含P2G的多能源网优化调度研究

樊国旗，霍 超，李小腾，刘 斌，樊国伟，程 林，王志远，潘伟东

(1. 国网金华供电公司，浙江 金华 321001；2. 国家电网公司西北分部，陕西 西安 710048；3. 国网陕西省电力公司科学研究院，陕西 西安 710010；4. 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049；5. 国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

电网互联可以提高不同地区之间的互济能力[1]。随着新能源的大规模接入和负荷的快速增长，受到电网传输能力等因素约束，系统不能满足调峰需要，出现弃风和供电缺口问题[2-4]。

针对此类问题，文献[5]利用能量流角度在电-热系统中引入电转气(power to gas，P2G)设备，促进风电消纳，减少系统成本；文献[6]通过场景法表征风电不确定特性，利用P2G装置实现电气互联和能量耦合调度，提高风电利用率；文献[7]构建含P2G多能量网络模型，利用不同季节典型日负荷及风电预测曲线检验模型的有效性和经济性；文献[8]利用多能量耦合特性优化调度，减少弃风弃光；文献[9-10]利用跨区电网和气网互联调度，减小系统峰谷差，实现资源优化配置，增强系统互济能力。

上述文献多通过P2G设备实现多能源网络优化调度或者跨区互联，较少能针对夏季负荷和风电特性，解决不同地区能源不平衡问题。因此，下面提出一种含P2G的多能源网优化调度方法，利用P2G技术解决风电与负荷不匹配导致弃风问题，并通过燃机实现冷电联合调度解决电网供电能力不足问题；通过对燃气轮机消耗天然气和P2G设备产生天然气平衡进行控制，减少对天然气流影响；通过某跨区电网实际算例验证所提方法的有效性。

1 弃风与供电缺口问题分析

由于输电通道(地区和主网之间)传输功率约束，负荷高峰时段出现供电缺口，调峰能力不足，只能采取限负荷的方法。在风电大发的高峰时段，本地电网消纳能力不足，调峰能力受限，且外送通道限制，会导致弃风。为分析地区1风电消纳能力不足、地区2供电能力不足的电网特性，将该地区电网简化如图1所示：G1、G2分别表示地区1、地区2发电机组；L1、L2分别表示地区1、地区2负荷。

图1 简化电网

风电消纳空间如式(1)表示。

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

(1)

式中：Pwind,r,t为风电消纳空间；PL,t为负荷功率；Ptrans,t为联络线传输功率；Pf,min为火电机组最小技术出力。

弃风功率如式(2)所示，弃风电量Wwind,a如式(3)所示，弃风率计算如式(4)所示。

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

(2)

(3)

(4)

式中：σ为弃风率；Pwind,a,t为风电限电功率；Pwind,t为风电理论功率；T为风电限电总时间。

最大供电能力PTSC(total supply capability，TSC)为机组最大技术出力加上联络线通道传输功率，如式(5)表示。

PTSC=Pf,max+Ptrans,t

(5)

式中，Pf,max为机组可用最大技术出力。

供电缺口功率PL,a,t如式(6)所示，供电缺口电量WL,a如式(7)所示。

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

(6)

(7)

式中，T1为供电缺口总时间。供电不满足要求的时段(即出现供电缺口时段)记为1，供电满足要求时段记为0。供电缺口状态σt判断如式(8)所示，结合文献[11]安全域提出供电缺口率γt如式(9)所示。

(8)

(9)

式中，N为供电时段总数。

2 含P2G的多能源网优化调度

2.1 含P2G的多能源网框架

含P2G的多能源网如图2所示，地区1包括火电机组、风电机组和P2G设备，地区2包括火电机组、燃气轮机、电制冷机及蓄冷器。P2G装置主要包括两个功能：地区1风电消纳能力不足时，电转气促进风电消纳；地区2供电能力不足时，通过电-气-电途径解决，天然气流和电力流在图中用箭头表示。

图2 含P2G的多能源网

2.2 电气耦合框架

电气耦合元件包括燃气轮机和P2G，燃气轮机将天然气转化为电能，P2G将电转化为氢气，然后甲烷化得到燃气。

2.2.1 气冷电能源模型

气冷电能源模型中包括燃气轮机和电制冷机，燃气轮机能量转化如式(10) 所示。

(10)

式中：fMT，t为燃气轮机天然气消耗流量；PMT，t为燃气轮机电功率；ηMT,e为燃气轮机发电效率；HG为天然气热值。

燃气轮机发电成本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为机组能耗系数；γ为冷电功率变化相对量；PMT,t、DMT,t分别为微型燃气轮机电、冷功率。

燃气轮机发电功率和制冷功率关系KMT如式(12)所示，燃气轮机机组电(热)爬坡功率RP(D)MT,t约束和电(热)功率上下限P(D)MT,t约束如式(13)—式(14)所示，燃气轮机功率运行区域如图3所示。

图3 燃气轮机功率运行区域

(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分别为燃气轮机电(冷)最大、最小爬坡功率；P(D)MT,min、P(D)MT,max分别为燃气轮机电(冷)最大、最小功率。

冷负荷功率由燃气轮机冷负荷和电制冷机负荷组成，如式(15)所示。

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

(15)

式中：PL,c,t为总冷负荷；PL,c,e,t为电制冷机冷负荷。

2.2.2 P2G设备-电气能源模型

P2G转化化学方程式如式(16)所示，能量转化如式(17)所示。

(16)

(17)

式中：FP2G,t为P2G设备产生天然气产量；ηP2G为P2G能量转化效率；PP2G,t为P2G设备功率。

P2G设备产生天然气需要同时满足地区1和地区2需要，因此

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

(18)

式中，PP2G,1,t和PP2G,2,t分别为地区1和地区2的P2G设备所需功率。地区1的P2G设备所需功率等于减少弃风功率；地区2的P2G设备所需功率等于供电缺口减少功率。

P2G设备功率约束如式(19)所示。

PP2G,min≤PP2G,t≤PP2G,max

(19)

式中，PP2G,min、PP2G,max分别为P2G设备最小、最大技术出力。

3 分层优化调度模型

3.1 调度目标

电网调度任务为保障电网安全运行，减少供电缺口；支撑新能源消纳，减少新能源限电；实现电网经济高效运行，减少运行成本。为解决地区1出现的新能源弃风问题和地区2的供电缺口问题，通过新建P2G装置，将地区1弃风时段电量转化为天然气通过天然气管网在地区2消纳。通过新建燃气轮机，提高供电能力支撑减少供电缺口，提高冷负荷减少电负荷间接减少供电缺口。

调度目标为系统成本最小。

C总=Cwind,a+CL,a+CMT+CP2G+Cf+C主下

(20)

式中：Cwind,a为弃风成本；CL,a为供电缺口成本；CMT为燃气轮机成本；CP2G为调用P2G装置增加成本；Cf为火电机组运行成本；C主下为主网下网成本。

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：cwind,a、cL,a、cP2G、c主下分别为弃风、供电缺口、调用P2G设备和主网下网功率的单位成本；T2、T3和T4分别为P2G设备运行总时间、火电机组运行总时间和主网下网总时间；di、ei、εi分别为火电机组成本系数；P主下,t为主网下网功率。

3.2 约束条件

约束条件包括：地区1和地区2电功率平衡约束，见式(26)—式(27)；天然气流量平衡约束，见式(28)；联络线功率约束，见式(29)；火电机组爬坡约束，见式(30)；火电机组功率约束，见式(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为P2G量设备天然气制造量；Ptrans,k,max为地区k与主网联络线最大传输功率，结合图2，地区1电力流上网为正方向，地区2电力流下网为正方向；Rf,i,min和Rf,i,max分别为第i台火电机组最小、最大爬坡功率；Pf,i,min和Pf,i,max分别为第i台火电机组最小、最大技术出力。

4 算例分析

4.1 地区情况

地区1、地区2负荷和风电如图4、图5所示。燃气轮机冷电功率变化相对量为0.15；发电功率和制冷功率关系为0.75；发电效率为0.33；机组能耗成本系数a、b、c分别为0.053 2、 90.12、 7 175.4；最大、最小电功率分别为60 MW和10 MW；最大、最小冷功率分别为60 MW和0；最大电(冷)爬坡功率为45 MW。地区1与主网最大传输功率为200 MW,地区2与主网最大传输功率为700 MW。火电机组成本系数d、e、ε分别为0.078 42、 139.3、 9 604.4；最大、最小功率分别为300 MW和150 MW；最大电(冷)爬坡功率为110 MW。弃风成本为600元/MWh；限负荷成本为4000元/MWh(参考负荷参与需求侧响应单价)；主网下网功率成本为250元/MWh；P2G设备功率为140 MW，P2G设备调用功率成本为200元/MWh。

图4 地区1风电消纳

图5 地区2供电

4.2 仿真验证

所研究问题为非线性规划模型问题，调度时间粒度为5 min,采用LINGO11求解。地区1最大等效负荷(地区1负荷与风电差值)为856 MW，地区1最大传输功率为200 MW，因此地区1火电机组最大供电能力需要大于656 MW，则地区1火电机组300 MW开机3台，最大开机功率为900 MW，地区1原调度情况和图4相同。地区1调用P2G设备前后弃风对比如图6所示。

由图6计算可知，P2G设备参与调度后弃风电量为86.6 MWh；弃风率为1.06%，满足国家弃风率小于5%要求，弃风率降低了90.6%；最大弃风功率为35.2 MW，相对原最大弃风功率降低79.9%。

图6 地区1 P2G设备参与调度前后弃风对比

地区1的P2G设备参与调度前后联络线功率不变；P2G设备参与调度会增加地区1火电机组功率，因此地区1火电机组功率在P2G设备参与调度前后会发生变化。地区1联络线功率和P2G设备参与调度火电机组功率如图7所示。

图7 地区1联络线功率P2G设备参与调度前后火电机组功率

地区2最大负荷为2 411.2 MW，地区2最大传输功率为700 MW，因此地区2火电机组最大供电能力需要大于1 711.2 MW，则地区2火电机组300 MW应开机6台，由于地区2火电机组只有5台，最大开机功率为1500 MW，地区2原调度情况和图5相同。调用燃气轮机前后原供电缺口、现供电缺口对比和地区1火电机组为P2G设备制造天然气转化为地区2电+热能力如图8所示。

图8 调用燃气轮机前后供电缺口对比和电+热能力

由图5计算可知，地区2供电缺口功率最大为211.17 MW，供电缺口电量为541.5 MWh，相比总用电量45 676.3 MWh，缺口电量只占1.9%，但供电缺口率为26.7%。由图8计算可知，调用燃气轮机后地区2缺口功率最大为124.2 MW，供电缺口电量为230.4 MWh，缺口电量占0.4%，供电缺口率为15.3%，供电缺口率减少43.1%；地区1火电机组为P2G设备制造天然气转化为地区2电+热能力和地区2原供电缺口存在重叠，因此燃气轮机解决供电缺口会受到地区1火电机组为P2G设备制造天然气影响。

地区2联络线原、现功率和P2G设备参与调度火电机组原、现功率如图9所示。

图9 地区2联络线功率和火电机组功率变化

P2G设备和燃气轮机调用功率如图10所示。

图10 调用P2G设备和燃气轮机功率

由图4计算可知，地区1弃风最大功率达175.3 MW，弃风电量为918.9 MWh，弃风率为11.35%，弃风率较高，不符合国家弃风率低于5%的要求。由图10计算可知，P2G设备调用1 340.5 MWh，燃气轮机电+冷负荷调用833 MWh，减少弃风832.7 MWh,减少供电缺口电量311.1 MWh。

原方法中，地区1火电机组、地区1弃风、地区2火电机组、地区2供电缺口、主网下网成本、总成本分别为301.8、55.1、687.5、216.6、161.8和1 422.8万元；现方法中，地区1火电机组、地区1弃风、地区2火电机组、地区2供电缺口、P2G设备、燃气轮机和主网下网成本分别为310.5、5.2、680.3、92.2、159.1、26.8、24、1 298.1万元。所提方法相比原方法节约成本124.7万元。

4.3 参数敏感性分析

P2G设备功率和弃风电量与弃风率关系如图11所示。

图11 P2G设备功率和弃风电量与弃风率关系

由图11可知，弃风电量与弃风率随P2G设备功率增大而减少， P2G设备功率为80 MW时，弃风率为4.67%，符合国家弃风率小于5%要求；最大弃风功率为95.2 MW，相对原最大弃风功率降低45.7%。

弃风电量与弃风率与P2G设备功率呈现近似线性关系，为探究其近似线性关系原因，统计原弃风功率概率分布，如图12所示。

图12 原弃风功率分布

由图12可知，原弃风功率分布数量大部分近似相等，主要分布在风电功率大发期间的风电功率上升和下降阶段；弃风功率分布数量较大时段主要位于风电峰值时间段。

燃气轮机电+冷能综合利用率约为62%，因此P2G最大功率为140 MW时，转化为燃气轮机电+冷能最大功率约为87 MW，因此燃气轮机产生能量从而减少供电缺口和燃气轮机最大电+冷功率直接相关；燃气轮机最大电+冷功率与供电缺口电量、供电缺口最大功率和供电缺口比例关系如图13所示。

由图13可知，供电缺口电量随着燃气轮机最大电+冷功率增大其降低速度逐渐变缓。供电缺口最大功率下降呈线性关系。供电缺口比例与燃气轮机最大电+冷功率呈现先迅速降低，后缓慢降低关系。供电缺口和燃气轮机最大电+冷功率相关，且由图8可知其与地区1 P2G设备产生天然气相关，为探究其相互之间关系，其供电缺口功率分布统计如图14所示。

图13 燃气轮机最大电+冷功率与供电缺口电量、供电缺口最大功率和供电缺口比例关系

图14 供电缺口功率分布

由图14可知，原供电缺口在40～70 MW之间分布虽然较多，但受到地区1 P2G设备制造天然气影响，不能有效解决该区间供电缺口问题。原供电缺口在120～140 MW及160～190 MW之间分布较多，但地区1 P2G设备制造天然气转化为燃气轮机电+热能最大功率为124 MW，不能有效解决该区间供电缺口问题。原供电缺口在0～30 MW之间分布解决较好，同时验证图13之间关系的正确性。

5 结 论

针对输电通道传输功率约束导致不同地区负荷高峰时段供电缺口和风电高峰时段弃风问题，通过新建燃气轮机解决供电缺口问题;通过P2G解决弃风问题；通过对燃气轮机消耗天然气和P2G设备产生天然气平衡进行控制，减少对天然气流影响。该方法能够有效解决弃风和供电缺口问题，弃风(供电缺口)随着P2G设备(燃气轮机)功率的增大减少速度会放缓。

由于负荷同时率特性，地区1通过P2G设备为地区2供应天然气会受到限制，会影响燃气轮机解决地区2供电缺口问题；此外由于燃气轮机受到地区1P2G设备制造天然气影响，不适宜投资功率过大的P2G设备，在后续研究中将通过其他不受设备和负荷同时率限制的设备参与调度，解决供电缺口问题。