含P2G的多能源網優化調度研究

樊國旗，霍 超，李小騰，劉 斌，樊國偉，程 林，王志遠，潘偉東

(1. 國網金華供電公司，浙江 金華 321001；2. 國家電網公司西北分部，陜西 西安 710048；3. 國網陜西省電力公司科學研究院，陜西 西安 710010；4. 西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049；5. 國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

電網互聯可以提高不同地區之間的互濟能力[1]。隨著新能源的大規模接入和負荷的快速增長，受到電網傳輸能力等因素約束，系統不能滿足調峰需要，出現棄風和供電缺口問題[2-4]。

針對此類問題，文獻[5]利用能量流角度在電-熱系統中引入電轉氣(power to gas，P2G)設備，促進風電消納，減少系統成本；文獻[6]通過場景法表征風電不確定特性，利用P2G裝置實現電氣互聯和能量耦合調度，提高風電利用率；文獻[7]構建含P2G多能量網絡模型，利用不同季節典型日負荷及風電預測曲線檢驗模型的有效性和經濟性；文獻[8]利用多能量耦合特性優化調度，減少棄風棄光；文獻[9-10]利用跨區電網和氣網互聯調度，減小系統峰谷差，實現資源優化配置，增強系統互濟能力。

上述文獻多通過P2G設備實現多能源網絡優化調度或者跨區互聯，較少能針對夏季負荷和風電特性，解決不同地區能源不平衡問題。因此，下面提出一種含P2G的多能源網優化調度方法，利用P2G技術解決風電與負荷不匹配導致棄風問題，并通過燃機實現冷電聯合調度解決電網供電能力不足問題；通過對燃氣輪機消耗天然氣和P2G設備產生天然氣平衡進行控制，減少對天然氣流影響；通過某跨區電網實際算例驗證所提方法的有效性。

1 棄風與供電缺口問題分析

由于輸電通道(地區和主網之間)傳輸功率約束，負荷高峰時段出現供電缺口，調峰能力不足，只能采取限負荷的方法。在風電大發的高峰時段，本地電網消納能力不足，調峰能力受限，且外送通道限制，會導致棄風。為分析地區1風電消納能力不足、地區2供電能力不足的電網特性，將該地區電網簡化如圖1所示：G1、G2分別表示地區1、地區2發電機組；L1、L2分別表示地區1、地區2負荷。

圖1 簡化電網

風電消納空間如式(1)表示。

Pwind,r,t=PL,t+Ptrans,t-Pf,min

(1)

式中：Pwind,r,t為風電消納空間；PL,t為負荷功率；Ptrans,t為聯絡線傳輸功率；Pf,min為火電機組最小技術出力。

棄風功率如式(2)所示，棄風電量Wwind,a如式(3)所示，棄風率計算如式(4)所示。

Pwind,a,t=max(Pwind,t-Pwind,r,t,0)

(2)

(3)

(4)

式中：σ為棄風率；Pwind,a,t為風電限電功率；Pwind,t為風電理論功率；T為風電限電總時間。

最大供電能力PTSC(total supply capability，TSC)為機組最大技術出力加上聯絡線通道傳輸功率，如式(5)表示。

PTSC=Pf,max+Ptrans,t

(5)

式中，Pf,max為機組可用最大技術出力。

供電缺口功率PL,a,t如式(6)所示，供電缺口電量WL,a如式(7)所示。

PL,a,t=max(PL,t-PTSC,0)

(6)

(7)

式中，T1為供電缺口總時間。供電不滿足要求的時段(即出現供電缺口時段)記為1，供電滿足要求時段記為0。供電缺口狀態σt判斷如式(8)所示，結合文獻[11]安全域提出供電缺口率γt如式(9)所示。

(8)

(9)

式中，N為供電時段總數。

2 含P2G的多能源網優化調度

2.1 含P2G的多能源網框架

含P2G的多能源網如圖2所示，地區1包括火電機組、風電機組和P2G設備，地區2包括火電機組、燃氣輪機、電制冷機及蓄冷器。P2G裝置主要包括兩個功能：地區1風電消納能力不足時，電轉氣促進風電消納；地區2供電能力不足時，通過電-氣-電途徑解決，天然氣流和電力流在圖中用箭頭表示。

圖2 含P2G的多能源網

2.2 電氣耦合框架

電氣耦合元件包括燃氣輪機和P2G，燃氣輪機將天然氣轉化為電能，P2G將電轉化為氫氣，然后甲烷化得到燃氣。

2.2.1 氣冷電能源模型

氣冷電能源模型中包括燃氣輪機和電制冷機，燃氣輪機能量轉化如式(10) 所示。

(10)

式中：fMT，t為燃氣輪機天然氣消耗流量；PMT，t為燃氣輪機電功率；ηMT,e為燃氣輪機發電效率；HG為天然氣熱值。

燃氣輪機發電成本CMT如式(11)所示。

CMT=a(PMT,t+γDMT,t)2+b(PMT,t+γDMT,t)+c

(11)

式中：a、b、c為機組能耗系數；γ為冷電功率變化相對量；PMT,t、DMT,t分別為微型燃氣輪機電、冷功率。

燃氣輪機發電功率和制冷功率關系KMT如式(12)所示，燃氣輪機機組電(熱)爬坡功率RP(D)MT,t約束和電(熱)功率上下限P(D)MT,t約束如式(13)—式(14)所示，燃氣輪機功率運行區域如圖3所示。

圖3 燃氣輪機功率運行區域

(12)

RP(D)MT,min≤RP(D)MT,t≤RP(D)MT,max

(13)

P(D)MT,min≤P(D)MT,t≤P(D)MT,max

(14)

式中：RP(D)MT,max、RP(D)MT,min分別為燃氣輪機電(冷)最大、最小爬坡功率；P(D)MT,min、P(D)MT,max分別為燃氣輪機電(冷)最大、最小功率。

冷負荷功率由燃氣輪機冷負荷和電制冷機負荷組成，如式(15)所示。

PL,c,t=PL,c,e,t+DMT,t

(15)

式中：PL,c,t為總冷負荷；PL,c,e,t為電制冷機冷負荷。

2.2.2 P2G設備-電氣能源模型

P2G轉化化學方程式如式(16)所示，能量轉化如式(17)所示。

(16)

(17)

式中：FP2G,t為P2G設備產生天然氣產量；ηP2G為P2G能量轉化效率；PP2G,t為P2G設備功率。

P2G設備產生天然氣需要同時滿足地區1和地區2需要，因此

PP2G,t=max(PP2G,1,t,PP2G,2,t)

(18)

式中，PP2G,1,t和PP2G,2,t分別為地區1和地區2的P2G設備所需功率。地區1的P2G設備所需功率等于減少棄風功率；地區2的P2G設備所需功率等于供電缺口減少功率。

P2G設備功率約束如式(19)所示。

PP2G,min≤PP2G,t≤PP2G,max

(19)

式中，PP2G,min、PP2G,max分別為P2G設備最小、最大技術出力。

3 分層優化調度模型

3.1 調度目標

電網調度任務為保障電網安全運行，減少供電缺口；支撐新能源消納，減少新能源限電；實現電網經濟高效運行，減少運行成本。為解決地區1出現的新能源棄風問題和地區2的供電缺口問題，通過新建P2G裝置，將地區1棄風時段電量轉化為天然氣通過天然氣管網在地區2消納。通過新建燃氣輪機，提高供電能力支撐減少供電缺口，提高冷負荷減少電負荷間接減少供電缺口。

調度目標為系統成本最小。

C總=Cwind,a+CL,a+CMT+CP2G+Cf+C主下

(20)

式中：Cwind,a為棄風成本；CL,a為供電缺口成本；CMT為燃氣輪機成本；CP2G為調用P2G裝置增加成本；Cf為火電機組運行成本；C主下為主網下網成本。

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：cwind,a、cL,a、cP2G、c主下分別為棄風、供電缺口、調用P2G設備和主網下網功率的單位成本；T2、T3和T4分別為P2G設備運行總時間、火電機組運行總時間和主網下網總時間；di、ei、εi分別為火電機組成本系數；P主下,t為主網下網功率。

3.2 約束條件

約束條件包括：地區1和地區2電功率平衡約束，見式(26)—式(27)；天然氣流量平衡約束，見式(28)；聯絡線功率約束，見式(29)；火電機組爬坡約束，見式(30)；火電機組功率約束，見式(31)。

(26)

(27)

FP2G,t=fMT

(28)

-Ptrans,k,max≤Ptrans,k,t≤Ptrans,k,max，k=1，2

(29)

Rf,i,min≤Rf,i,t≤Rf,i,max

(30)

Pf,i,min≤Pf,i,t≤Pf,i,max

(31)

式中：FP2G，t為P2G量設備天然氣制造量；Ptrans,k,max為地區k與主網聯絡線最大傳輸功率，結合圖2，地區1電力流上網為正方向，地區2電力流下網為正方向；Rf,i,min和Rf,i,max分別為第i臺火電機組最小、最大爬坡功率；Pf,i,min和Pf,i,max分別為第i臺火電機組最小、最大技術出力。

4 算例分析

4.1 地區情況

地區1、地區2負荷和風電如圖4、圖5所示。燃氣輪機冷電功率變化相對量為0.15；發電功率和制冷功率關系為0.75；發電效率為0.33；機組能耗成本系數a、b、c分別為0.053 2、 90.12、 7 175.4；最大、最小電功率分別為60 MW和10 MW；最大、最小冷功率分別為60 MW和0；最大電(冷)爬坡功率為45 MW。地區1與主網最大傳輸功率為200 MW,地區2與主網最大傳輸功率為700 MW。火電機組成本系數d、e、ε分別為0.078 42、 139.3、 9 604.4；最大、最小功率分別為300 MW和150 MW；最大電(冷)爬坡功率為110 MW。棄風成本為600元/MWh；限負荷成本為4000元/MWh(參考負荷參與需求側響應單價)；主網下網功率成本為250元/MWh；P2G設備功率為140 MW，P2G設備調用功率成本為200元/MWh。

圖4 地區1風電消納

圖5 地區2供電

4.2 仿真驗證

所研究問題為非線性規劃模型問題，調度時間粒度為5 min,采用LINGO11求解。地區1最大等效負荷(地區1負荷與風電差值)為856 MW，地區1最大傳輸功率為200 MW，因此地區1火電機組最大供電能力需要大于656 MW，則地區1火電機組300 MW開機3臺，最大開機功率為900 MW，地區1原調度情況和圖4相同。地區1調用P2G設備前后棄風對比如圖6所示。

由圖6計算可知，P2G設備參與調度后棄風電量為86.6 MWh；棄風率為1.06%，滿足國家棄風率小于5%要求，棄風率降低了90.6%；最大棄風功率為35.2 MW，相對原最大棄風功率降低79.9%。

圖6 地區1 P2G設備參與調度前后棄風對比

地區1的P2G設備參與調度前后聯絡線功率不變；P2G設備參與調度會增加地區1火電機組功率，因此地區1火電機組功率在P2G設備參與調度前后會發生變化。地區1聯絡線功率和P2G設備參與調度火電機組功率如圖7所示。

圖7 地區1聯絡線功率P2G設備參與調度前后火電機組功率

地區2最大負荷為2 411.2 MW，地區2最大傳輸功率為700 MW，因此地區2火電機組最大供電能力需要大于1 711.2 MW，則地區2火電機組300 MW應開機6臺，由于地區2火電機組只有5臺，最大開機功率為1500 MW，地區2原調度情況和圖5相同。調用燃氣輪機前后原供電缺口、現供電缺口對比和地區1火電機組為P2G設備制造天然氣轉化為地區2電+熱能力如圖8所示。

圖8 調用燃氣輪機前后供電缺口對比和電+熱能力

由圖5計算可知，地區2供電缺口功率最大為211.17 MW，供電缺口電量為541.5 MWh，相比總用電量45 676.3 MWh，缺口電量只占1.9%，但供電缺口率為26.7%。由圖8計算可知，調用燃氣輪機后地區2缺口功率最大為124.2 MW，供電缺口電量為230.4 MWh，缺口電量占0.4%，供電缺口率為15.3%，供電缺口率減少43.1%；地區1火電機組為P2G設備制造天然氣轉化為地區2電+熱能力和地區2原供電缺口存在重疊，因此燃氣輪機解決供電缺口會受到地區1火電機組為P2G設備制造天然氣影響。

地區2聯絡線原、現功率和P2G設備參與調度火電機組原、現功率如圖9所示。

圖9 地區2聯絡線功率和火電機組功率變化

P2G設備和燃氣輪機調用功率如圖10所示。

圖10 調用P2G設備和燃氣輪機功率

由圖4計算可知，地區1棄風最大功率達175.3 MW，棄風電量為918.9 MWh，棄風率為11.35%，棄風率較高，不符合國家棄風率低于5%的要求。由圖10計算可知，P2G設備調用1 340.5 MWh，燃氣輪機電+冷負荷調用833 MWh，減少棄風832.7 MWh,減少供電缺口電量311.1 MWh。

原方法中，地區1火電機組、地區1棄風、地區2火電機組、地區2供電缺口、主網下網成本、總成本分別為301.8、55.1、687.5、216.6、161.8和1 422.8萬元；現方法中，地區1火電機組、地區1棄風、地區2火電機組、地區2供電缺口、P2G設備、燃氣輪機和主網下網成本分別為310.5、5.2、680.3、92.2、159.1、26.8、24、1 298.1萬元。所提方法相比原方法節約成本124.7萬元。

4.3 參數敏感性分析

P2G設備功率和棄風電量與棄風率關系如圖11所示。

圖11 P2G設備功率和棄風電量與棄風率關系

由圖11可知，棄風電量與棄風率隨P2G設備功率增大而減少， P2G設備功率為80 MW時，棄風率為4.67%，符合國家棄風率小于5%要求；最大棄風功率為95.2 MW，相對原最大棄風功率降低45.7%。

棄風電量與棄風率與P2G設備功率呈現近似線性關系，為探究其近似線性關系原因，統計原棄風功率概率分布，如圖12所示。

圖12 原棄風功率分布

由圖12可知，原棄風功率分布數量大部分近似相等，主要分布在風電功率大發期間的風電功率上升和下降階段；棄風功率分布數量較大時段主要位于風電峰值時間段。

燃氣輪機電+冷能綜合利用率約為62%，因此P2G最大功率為140 MW時，轉化為燃氣輪機電+冷能最大功率約為87 MW，因此燃氣輪機產生能量從而減少供電缺口和燃氣輪機最大電+冷功率直接相關；燃氣輪機最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關系如圖13所示。

由圖13可知，供電缺口電量隨著燃氣輪機最大電+冷功率增大其降低速度逐漸變緩。供電缺口最大功率下降呈線性關系。供電缺口比例與燃氣輪機最大電+冷功率呈現先迅速降低，后緩慢降低關系。供電缺口和燃氣輪機最大電+冷功率相關，且由圖8可知其與地區1 P2G設備產生天然氣相關，為探究其相互之間關系，其供電缺口功率分布統計如圖14所示。

圖13 燃氣輪機最大電+冷功率與供電缺口電量、供電缺口最大功率和供電缺口比例關系

圖14 供電缺口功率分布

由圖14可知，原供電缺口在40～70 MW之間分布雖然較多，但受到地區1 P2G設備制造天然氣影響，不能有效解決該區間供電缺口問題。原供電缺口在120～140 MW及160～190 MW之間分布較多，但地區1 P2G設備制造天然氣轉化為燃氣輪機電+熱能最大功率為124 MW，不能有效解決該區間供電缺口問題。原供電缺口在0～30 MW之間分布解決較好，同時驗證圖13之間關系的正確性。

5 結 論

針對輸電通道傳輸功率約束導致不同地區負荷高峰時段供電缺口和風電高峰時段棄風問題，通過新建燃氣輪機解決供電缺口問題;通過P2G解決棄風問題；通過對燃氣輪機消耗天然氣和P2G設備產生天然氣平衡進行控制，減少對天然氣流影響。該方法能夠有效解決棄風和供電缺口問題，棄風(供電缺口)隨著P2G設備(燃氣輪機)功率的增大減少速度會放緩。

由于負荷同時率特性，地區1通過P2G設備為地區2供應天然氣會受到限制，會影響燃氣輪機解決地區2供電缺口問題；此外由于燃氣輪機受到地區1P2G設備制造天然氣影響，不適宜投資功率過大的P2G設備，在后續研究中將通過其他不受設備和負荷同時率限制的設備參與調度，解決供電缺口問題。