一种园区综合能源系统源荷储协调优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种园区综合能源系统源荷储协调优化调度方法，属于电力工业技术领域。

背景技术

目前新能源装机比例不断提升，弃风弃光问题十分严峻。为避免资源的浪费，电转气(P2G)系统可利用新能源盈余电量通过电解水模块将水H

随着新能源装机比重不断加大，系统调峰压力越来越大，将P2G厂站与风电场、光伏电站或综合能源系统建设是未来的研究重点，因此聚合电转气单元的能源流的耦合价值，研究考虑含电转气的园区综合能源系统协同控制与调度优化，从而实现新能源的消纳最大化。

如中国专利CN111639824B一种含电转气的区域综合能源系统热电优化调度方法，包括：分析电转气两阶段运行机理，在电解水制氢环节引入储氢，通过氢燃料电池热电联产促进氢能高品位使用，降低直接甲烷化造成的能量梯级利用损耗；将氢燃料电池与热电联产机组优化为变效率运行，通过调节热电效率灵活追踪热电负荷态势，使热电出力更为经济合理；引入有机朗肯循环余热发电将热电联产过剩热输出转化为电能，通过促进余热消纳的方式改善系统的热电耦合性能；以系统购能成本、运行维护成本以及能量损耗成本之和最小为目标，构建含电转气的热电耦合RIES优化调度模型。该方法能够提高区域综合能源系统的能量利用效率和热电联产性能，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

该方法注重的是通过提高综合能源利用率从而有效降低区域综合能源系统的能量损耗成本；需要一种侧重经济效益的能源协调调度方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种园区综合能源系统源荷储协调优化调度方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案如下：

一种园区综合能源系统源荷储协调优化调度方法，包括以下步骤：

构建了含有电转气、风电机组、光伏机组、热电联产机组、储能设备等电-热-气的园区综合能源系统；

考虑电转气参与园区综合能源系统天然气交易市场和电力交易市场，建立优化调度模型；

优化调度模型包括约束条件、目标函数，系统运行优化调度模型在约束条件的约束下，以系统总成本最低为目标函数，求解优化结果优解；

所述目标函数为：

Min F＝F

F

其中，C

优选的，所述园区综合能源系统包括风电机组、光伏机组、热电联产机组、储能设备、锅炉和电转气。

优选的，所述储能设备包括储热罐和蓄电池储能；所述锅炉包括电锅炉和燃气锅炉。

优选的，风力发电组件的输出功率如下：

式中，P

伏发电组件的模型表示为：

P

其中，ξ表示实际光照辐射强度；θ表示光照入射到太阳板的角度；η

所述热电联产机组包括微型热电联产机组和余热锅炉；其热电关系数学模型为:

式中，

时段t内微燃机燃料成本是：

其中，Δt为单位调度时间，F

储热罐模型表示为：

其中，

蓄电池储能容量和充放电功率关系模型如下：

其中，

电锅炉模型如下：

式中

燃气锅炉模型如下：

式中，

t时段所述电转气设备模型如下：

式中：

式中：η

优选的，所述约束条件包括电功率平衡约束、出力上下限约束、储能约束、爬坡约束、电转气约束和热电比约束。

优选的，所述电功率平衡约束：

所述出力上下限约束：

式中：

储能约束：

式中：

爬坡约束：

式中：-r

电转气约束：

式中

热电比约束：

K

优选的，所述出力上下限约束包括风电出力上下限约束、光伏出力上下限约束、微燃机出力上下限约束、微电源出力上下限约束。

优选的，所述储能约束包括电储能约束和热储能约束。

本发明具有如下有益效果：

通过P2G设备、热电联产机组、储能设备等转换单元，加强了电力系统与天然气网络之间的耦合关系，提高了系统灵活性，考虑电转气单元可以实现系统内各单元的优势互补，提高能源利用效率，协调网内电源优化，使热电联产机组更加灵活运行，节约了综合能源系统能源消耗成本。

电转气聚合单元，加强了电、热、气网络之间的联络，在电力有盈余、电价较低且气价较高的时段将电能转化为天然气，有效提高了系统运行经济性及调度灵活性，加强了新能源的消纳，降低系统的弃风、弃光。

在园区综合系统优化时，考虑电转气单元可以实现系统内各单元的优势互补，提高能源利用效率，协调网内电源优化，使热电联产机组更加灵活运行，节约了综合能源系统能源消耗成本。

附图说明

图1为本发明园区综合能源系统运行结构图；

图2为本发明园区综合能源系统相关运行参数；

图3为本发明储能系统参数。

图4为本发明风电预测曲线；

图5为本发明光伏出力预测曲线；

图6为本发明电热负荷预测曲线；

图7为本发明不同方式能源利用效率、新能源弃用量；

图8为本发明不同方式能源利用效率、新能源弃用量分布图；

图9为本发明不同运行方式下新能源实际出力曲线；

图10为本发明不同方式下系统运行成本分析；

图11为本发明不同运行方式下各单元出力对比分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

在现有研究的基础上，首先，分析了电转气技术的基本原理以及消纳新能源的优越性；其次建立了包含风电、光伏、热电联产机组、余热锅炉、储能设备、电转气、以及电热负荷构成的热电联供型园区综合能源系统模型，以系统综合运行成本最小为目标函数。算例仿真表明，考虑电转气技术比未考虑电转气技术可有效的减少了弃风、弃光，降低统的运行成本，提高了能源利用效率，实现系统环保经济运行。

电转气技术：

电转气技术是指利用弃风、弃光等间歇性新能源或负荷低谷期电网富余电力电解水制氢，利用制得的氢气和二氧化碳经催化剂发生甲烷化反应生成甲烷气体，实现电力系统与天然气系统的互联耦合。电解水制氢和甲烷化反应已分别有电力行业和化学行业的相关学者进行研究，但将两者结合起来作为一个整体为电力系统和天然气系统提供服务还尚处于起步阶段。

电转气技术通过电解水生成H2和O2，再将H2和CO2甲烷化反应生成CH4。由P2G转化生成的CH4可直接注入天然气网络中进行运输和存储以及终端用户的使用，另一方面由于P2G电解水不受环境及时间限制，可在弃风、弃光以及负荷低谷期将富裕电力用来电解水制氢，该技术对于消纳弃风、弃光，接纳不确定性、间歇性可再生能源出力具有重要作用。

电转气分为两个阶段，第一阶段为电解水阶段，通过市电或者风电、光伏等新能源电解水制氢，再用制得的氢气与二氧化碳发生甲烷化反应生成甲烷，通入天然气网络，电转气生成的天然气可作为天然气汽车燃料，也可供给热电联产机组发电或燃气锅炉实现电/气/热/冷联产，以及作为居民气负荷使用。电转气将电能转化为化学能，分为电转氢气与电转天然气两大类，其中电转氢气是通过电解水产生氢气和氧气，化学式如下：

由于氢气存在储存和输送难度，通常采用电转天然气。电转天然气则是在电解氢气的基础上，通过CO

CO

电转氢气过程中的能量转化效率为75％～85％，甲烷化的过程中能量转化效率同样为75％～85％，在两阶段的化学反应之后，电转天然气的综合效率在45％～60％之间。

网内主要包含有风力发电机、光伏发电机、微燃机、电锅炉、电储能、热储能、电转气、燃气锅炉以及电负荷、热负荷。

风力发电机模型：

风电机组输出功率如下所示：

式中，P

光伏发电机模型：

光伏的物理模型通常表示为：

P

其中，ξ表示实际光照辐射强度；θ表示光照入射到太阳板的角度；η

热电联产机组模型：

热电联产机组的核心装置为微型热电联产机组和余热锅炉。天然气燃烧时的高品位热能做功驱动微燃机发电，所排出的高温余热烟气经余热回收装置取暖及供应生活热水，提高了能源利用效率。其热电关系数学模型为:

式中，

时段t内微燃机燃料成本是

其中，Δt为单位调度时间，F

储热罐模型：

储热罐具有平抑新能源出力波动重要作用，在综合能源系统中具有不可替代的位置。储热罐的特性可以描述为设备自身容量、输入输出能力和热效率等几部分关系，其动态数学模型可表示为:

其中，

蓄电池储能模型：

微网中的电储能可以实现电负荷的削峰填谷消纳更多新能源，其蓄电池的储能容量和充放电功率关系模型如下：

其中，

电锅炉模型：

电制锅炉是典型的电热耦合设备，其消耗电能产生热能以满足热负荷和储热罐需求，电锅炉在分时电价的引导下配合热电联产系统满足热负荷需求增加谷时段的用电量，因此引入电锅炉可以实现电热转换并对电热负荷进行协调，典型出力模型为：

式中

燃气锅炉：

燃气锅炉消耗天然气作为一次能源产生热能，作为热电联产机组的补充热源，其热能与使用的天然气两者之间的输出表达式模型如下[19]：

式中，

电转气模型：

P2G装置的运行成本包括固定成本和可变成本两个部分，固定成本包括设备日常维护费、劳动力等成本；可变成本指转化天然气时所需要的成本，它对优化结果有直接影响。本文所提的P2G运行成本均指可变成本，包括用电成本和原料成本。用电成本指电转气装置耗电量，原料成本为CO2成本。

所以，t时段P2G装置运行成本可用下式表示：

式中：

式中：η

目标函数：

综合能源系统的优化目标包含热电联热电联产机组产消耗天然气的成本、燃气锅炉消耗天然气的成本、电转气运行成本、新能源弃用成本、各设备单元的运行维护成本，使园区综合能源系统总运行成本最小。

该园区综合能源系统经济性目标函数为：

F

其中，C

约束条件：

1)系统电功率平衡约束：

2)风电、光伏、微燃机、微电源出力上下限约束：

式中：

3)电储能、热储能约束：

式中：

5)可控机组机组爬坡约：

式中：-r

6)电转气约束；

通过以上论述，P2G装置的运行成本与电价、CO2价格等密切相关。所以，P2G对系统调度有直接影响。

式中

7)微燃机热电比约束；

K

实施例：

选取我国某地区某一园区综合能源系统。以一天24小时为调度时长，单位调度时间是1h，微燃机排出的烟气全部给余热锅炉。图2为综合能源系统各单元的运行维护成本，图3为储能系统的相关参数。图4为系统电、热负荷曲线和风电、光伏联合预测出力曲线。与电网相连的购电电价为1.2元/千瓦时：售电电价为0.7元/千瓦时。热电比约束参考文献[陈沼宇,王丹,贾宏杰,等.考虑P2G多源储能型微网日前最优经济调度策略研究[J].中国电机工程学报,2017,37(11):3067-3077+33626.]。系统内参数如图2所示，储能系统参数如图3所示。

为了验证该综合能源系统考虑电转气技术在消纳新能源和降低运行成本的优势，设置了如下对比方案场景进行对比：

方式1：未考虑电转气技术

方式2：考虑了电转气技术

结果分析：

不同运行方式下新能源消纳及能源利用效率分析，从图7-9中可以看出，在综合能源管理中考虑电转气新能源消纳较未考虑新能源消纳较多，方式1的能源利用效率为83.93％，新能源弃用率(弃风和弃光)为26.4％，方式2的能源利用效率提高为95.39％，新能源弃用率(弃风和弃光)降低为为10.8％，可以提高新能源的消纳和能源利用效率。

不同方式下系统运行成本分析：从图10、11中可以看出，方式2运行方式中系统总运行成本为12394.2元，较方式1运行方式下系统成本降低了1708.2元，考虑电转气装置后综合能源系统能够有效提高热电联产机组的灵活性。从图11看出，方式2的电转气成本随便有所增加，但是增加了电转气后综合能源系统内的各单元之间的灵活性得到提高在风电和光伏较多时，电力富足时可以将富余电力用于电转气，增加了新能源的消纳，产生的天然气还可以作为系统内热电联产燃气机组和燃气锅炉的使用，园区综合能源利用效率得到大幅度提高。

综上所述，在综合能源系统管理中增加电转气单元可有效的提高能源利用效率，降低系统运行成本，提高热电联产机组组的平稳性，给新能源出力让出消纳空间，为“双碳”目标下提供节能减排提供一个有效途径。

结论

1)P2G技术作为一种新型能源转换和储存方式为可再生能源消纳提供了新的途径，通过P2G设备和热电联产机组等转换单元，加强了电力系统与天然气网络之间的耦合关系，提高了系统灵活性。

2)电转气聚合单元，加强了电、热、气网络之间的联络，在电力有盈余、电价较低且气价较高的时段将电能转化为天然气，有效提高了系统运行经济性及调度灵活性，加强了新能源的消纳，降低系统的弃风、弃光。

3)在园区综合系统优化时，考虑电转气单元可以实现系统内各单元的优势互补，提高能源利用效率，协调网内电源优化，使热电联产机组更加灵活运行，节约了综合能源系统能源消耗成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。