考慮P2G 技術的電- 氣綜合能源系統消納風電研究

馬書文

（華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

隨著煤炭等化石能源儲量逐漸減少以及燃煤帶來的環境污染問題日益嚴重，人類面臨著能源短缺和環境污染等問題。此時，以風電為主要代表的清潔能源成為解決兩大難題的重要對策。風電取之無盡，用之不竭，而且規模大，范圍廣，技術難度小，維護成本低，成為各國開發清潔能源的首選。

然而，風力發電由于受地理條件和天氣情況限制，具有波動性、間歇性、隨機性等特點，直接并網會危害對電網安全穩定運行。同時，大規模風力發電通常是在我國新疆、青海、蒙西等西部邊遠地區，當地無法就地消納風電，而且由于電力難以長距離、跨區域傳輸，風電也無法輸送到東部電力需求大的地區，不可避免的產生了棄風現象。為了大規模利用風電，提高風電利用率，需要盡快解決如何消納風電這一制約我國風電發展的重大難題。

綜合能源系統[1，2]概念的興起，成為解決這一難題的新方式。通過將電力網和天然氣網等不同形式能源系統進行耦合，構成電- 氣綜合能源系統，相比于就地儲存電能存在的容量規模小，經濟成本高等缺陷，利用棄風電力轉化成的天然氣更易于儲存，且天然氣管網系統有著巨大的儲存容量，達到消納棄風，提高風電利用率的目的。

電轉氣（power to gas（P2G））技術[3，4]是實現棄風電力轉化為天然氣的關鍵技術。電轉氣（P2G）設備可以將富余的電能轉化為天然氣，并以天然氣的形式大規模儲存，實現電能的轉移消納。因此，電轉氣設備是電力網與天然氣網耦合的重要設備，天然氣網絡和電力網絡通過燃氣輪機和電轉氣設備，實現了電能和天然氣化學能的雙向流動，形成了深度耦合的電- 氣綜合能源系統，也為解決風電消納問題提供了新的方式。

近年來，利用電轉氣技術促進可再生能源消納的問題得到了國內外學者的廣泛關注。文獻[5]建立了一種電- 氣互聯綜合能源系統，通過削峰填谷方式有效平抑凈負荷波動并提高系統風電消納能力。文獻[6]提出了一種含電轉氣設備的電- 氣- 熱多能源系統優化調度模型, 并分析了消納風電的經濟效益。文獻[7]論證了通過綜合能源系統形成多元消納技術和多元存儲技術可以增加可再生能源的就地消納,提高風機利用率。文獻[8]則提出一種考慮電轉氣合理利用棄風并考慮天然氣系統優化運行的電力- 天然氣綜合能源系統雙層優化調度模型。

本文以考慮電轉氣技術的電- 氣綜合能源系統模型作為研究對象，并對系統中各個關鍵設備進行數學建模。目標函數為系統的總體運行成本最小作，并采用粒子群算法求解該模型，并設置多種場景進行對比分析，論證了P2G 技術對電- 氣綜合能源系統消納風電的影響。

1 電轉氣技術

電轉氣技術是一種新興的綠色環保技術，通過兩個步驟實現電能到天然氣的轉化。第一步電解水得到氫氣，副產物為氧氣；第二步為氫氣甲烷化，使氫氣在催化劑的作用下與二氧化碳結合生成甲烷。

第一步：電解水，消耗電能得到氫氣和氧氣，其化學方程式如下式所示。

目前世界范圍內運行的實驗性P2G 廠集中在歐洲，尤其是德國、丹麥等國家。德國在P2G 技術的研究中處于世界前列，早在2015 年德國大型電力公司RWE 率先投產利用可再生能源制取氫氣、甲烷等氣體的P2G 工廠。同樣也是德國的E. ON 公司最先實現P2G 設施的工業化運營，向天然氣管道中注入氫氣。我國對P2G 技術的研究尚處在起步階段，全國范圍內僅有河北沽源風電制氫一項試驗性項目，且沒有將氫氣進一步甲烷化制成天然氣。

2 電- 氣綜合能源系統模型

本文建立的電- 氣綜合能源系統含有燃氣輪機和電轉氣設備，使電力網絡和天然氣網絡的深度耦合，形成電能和天然氣能的雙向流動。如圖1 所示，當電力系統中的發電出力來自于風電機組和燃氣輪機，電力負荷要求優先由風電機組滿足，當風電出力無法滿足電力負荷需求時，燃氣輪機從天然氣管網購氣進行發電，彌補電力缺額。當風電出力超過電力負荷需求時，特別是在夜間風電大發但電力負荷處于一天中最低的時段，富余的風電利用P2G 技術轉化為天然氣，輸入天然氣管網中進行輸送或者儲存。因此，通過P2G 設備耦合在一起的電力網絡和天然氣網絡提高了實現消納風電的目標。

圖1 電- 氣綜合能源系統結構圖

2.1 天然氣網絡模型

2.1.1 天然氣管道模型

天然氣管道模型主要由管道中天然氣流量方程體現，管道天然氣流量由下列公式決定:

Kij為管道傳輸系數，為固定值，由管道直徑、溫度、長度等因素決定；

Sij為表示氣體流向的系數。

2.1.2 加壓站建模

天然氣在傳輸過程會損失部分壓力，因此需要加壓站對天然氣進行加壓。壓縮機有關模型為：

式中：Hkij為壓縮機消耗的電能；

Bk為壓縮機的效率系數；

zk為壓縮機的壓縮系數。

2.2 P2G 模型

P2G 生產過程中有著復雜的化學反應，但可以通過P2G設備功率與產氣量的關系簡化得到P2G 模型。P2G 設備生產的天然氣量與P2G 設備的功率之間的關系為：

P2G 設備在氫氣甲烷化過程中會吸收二氧化碳，用于和氫氣反應，吸收的二氧化碳質量為：

式中，Vp2g（t）為t 時段的P2G 設備生產的天然氣量；

ηP2G為P2G 設備的產氣效率；

Pp2g（t）為t 時段的P2G 設備的功率；

Lgas為天然氣的燃燒熱值。

2.3 燃氣輪機模型

燃氣輪機的模型可表達如下:

式中，Pgt（t）為t 時段的燃氣輪機生產的電能；

Vgt（t）為t 時段的燃氣輪機消耗的天然氣量；

ηgt為燃氣輪機的發電效率。

2.4 蓄電池模型

蓄電池在t 時刻荷電狀態由多項因素決定，包括t-1 時刻的荷電狀態、還與t 時刻和t-1 時刻間時段的充放電狀態，其表達式見下：

式中，Pcha（t）和Pdis（t）分別為t 時段蓄電池的充、放電功率；

2.5 儲氣罐模型

儲氣罐模型與儲蓄電池類似，在t 時刻儲氣狀態不僅與t-1 時刻的儲氣狀態有關，還與t 時刻和t-1 時刻間時段的充放氣狀態密切相關，其表達式見下：

3 綜合能源系統優化調度模型

3.1 碳交易機制

在含有P2G 設備的電- 氣綜合能源系統中，P2G 設備的加入不僅僅提高了風電等可再生能源的利用率，而且電轉氣過程中會吸收大量的二氧化碳，起到了減少碳排放的作用。根據這一特性，可考慮加入碳交易機制，使P2G 設備除賣出自身生產的天然氣賺取利潤外，也可通過在碳交易市場出售碳排放額度，進一步增加收入，降低系統總體成本。P2G 設施的利潤可顯示為：

3.2 目標函數

以電- 氣綜合能源系統總體運行成本最小為優化目標，包括一天24 小時內購買電能、氣能等多種能源成本，碳交易機制可以衡量系統的環境效益，設置碳交易成本加入系統總體成本中。為體現含電轉氣技術的電- 氣綜合能源系統對風電的消納作用，可以對棄風進行一定程度的懲罰，使系統總成本中增加棄風懲罰成本。因此，綜合能源系統的目標函數為：

式中，ugt和um分別為燃氣輪機的碳排放強度和碳排放配額。

式中，σ 為棄風懲罰系數

Pwt（t）為t 時段風電機組的實際發出功率；

Pw（t）為t 時刻風電機組直接上網功率。

3.3 約束條件

3.3.1 電力網絡運行約束

電力網絡運行約束包括電功率平衡約束、發電機組功率約束、電轉氣設備出力約束等。

（1）電功率平衡約束

式中，-Δgt、Δgt分別為燃氣輪機機組向上、向下爬坡速率。

4 算例仿真與分析

4.1 系統參數設置

以由燃氣輪機、電轉氣設備、蓄電池、儲氣罐等裝置組成的電- 氣綜合能源系統為例進行優化調度，日前市場實時電價和氣價和各個時段下電負荷、氣負荷與風電預測出力如圖2、圖3 所示。

圖2 實時電價與氣價

圖3 電負荷、氣負荷、風電預測出力

為綜合研究是否加入P2G 設備和是否考慮碳交易機制對電- 氣綜合能源系統消納棄風的影響，設置兩種情況進行對比分析，分別為：（1）不含P2G 設備，不含碳交易機制；（2）含有P2G 設備，含碳交易機制。在Matlab 中采用粒子群優化算法進行仿真。

4.2 場景優化調度與分析

4.2.1 不含P2G 設備，不含碳交易機制

燃氣機組、風電機組的工作狀況如圖4 所示。

圖4 場景1 下發電機組出力狀況

系統棄風量如圖5 所示。

圖5 場景1 下棄風量

4.2.2 含P2G 設備，含碳交易機制場景下燃氣機組、風電機組的工作狀況如圖6 所示。

圖6 場景2 下燃氣機組、風電機組的工作狀況

P2G 設備的運行狀況如圖7 所示。

圖7 場景2 下P2G 設備的運行狀況

表1 給出了兩種方案下電- 氣綜合能源系統中各項成本對比。

表1 兩種方案優化結果

通過對比兩種場景下風力發電機組和燃氣輪機機組的運行狀況，可以看出，當不考慮P2G 設備以及碳交易機制時，在夜晚23：00～6：00 時段，風力發電量遠超此刻電力負荷，有大量的風電無法被及時消納，產生了棄風現象。在11：00～23：00 時間段，受天氣狀況影響風電出力較小，無法滿足這個時間段人們生活所需的電力負荷，燃氣輪機啟動，從天然氣網購氣進行發電以滿足電力缺額。當考慮P2G 設備加入電- 氣綜合能源系統和碳交易機制時，夜晚雖然風電大發超過了電力負荷所需，但是P2G 設備可以迅速啟動，將富余風電制成天然氣，一部分儲存到儲氣罐中，超過儲氣罐存儲量上限的部分可以直接輸入天然氣管網中。11：00～21：00 時段，由燃氣輪機補足電力缺額。

而碳交易機制的加入，使P2G 設備不僅僅可以通過出售制成的天然氣獲得部分利潤，也可以通過出售碳排放配額增加收入。燃氣輪機由于碳交易的限制，會減少部分出力，使風電得到更充分的消納。

方案2 相比于方案1，系統總成本降為原方案的38.2%，P2G 設備的利潤可以降低部分成本，并且將夜晚的棄風消納后，減少了棄風懲罰成本，使系統整體的總成本進一步降低。P2G 設備在氫氣甲烷化過程中吸收了2332.4kg 二氧化碳，降低了環境污染，實現了減排效果。

5 結論

本文建立了包括燃氣輪機、電轉氣設備等關鍵裝置的電- 氣綜合能源系統，并進行了系統建模，以系統總體成本最低為優化目標，分為不含P2G 設備，不含碳交易機制和含P2G 設備且含碳交易機制兩種情況進行優化調度，對兩種情況下的燃氣輪機、風電機組和P2G 設備的工作狀況進行了分析對比。仿真結果表明：

5.1 電轉氣設備加入電- 氣綜合能源系統中，可以有效地將棄風電力轉化為天然氣，實現跨區域，跨時間消納，增強系統消納風電能力，并且與燃氣輪機一起實現了綜合能源系統的“削峰填谷”功能。

5.2 碳交易機制的加入，降低了系統的整體運行成本，使P2G 設備獲得了更大的利潤，有利于降低碳排放，提升系統經濟性和環保性。