DOC《含电转气设备的气电互联综合能源系统多目标优化*》

分析了P2G能够有效地对可再生能源进行消纳;

天然气负荷的变化对电力系统调度安排有较大冲击,进而影响系统的经济性和污染排放.

1 含P2G的气电互联综合能源系统 1.1 P2G技术 P2G技术是指通过电解水将电能转化为氢气,或进一步通过萨巴蒂埃(Sabatier)催化反应将氢气转化为天然气,从而直接利用氢气或者天然气.整个转换过程如图1所示. 图1 P2G过程 Fig.1 The pProcess of P2G 由于氢气不能直接注入天然气系统中,且存储和运输困难,一般选用电转天然气,电转天然气的转化效率为45%~60%.天然气可直接注入天然气系统进行大规模存储和长距离传输,在用电高峰时,通过燃气机转化为电能,缓解用电紧张. 应用P2G技术,要考虑P2G技术的成本.P2G的运行成本包括初始投资、后期设备维护等固定成本和生成单位天然气所需的可变成本.可变成本包括用电成本和原料成本,原料成本主要是指二氧化碳成本.二氧化碳的来源不同(碳捕捉技术、沼气等),所需成本不同,成本在10~1000$/t之间.P2G的可变成本随着其用电量和产气量变化而变化,直接影响日前调度的经济性.本文在计算气电互联系统运行成本时,主要考虑了P2G的可变成本,表示为式(1): (1) 式中 、、分别为第a台P2G的用电价格、生成单位天然气所需的系数以及价格系数;

和是第a台P2G在t时刻消耗的电功率和生成的天然气. 1.2 气电互联综合能源系统 P2G将多余的电能转化为天然气,另一边,燃气机组将天然气转换为电能,减少污染气体排放,两者实现了气电互联系统之间的能量双向流动.含P2G的气电互联综合能源系统的示意图如图2所示.

2 气电互联综合能源系统多目标优化运行模型 2.1 目标函数 (1)优化目标1是系统总的运行成本最低.包括传统燃煤机组的发电成本,天然气气源生产成本,天然气存储成本,以及P2G的原料成本,P2G的用电成本考虑在火电成本或风电中,风力发电不产生费用,不计入综合成本中.目标函数可表示为: (2) 式中 F1是综合成本;

t为总的调度时段;

GU是然其机组数目;

k是天然气气源数目;

m是储气设备数目;

n是P2G设备数目;

是机组i的燃料价格;

是气源点k的价格;

是储气设备s的用气价格;

为气源点k在t时段的出力;

是储气设备s在t时段的气体进出量;

是机组i的热耗曲线,与机组出力的关系如下式: (3) 式中 ,,

分别机组i的煤耗系数;

是燃煤机组i在t时刻的出力. 图2 气电互联综合能源系统示意图 Fig.2 Schematic Diagram diagram of the integrated natural-gas and electricity energy systems (2)优化目标2是系统二氧化碳和二氧化硫总的排放量最小.目标函数为: (4) 式中 tu是燃煤机组总数;

、分别表示二氧化硫和二氧化碳排放量与机组出力的关系. 二氧化硫的排放总量和机组出力的关系表达式如下: (5) 二氧化硫的排放总量和机组出力的关系表达式如下: (6) 式中 至是排放系数. (3)优化目标3表示系统的弃风量最小即系统的弃风成本最少[20],表示为: (7) 式中 、是风电场w在t时段的弃风成本系数、弃风量.系统弃风量为: (8) 式中 、表示风电场w在t时段的预测功率和实际并网功率. P2G的引入能提高对可再生能源风电的消纳,但P2G自身转换的容量有限以及受其转换成本的影响,在风电渗透率较高时,不能全额消纳过剩风电,产生一定量弃风,引入目标函数3来衡量风电渗透率和P2G转换容量对系统消纳风电的影响. 2.2 电力系统约束 电力系统的运行约束包括功率平衡约束,发电机出力约束以及采用直流潮流法时的相角约束和线路潮流约束. (1)节点功率平衡约束 (9) 式中 N(e)表示与节点e相连设备的集合;