,保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

方案2 中,系統(tǒng)內(nèi)部售電電價(jià)優(yōu)化為峰谷分時(shí)電價(jià),電功率調(diào)度、電負(fù)荷轉(zhuǎn)移及供暖調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C3 至圖C5 所示。在夜間風(fēng)電高發(fā)時(shí)段,電價(jià)處在低谷,增加用電負(fù)荷,并降低此時(shí)段供暖負(fù)荷以減少熱電聯(lián)供的發(fā)電功率,促進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)電消納。07:00—16:00 為 平 電 價(jià) 時(shí) 段,在07:00—12:00 時(shí)段,電負(fù)荷較小,降低室內(nèi)溫度為系統(tǒng)供電不足時(shí)提升用熱空間；在13:00—16:00 時(shí)段,電負(fù)荷較大,提高室內(nèi)溫度以增加燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率,降低系統(tǒng)購(gòu)電成本。在風(fēng)電低發(fā)時(shí)段,峰時(shí)電價(jià)引導(dǎo)負(fù)荷轉(zhuǎn)移,降低系統(tǒng)用電高峰時(shí)段的供電壓力,并且提高室內(nèi)溫度以增加燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率,減少系統(tǒng)購(gòu)電。此時(shí),用戶(hù)的用電滿(mǎn)意度和消費(fèi)支出滿(mǎn)意度分別為0.944 8 和0.966 3,滿(mǎn)足電價(jià)DR 滿(mǎn)意度下限約束。

方案3 的調(diào)度結(jié)果如圖2 所示。在23:00—24:00 和01:00—06:00 時(shí)段,風(fēng)電高發(fā),能源耦合設(shè)備包括電熱泵、電制冷及P2G 設(shè)備將夜間風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能、冷能及天然氣,促進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)電消納,將轉(zhuǎn)化的天然氣供給燃?xì)廨啓C(jī),降低了系統(tǒng)向上級(jí)氣網(wǎng)的購(gòu)氣量。在07:00—11:00 時(shí)段,系統(tǒng)仍存在棄風(fēng)時(shí),調(diào)用能源耦合設(shè)備消納系統(tǒng)多余的風(fēng)電。能源耦合轉(zhuǎn)換對(duì)用戶(hù)用能滿(mǎn)意度影響較小,用戶(hù)傾向于選擇能源耦合轉(zhuǎn)換參與IDR。

圖2 方案3 電功率調(diào)度結(jié)果Fig.2 Dispatch results of electric power in scheme 3

5.2 能量梯級(jí)利用調(diào)度結(jié)果分析

方案4 的調(diào)度結(jié)果如附錄C 圖C6 所示。相較于圖C7 所示的方案2 冷熱功率調(diào)度結(jié)果,方案4 考慮尖峰加熱器及吸收式熱泵能量梯級(jí)利用模型后,實(shí)現(xiàn)了在高品位熱能驅(qū)動(dòng)下不同品位熱能間的耦合轉(zhuǎn)換,提高了能源轉(zhuǎn)換設(shè)備能效比,減少了各時(shí)段的蒸汽需求。尖峰加熱器根據(jù)高溫?zé)崴墓┠苄枨笳{(diào)節(jié)供熱量,通過(guò)提高能效比,降低了消耗的蒸汽量。在23:00—24:00 和01:00—09:00 時(shí)段,增加了電熱泵供應(yīng)中溫?zé)崴?考慮電熱泵及吸收式熱泵能量梯級(jí)利用模型提高了能效比,考慮尖峰加熱器能量梯級(jí)利用增加了中溫?zé)崴?fù)荷。冷水調(diào)度結(jié)果中增加電制冷供能,實(shí)現(xiàn)了高效的電冷耦合轉(zhuǎn)換。

5.3 P2G 相關(guān)設(shè)備運(yùn)行分析

方案5 的P2G 相關(guān)設(shè)備出力如圖3 所示。電功率及供暖調(diào)度結(jié)果分別如附錄C 圖C8 和圖C9 所示。由圖3、圖C9 可知,P2G 出力處于風(fēng)電高發(fā)及電價(jià)谷平時(shí)段,在01:00—05:00 時(shí)段,熱負(fù)荷較高；在18:00—19:00 時(shí)段,電負(fù)荷較高。氫燃料電池利用部分氫氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn),降低了將電轉(zhuǎn)氫氣再轉(zhuǎn)天然氣的多級(jí)轉(zhuǎn)化造成的能量損耗。在23:00—24:00 和07:00—09:00 時(shí)段,將氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣供給燃?xì)廨啓C(jī),并對(duì)反應(yīng)余熱進(jìn)行回收供應(yīng)供暖負(fù)荷以提高能效,氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)及P2G余熱回收供應(yīng)供暖負(fù)荷解耦了熱電聯(lián)供機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行約束,增加了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

圖3 方案5 的P2G 相關(guān)設(shè)備出力Fig.3 Output of related P2G equipment in scheme 5

方案6 的P2G 相關(guān)設(shè)備出力如圖4 所示。由圖4 可知,P2G 出力主要處于風(fēng)電高發(fā)及電價(jià)谷-平時(shí)段,并將電制氫大部分注入天然氣系統(tǒng)。氫燃料電池汽車(chē)在01:00—05:00 時(shí)段充能,消耗風(fēng)電轉(zhuǎn)化的部分氫氣；在21:00—22:00 時(shí)段耗能,該用戶(hù)可根據(jù)出行習(xí)慣,合理安排充能時(shí)間。

圖4 方案6 P2G 相關(guān)設(shè)備出力Fig.4 Output of related P2G equipment in scheme 6

5.4 調(diào)度成本及效益評(píng)估

6 種方案的調(diào)度成本如表1 所示。由表1 可知,隨著調(diào)度方案的改進(jìn),除備用成本外,各運(yùn)行成本均有大幅降低。方案5 由于部分氫氣不再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化注入天然氣系統(tǒng),購(gòu)氣成本較方案4 有小幅上升,氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)擠占了部分風(fēng)電消納空間,系統(tǒng)棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)較方案4 升高了5.81%,但減少了系統(tǒng)購(gòu)電量,降低了系統(tǒng)環(huán)境成本。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加,方案5 中P2G 配置容量增大,可完全消除系統(tǒng)棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)一步降低環(huán)境成本。方案6 的經(jīng)濟(jì)性提高最為顯著,總成本降低了13.39%。從總體來(lái)看,所提調(diào)度方案具有良好的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益。

表1 各方案調(diào)度成本Table 1 Dispatch cost of different schemes

6 種方案的效益評(píng)估如表2 所示。方案5 較方案1 的能效提升了7.80%,有效提升了系統(tǒng)能效。方案5 較方案1 的碳排放量減少了19.54%,但較方案4 的碳排放量增加了1.95%,這是由于部分氫氣直接經(jīng)氫燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn),減少了二氧化碳的消耗量。方案6 相較于方案5,將氫氣摻入天然氣管道,減少了氫氣甲烷化造成的能量損耗,并將部分氫能供給氫燃料電池汽車(chē)使用,相較于氫燃料電池電氫電的能量轉(zhuǎn)化效率更高,系統(tǒng)能效提高了0.78%,天然氣管道摻氫減少了燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放量,系統(tǒng)碳排放量減少了0.26%。從總體來(lái)說(shuō),所提調(diào)度方案有效地降低了系統(tǒng)碳排放量。

表2 各方案效益評(píng)估Table 2 Efficiency evaluation of different schemes

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)海上風(fēng)電并網(wǎng)難以消納的問(wèn)題及沿海含P2G 的工業(yè)園區(qū)IES 能效偏低的問(wèn)題,提出了一種考慮IDR 和能量梯級(jí)利用的IES 優(yōu)化調(diào)度方法,通過(guò)算例分析,得到如下結(jié)論:

1）采用計(jì)及多能耦合DR 的電熱氣IDR,充分協(xié)調(diào)了源荷兩側(cè)的可調(diào)度資源,提高了系統(tǒng)的靈活運(yùn)行能力,有效降低了系統(tǒng)的棄風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。

2）構(gòu)建各能源耦合設(shè)備梯級(jí)利用供能結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)氫能高品位利用,充分發(fā)揮了不同能量間的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),提高了系統(tǒng)綜合能效,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）進(jìn)行天然氣管道摻氫并引入氫燃料電池汽車(chē),增加了系統(tǒng)售氫收益,降低了系統(tǒng)碳排放量,提高了系統(tǒng)的能源利用效率,但受限于天然氣管道摻氫比上限約束,隨著天然氣管道摻氫技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)效益會(huì)愈加明顯。

4）建立IES 隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型,考慮了風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差,系統(tǒng)預(yù)留了一定的備用容量,有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

在后續(xù)的研究中,將根據(jù)各能流網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間特性與不同能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的響應(yīng)速度,研究不同優(yōu)化周期對(duì)IES 運(yùn)行調(diào)度的影響。

本文研究得到智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SGNR0000KJJS2200296)的資助，特此感謝！

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。