電-氣-儲區域綜合能源系統協同規劃方法研究

杜振東， 徐世澤， 張盈哲， 郭亦宗， 郭創新

(1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

隨著可再生能源發展以及用戶用能趨向多樣性，電、氣和熱耦合程度不斷加深，區域綜合能源系統(regional integrated energy system, RIES)發展技術和市場應用越來越廣泛[1-4]。因此，針對區域綜合能源系統規劃方法的研究具有必要性。

目前，國內外學者針對區域綜合能源系統規劃展開了部分研究，大多立足于特定工業園區或場景建立規劃模型[5-7]。在能源轉換設備方面，隨著電轉氣(power to gas, P2G)技術、熱電聯產設備(combined heat and power, CHP)技術的進步,工業園區內更多采用電-氣綜合能源系統[8-9]。文獻[10]考慮投資成本、運行成本和可靠性成本，從經濟性最優的角度優化含電轉氣裝置的區域綜合能源系統；文獻[11]在進行電-氣綜合能源系統規劃時考慮了風電場和P2G設備的協同擴建，并研究其對系統擴建方案、風電消納的影響；文獻[12]基于能源集線器的思想，在電-氣協同規劃時用機會約束規劃的方法，提高了系統安全性；文獻[13-14]提出了計及電/熱柔性負荷的區域綜合能源系統儲能優化配置方法。但是上述文獻較少針對儲能電池、輸氣管道、儲氣設備和P2G設備等電-氣多能存儲系統多種設備的優化配置模型的研究。

本文提出了電-氣-儲區域綜合能源系統的協同規劃方法。首先，構建電-氣-儲區域綜合能源系統能源集線器(energy hub, EH)結構，分析在已有電-氣耦合系統的基礎上增加儲能設備后的協同規劃方法；然后，建立電-氣-儲區域綜合能源系統規劃模型，以規劃期內總成本最小為目標，建立儲電、儲氣、電網絡拓撲和氣網絡拓撲的數學模型；將原有非線性的規劃模型通過引入輔助變量轉化為易于求解的混合整數線性規劃問題，最后調用CPLEX求解得到結果。算例部分設計了三種規劃場景，對比驗證了電-氣聯合規劃相較于單獨規劃的經濟優勢以及接入儲能后能夠進一步減小成本，并分析了儲電和儲氣的接入對網絡拓撲規劃結果的影響。

1 電-氣-儲綜合能源系統描述

圖1 電-氣-儲能源集線器結構

電-氣耦合的區域綜合能源系統能量來源于外部配網級電力網和天然氣網，電網絡和氣網絡拓撲較為多樣。引入儲能后，為更好地描述電-氣-儲綜合能源系統特征，建立能源集線器結構，如圖1所示。

區域綜合能源網的負荷特性會影響儲能系統優化配置結果，同時，儲能的接入會在一定程度上影響電網絡拓撲和氣網絡拓撲內的線路建設情況及設備類型選擇。因此，需要對電-氣-儲區域綜合能源系統進行協同規劃。

2 協同規劃模型及求解

2.1 目標函數

本文所提電-氣-儲協同規劃模型投資主體為綜合能源服務商，目標函數為使電-氣-儲耦合網絡系統在滿足用戶用能需求的情況下，總成本最小，其公式為：

minC=C1+C2+C3+C4

(1)

式中：C1為投資成本;C2為維護成本;C3為向上級網絡購電/購氣交易成本;C4為儲能投資成本。

本文將整個規劃過程分為兩個階段完成。在第一階段規劃中，公式為:

(2)

(3)

(4)

式中：邏輯變量Xy,f,θ和xy,f,θ分別為設備f(電力線路、天然氣管道或P2G設備)選型θ在第y年是否存在和在第y年年初是否投建的0-1變量;Cinv,f,θ和Cmnt,f,θ分別為待建設備f選型θ的投資成本和維護成本;CBUYe和CBUYg分別為電力和天然氣的單位購買成本;a和i為區域電網絡拓撲節點;b和m為區域氣網絡拓撲節點;Pe,ysh,ai和Fg,ysh,bm分別為電力線路ai和天然氣管道bm在第y年第s季度第h小時的潮流;ΩSUB、ΩGATE、ΩEL、ΩGL分別為變電站節點、天然氣站節點、電力線路和天然氣管道集合。

在第二階段規劃中，綜合能源網中多能存儲的投資規劃主要包括儲能電池和儲氣裝置兩個部分：

(5)

2.2 約束條件

2.2.1 儲能約束條件

(1) 儲能電池約束

(6)

(7)

(8)

(9)

(2) 儲氣系統約束

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2.2.2 電網絡拓撲約束條件

對任意節點其潮流總輸入與總輸出保持平衡：

(17)

式中：i、j、k為電網絡拓撲節點;Pe,ysh,ij和Pe,ysh,ki分別為電力線路ij和ki在第y年第s季度第h小時的潮流;PP2G,ysh,i為節點i處P2G設備在第y年第s季度第h小時的輸出電功率;ΩEBUS為電網絡節點集合。

對于每條電力線路，存在線路潮流約束：

0≤Pe,ysh,ij≤ze,ysh,ijPel,max,ij?y,?s,?h

(18)

式中：Pel,max,ij為電力線路ij的潮流上限值；ze,ysh,ij為電力線路ij的方向輔助變量。具體地說，當線路ij上存在從節點i流向節點j的潮流時，ze,ysh,ij值為1；當沒有i流向j方向潮流時，ze,ysh,ij值為0。這里需要說明的是，ze,ysh,ij與ze,ysh,ji從兩個方向聯合表征該線路的潮流方向。

對于待投建線路的選擇，須遵循潮流上下限約束。方向輔助變量ze,ysh,ij在線路i-j方向上沒有潮流時將Pe,ysh,ij限制為0。

(19)

式中：ze,ysh,ij為方向輔助變量;Pel,max,ij,θ、Xy,ij,θ分別為電力線路ij選型θ的潮流上限和第y年是否存在的0-1變量。

2.2.3 氣網絡拓撲約束條件

對任意天然氣節點，其潮流總輸入與潮流總輸出平衡，可表示為：

(20)

式中：m、n、l為天然氣網絡節點；Fg,ysh,mn和Fg,ysh,lm分別為天然氣管道mn和lm在第y年第s季度第h小時的潮流；Fcchp,ysh,m為節點m處P2G設備在第y年第s季度第h小時的耗氣流量；Dg,ysh,m為節點m在第y年第s季度第h小時的天然氣負荷需求；ΩGBUS為配氣網節點集合。

節點氣壓與管道潮流具有如下關系：

(21)

式中：sign(Fg,ysh,mn-Fg,ysh,nm)為天然氣管道mn中的潮流方向；pysh,m和pysh,n分別為對應線路的兩個節點m和n的氣壓大小；Cmn為線路mn的天然氣管道常數。

同時，天然氣網絡任意節點氣壓均不能超過其氣壓上限：

pysh,m≤pmax,m?m∈ΩGBUS,?y,?s,?h

(22)

式中：pmax,m為配氣網節點m的氣壓上限。

需要說明的是，由于天然氣網潮流約束、氣站輸出約束及網絡輻射狀約束與電網絡拓撲類似，這里不再贅述。

2.2.4 網絡拓撲的邏輯約束條件

(23)

(24)

Xy-1,f,θ≤Xy,f,θ

(25)

式中：ΩS和ΩTYPE分別為待建設備集合及其可選類型集合;T為規劃年限。以此保證投建設備的唯一性以及建成設備的不可拆除性。

3 算例分析

上文提出了電-氣-儲區域綜合能源系統協同規劃模型，本節設定3種規劃場景，將所提方法應用于浙江省某實際園區的電-氣-儲規劃算例。對比規劃結果，驗證所提方法的優越性，并分析儲能的接入對電-氣配網聯合規劃的影響。

3.1 算例數據

浙江省某區域12節點電網絡拓撲結構、10節點天然氣網絡拓撲結構和用戶負荷分別如圖2、圖3所示。電-氣網絡通過待建的P2G設備相互耦合。

圖2 12節點電網絡拓撲結構

圖3 10節點天然氣網絡拓撲結構

算例采用浙江省峰谷分時電價，如表1所示。天然氣網按統一價格3 元/m2，熱值系數取為9.7 kW/m3。

表1 峰谷分時電價

除此之外，本算例探討了鋰電池、儲氣罐這兩種儲電和儲氣設備的投資建設對綜合能源系統擴建規劃的影響。選取浙江省儲能市場的儲能設備，給出鋰電池和儲氣罐設備的儲能主要元件參數如表2所示。

表2 儲能主要元件參數

為驗證上述所提規劃方法對電-氣-儲綜合能源系統協同規劃的適用性以及儲能接入對規劃結果的影響，設計算例場景如下：

場景1：電網絡與天然氣網絡獨立規劃。

場景2：經P2G耦合的電-氣系統協同規劃。

場景3：接入儲電和儲氣，經P2G耦合的電-氣-儲區域綜合能源系統協同規劃。

3.2 算例結果與分析

調用CPLEX求解器求解得到3種場景下的最優規劃方案如表3所示。電力線路和天然氣管道規劃結果以“初節點-末節點(投建類型)”的形式給出，P2G規劃結果以“所在電網絡節點(投建類型)”給出，以1～3為容量由小到大的3種設備類型。

表3 3種場景下的最優規劃方案

求解得到了儲電和儲氣系統的投資功率配置、容量配置以及各部分成本結果，如表4所示。

場景2與場景1對比驗證了經過P2G互聯的電-氣協同規劃具有經濟優勢。相較場景1，電網絡節點3由線路2-3供電改為由設有P2G的節點6供電。在設備容量方面，由于P2G的接入使得電轉氣更加靈活，可以將低價時段的電能轉化為天然氣使用，使得算例結果中電力線路5-9和10-12的線路容量降低，天然氣網絡中2-7管道容量降低。在成本方面，P2G設備的引入會加入P2G投資成本，但線路和管道的容量減小，總體表現為減小了2.7萬元年投資成本和1.66萬元維護成本，并且由于電-氣轉化更為靈活，使得向上級電網和氣網購買成本減少5.58萬元，總成本減少10.14萬元。

場景3與場景2對比驗證了儲電和儲氣設備接入后的電-氣-儲協同規劃能夠進一步實現經濟優勢，同時使得系統運行更加靈活。相較場景2，電網絡節點和天然氣網絡節點的線路連接情況未變；在設備容量方面，由于儲電和儲氣設備的接入使得能量供應的時間可以被改變，可以將低谷電價時段的電能存儲并在高峰電價時段供應負荷，使得算例結果中電力線路連接P2G設備的7-10線路容量有所降低，天然氣網絡中1-4和7-8管道容量也有所降低。在成本方面，儲電和儲氣設備的引入會加入儲能投資成本，使得總體投資成本增加5.3萬元，但由于儲能的接入使得能量供應的時間可以被改變，能夠更靈活地使用低價電，向上級電網和氣網購買成本減少10.25萬元，總成本減少5.89萬元。

4 結束語

分析區域綜合能源系統內各元件特性以及拓撲結構，本文提出了電-氣-儲區域綜合能源系統規劃方法。主要研究成果如下：

(1)分析儲能對電-氣耦合系統的影響，建立了電-氣-儲能源集線器結構。

(2)建立區域綜合能源系統內各元件的約束條件，以成本最低的經濟性為目標，提出了電-氣-儲協同規劃模型。

(3)驗證了電-氣網絡耦合的協同規劃比單獨規劃更具經濟優勢，并且驗證了儲能的接入對于進一步減小成本和提高系統靈活性有較大作用，實現了電-氣-儲系統的協同規劃。

本文提出的電-氣-儲規劃方法對于后續相關研究打下了基礎，而在未來的研究中將會考慮更加復雜的網絡拓撲結構和能源形式。