計及電轉氣技術的微電網雙層優化研究

王磊 張倫 林永君

摘 要：本文首先確立了住宅型微電網的系統架構，建立住宅建筑中地板輻射參數模型和電轉氣（P2G）模型。其次建立住宅型微電網雙層模型并利用NSGA-II算法進行優化，上層優化目標為微電網運行成本最小，下層優化目標為用戶舒適度最好。最后以一棟住宅的冬季供暖場景為例，分析不同天然氣價格對微電網調度結果的影響。

關鍵詞：住宅型微電網;P2G;雙層優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.142

1 概述

近年來，我國光伏、風電產業快速發展，但清潔能源消納問題突出。如何促進多種能源優化互補已經成為能源高效利用的重要研究方向。電轉氣技術（power to gas，P2G）是電力轉換成氣體燃料的技術，包括兩個過程，即電解水反應和甲烷化反應。關于含P2G的問題研究大多集中在大型綜合能源系統，文獻[1-3]提出了基于P2G裝置和燃氣機組的能量流模型，分析P2G技術對電-氣綜合能源系統運行的各種影響。以上研究大多未涉及考慮天然氣價的等市場環境因素，本文主要分析不同天然氣價格對微電網調度結果的影響。

2 住宅型微電網系統設計架構及P2G建模

本文研究的住宅微電網系統包括以下單元：可分布式發電單元：風電機組（WT）、光伏（PV）發電設備;能量儲存單元：儲能系統（ESS）、儲氣系統（GSS）;能量轉換單元：燃氣輪機（GB）、電轉氣（P2G）設備;能量消耗單元：電負荷消耗、熱負荷消耗用電;能量管理中心。

本文建立非固定轉換效率的質子交換膜電解槽模型和甲烷反應器模型：

式中：為時段電解槽產生氫量，為時段電解槽輸入電功率，為轉換效率系數，為電解槽額定容量，為時段甲烷反應器生成天然氣的功率;為甲烷化反應器的運行效率;為時段輸入甲烷反應器的氫量;為天然氣低熱值;為天然氣管道每立方米對應的氣體質量。

3 雙層優化模型

3.1 上層目標函數及約束條件

3.2 下層目標函數及約束條件

4 算例分析

本文的住宅型微電網日前調度模型，設置調度時段為1小時。本算例驗證了不同天然氣價格對微電網調度的影響。

由圖1和圖2可知，天然氣價格變化影響了燃氣輪機的運行成本，以及電轉氣的獲利。當天然氣價格低時，采用天然氣作為燃料的燃氣輪機供熱則更加有優勢。反之，當天然氣價格高時，燃氣輪機的出力隨之下降，燃氣輪機的電功率也隨熱功率之下降，從而出售給電網的電量下降。

5 總結

本文對含P2G設備的住宅型微電網進行了研究，P2G技術將多余的發電量轉化為天然氣，具有一定環境效益。在考慮天然氣價格的前提下，微電網系統可以利用不同天然氣價格和電價的波動來提高自身收益。

參考文獻：

[1]余娟.含電轉氣的電-氣互聯系統可靠性評估[J].中國電機工程學報，2017，29（00）：1-9.

[2]李陽.基于綜合能源協同優化的配電網規劃策略[J].電網技術，2018，42（05）：1393-1400.

[3]劉沁哲.考慮液化天然氣供應風險的氣電聯合系統運行分析[J].電網技術，2016，40（09）：2831-2837.