1、第 41 卷 第 1 期2023 年 1 月 广西师范大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition)Vol.41 No.1Jan.2023DOI:10.16088/j.issn.1001-6600.2022030306http:粟世玮,郝翊彤,宋玉娇,等.含风电-氢能-电转气的园区综合能源系统优化调度J.广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1):48-57.SU S W,HAO Y T,SONG Y J,et al.Optimal dispatch of park integrated
2、 energy system including wind power-hydrogen energy-P2GJ.Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition),2023,41(1):48-57.?含风电-氢能-电转气的园区综合能源系统优化调度粟世玮1,2,郝翊彤1,宋玉娇3,张 磊1,智 李1,郝翊帆4(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学),湖北 宜昌 443002;3.国网河北省电力有限公司赵县供电分公司,河北 石家庄 051530;4.西安
3、工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)摘 要:由风力发电与电转气相结合的综合能源系统是实现能源高效利用的有效途径,具有巨大发展潜力,其合理规划调度是一个亟待解决的关键问题。本文将电转气运行过程细化为电制氢气和氢气甲烷化两阶段,在电解水制氢阶段结合氢能需求这一未来发展趋势,将不稳定的风电转化为氢气,供给氢负荷;其次以运行成本和碳排放成本之和最小为目标,建立含风电-氢能-电转气(power to gas,P2G)的园区综合能源系统经济优化调度模型,算例仿真表明,相比包含传统电转气的系统,所建模型可实现能量高效利用,提高综合能源系统的经济性和低碳性,总成本降低 16.61%;最后引入权重
4、系数,对系统进行灵敏度分析,得出其合理区间范围,以供参考。关键词:园区;综合能源系统;氢气;电转气;低碳;优化调度中图分类号:TM73;TK01 文献标志码:A 文章编号:1001-6600(2023)01-0048-10随着化石能源危机和环境污染问题的逐渐加剧,能源转型和现代化能源体系建设迫在眉睫。由于风力发电具有较为明显的间歇性、不确定性以及反调峰特性,使得弃风现象严重。近年来,随着综合能源系统(integrated energy system,IES)这一概念的提出,其与可再生能源的相互耦合将极大提高能源利用效率,减少污染排放1-3。其中,电力网络与天然气网络是当前能源领域 2 个最主要
5、的大规模传输载体,因此两者之间的耦合关系一直受到广泛关注。通常可借助燃气轮机等设备将天然气转化为电能,而电转气技术可将电能转化为天然气或氢气,进而实现电力网络与天然气网络之间能量的双向流动,为消纳风电等可再生能源提供一个新的方案。同时,加入储能装置可以提高可再生能源利用率,与其他储能方式相比,储氢在清洁、绿色等方面具有明显优势。作为解决可再生能源消纳问题的重要方法,氢能可以从源头上实现零碳或低碳,并可直接高效利用,例如为氢燃料汽车或某些化学过程提供原料,具有广泛的发展前景。近年来氢能产业在我国获得了前所未有的关注,国务院、国家发改委、国家能源局等多部门都陆续印发关于支持、规范氢能源行业的发展政
6、策,例如国务院印发了关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见(国发20214 号),内容涉及氢能源发展技术路线、加氢站等基础设施建设、燃料电池车发展等。包含传统 P2G 的 IES 通常将电解水制得的氢气全部传输至甲烷反应器,产生天然气,文献4分析了电转甲烷储能技术所涉及的关键环节,并对其发展趋势进行了展望;文献5基于能量枢纽概念,建立以电网和天然气网为供能网络的通用型含电转气多能系统模型,结果表明含 P2G 多能系统的协同调度具有较高的综合收益,所建模型比只含有不同能源间的转换设备的场景 1 节省约为 19.33%,比在场景 1 基础上增加供给模块的场景 2 节省约为 4.66%;
7、文献6将电转气技术与碳捕集系统耦合,建立一种高比例可再生能源渗透水平下的经济低碳多目标优化模型,减少了二氧化碳排放,并对 P2G 设备容量的敏感性进行分析,提出影响 P2G 容量规划的因素,文章所提模型在模拟仿真中可以提供 100%的电力供应,88.02%收稿日期:2022-03-03 修回日期:2022-03-28基金项目:国家自然科学基金(52007103);梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室开放基金(2019KJX08);清华大学重点实验室开放课题(SKLD17KM07)通信作者:粟世玮(1979),女,广西桂林人,三峡大学副教授。E-mail:http:的燃气自给以及 76.12%的
8、热力供给;文献7构建了含 P2G 和风电的双层优化调度模型,有效提高了电网的风电消纳能力,所提场景较未考虑 P2G 的场景风电利用率提高 8.3%。然而,P2G 第一阶段电制氢气的效率较第二阶段氢气甲烷化高约 42%67%,为实现能量的高效利用,需充分合理地调控 P2G 两阶段运行过程。现有研究中,大多数 IES 架构未考虑氢能广泛的应用场景,对于 P2G 两阶段不同的效率也没有合理调控,导致电转气效率较低,优化目标也只考虑经济性,未考虑环保性。为消纳弃风、提高能量利用效率,同时将氢能拥有的巨大潜力考虑到 IES 背景中,本文构建含风电-氢能-P2G 的园区综合能源系统,以系统运行成本和碳排放
9、成本之和最低为目标函数,建立含风电-氢能-P2G的园区综合能源系统优化调度模型,由于不需要从外界购氢,园区能量一定程度上实现自给自足,增强了园区能量供给的自主性。通过算例分析验证该模型可提高系统经济性和能量高效利用。最后引入权重系数,对算例进行灵敏度分析,选取出系数合理区间范围,为决策者提供参考。1 含风电-氢能-P2G 的园区综合能源系统本章首先给出园区 IES 能量流向图,然后分析电转气两阶段运行过程,最后对各组成设备进行数学建模。1.1 园区综合能源系统结构我国东北、华北北部和西北地区拥有全国 80%的风电资源,风力资源丰富8-14,但由于风能的随机性以及反调峰特性,弃风率高达 15%3
10、5%。本文所构建的系统通过热电联产(combined heat and power,CHP)机组和 P2G 可以实现电力网络与天然气网络间能量的双向流动,通过电解槽将不稳定的风能转化为氢能,提高风电消纳水平,实现能量高效利用。园区综合能源系统的能量流向如图 1 所示。系统由风能、上级电网、上级气网供能,能量转换设备包含热电联产机组、电解槽、甲烷反应器和燃气锅炉,负荷侧为电负荷、氢负荷和热负荷。1.2 电转气作用机理电转气包含电制氢气或天然气 2 种类型15-16,其中电制氢气效率可达 75%85%,电转天然气效率为45%60%,其两步化学方程式为:2H2O电解2H2+O2,CO2+4H2催化剂
11、CH4+2H2O。(1)传统的 P2G 系统17-19是将电解水产生的氢气全部甲烷化产生天然气,若系统中有氢负荷,氢负荷需求一般通过购买获得,不仅安全性有所降低,也无法高效利用 P2G。而本文构建的含风电-氢能-P2G 的园区 IES,考虑到第一步电制氢气效率较高,且未来系统将有氢能需求这一发展趋势,结合这 2 个因素绘制了如图 2 所示的电转气运行过程图。首先将原本可能被弃掉的风电经整流通入电解槽产生氢气,存入储氢罐供给氢气负荷,若有剩余,则将其通入甲烷反应器生产甲烷,提供给 CHP 机组和燃气锅炉使用,这样不仅可以实现能量高效利用,还降低了购氢运氢过程中的危险性,实现双赢。1.3 设备建模
12、1.3.1 CHP 机组CHP 机组是综合能源系统中的核心能流耦合设备20-22,其数学模型如式(2)所示。PCHPh=pCophPCHPe(1-w-s)/w,PCHPg=PCHPewHL。|(2)式中:PCHPh和 PCHPe分别为 t 时段 CHP 机组输出热功率、输出电功率;Coph和 p分别为溴冷机的制热系数和烟气回收率;w和 s分别为微燃机发电效率和散热损失率;PCHPg为 t 时段 CHP 机组的耗气功率;HL为天然气热值,取 9.7 kWh/m3。94广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(1)电负荷上级电网风电电解槽储氢罐氢负荷甲烷反应器上级气网CHP机组热负荷燃气锅炉
13、电力流氢气流天然气流热力流图 1 园区综合能源系统能量流向Fig.1 Energy flow diagram of the integrated energysystem in the park 风电电解槽储氢罐甲烷反应器氢负荷H2O2H2OCH4图 2 电转气运行过程Fig.2 P2G operation process diagram1.3.2 燃气锅炉燃气锅炉可将天然气转化为热能供给热负荷,其数学模型如式(3)所示。PGBh=GBPGBg,(3)式中:PGBh和 PGBg分别为 t 时段燃气锅炉的输出热功率和耗气功率;GB为燃气锅炉的产热效率。1.3.3 电解槽电解槽可以通过电解水将电能
14、转化为氢气,其数学模型如式(4)所示。PEC=ECPECi,(4)式中:PEC和 PECi分别为 t 时段电解槽的输出功率和输入功率;EC为电解槽的转化效率。1.3.4 甲烷反应器氢气与 CO2在甲烷反应器中经 Sabatier 反应生成 CH4和水,其中,甲烷反应器数学模型如式(5)所示。PMR=MRPMRi,(5)式中:PMR和 PMRi分别为 t 时段甲烷反应器的输出功率和输入功率;MR为甲烷反应器的转化效率。1.3.5 储氢罐储氢罐可为氢负荷提供稳定且可供调度的氢源,其数学模型如式(6)所示。EHST,t+1=EHST,t+HSTiPHSTi,t+1-PHSTo,t+1HSTo,(6)
15、式中:EHST,t为 t 时段储氢罐容量;PHSTi和 PHSTo分别为 t 时段储氢罐的输入、输出功率;HSTi和 HSTo分别为储氢、放氢效率。2 含风电-氢能-P2G 的园区综合能源系统经济优化调度模型本章首先给出该低碳经济优化调度模型的目标函数和约束条件,然后给出模型的求解方法。2.1 目标函数为实现经济性最优和碳排放最低,本文引入碳税 ctax,将碳排放量转化为碳排放成本,从而使多目标问题转变为单目标优化问题,再进行求解。以园区运行成本 F1和碳排放成本 F2之和最小为目标函数,如式(7)所示。min F=F1+F2,F1=cbuy+co,F2=ctax24t=1(eCHP+eGB)
16、。|(7)式中:F 为运行成本 F1与碳排放成本 F2之和;cbuy和 co分别为购能成本和运维成本;eCHP和 eGB分别为 CHP05http:机组碳排放成本和燃气锅炉碳排放成本。2.1.1 运行成本 F1运行成本包括购能成本 cbuy和运维成本 co,如式(8)所示,其中,购能成本包含购电成本和购气成本,运维成本为各设备在 t 时段运行维护成本之和。cbuy=24t=1(cePbuye+cgPbuyg),co=24t=1KiPi。|(8)式中:ce和 cg分别为单位购电、购气价格;Pbuye和 Pbuyg分别为 t 时段从上级网络中购买的电量与天然气量;Ki为设备的单位可变运行维护成本;Pi为设备在 t 时段的出力。2.1.2 碳排放成本 F2碳排放成本包括 CHP 机组碳排放成本 eCHP和燃气锅炉碳排放成本 eGB两部分,如式(9)所示,其中eCHP为 CHP 机组碳排放量 cCHP和碳排放配额 cCHPb之差。eCHP=cCHP-cCHPb,eGB=GBPGBh。(9)PCHP=PCHPe+PCHPh,cCHP=24t=1(1P2CHP+2PCHP+3),cCHPb=24t