PDF《计及电转气运行成本的综合能源系统多目标日前优化调度》

计及电转气运行成本的综合能源系统多目标日前优化调度 董帅1 ,王成福1 ,梁军1 ,董晓明1 ,梁正堂2 ,李华东2 ( 1.

电网智能化调度与控制教育部重点实验室( 山东大学) ,山东省济南市

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0 0

6 1;

2. 国网山东省电力公司电力科学研究院,山东省济南市

2 5

0 0

0 2 ) 摘要:电转气技术为弃风消纳提供了新的途径, 将是未来综合能源系统的重要支撑技术之一.在 考虑电转气运行成本的基础上, 分析其对综合能源系统风电接纳能力与运行经济性的影响, 并针对 其较高的运行成本与较好的弃风消纳效果间的矛盾问题, 提出一种多目标日前优化调度模型.首先, 建立电转气及其运行成本模型, 并给出含电转气的能源集线器模型.继而, 针对电转气运行成 本较高时系统在运行经济性与风电接纳能力间存在的矛盾关系, 通过多目标加权模糊规划方法进 行协调.最后, 以9节点能源集线器系统为例对所提模型进行仿真计算, 通过结果分析证明了综合 能源系统中计及电转气运行成本的必要性, 以及兼顾考虑经济性与风电接纳能力的可行性. 关键词:综合能源系统;

电转气;

运行成本;

能源集线器;

多目标加权模糊规划;

日前调度 收稿日期:

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1 7 -

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2 1;

修回日期:

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1 7. 上网日期:

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1 9. 国家自然科学基金资助项目(

5 1

6 0

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0 7 ) ;

山东省中青年科学 家科研奖励基金资助项目( B S

2 0

1 5 N J

0 0 5) ;

国家电网公司科 技项目( S G S D D K

0 0 K J J S

1 6

0 0

0 6

1 ) .

0 引言 当前, 中国弃风消纳问题极为严峻, 据统计,

2 0

1 6年全年弃风电量4 9. 7TW・h, 平均弃风率达 到1 7. 1%, 其中甘肃省弃风率更是高达4 3% [

1 ] .与 此同时, 能源互联网的提出为可再生能源消纳提供 了新的解决途径[

2 -

3 ] , 而作为其重要物理载体的综合 能源系统的优化调度运行则是实现弃风消纳的关键 所在[

4 - 7] . 作为综合能源系统的核心环节, 电转气( p o w e r t og a s , P

2 G) 技术可将低谷时段难以消纳的风电转 化为易于大规模存储的天然 气, 实现电力―天然气 网络的深度耦合, 从而改善系统运行灵活性, 并提高 其风电接纳能力.因此, P

2 G 技术及其优化运行方 法成为当前综合能源系统研究的焦点问题[

8 -

1 4 ] .文献[

8 -

9 ] 建立了电气互联系统的不确定性模型, 并分 析了 P

2 G 对系统运行灵活性的提高作用;

文献[

1 0] 提出了一种通过 P

2 G 和燃气轮机协调进行削峰填 谷的模型, 兼顾了系统的经济性目标与削峰填谷目 标;

文献[

1 1 ] 采用能源中心建模方法, 建立了综合能 源系统优化调度模型, 并分析了系统消纳风电的经 济效益.上述研究均证明了 P

2 G 对系统运行灵活 性及风电接纳能力的有益帮助. 然而, 虽然 P

2 G 具有良好的弃风消纳效果, 但 在当前及可预见的未来, 其运行成本恐将难以得到 大幅度降低.当前, 国内外针对 P

2 G 运行成本的探 讨主要 集中在P2G容量配置与经济性评估方面[

1 5 -

2 3] .文献[

1 5] 详细介绍了 P

2 G 各环节的关键 技术, 并对其成本进行了系统分析;

文献[

1 6 -

1 7] 评 估了 P

2 G 通过购买电能与出售天然气参与能源市 场的经济可行性;

文献[

1 8] 采用成本―收益分析法 确定了 P

2 G 的最优容量配置;

文献[

1 9 -

2 0] 研究了 P

2 G 应用在不同场景下的成本特征与运营经济性. 上述研究表明: 一方面, 由于 P

2 G 运行成本较为昂 贵, 在应用中必须合理计及该成本;

另一方面, 除用 电成本 外, P

2 G 原料成本也将影响其经济性.因此, 有必要综合考虑其运行成本对系统调度的影响. 目前, 在现有含 P

2 G 的综合能源系统优化调度 研究中, 计及 P

2 G 运行成本对综合能源系统调度运 行影响的研究尚不多见.实际上, 当P2G运行成本 较高时, 会在一定程度上影响系统的风电接纳能力 与运行经济性, 使二者之间产生一定的矛盾关 系. 进而, 如何协调二者间的关系, 使得系统在具有较高 风电接纳能力的同时, 仍能保证运行经济性, 是含 P

2 G 的综合能源系统面临的关键问题. 针对上述问题, 本文提出一种考虑 P

2 G 运行成 本对系统风电接纳能力与运行经济性影响的综合能 源系统日前调度方法.首先, 在建立 P

2 G 运行成本 及能源集线器模型的基础上, 分析 P

2 G 运行成本对 系统经济性与风电接纳能力的影响, 并据此建立多

8 第4 2卷第1 1期2018年6月1 0日Vol.42N o .

1 1J u n e1 0,

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1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

2 0

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0 7

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3 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 目标日前优化调度模型.然后, 通过加权模糊规划 方法协调矛盾关系, 实现由多目标到单目标的转化. 最后, 以9节点能源集线器系统为例进行仿真, 结果 分析说明了 P

2 G 运行成本对系统运行的影响, 验证 了所提模型的正确性.

1 含P2G的能源集线器模型 1.

1 P

2 G 技术及其运行成本 P

2 G 技术分为电解和甲烷化两个过程, 当前整 个化学反应流程的效率可达6 0%~7 0% [

1 1] , 技术原 理如附录 A 图A1所示. P

2 G 运行成本包括固定运行成本与 可变运行 成本, 前者包含设备维护费、 劳动力成本等;

后者则 指生成单位天然气所需的成本, 其直接影响日前优 化调度.因此, 下文所述 P

2 G 运行成本均指其可变 运行成本, 其主要包含用电成本与原料成本[

2 0 ] .其中, 用电成本与耗电量呈正比;

原料成本主要为二氧 化碳( C O 2) 成本, 因其来源不同( 如碳捕捉技术、 沼 气等) 而差别较大, 取值在10~10

0 0 美元/ t之间[

2 0,

2 2 ] . 综上, P

2 G 运行成本可表示为: CP

2 G =CE PP

2 G Δ t+ α CM PN G Δ t (

1 ) 式中: CP

2 G 为P2G运行成本;

Δ t 为P2G设备的运行 时间;

CE , α, CM 分别为 P

2 G 用电电价、 生成单位天 然气所需 C O

2 系数、 C O

2 价格系数;

PP

2 G 和PN G 分 别为 P

2 G 消耗的电功率与生成的天然气功率, 二者 关系如式(

2 ) 所示. PN G = η e g PP

2 G (

2 ) 式中: η e g 为P2G效率. 可见, 随用电电价、 C O

2 来源不同, P

2 G 运行成 本有不同取值.因此, 当P2G运行成本较高时, 有 必要考虑其对系统调度运行的影响. 1.

2 含P2G的能源集线器 综合多种能源的能源集线器可为 P

2 G 技术提 供更广阔的运行灵活性.本文构建了如图1所示的 含P2G的能源集线器模型: 输入端的电能、 天然气 通过 P

2 G 设备、 热电联产( CH P) 机组、 燃气锅炉、 储 气设备等实现能量转换与存储, 输出电能、 热能供应 负荷需求.需要说明的是, 电力网络和天然气网络 一般是在大范围内联网, 而热力网络由于受制于就 近供需特点和传输延时特性, 一般仅在局部小范围 内传输.因此, 在本文所构造的模型中, 假定热能仅 在能源集线器内部传输, 即不考虑热力联网. 图1 含P2G的能源集线器 F i g .

1 E n e r g yh u b i n c l u d i n gaP

2 Gd e v i c e 如图1 所示, 当风电消纳困难时, 可通过 P

2 G 将过剩风电转化为天然气, 供CH P机组、 燃气锅炉 使用或进行储存, 从而提高风电消纳能力与系统运 行灵活性. 含P2G的能源集线器的数学表达式如下: Lm, t Hm, t é ? ê ê ù ? ú ú = 1- v1+ v2 ηCH P, e v1 η e g v2 ηC H P, e v1 η e g ( v2 ηC H P, h+( 1- v2) ηg h ) v2 ηC H P, h+( 1- v2) ηg h é ? ê ê ù ? ú ú Ee m, t Gg a s m, t é ? ê ê ù ? ú ú - v2 ηCH P, e v2 ηC H P, h+( 1- v2) ηg h é ? ê ê ù ? ú ú ( Qi n m, t-Qo u t m, t) (

3 ) 式中: 下标 m 表示第m 个能源集线器;

Lm, t 和Hm, t 分别为t时段的电负荷和热负荷;

Ee m, t 和Gg a s m, t 分别 为t时段的输入电功率和天然气流量;

v1 和v2 为调 度系数;

Qi n m, t 和Qo u t m, t 分别为t 时段的储气功率和放 气功率;

ηCH P, e 和ηC H P, h 分别为CH P机组气转电和气 转热的效率;

ηg h 为燃气锅炉气转热的效率.

2 综合能源系统多目标日前调度模型 本文假定综合能源系统由统一的调度机构负责 调度.当P2G运行成本较高时, 会在一定程度上影 响系统的风电接纳能力与运行经济性, 使二者之间 产生一定的矛盾关系.此时, 若以系统经济性最优 为目标进行调度, 则可能会导致 P

2 G 出力较少、 风 电接纳能力较低;

而若以风电接纳能力最大为目标 进行调度, 除较高的 P

2 G 运行成本之外, 系统内各 装置有可能偏离经济运行点, 导致系统经济性变差. 因此, 本文在计及 P

2 G 运行成本的基础上, 建 立多目标优化调度模型, 以期得到兼顾系统运行经 济性与风电接纳能力的优化结果. 2.

1 目标函数 目标1 即综合能源系统的总运行成本Fg 最小, 包括火电成本、 风电成本、 气源出力成本、 储气设 备运行成本以及 P

2 G 原料成本.需要说明的是, 对 于统一调度机构而言, 风电成本即系统支付给风电

9 董帅, 等 计及电转气运行成本的综合能源系统多目标日前优化调度 机组所有者的成本, 而P2G用电成本已包含在火电 成本或风电成本之中.因此, 目标1如下式所示: m i nFg =∑ T t=1 é ? ê ê ∑ Nt u i=1 ( a i( Pt u i, t)

2 +b i Pt u i, t +c i) + ∑ Nw j=1 Cw jPw j, t + ∑ Ns p k=1 Cs p kGs p k, t + ∑ Ng s m=1 Cg s mQo u t m, t + ∑ NP

2 G m=1 α CM PN G m, t ù ? ú ú (

4 ) 式中: N 为系统中各机组和设备的数量;

T 为调度 时段........