考慮風電消納的區域綜合能源系統多能互補優化方案對比分析

姜 濤，張啟蒙，蔣振國，李貴浩，許真

（1.國網重慶市電力公司市北供電分公司，重慶 401147；2.國網天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250；3.內蒙古電力集團有限責任公司呼和浩特供電公司，呼和浩特 010010；4.國網浙江省電力有限公司麗水市蓮都區供電公司，浙江 麗水 323000；5.國網四川省電力公司蒼溪縣供電分公司，四川 廣元 628000）

0 引言

“雙碳”戰略目標下，構建以新能源為主體的新型能源系統迫在眉睫。RIES（區域綜合能源系統）通過風、光、天然氣、地熱和空氣能等多種能源進行多能互補耦合供能，有效提升了用能效率并降低能源轉換過程中的污染排放，從而助力“雙碳”目標實現［1-3］。然而，隨著RIES 中可再生能源裝機容量占比不斷提高，冬季CCHP（冷熱電聯供）機組“以熱定電”運行模式導致的棄風問題日益突出［4］。如何實現供暖季風電綠色能源的有效消納，成為現階段的研究重點。

多能互補是依據供能側各類能源利用條件和用戶端各類負荷需求信息，采用風、光、氣等多種能源互為補充協調供能，以緩解單一能源供需矛盾，從而有效應對可再生能源消納問題［5］。目前利用多能互補以提升RIES風電消納的研究多集中于電-氣多能互補和電-熱多能互補層面。

P2G（電轉氣）是將電能轉換為氣體燃料的技術，通過其消納棄風并耦合轉換為易于存儲與運輸的天然氣，能夠實現RIES 電-氣多能互補，從而提升系統可再生能源消納能力與運行效益。文獻［6-7］基于P2G 工作原理，闡述了電-氣互聯系統建模理論與求解方法。文獻［8］建立了P2G參與優化運行的電-氣互聯系統低碳調度模型，有效提升了系統風電消納水平。文獻［9-10］考慮P2G 運行特性，建立了電-氣互聯系統P2G 容量規劃模型。上述文獻圍繞P2G 進行了優化調度、容量規劃研究，但均忽略了P2G 反應過程中的強放熱特性，從而造成余熱資源嚴重浪費。

在電-熱多能互補層面，利用電制熱設備將棄風電能耦合轉換為調峰熱源以降低CCHP 機組熱電耦合發電功率，能夠應對系統風電消納困局［11］。常見電制熱裝置包括電鍋爐、熱泵等，其中熱泵憑借高能效、無污染的優點，已成為“雙碳”目標下電-熱轉換的重要方式。文獻［12］引入ASHP（空氣源熱泵）參與優化調度，通過解耦能量約束提高系統風電消納能力。文獻［13］面向分布式能源供應系統，采用改進粒子群算法求解含ASHP的優化調度模型，促進風電并網消納。文獻［14］以商業園區為研究對象，針對酒店用戶采用ASHP替代燃氣鍋爐進行供熱，通過電-氣能源替代來提升系統風電消納能力。上述文獻針對ASHP電-熱多能互補特性進行研究，但忽略了環境溫度對ASHP 制熱能效的影響，并且未對電-氣、電-熱多能互補方案優選性進行分析。

綜上所述，本文針對RIES多能互補優化方案進行研究，分別建立計及反應余熱回收利用的P2G 電-氣多能互補模型、考慮環境溫度影響的ASHP變工況運行電-熱多能互補模型。通過優化軟件CPLEX對建立的各類多能互補模型求解，并從經濟性、棄風率、綜合能效等方面對比仿真結果，分析多能互補方案的優選性。

1 多能互補RIES調度架構

EH（能量樞紐）是RIES 抽象化的表現形式，包含多能源形式輸入、多類型負荷輸出和能源耦合轉換環節［15］。優化配置EH設備類型能夠有效提升RIES 綜合效益。本文采用EH 對RIES 能源輸入、轉換、分配進行分析，同時由于P2G和ASHP作為系統內部能源耦合設備，并未直接參與能源輸入輸出轉換，因此引入P2G和ASHP矩陣對EH進行補充。含P2G和ASHP的EH數學模型為：

式中：Pin為能源輸入矩陣；Pout為負荷需求矩陣；C為能源耦合轉換矩陣；PP2G和PASHP分別為P2G和ASHP對EH的補充矩陣。

1.1 計及反應余熱再利用的P2G電-氣多能互補模型

含P2G 的RIES 電-氣多能互補調度架構如圖1所示。

圖1 含P2G的電-氣多能互補架構

由于供熱季棄風主要集中于夜間風電高發時段，因而棄風功率Pwd（t）可表示為：

式中：Pw（t）為t時段風電發電功率；PGT（t）為t時段燃氣輪機功率；PFC（t）為t時段燃料電池功率；Pgrid（t）為t時段聯絡線傳輸功率，正值表示購電，負值表示售電；Pe（t）為t時段系統電負荷。

同時，棄風功率Pwd（t）也可表示為：

式中：λe（t）為t時段風電分配至集電器的系數。

P2G化學反應分為2個過程，其中電制氫為前置階段，氫制天然氣為第二階段。由于氫氣存儲難度較高、運輸危險，P2G 通常采用二階段過程運行。P2G化學反應式及數學模型表示為：

式中：為t時段P2G 電解制得的天然氣氣體體積；ψ1和ψ2分別為P2G 第一階段和第二階段效率；KCH4為天然氣低熱值，取9.7 kWh/m3。

P2G 甲烷化過程中會釋放出反應余熱，目前該部分余熱通常被直接排放處理，造成余熱資源大量浪費。根據文獻［16］，P2G每消耗1 MWh電能，可注入至熱網利用的反應余熱約為0.118 8 MWh。計及反應余熱再利用的P2G多能互補優化原理如圖2所示。由于冬季電、熱負荷呈現相反態勢，棄風多集中于夜間負荷低谷（采暖負荷高峰），利用P2G 運行反應余熱進行輔助供暖，能夠降低CCHP 機組承擔的供熱峰荷，從而改善燃氣輪機在用熱高峰期的調節能力，促進風電并網消納。此外，現階段P2G 投資成本依然較高，對其反應熱進行再回收，能夠減少因消納棄風所需要的P2G配置容量，降低系統投資建設成本。

圖2 計及P2G反應余熱利用的優化原理

考慮P2G反應余熱利用的EH數學模型為：

式中：Ph為系統熱負荷；Pv為光伏發電功率；Pgas為天然氣輸入功率；ηGT和ηFC分別為燃氣輪機和燃料電池發電效率；а和β分別為輸入天然氣分配至燃氣輪機和燃料電池的系數，且а+β=1；γ和ω分別為P2G 制得的天然氣分配至燃氣輪機和燃料電池的系數，且γ+ω=1；ηloss為燃氣輪機煙氣散熱系數；ηrec和分別為溴冷機煙氣余熱回收率和制熱效率。

1.2 考慮空氣能利用的ASHP電-熱多能互補模型

含ASHP 的RIES 電-熱多能互補調度架構如圖3所示。ASHP以空氣熱能為利用對象，利用逆卡諾循環將空氣中的低品位熱能轉化為高品位熱能加以使用，可實現夏季制冷、冬季采暖。憑借高能效、無污染的優點，ASHP 已成為支撐“雙碳”目標實現的重要手段。對于冬季供熱而言，室外溫度越低，ASHP室外機吸收環境熱量越困難，因此其制熱效能隨著環境溫度的降低而不斷衰減。

圖3 含ASHP的電-熱多能互補架構

考慮環境溫度影響的ASHP 變工況數學模型［17］為：

式中：PASHP（t）和分別為t時段ASHP 輸入電功率和輸出熱功率；為t時段ASHP 制熱能效；Tout（t）為t時段室外環境溫度。

ASHP 電-熱優化原理如圖4 所示。一方面，利用ASHP“荷”的特性，在夜間風電高發時段啟動ASHP 進行供熱，通過增加用電負荷來消納部分棄風；另一方面，充分發揮ASHP“源”屬性，利用ASHP 對熱能耦合環節進行優化以提高CCHP 機組供能靈活性，通過承擔CCHP 機組部分供熱負荷來釋放因燃氣輪機熱電耦合運行方式而擠占的風電并網空間。

圖4 ASHP電-熱多能互補優化原理

含ASHP的EH數學模型表示為：

2 RIES電-氣、電-熱多能互補調度模型

2.1 目標函數

良好的經濟效益是RIES可持續推廣的核心所在。根據電-氣、電-熱多能互補特性的不同，建立P2G和ASHP參與能源耦合優化的RIES經濟優化模型。目標函數為日前階段系統綜合費用最低，表示為：

式中：Ccost為系統綜合運行成本；Cfuel（t）、Com（t）、Cwd（t）、Cen（t）分別為t時段系統燃料成本、運維成本、棄風懲罰成本、環境成本；Cgrid（t）為t時段電能交互成本；為多能互補設備p的日投資成本；k為多能互補設備集合，包含P2G和ASHP；T為時段總數。

各成本表達式為：

式中：CCH4為天然氣單價；Pi（t）和Ki分別為t時段可控機組i的電功率和單位功率維護成本；Pj（t）和Kj分別為t時段可再生能源機組j的電功率和單位功率維護成本；Pbuy（t）和Psell（t）分別為t時段系統購電和售電功率；Cbuy（t）和Csell（t）分別為t時段系統購電和售電電價；X和Y為0-1變量，分別表征系統購電和售電狀態；Pw，grid（t）為t時段風電并網功率；Cw，dc為單位棄風懲罰費用；M為污染物質種類集合；為可控機組i單位功率對應的污染物質r排放量；為單位購電功率對應的污染物質r排放量；Cr為污染物質r單位排放懲罰費用；γp、Sp、rp、λp分別為多能互補設備p的貼現率、規劃容量、使用壽命、單位功率投資成本。

2.2 約束條件

1）多能互補電平衡約束為：

2）電-氣多能互補熱平衡約束為：

3）電-熱多能互補熱平衡約束為：

4）可控機組運行約束為：

5）可控機組爬坡約束為：

6）聯絡線功率傳輸約束為：

7）系統正旋轉備用約束為：

8）棄風率約束為：

9）網絡平衡約束參考文獻［18］，此處不再贅述。

式（12）—（19）中：Pp（t）為t時段多能互補設備p消納電功率，設備類型為P2G或ASHP；和分別為可控機組i出力上限和下限；和分別為可控機組i爬坡功率上限和下限；和分別為聯絡線傳輸功率上限和下限；PFC（t）為t時段燃料電池電功率，為其上限；εe和εREG分別為電負荷和可再生能源機組設置的正備用系數；αw為系統允許棄風率。

2.3 綜合運行能效

提升能源利用效率是多能互補目的之一。為對比電-氣多能互補與電-熱多能互補能效優勢，采用綜合運行能效ηce來衡量P2G 和ASHP 優化運行下的RIES綜合能源利用效率。計算公式為：

式中：ηf和ηg分別為發電廠發電效率和電網傳輸效率。

3 算例分析

3.1 算例數據

算例系統結構如圖5所示。風、光、負荷數據參考文獻［4］并進行等比例擴大，如圖6 所示。機組參數如表1所示，電價信息如表2 所示［4］，環境參數參考文獻［19］。P2G（計及了反應余熱利用）和ASHP 容量按照全額消納棄風情況進行配置，SP2G=1 716 kW，SASHP=687 kW。其他參數取值如下：ηGT=0.35，ηFC=0.5，ηrec=0.85，ηloss=0.15；ηLB，h=1.2；ψ1=ψ2=0.8；ηf=0.35，ηg=0.9，εe=5%，εREG=20%，αw=10%；Cw，dc=0.05元/kWh。

圖5 多能互補算例系統結構

圖6 RIES源荷信息

表1 機組參數

表2 RIES與主網間電價信息

由燃氣輪機、燃料電池度電成本計算公式可知，燃氣輪機度電成本為0.74元/kWh，燃料電池度電成本為0.52 元/kWh，在7—22 時段均低于系統購電電價、售電電價。

3.2 電-氣多能互補優化結果分析

電-氣多能互補調度結果如圖7所示。由于風電反調峰特性明顯，在夜間用電負荷低谷風電維持較高出力水平，燃氣輪機“以熱定電”運行方式使其發電功率呈現出“夜高晝低”特性，加之系統聯絡線外送容量不足，源網荷三方面因素疊加導致在1—8和24時段系統出現棄風。引入P2G進行電-氣多能互補優化后，在棄風時段P2G將棄風電能耦合轉化為天然氣以供給燃氣機組使用，從而降低系統外購天然氣量，在促進風電消納的同時降低系統運行成本。

圖7 電-氣多能互補調度結果

計及P2G 反應熱回收對燃氣輪機和系統綜合運行的影響如圖8、圖9所示。隨著P2G配置容量的增加，棄風電量能夠更多地被耦合轉換為天然氣，因此系統棄風率呈逐步下降趨勢。同時，P2G 反應熱作為新的供熱熱源，緩解了CCHP 機組在風電高發時段的供熱壓力，擴大了燃氣輪機熱電耦合運行模式擠占的風電并網空間，提高了系統消納棄風能力。在全額消納棄風場景下：不計P2G 熱利用時，P2G 配置容量為1 856 kW，系統成本為63 941.22 元；考慮P2G 熱利用后，P2G配置容量為1 716 kW，系統成本為63 113.26 元。因此，考慮P2G 反應熱利用，能夠減少因消納棄風所需的P2G配置容量，降低系統綜合運行成本。此外，計及P2G反應熱回收后系統成本有所減少，主要原因是燃氣輪機熱電耦合發電功率在1—8 時段有所降低，從而降低了系統燃料成本。

圖8 P2G反應熱回收對燃氣輪機的影響

圖9 P2G反應熱回收對系統運行的影響

3.3 電-熱多能互補優化結果分析

ASHP熱電優化調度結果如圖10所示。在1—6、23、24電價低谷時段，與系統購電、售電電價相比，燃氣輪機單位供電成本更高，此時段內優先調用ASHP 供熱以減少CCHP 機組承擔的供熱負荷，從而降低燃氣輪機供電出力；在時段7和時段8內系統存在棄風，此時可調用ASHP進行輔助供熱以促進該部分棄風的并網消納，從而提高系統運行收益。

圖10 電-熱多能互補調度結果

ASHP 配置容量對系統運行的影響如圖11 所示。隨著ASHP 配置容量不斷提升，夜間用熱高峰期ASHP替代CCHP機組承擔的供熱負荷增多，燃氣輪機“熱電耦合”對棄風現象的改善效果增強，因此系統棄風率隨著ASHP 配置容量的增加而逐步下降。同時，ASHP 的使用減少了用熱高峰期燃氣輪機的燃氣使用量，提高了系統運行效益。

圖11 ASHP容量對系統運行的影響

3.4 成本分析

各多能互補方式系統運行成本如表3所示。對于電-氣多能互補而言，配置P2G能夠有效改善系統棄風情況，但受限于P2G較高的投資建設成本，系統運行成本改善并不明顯，并且在實現風電全額消納場景下（即棄風率為0），系統運行成本會高于未配置P2G 場景。對于電-熱多能互補而言，ASHP 單位投資建設成本較低，并且具有較高的制熱能效，因此在不同棄風消納場景下系統運行成本均能得到明顯改善，在棄風率為0時，系統運行成本較未配置ASHP場景降低了10.89%。

表3 各場景的系統運行成本

3.5 綜合能效分析

各場景系統綜合能源利用效率如表4所示。當引入P2G和ASHP 分別參與電-氣多能互補和電-熱多能互補時，在風電全額消納場景下系統綜合能效分別提高了2.85%和7.61%。其中，ASHP具有較高的電-熱轉換效率，棄風電量能夠高效地被其耦合轉換為熱能，因此ASHP 熱電優化場景的系統綜合能效更具優勢。

表4 各場景的系統綜合能效

4 結論

為應對冬季RIES 棄風問題，從電-氣多能互補、電-熱多能互補角度分別提出風電消納方案，以經濟性最優為目標建立多能互補優化模型，對仿真結果進行對比分析，得到如下結論：

1）對P2G 反應余熱進行回收供熱，能夠減少因消納棄風所需要的P2G 配置容量，并降低系統運行成本。

2）P2G 和ASHP 均能有效提高系統風電消納水平，但受限于P2G 較高的投資建設成本，其參與電-氣多能互補優化時，系統運行成本改善效果弱于ASHP電-熱多能互補場景。

3）ASHP具有較高的電-熱轉換效率，其參與電-熱多能互補優化時，系統綜合運行能效提升較P2G電-氣多能互補場景更明顯。