計及碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統經濟運行策略

劉海濤，朱海南，李豐碩，孫華忠，王娟娟，姜心怡，陳健

(1. 國網山東省電力公司濰坊供電公司, 山東省濰坊市 261014；2.山東大學電氣工程學院，濟南市 250061)

0 引 言

隨著能源與環境問題的日益凸顯，以化石能源為主導能源的電力產業面臨著改革任務[1]。為此，電力產業需要接納更多清潔能源，引入多種能源形式，不斷提高綜合能源的利用效率，減少能源不必要轉化損失能量，提高綜合能源系統(integrated energy system, IES)的降碳減排性能。同時，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的二次能源，氫能的開發利用是能源清潔化的重要環節。此外，隨著各種能源轉換設備技術的不斷發展，各種形式的能源在生產、傳輸、消費等各個環節的耦合作用也越來越強[2]。因此，包含多種能源形式的綜合能源系統運行優化研究已逐漸成為熱點問題。

綜合能源系統的優化運行研究，按照能源形式可以分為電、天然氣、熱、氫和冷等兩種及以上能源形式組合的優化運行研究[3-12]。文獻[3]兼顧到IES中能耗成本、污染排放、風電消納等調度目標，提出了考慮綜合需求響應的電-氣-熱IES多目標優化調度模型。文獻[4]以綜合能源系統的運行經濟性為優化目標提出了兩階段可調魯棒優化的冷-熱-電聯供綜合能源系統日前調度策略。文獻[5]提出了一種含電熱氫綜合能量的儲能系統，在此基礎上提出了計及混合儲能的微網優化運行模型。按照地理因素與能源發輸配用特性可將IES分為跨區級、區域級和用戶級[6]。文獻[2]關注輸電環節，提出了一種同時考慮氣、熱網絡動態特性的跨區級電-氣-熱互聯IES優化調度模型。文獻[9-10]關注配電環節，提出了一種以系統運行經濟性為優化目標的電氣熱混聯系統日前調度模型。文獻[11]關注發電環節，提出了一種考慮光熱電站和多能轉換的綜合能源系統低碳優化運行模型。上述部分文獻只對電、氣、熱系統研究較多，引入氫能源也只是與其中一個系統進行相關研究。對于氫能源的深入研究以及熱電之間單向的轉化也沒有進行全面研究。

低碳可持續能源系統已成為我國未來能源系統的主要發展方向。在IES中，大型燃煤機組或燃氣機組作為熱電聯產核心機組，盡管有相應的減排措施，但排放的CO2造成環境污染仍是亟待解決的問題。目前關于低碳清潔的綜合能源系統的研究主要集中為引入減碳功能的設備(電轉氣(power to gas, P2G)等)、建立市場碳交易機制、增加可再生能源的利用等。文獻[11]引入了光熱電站代替部分熱電聯產機組，建立了P2G裝置碳交易市場激勵機制，提出考慮系統運行經濟性和碳排放成本的低碳優化運行模型。文獻[13]提出處理城市生活垃圾，建立廢物處理單元模型結合獎懲階梯碳交易成本模型，提出了綜合能源系統低碳經濟運行策略。文獻[14]充分考慮了P2G設備的環保效益，提出了計及P2G過程能量轉換損失和環境成本的日前經濟調度優化模型。上述文獻在研究低碳運行的研究僅以單一能源形式或兩種能源形式網絡為研究對象，例如電氣、電熱等。沒有全面考慮多種能源形式的耦合對提升綜合能源系統的經濟性的提升作用，且對于考慮有機朗肯循環(organic Rankine cycle, ORC)設備進行碳管理也沒有進行深入研究。綜上所述，多能源形式的綜合能源系統中如何更好地通過能源耦合設備的優化運行實現整體運行的經濟性和環保性仍是亟待解決的問題。

本文研究考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統的經濟調度優化問題。首先，建立電-氣-熱綜合能源動態網絡潮流模型，引入氫儲能設備，增加氫能源的轉化。其次引入ORC余熱發電增加熱電耦合關系，提升能源利用效率，建立考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統經濟優化運行模型。最后，在綜合能源網絡中，采用不同運行場景進行仿真分析，探討并驗證本文所提策略能夠保證IES運行的經濟性能和環保性能。

1 電-氣-熱-氫綜合能源系統

IES能夠集合多種形式能源系統協同優化，互補運行，以滿足系統中多元化能量需求。電-氣-熱-氫IES中主要包括電力系統、氫能、熱力系統和天然氣系統、儲能系統、負荷以及各種能源形式之間的轉換設備。電-氣-熱-氫IES的結構如圖1所示，其中包括了各種能源形式之間的轉換方式。

圖1 電-氣-熱-氫綜合能源系統結構Fig.1 Structure of an electricity-gas-heat-hydrogen integrated energy system

P2G技術可以實現電轉氣，可提高電力系統對可再生能源的接納能力，是消納棄風和優化調度的一個重要技術手段[15]。P2G技術可以分為電轉氫氣(power to hydrogen， P2H)和氫氣甲烷化兩個過程。P2H過程只產生氫氣和氧氣，工藝過程簡單，投資成本較低，無污染，轉換效率可達到75%～85%。P2H在電力系統中應用優勢主要有：1) P2H為功率型原件，可以進行超大容量的電力消納，提升電力系統運行經濟性；2) P2H可作為大型可控負荷參與電網的調頻、調峰服務[16]。P2G裝置的原料為CO2，具有顯著的減碳能力，但P2G的轉換效率僅為45%～55%。P2G過程分為P2H過程和氫氣甲烷化兩階段運行，可優先在制氫環節利用氫能，減輕能量損耗，提高IES運行經濟性，也可在環保產生的效益下將電能轉化為氣，產生碳收益，提高IES運行環保性。

氫燃料電池(hydrogen fuel cell, HFC)可以實現氫能向電能和熱能的轉化。氫燃料電池的產電原理是利用氧化原反應時電子運動產生的電勢，經變壓器升壓后將電堆反應生成的電能輸送至電網，集熱裝置收集電堆反應過程中產生的熱量，通過換熱器對循環熱力系統回水進行加熱，實現為熱負荷供熱[10]。

ORC余熱發電裝置可實現熱能向電能的轉化。在傳統的IES中，熱能和電能在熱電聯產機組中受制于機組的固定效率模型，不能靈活調整機組對電能和熱能的出力，存在“以熱定電”的現象，電熱負荷不均衡時，就會存在一方面的負荷供應受到影響或一方面產能過剩問題。而在熱電聯產機組和燃料電池中高溫煙氣余熱和冷卻介質余熱浪費，不利于IES的能源利用效率提升。本文采用ORC余熱發電引入余熱轉電過程，如圖2所示。ORC余熱發電的主要工作原理為有機工質在蒸發器中從余熱源吸收熱量產生高溫高壓蒸汽，推動膨脹機旋轉進而帶動汽輪機發電，產生乏氣進入冷凝器冷卻為液體，由工質泵打入蒸發器，完成一個循環。

圖2 ORC余熱發電裝置Fig.2 ORC waste heat power generation device

2 綜合能源系統日前調度模型

本文所提的考慮碳成本的電-氣-熱-氫IES優化運行模型包括了配電網、天然氣網和熱網、氫儲能系統以及IES中的轉換設備：熱電聯產(combined heat and power, CHP)機組、ORC余熱發電裝置、P2G設備、P2H設備、氫燃料電池等。電-氣-熱-氫IES優化運行模型如下所示。

2.1 目標函數

minf=fope+fenv

(1)

fope=fe+fg+fh

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 約束條件

本文所提電-氣-熱-氫IES優化運行模型約束條件主要包括：電力系統潮流約束、天然氣網絡動態潮流約束、熱力網絡動態潮流約束、氫儲能約束以及能量轉設備約束。

2.2.1 電力系統潮流約束

本文采用二階錐松弛處理的DistFlow潮流模型。

(10)

U2,j,t=U2,i,t-2(Pl,tRl+Ql,tXl)+

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

U2,l,t=1

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

2.2.2 天然氣網絡動態潮流約束

考慮到天然氣在管道中的傳輸速度遠小于電能的傳輸速度，本文采用動態天然氣傳輸方程，分為動量方程、物質平衡方程和狀態方程[9]，方程的差分化形式如下：

(Mn,t+1+Mm,t+1-Mn,t-Mm,t)=0

(25)

Mn,t-Mm,t+1-Mm,t)=0

(26)

PA=c2ρ

(27)

天然氣網絡還有一些邊界約束條件。相互連接的管道在連接點會有相同的氣體密度，同一節點的質量流量需要平衡。

(28)

(29)

ρm,t=ρm+1,t=ρm+2,t=…

(30)

Mm/Am+Mm+1/Am+1+Mm+2/Am+2+…=0

(31)

式中：MDm,t表示末端節點的節點質量流量；PASm,0表示首端節點的壓強；ρSm,0表示首端節點的密度。

2.2.3 熱網動態潮流約束

供熱網絡的傳遞介質是水流且密度不變，但網絡中缺少控制設備，難以實現對網絡中水流的控制，因此熱網中水流質量流量一般是固定不變的。由于水流質量流量是不變的，因此熱網潮流模型中非線性項問題得到解決。熱網的傳輸能量的載體是熱水，相較于天然氣網絡的傳輸速度更慢，時間常數更大，因此在IES的優化運行研究中，需要考慮到熱網的動態特性。熱網的動態特性主要是熱水沿著較長的管道運輸過程中會由于熱損失和首端節點溫度實時變化導致溫度下降[17]。動態熱網潮流模型可以分為：描述供熱管道中熱量損失和溫度變化的方程；供水、回水管道中水流熱功率和水溫的變化關系；熱功率平衡方程；供水、回水管道中水溫的上下限約束；回水網絡節點水流匯合后的水溫方程。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

2.2.4 能量轉換設備約束

1)CHP機組運行約束。

CHP機組的電熱出力關系可表示為：

(42)

(43)

(44)

(45)

2)P2H設備運行約束。

電解水的轉化效率近似取為固定值，運行約束可表示如下：

(46)

(47)

3)P2G設備運行約束。

(48)

(49)

4)HFC運行約束。

氫燃料電池可直接產生電能，用集熱裝置收集電能供給熱負荷，實現熱電聯產，HFC的運行模型如下所示：

(50)

(51)

(52)

(53)

5)儲氫系統運行約束。

儲氫罐的氫氣來源是P2H設備，并且為氫燃料電池提供氫氣來源，只考慮氫燃料電池的輸入輸出特性，儲氫系統的模型如下所示：

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

6)ORC運行約束。

簡化固定效率的ORC 余熱發電模型如下所示：

(60)

(61)

(62)

(63)

2.2.5 電力系統中源荷不確定性

本文采用機會約束處理配電網中的光伏和負荷的不確定性。即考慮誤差之后的功率滿足需求的概率大于一定值：

(64)

式中：P{·}表示事件發生的概率。在現有研究中，正態分布概率模型是一種在不確定性處理中使用較為廣泛的模型[18]，因此本文基于正態分布概率模型對上述概率形式描述進行確定性轉化[19]：

(65)

式中：φ(α)為標準正態分布下相應概率的α分位點；σpv、σload為標準正態分布下光伏、負荷預測誤差的標準偏差。

3 算例分析

本文所提出的考慮經濟與碳排放的電-氣-熱-氫綜合能源系統日前調度模型在電-氣-熱綜合能源系統上進行測試，建立的混合整數線性規劃模型采用Gurobi 9.0.2求解器進行求解。

3.1 算例基本信息

本文采用IEEE 33節點的配電網和改造的比利時20節點的天然氣系統[20]和10節點的熱網[21]，分別在對應節點接入相關能量轉化設備。電-氣-熱-氫IES算例系統如圖3所示。配電網中包含3個光伏系統分別安裝在節點11、20、29處，額定容量分別為500、600和500 kW，安裝儲能系統在節點8處，安裝P2G系統在節點17處；天然氣系統中節點14安裝CHP系統，供熱設備均安裝到熱網中1節點處。各能量轉化設備參數如表1所示。光伏和負荷變化曲線及配電網實時電價如圖4和圖5所示。配電網額定功率為10 MW，其他參數為標準IEEE 33節點參數；天然氣網絡參數見參考文獻[20]，熱網參數見參考文獻[21]，天然氣的購氣費用為3.5元/m3。

表1 設備參數Table 1 Device parameters

3.2 算例仿真結果

采用5種不同運行策略驗證本文所提計及碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統優化運行策略的正確性，分別設置5種不同經濟成本和碳成本的權重。5種運行策略仿真運行結果中經濟成本和環境成本如表2所示。

圖3 電-氣-熱-氫IES系統網架結構Fig.3 Grid structure of the electricty-gas-heat-hydrogen IES system

圖4 光伏負荷變化曲線Fig.4 Typical daily output curves of PV and load

圖5 實時電價Fig.5 Real-time electricity price

從表2中可以看出隨著運行成本的權重不斷增大，碳排放帶來的環境成本權重逐漸減小，對應的運行成本不斷減小，環境成本不斷增大。策略1和策略5屬于單目標優化，在只考慮一種成本的情況下，經濟成本和環境成本分別能達到最優值的狀態，綜合考慮兩種優化目標均衡，找到兩者的權重能夠起到一個很好的平衡，策略3不僅能夠提高能源利用率還能夠減少碳排放引起的環境污染，能夠實現電-氣-熱-氫綜合能源系統的經濟和環保運行。因此驗證了本文所提的策略的正確性和有效性。

表2 不同策略仿真結果Table 2 Simulation results of different strategies

在策略3的情況下，對電-氣-熱-氫綜合能源系統的運行進行分析。圖6是天然氣管道的質量流量，天然氣管道的首末節點均有一個觀測點，在觀測點10附近和15附近的突然下降是由于天然氣網絡結構在節點5和節點9附近進行分支，近距離輸氣管道距離較近，壓力比較低，變化比較小。隨著天然氣沿著網絡流通到網絡末端，管道中的質量流量就逐漸減小，驗證了動態天然氣潮流的正確性。

圖6 天然氣管道質量流量Fig.6 Mass flow of the natural gas pipelines

圖7是熱網進水管道中管道的首末節點溫度，熱網潮流模型采用考慮了外界溫度損失和時間延遲等動態潮流模型，從進水口和出水口的溫度差可以看出大概有3～4 ℃左右的溫差，證明了熱水在同一管道中，從首節點到末節點的過程中溫度有損失，驗證了動態網絡潮流的正確性，且隨著熱水逐漸流到網絡末端管道，溫度逐漸降低，但均在限制的溫度范圍內。

圖7 供熱管道水溫Fig.7 Water temperature of the heating pipes

圖8為配電網中各設備的運行情況，根據電價變化情況，為保證配電網中經濟性最優，在谷電價時配電網從主電網的購電電量最多，在電價較高時，購電量較小，主要靠配電網中光伏進行出力，儲能系統充分低儲高發來實現配電網的經濟運行，ORC余熱發電在配電網中能夠將余熱充分利用，實現能量的再次利用，提高能源利用率，氫氣燃料電池也在電價較高時參與配電網的優化運行，從而使電-氣-熱-氫綜合能源系統實現經濟環保的優化運行。

圖8 配電網各設備出力情況Fig.8 The output of each equipment in the distribution network

引入ORC余熱發電和氫能源形式前后IES的運行成本和環境成本情況如表3所示，從表3中的策略1和2可以看出，引入ORC余熱發電不僅能夠提高綜合能源系統的能源利用效率，減少綜合能源系統的運行成本，還能夠減小系統的碳排放，提高綜合能源系統的環境效益。主要是因為，在引入ORC后，系統的能量利用效率有所提高，燃氣輪機和配電網的購電功率會減少，碳排放就會減小，從而提高系統運行的環境效益。驗證了本文中ORC余熱發電技術的引入能夠明顯減少碳帶來的環境成本，提高運行的經濟性和環保性。

表3 不同策略綜合能源系統運行情況Table 3 Operation of integrated energy systems with different strategies

在表3中通過策略1和3可以看出，引入氫能源形式可以在保證環境成本最優的情況下，有效地降低綜合能源系統的運行成本，P2G設備可以分為電轉氫氣和氫氣甲烷化兩個部分，在氫氣甲烷化過程中可以通過吸收CO2獲得碳收益，因此，引入P2H設備即氫能源并不會對減少環境成本有很明顯效益，但卻可以通過多能源形式的引入，增強多種能源耦合程度，提高能源利用效率，提高運行經濟性。文章驗證了所提引入氫能源形式可以提高綜合能源系統運行經濟性。最后，通過策略1和4的對比可以看出，本文提出的考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統的經濟運行模型可以有效提高綜合能源系統運行經濟性和環保性。

4 結 論

本文建立了考慮碳成本的電-氣-熱-氫綜合能源系統的經濟運行模型，提出了計及ORC余熱發電，氫燃料電池等能量轉換設備的綜合能源系統運行策略。算例仿真驗證了本文所提策略通過采用合適的權重系數能夠保證運行的經濟性和環保性，同時驗證了本文引入的ORC余熱發電以及氫能源的能量轉換設備能夠有效地提高綜合能源系統的能量利用效率和環境收益。

由于本文考慮能源形式較多樣，能量轉換設備比較多，忽視了能量轉換設備的內特性，設備模型精確度沒有保證，因此下一步的研究方向主要是細化各能量轉化設備的模型以及氫能源的精細化建模。