马书文
（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206）
随着煤炭等化石能源储量逐渐减少以及燃煤带来的环境污染问题日益严重，人类面临着能源短缺和环境污染等问题。此时，以风电为主要代表的清洁能源成为解决两大难题的重要对策。风电取之无尽，用之不竭，而且规模大，范围广，技术难度小，维护成本低，成为各国开发清洁能源的首选。
然而，风力发电由于受地理条件和天气情况限制，具有波动性、间歇性、随机性等特点，直接并网会危害对电网安全稳定运行。同时，大规模风力发电通常是在我国新疆、青海、蒙西等西部边远地区，当地无法就地消纳风电，而且由于电力难以长距离、跨区域传输，风电也无法输送到东部电力需求大的地区，不可避免的产生了弃风现象。为了大规模利用风电，提高风电利用率，需要尽快解决如何消纳风电这一制约我国风电发展的重大难题。
综合能源系统[1，2]概念的兴起，成为解决这一难题的新方式。通过将电力网和天然气网等不同形式能源系统进行耦合，构成电- 气综合能源系统，相比于就地储存电能存在的容量规模小，经济成本高等缺陷，利用弃风电力转化成的天然气更易于储存，且天然气管网系统有着巨大的储存容量，达到消纳弃风，提高风电利用率的目的。
电转气（power to gas（P2G））技术[3，4]是实现弃风电力转化为天然气的关键技术。电转气（P2G）设备可以将富余的电能转化为天然气，并以天然气的形式大规模储存，实现电能的转移消纳。因此，电转气设备是电力网与天然气网耦合的重要设备，天然气网络和电力网络通过燃气轮机和电转气设备，实现了电能和天然气化学能的双向流动，形成了深度耦合的电- 气综合能源系统，也为解决风电消纳问题提供了新的方式。
近年来，利用电转气技术促进可再生能源消纳的问题得到了国内外学者的广泛关注。文献[5]建立了一种电- 气互联综合能源系统，通过削峰填谷方式有效平抑净负荷波动并提高系统风电消纳能力。文献[6]提出了一种含电转气设备的电- 气- 热多能源系统优化调度模型, 并分析了消纳风电的经济效益。文献[7]论证了通过综合能源系统形成多元消纳技术和多元存储技术可以增加可再生能源的就地消纳,提高风机利用率。文献[8]则提出一种考虑电转气合理利用弃风并考虑天然气系统优化运行的电力- 天然气综合能源系统双层优化调度模型。
本文以考虑电转气技术的电- 气综合能源系统模型作为研究对象，并对系统中各个关键设备进行数学建模。目标函数为系统的总体运行成本最小作，并采用粒子群算法求解该模型，并设置多种场景进行对比分析，论证了P2G 技术对电- 气综合能源系统消纳风电的影响。
1 电转气技术
电转气技术是一种新兴的绿色环保技术，通过两个步骤实现电能到天然气的转化。第一步电解水得到氢气，副产物为氧气；第二步为氢气甲烷化，使氢气在催化剂的作用下与二氧化碳结合生成甲烷。
第一步：电解水，消耗电能得到氢气和氧气，其化学方程式如下式所示。
目前世界范围内运行的实验性P2G 厂集中在欧洲，尤其是德国、丹麦等国家。德国在P2G 技术的研究中处于世界前列，早在2015 年德国大型电力公司RWE 率先投产利用可再生能源制取氢气、甲烷等气体的P2G 工厂。同样也是德国的E. ON 公司最先实现P2G 设施的工业化运营，向天然气管道中注入氢气。我国对P2G 技术的研究尚处在起步阶段，全国范围内仅有河北沽源风电制氢一项试验性项目，且没有将氢气进一步甲烷化制成天然气。
2 电- 气综合能源系统模型
本文建立的电- 气综合能源系统含有燃气轮机和电转气设备，使电力网络和天然气网络的深度耦合，形成电能和天然气能的双向流动。如图1 所示，当电力系统中的发电出力来自于风电机组和燃气轮机，电力负荷要求优先由风电机组满足，当风电出力无法满足电力负荷需求时，燃气轮机从天然气管网购气进行发电，弥补电力缺额。当风电出力超过电力负荷需求时，特别是在夜间风电大发但电力负荷处于一天中最低的时段，富余的风电利用P2G 技术转化为天然气，输入天然气管网中进行输送或者储存。因此，通过P2G 设备耦合在一起的电力网络和天然气网络提高了实现消纳风电的目标。
图1 电- 气综合能源系统结构图
2.1 天然气网络模型
2.1.1 天然气管道模型
天然气管道模型主要由管道中天然气流量方程体现，管道天然气流量由下列公式决定:
Kij为管道传输系数，为固定值，由管道直径、温度、长度等因素决定；
Sij为表示气体流向的系数。
2.1.2 加压站建模
天然气在传输过程会损失部分压力，因此需要加压站对天然气进行加压。压缩机有关模型为：
式中：Hkij为压缩机消耗的电能；
Bk为压缩机的效率系数；
zk为压缩机的压缩系数。
2.2 P2G 模型
P2G 生产过程中有着复杂的化学反应，但可以通过P2G设备功率与产气量的关系简化得到P2G 模型。P2G 设备生产的天然气量与P2G 设备的功率之间的关系为：
P2G 设备在氢气甲烷化过程中会吸收二氧化碳，用于和氢气反应，吸收的二氧化碳质量为：
式中，Vp2g（t）为t 时段的P2G 设备生产的天然气量；
ηP2G为P2G 设备的产气效率；
Pp2g（t）为t 时段的P2G 设备的功率；
Lgas为天然气的燃烧热值。
2.3 燃气轮机模型
燃气轮机的模型可表达如下:
式中，Pgt（t）为t 时段的燃气轮机生产的电能；
Vgt（t）为t 时段的燃气轮机消耗的天然气量；
ηgt为燃气轮机的发电效率。
2.4 蓄电池模型
蓄电池在t 时刻荷电状态由多项因素决定，包括t-1 时刻的荷电状态、还与t 时刻和t-1 时刻间时段的充放电状态，其表达式见下：
式中，Pcha（t）和Pdis（t）分别为t 时段蓄电池的充、放电功率；
2.5 储气罐模型
储气罐模型与储蓄电池类似，在t 时刻储气状态不仅与t-1 时刻的储气状态有关，还与t 时刻和t-1 时刻间时段的充放气状态密切相关，其表达式见下：
3 综合能源系统优化调度模型
3.1 碳交易机制
在含有P2G 设备的电- 气综合能源系统中，P2G 设备的加入不仅仅提高了风电等可再生能源的利用率，而且电转气过程中会吸收大量的二氧化碳，起到了减少碳排放的作用。根据这一特性，可考虑加入碳交易机制，使P2G 设备除卖出自身生产的天然气赚取利润外，也可通过在碳交易市场出售碳排放额度，进一步增加收入，降低系统总体成本。P2G 设施的利润可显示为：
3.2 目标函数
以电- 气综合能源系统总体运行成本最小为优化目标，包括一天24 小时内购买电能、气能等多种能源成本，碳交易机制可以衡量系统的环境效益，设置碳交易成本加入系统总体成本中。为体现含电转气技术的电- 气综合能源系统对风电的消纳作用，可以对弃风进行一定程度的惩罚，使系统总成本中增加弃风惩罚成本。因此，综合能源系统的目标函数为：
式中，ugt和um分别为燃气轮机的碳排放强度和碳排放配额。
式中，σ 为弃风惩罚系数
Pwt（t）为t 时段风电机组的实际发出功率；
Pw（t）为t 时刻风电机组直接上网功率。
3.3 约束条件
3.3.1 电力网络运行约束
电力网络运行约束包括电功率平衡约束、发电机组功率约束、电转气设备出力约束等。
（1）电功率平衡约束
式中，-Δgt、Δgt分别为燃气轮机机组向上、向下爬坡速率。
4 算例仿真与分析
4.1 系统参数设置
以由燃气轮机、电转气设备、蓄电池、储气罐等装置组成的电- 气综合能源系统为例进行优化调度，日前市场实时电价和气价和各个时段下电负荷、气负荷与风电预测出力如图2、图3 所示。
图2 实时电价与气价
图3 电负荷、气负荷、风电预测出力
为综合研究是否加入P2G 设备和是否考虑碳交易机制对电- 气综合能源系统消纳弃风的影响，设置两种情况进行对比分析，分别为：（1）不含P2G 设备，不含碳交易机制；（2）含有P2G 设备，含碳交易机制。在Matlab 中采用粒子群优化算法进行仿真。
4.2 场景优化调度与分析
4.2.1 不含P2G 设备，不含碳交易机制
燃气机组、风电机组的工作状况如图4 所示。
图4 场景1 下发电机组出力状况
系统弃风量如图5 所示。
图5 场景1 下弃风量
4.2.2 含P2G 设备，含碳交易机制场景下燃气机组、风电机组的工作状况如图6 所示。
图6 场景2 下燃气机组、风电机组的工作状况
P2G 设备的运行状况如图7 所示。
图7 场景2 下P2G 设备的运行状况
表1 给出了两种方案下电- 气综合能源系统中各项成本对比。
表1 两种方案优化结果
通过对比两种场景下风力发电机组和燃气轮机机组的运行状况，可以看出，当不考虑P2G 设备以及碳交易机制时，在夜晚23：00～6：00 时段，风力发电量远超此刻电力负荷，有大量的风电无法被及时消纳，产生了弃风现象。在11：00～23：00 时间段，受天气状况影响风电出力较小，无法满足这个时间段人们生活所需的电力负荷，燃气轮机启动，从天然气网购气进行发电以满足电力缺额。当考虑P2G 设备加入电- 气综合能源系统和碳交易机制时，夜晚虽然风电大发超过了电力负荷所需，但是P2G 设备可以迅速启动，将富余风电制成天然气，一部分储存到储气罐中，超过储气罐存储量上限的部分可以直接输入天然气管网中。11：00～21：00 时段，由燃气轮机补足电力缺额。
而碳交易机制的加入，使P2G 设备不仅仅可以通过出售制成的天然气获得部分利润，也可以通过出售碳排放配额增加收入。燃气轮机由于碳交易的限制，会减少部分出力，使风电得到更充分的消纳。
方案2 相比于方案1，系统总成本降为原方案的38.2%，P2G 设备的利润可以降低部分成本，并且将夜晚的弃风消纳后，减少了弃风惩罚成本，使系统整体的总成本进一步降低。P2G 设备在氢气甲烷化过程中吸收了2332.4kg 二氧化碳，降低了环境污染，实现了减排效果。
5 结论
本文建立了包括燃气轮机、电转气设备等关键装置的电- 气综合能源系统，并进行了系统建模，以系统总体成本最低为优化目标，分为不含P2G 设备，不含碳交易机制和含P2G 设备且含碳交易机制两种情况进行优化调度，对两种情况下的燃气轮机、风电机组和P2G 设备的工作状况进行了分析对比。仿真结果表明：
5.1 电转气设备加入电- 气综合能源系统中，可以有效地将弃风电力转化为天然气，实现跨区域，跨时间消纳，增强系统消纳风电能力，并且与燃气轮机一起实现了综合能源系统的“削峰填谷”功能。
5.2 碳交易机制的加入，降低了系统的整体运行成本，使P2G 设备获得了更大的利润，有利于降低碳排放，提升系统经济性和环保性。
