趙有林，邱曉燕，趙長樞，張浩禹，張楷，李凌昊

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

隨著全球環(huán)境污染及能源短缺問題的加劇，可再生能源的發(fā)展受到越來越多的重視，我國提出在2030年可再生能源達(dá)到一次能源消費(fèi)比重的20%，預(yù)計(jì)風(fēng)電消費(fèi)比重將達(dá)到10%[1]。但是由于風(fēng)電出力隨機(jī)性大、波動(dòng)性強(qiáng)及電網(wǎng)建設(shè)不同步等原因使得目前棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此大規(guī)模、高比例風(fēng)電的建設(shè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。在風(fēng)電場(chǎng)投建電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）系統(tǒng)，將過剩的風(fēng)電轉(zhuǎn)化成天然氣存儲(chǔ)在氣網(wǎng)中，為大規(guī)模、高比例風(fēng)電的消納提供了新途徑[2]。目前，有關(guān)P2G消納新能源發(fā)電的研究已經(jīng)逐步展開：文獻(xiàn)[3]利用P2G技術(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)解決了電-氣綜合能源系統(tǒng)凈負(fù)荷削峰填谷問題，但只考慮了燃?xì)廨啓C(jī)電出力，忽略了熱出力；文獻(xiàn)[4]對(duì)P2G消納風(fēng)電的效益進(jìn)行了分析，但并未考慮機(jī)組出力的爬坡功率約束，使調(diào)度結(jié)果出現(xiàn)偏差；文獻(xiàn)[5]從促進(jìn)風(fēng)電調(diào)度方面對(duì)P2G進(jìn)行研究，但對(duì)P2G系統(tǒng)的建模比較粗略；文獻(xiàn)[6]將P2G應(yīng)用于微網(wǎng)，驗(yàn)證了P2G有利于改善微網(wǎng)中的棄風(fēng)現(xiàn)象，文中雖然分析了電轉(zhuǎn)氫的優(yōu)勢(shì)，但研究過程仍只考慮將風(fēng)電轉(zhuǎn)化成甲烷存儲(chǔ)在氣網(wǎng)中，使得P2G應(yīng)用于微網(wǎng)時(shí)能量損失過大；文獻(xiàn)[7]評(píng)估了P2G在微網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)期對(duì)可再生能源的消納能力，但其將氫氣直接注入到天然氣網(wǎng)，沒有考慮氫氣對(duì)天然氣管道造成的危害。上述文獻(xiàn)都證明了P2G有利于風(fēng)電的消納，但只將P2G設(shè)備看成是能量型儲(chǔ)能[8]，即將風(fēng)電直接轉(zhuǎn)化成甲烷存儲(chǔ)到天然氣網(wǎng)中，雖然存儲(chǔ)容量大，但是轉(zhuǎn)化效率低、能量損失大且經(jīng)濟(jì)性差。

鑒于此，文獻(xiàn)[9-10]將P2G分為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個(gè)過程進(jìn)行研究，形成電-氫-電高效型儲(chǔ)能和電-天然氣-電能量型儲(chǔ)能兩種模式。但是對(duì)甲烷化環(huán)節(jié)處理過于簡單，并未考慮啟停過程。實(shí)際上甲烷化啟停過程中存在冷、熱啟動(dòng)和長、短期停車多個(gè)狀態(tài)，各狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的時(shí)間達(dá)到h級(jí)[11-12]，所以這種方法難以保障調(diào)度結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，本文在把P2G過程精細(xì)化為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，考慮了甲烷化環(huán)節(jié)短期停車至熱啟動(dòng)過程的耗時(shí)耗能特性，建立了甲烷化環(huán)節(jié)的啟動(dòng)模型和運(yùn)行模型?；谏鲜瞿Ｐ吞岢隽藲怆娐?lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法，并考慮了機(jī)組出力的爬坡功率約束，以期促進(jìn)風(fēng)電消納，提高電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的利用率，優(yōu)化氣電聯(lián)合微網(wǎng)的機(jī)組出力。

1 氣電聯(lián)合微網(wǎng)能量流動(dòng)及P2G精細(xì)化建模

1.1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能量流動(dòng)

將P2G精細(xì)化為電轉(zhuǎn)氫和氫氣甲烷化兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中電轉(zhuǎn)氫環(huán)節(jié)運(yùn)行成本低、轉(zhuǎn)化效率高（75%～80%），但存儲(chǔ)容量有限。甲烷化環(huán)節(jié)運(yùn)行成本高，將電轉(zhuǎn)化成甲烷能量損失大、效率低（55%～60%），但轉(zhuǎn)化成的天然氣可以存儲(chǔ)在天然氣網(wǎng)中，存儲(chǔ)容量大。當(dāng)微網(wǎng)中配備的高壓儲(chǔ)氫罐能夠存儲(chǔ)由盈余風(fēng)電轉(zhuǎn)化的氫氣時(shí)，只需啟用電轉(zhuǎn)氫環(huán)節(jié)消納風(fēng)電，否則就要啟動(dòng)甲烷化環(huán)節(jié)將盈余風(fēng)電產(chǎn)生的氫氣轉(zhuǎn)化成天然氣存儲(chǔ)在天然氣網(wǎng)之中。當(dāng)微網(wǎng)出現(xiàn)電功率缺額時(shí)，開啟氫氧燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)為微網(wǎng)供電。這樣就分別構(gòu)成了電-氫-電高效型閉環(huán)流動(dòng)圈和電-天然氣-電能量型閉環(huán)流動(dòng)圈。微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及能量流動(dòng)如圖1所示。

圖1 氣電聯(lián)合微網(wǎng)能量流動(dòng)圖Fig.1 Energy flow diagram of microgrid in gas-electricity combined system

1.2 P2G精細(xì)化建模

1.2.1 電轉(zhuǎn)氫模型

1.2.2 儲(chǔ)氫罐模型

電解水產(chǎn)生的氫氣要經(jīng)過壓縮機(jī)加壓存儲(chǔ)在儲(chǔ)氫罐中。儲(chǔ)氫罐模型為

1.2.3 氫氣甲烷化模型

甲烷化啟停包含冷、熱啟動(dòng)及長、短期停車多個(gè)狀態(tài)，流程如圖2所示。長期停車使甲烷化反應(yīng)器內(nèi)溫度變化大，會(huì)造成催化劑失活，影響機(jī)組使用壽命，且冷啟動(dòng)過程耗時(shí)長、啟動(dòng)成本高。因此將甲烷化裝置投入到微網(wǎng)運(yùn)行后，若要停用甲烷化裝置，只需通入氮?dú)馍晕⒔档头磻?yīng)器溫度和壓強(qiáng)使甲烷化裝置處于短期停車狀態(tài)；若要啟用只需小幅提溫提壓使甲烷化環(huán)節(jié)熱啟動(dòng)即可。

圖2 甲烷化啟停流程圖Fig.2 Start stop diagram of methanation

熱啟動(dòng)過程中使甲烷化反應(yīng)器溫度和壓力達(dá)到運(yùn)行條件需要一定的時(shí)間，因此將甲烷化過程進(jìn)一步精細(xì)化為考慮耗時(shí)耗能的啟動(dòng)模型和運(yùn)行模型。

1）考慮耗時(shí)耗能的啟動(dòng)模型如下：

式中：Pm,H為甲烷化反應(yīng)的啟動(dòng)壓強(qiáng)；λ為氫氣注入甲烷化反應(yīng)器的壓縮系數(shù)；mH,t為單位時(shí)間注入甲烷化反應(yīng)器的氫氣；P為甲烷化熱啟動(dòng)耗能；μt為（0，1）變量，甲烷化啟動(dòng)時(shí)為1，否則為0；Pt為單位時(shí)間對(duì)甲烷化反應(yīng)器供能；t0，t1分別為甲烷化環(huán)節(jié)開啟的時(shí)間和啟動(dòng)完成的時(shí)間。

2）運(yùn)行模型如下：

2 考慮P2G精細(xì)化的氣電聯(lián)合微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

在P2G精細(xì)化建?；A(chǔ)上，構(gòu)建氣電聯(lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型，模型考慮了負(fù)荷供給成本、P2G運(yùn)行成本、棄風(fēng)成本和甲烷化售氣收益。負(fù)荷供給成本包括從天然氣網(wǎng)的購氣費(fèi)用和從主網(wǎng)的購電成本，其中從主網(wǎng)購電量要用電功率缺額減去氫氧燃料電池發(fā)電量。P2G運(yùn)行成本包括電轉(zhuǎn)氫的運(yùn)行成本和甲烷化環(huán)節(jié)成本。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

以微網(wǎng)系統(tǒng)日運(yùn)行成本最小為目標(biāo)：

式（5）中，各項(xiàng)成本計(jì)算如下式：

式中：CP2H為電轉(zhuǎn)氫的運(yùn)行成本；CH2G為氫氣甲烷化的成本。

式中：C0為熱啟動(dòng)成本；C1為甲烷化單位時(shí)間運(yùn)行成本，T1為甲烷化環(huán)節(jié)運(yùn)行時(shí)間。

甲烷化環(huán)節(jié)是絕熱的[13]，所以不考慮短期停車時(shí)的成本。

2.2 約束條件

1）功率平衡約束。電能、熱能、天然氣功率平衡如下式：

2）機(jī)組出力約束如下：

式中：PEB,max，PEB,min分別為電鍋爐出力的上、下限；ΔPEB,up，ΔPEB,down分別為電鍋爐的上、下爬坡速率。

式中：PGB,max，PGB,min分別為燃?xì)忮仩t出力的上、下限；ΔPGB,up，ΔPGB,down分別為燃?xì)忮仩t的上、下爬坡速率。

式中：PG,max，PG,min分別為燃?xì)廨啓C(jī)出力的上、下限；ΔPG,up，ΔPG,down分別為燃?xì)廨啓C(jī)的上、下爬坡速率。

式中：PHO,max，PHO,min分別為氫氧燃料電池出力的上、下限；ΔPHO,up，ΔPHO,down分別為氫氧燃料電池的上、下爬坡速率。

式中：PP2H,max，PP2H,min分別為電轉(zhuǎn)氫過程出力的上、下限；PH2G,max，PH2G,min分別為氫氣甲烷化過程設(shè)備出力的上、下限。

3）儲(chǔ)氫罐約束如下：

2.3 模型求解

文中將日前優(yōu)化調(diào)度模型的求解過程分為求解甲烷化啟停時(shí)間和發(fā)電機(jī)組有功出力兩部分，然后采用遺傳算法求解，流程如圖3所示。

圖3 遺傳算法求解流程圖Fig.3 Genetic algorithm solving flow chart

3 算例分析

P2G消納風(fēng)電產(chǎn)生的天然氣需存儲(chǔ)在氣網(wǎng)中，氣網(wǎng)也要向燃?xì)廨啓C(jī)提供天然氣來供給電負(fù)荷，所以雖未對(duì)氣負(fù)荷進(jìn)行分析，但還是以圖4所示的氣電聯(lián)合微網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算，來驗(yàn)證文中所建模型的有效性。

圖4 氣電聯(lián)合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microgrid structure of gas-electricity combined

調(diào)度周期T取24 h，時(shí)間間隔為1 h。其中，分時(shí)電價(jià)如表1所示；天然氣氣價(jià)3.46元/m3；電轉(zhuǎn)氫運(yùn)行成本0.16元/（kW·h），甲烷化環(huán)節(jié)運(yùn)行成本0.4元/（kW·h），電轉(zhuǎn)氫效率0.8，甲烷化效率0.75，甲烷化環(huán)節(jié)啟動(dòng)過程耗能34 kW·h，耗氫20 m3[11]；棄風(fēng)成本3元/（kW·h）；燃?xì)廨啓C(jī)熱效率0.4，電效率為0.37；燃?xì)忮仩t額定功率為100 kW，效率為0.9；電鍋爐額定功率70 kW，效率為0.9。

表1 分時(shí)電價(jià)Tab.1 Prices of electric at different time

風(fēng)電出力、電負(fù)荷及熱負(fù)荷原始數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

圖5 原始數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Raw data curves

為分析考慮甲烷化啟停過程的P2G設(shè)備精細(xì)化模型在調(diào)度過程中的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性，設(shè)定了4個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比：

方案1：不投入P2G設(shè)備；

方案2：投入P2G設(shè)備，不考慮P2G精細(xì)化模型；

方案3：投入P2G設(shè)備，考慮P2G精細(xì)化模型，不考慮甲烷化啟停過程；

方案4：投入P2G設(shè)備，考慮P2G精細(xì)化模型，考慮甲烷化啟停過程。

4種方案各環(huán)節(jié)的成本如表2所示。

表2 不同方案下成本對(duì)比Tab.2 Cost comparison under different schemes

由表2可知方案2、方案3和方案4的棄風(fēng)成本都很低，總成本相較于方案1分別降低了21.84%，26.48%和25.24%。由此可以得出P2G設(shè)備的引入能夠有效提高微網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納能力和微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

下面根據(jù)表2和各設(shè)備有功出力優(yōu)化結(jié)果，對(duì)不同方案造成調(diào)度結(jié)果的差異進(jìn)行分析。方案1各設(shè)備的出力情況如圖6和圖7所示。

圖6 方案1各設(shè)備電出力Fig.6 Electric output of equipment in scheme 1

由圖6和圖7可知：1：00—6：00和23：00—24：00兩個(gè)時(shí)段盈余風(fēng)電為正，聯(lián)絡(luò)線上無功率交換，主要由電鍋爐對(duì)風(fēng)電進(jìn)行消納，由于場(chǎng)景一沒有配置P2G設(shè)備，所以多余風(fēng)電只能棄掉，從而造成棄風(fēng)成本比較大，達(dá)到了1 215元。此時(shí)熱負(fù)荷較高，電鍋爐滿額出力仍不能滿足熱負(fù)荷需求，由于燃?xì)廨啓C(jī)在產(chǎn)熱的同時(shí)也要發(fā)電，會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)接納風(fēng)電的空間變小，從而加劇棄風(fēng)現(xiàn)象，所以熱負(fù)荷缺額由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。7：00—10：00時(shí)段盈余風(fēng)電開始為負(fù)，此時(shí)分時(shí)電價(jià)低于燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電成本，故優(yōu)先從外網(wǎng)購電來滿足電功率缺額，熱負(fù)荷也優(yōu)先由電鍋爐提供。在11：00—15：00和19：00—22：00兩個(gè)時(shí)段分時(shí)電價(jià)高于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本，所以優(yōu)先考慮燃?xì)廨啓C(jī)供電，由于爬坡功率的限制，只能逐漸增加燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量，電功率缺額仍要從外網(wǎng)購電來補(bǔ)充。電鍋爐由于滑坡功率的限制，也只能逐漸減少其熱功率，余下熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t提供。16：00—18：00時(shí)段分時(shí)電價(jià)低于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本，由于燃?xì)廨啓C(jī)滑坡功率和電鍋爐爬坡功率的限制，只能逐漸減少燃?xì)廨啓C(jī)出力，逐漸增加電鍋爐出力。從而得出方案1中各有功電源和設(shè)備在24 h內(nèi)的運(yùn)行策略。

圖7 方案1各設(shè)備熱出力Fig.7 Thermal output of equipment in scheme 1

根據(jù)4種方案在棄風(fēng)消納和從外網(wǎng)購電的差異對(duì)4種方案做詳細(xì)對(duì)比，差異圖如圖8所示。

圖8 4種方案差異圖Fig.8 Difference chart of four schemes

方案2相較于方案1投運(yùn)了P2G設(shè)備，因此方案 2可以將方案1在 1：00—5：00和 23：00—24：00兩個(gè)時(shí)段的棄風(fēng)功率轉(zhuǎn)化成天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)，從而使棄風(fēng)成本僅為87元。由于氫氣甲烷化過程有最低耗氫量[14]，而 3：00，5：00和23：00的棄風(fēng)量較少，盈余風(fēng)電轉(zhuǎn)化的氫氣不足以滿足甲烷化耗氫，需要額外購電，可見啟用P2G設(shè)備消納風(fēng)電并不具備經(jīng)濟(jì)性，所以此時(shí)仍會(huì)有少量棄風(fēng)。

方案3和方案4將P2G精細(xì)化為電轉(zhuǎn)氫和甲烷化兩個(gè)環(huán)節(jié)，由于電解槽有快速的啟停能力，負(fù)荷變化可以從0至100%[15]，所以電轉(zhuǎn)氫能夠?qū)?：00，5：00和23：00少量的盈余風(fēng)電進(jìn)行消納，見圖8。另外P2G精細(xì)化使得中間過程有氫氣的存儲(chǔ)，所以在11：00—15：00和19：00—22：00兩個(gè)分時(shí)電價(jià)高的時(shí)段引入氫氧燃料電池補(bǔ)充發(fā)電，從而使購電成本降低了108元。因?yàn)闅溲跞剂想姵嘏榔潞突鹿β实南拗?，所以氫氧燃料電池出力也只能逐步增加和減少。由于精細(xì)化過程不再讓盈余電量全都轉(zhuǎn)化成甲烷，所以甲烷產(chǎn)量減少，售氣收益降低。

根據(jù)方案3和方案4電轉(zhuǎn)氣精細(xì)化出力的情況如圖9和圖10所示，進(jìn)一步分析甲烷化環(huán)節(jié)啟停對(duì)電轉(zhuǎn)氣出力的影響。

圖9 方案3電轉(zhuǎn)氣精細(xì)化出力Fig.9 Refined output of power to gas in scheme 3

圖10 方案4電轉(zhuǎn)氣精細(xì)化出力Fig.10 Refined output of power to gas in scheme 4

由圖9和圖10可知：方案4甲烷化環(huán)節(jié)在24：00開啟，在1：00啟動(dòng)完成，然后一直運(yùn)行到5：00關(guān)停；而方案3甲烷化環(huán)節(jié)在3：00多啟停一次。這是由于方案3不考慮甲烷化啟停過程，當(dāng)棄風(fēng)電量較少時(shí)直接停運(yùn)，由電轉(zhuǎn)氫對(duì)風(fēng)電進(jìn)行消納。而方案4考慮了甲烷化啟停過程的耗時(shí)耗能特性，為了滿足經(jīng)濟(jì)性，在3：00仍繼續(xù)使甲烷化裝置運(yùn)行。因?yàn)榧淄榛h(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)即時(shí)啟停，所以采用方案3的調(diào)度方法會(huì)在實(shí)際操作中出現(xiàn)偏差。

另外，方案4甲烷化裝置熱啟動(dòng)過程中需要耗能耗氫，所以在24：00需要一部分風(fēng)電用于甲烷化環(huán)節(jié)啟動(dòng)。在運(yùn)行過程中存在最低耗氫量，所以在3：00需要從儲(chǔ)氫罐中補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)所需的氫氣。所以方案4中用于電轉(zhuǎn)氫的風(fēng)電和用于甲烷化反應(yīng)的氫氣相對(duì)較少，使得方案4成本比方案3多62.42元。

方案3和方案4中儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣體積變化如圖11所示。

圖11 儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣體積變化Fig.11 Hydrogen volume change in hydrogen storage tank

由圖11可知，隨著電轉(zhuǎn)氫的運(yùn)行（23：00—5：00），儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量在逐漸增加。方案4由于3：00盈余風(fēng)電產(chǎn)氫量不足以維持甲烷化設(shè)備運(yùn)行，所以需要消耗儲(chǔ)氫罐內(nèi)的氫氣，使得3：00儲(chǔ)氫罐內(nèi)的氫氣減少。電負(fù)荷高峰時(shí)段需要?dú)溲跞剂想姵匕l(fā)電來減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本，所以在（11：00—15：00，19：00—22：00）儲(chǔ)氫罐內(nèi)的儲(chǔ)氫量在逐漸減少，直至降到儲(chǔ)氫罐內(nèi)氫氣容量下限（10 m3）。

4 結(jié)論

本文將P2G與高風(fēng)電滲透率微網(wǎng)相結(jié)合，在考慮甲烷化啟動(dòng)過程耗時(shí)耗能特性構(gòu)建P2G精細(xì)化模型的基礎(chǔ)上，提出了氣電聯(lián)合微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法。在算例分析中通過對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比得出：

1）對(duì)P2G的精細(xì)化建模提高了P2G過程的運(yùn)行效率和對(duì)風(fēng)電的消納能力，降低了P2G運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)P2G系統(tǒng)的高效利用。

2）考慮甲烷化啟動(dòng)過程的耗時(shí)耗能特性，使調(diào)度方法符合實(shí)際操作規(guī)程，提高了調(diào)度結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）日前優(yōu)化調(diào)度方法能夠優(yōu)化機(jī)組出力，保證微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。