含電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)多目標優(yōu)化

1、第44卷 第504期 電測與儀表 Vol.44 No.5042018年 第12期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007PAGE PAGE - 1 -含電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)多目標優(yōu)化*曾紅，劉天琪，何川，胡曉通，蘇學能（四川大學 電氣信息學院，成都 610065）摘要：隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，氣電互聯(lián)等綜合能源系統(tǒng)成為未來能源利用的重要形式。電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)的日趨成熟，為可再生能源消納的問題提供了新的解決方案。在此背景下，提出一種含P2G的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的多目標優(yōu)化調(diào)度模型。模型考慮了系統(tǒng)運行成本最低、環(huán)境污染最小

2、以及棄風成本最少三個目標，用多目標粒子群算法對模型進行求解，然后利用模糊理論挑選綜合滿意度最大的解作為折衷解，并通過算例驗證了該模型的有效性；分析了P2G能夠有效地對可再生能源進行消納；發(fā)現(xiàn)了天然氣負荷的變化對電力系統(tǒng)調(diào)度安排有較大沖擊，進而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性和污染排放。關(guān)鍵詞：綜合能源系統(tǒng)；電轉(zhuǎn)氣；可再生能源消納；多目標優(yōu)化中圖分類號：TM933 文獻標識碼：B 文章編號：1001-1390（2019）00-0000-00Multi-objective optimizational operation for integrated natural-gas and electricity ene

3、rgy systems considering power-to-gasZeng Hong，, Liu Tianqi，, He Chuan，, Hu Xiaotong，, Su Xueneng(College School of Electrical Engineering and Information Technology，, Sichuan University，, Chengdu 610065，, China)Abstract：With the development of the energy Internet, the integrated natural-gas and elec

4、tricity energy systems have become an important form of the future energy utilization. Power-to-Gas gas (P2G) technique is becoming more and more mature, which provides an alternative solution for renewable energy accommodation. Given On this background，, the paper presents an optimal dispatch model

5、 for integrated energy systems with P2G devices. The model considers multi-objectives, including the minimum operation cost, lowest environmental pollution and wind curtailment cost. The multi-objective particle swarm algorithm is used to solve the problem, in which fuzzy theory is applied to choose

6、 the best solution with the largest comprehensive satisfaction. Numerical results verify the effectiveness of proposed model and the positive role of P2G in renewable energy accommodation. The results also indicate the changes of natural-gas load will impact the scheduling of power system, and furth

7、er influence the system operation cost and environmental pollution.Keywords：integrated energy systems, power-to-gas, renewable energy accommodation, multi-objective optimizationPAGE 100引 言*基金項目：國家電網(wǎng)有限公司總部科技項目（521999180002）隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，化石燃料等常規(guī)能源日漸枯竭，各國轉(zhuǎn)向發(fā)展風、光等清潔可再生能源，構(gòu)建新能源開發(fā)利用率高、能源綜合利用率高的新一代能源系統(tǒng)。近年來，我國的

8、風電發(fā)展迅猛，2015年新增風電并網(wǎng)容量為32.97 GW，累計裝機容量達129 GW，年風電發(fā)電量186.3 TWh，占全國總發(fā)電量的3.3%1。但因風、光出力受自然天氣影響具有間歇性和反調(diào)峰性，容易導致電力系統(tǒng)的功率波動和不穩(wěn)定，再加上風電場和電網(wǎng)建設(shè)不同步等原因，存在嚴重的棄風、棄光現(xiàn)象。2016年我國全年棄風電量為49.7 TWh，平均棄風率達到17.1%，造成嚴重的資源浪費2。P2G技術(shù)的出現(xiàn)為可再生能源的消納提供了新的解決辦法。P2G技術(shù)在負荷低谷或者可再生能源出力高峰時，可將過剩的電能轉(zhuǎn)化為天然氣，存儲在儲氣設(shè)備或天然氣管網(wǎng)中，既能解決棄風棄光等資源浪費問題，也能實現(xiàn)電能的大規(guī)模

9、長時間存儲，還能緩解或避免輸電線路的阻塞3，是未來綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的耦合僅限于燃氣機組，只實現(xiàn)了天然氣向電能的單向轉(zhuǎn)換。P2G技術(shù)實現(xiàn)了電能向天然氣的逆向轉(zhuǎn)換，與燃氣機組一起構(gòu)成天然氣與電力系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)，加深了天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的耦合，電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的耦合必然會給能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于氣電互聯(lián)綜合系統(tǒng)的研究主要集中在經(jīng)濟調(diào)度和規(guī)劃方面。在經(jīng)濟調(diào)度方面，文獻4分析了P2G技術(shù)的成本特征和運行經(jīng)濟性，給出了幾種P2G技術(shù)的應(yīng)用場景。文獻5分析了含P2G的氣電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化運行，提出先計算電力系統(tǒng)求得可再生能源發(fā)電余量再計算天然氣系

10、統(tǒng)的兩階段優(yōu)化模型。文獻6在氣電互聯(lián)系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮了熱系統(tǒng)，利用能源中心對系統(tǒng)耦合部分建模的方法分析了多能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度以及P2G對消納風電效益的影響。文獻7將碳交易機制引入到氣電互聯(lián)系統(tǒng)中，目標函數(shù)考慮了碳交易成本，分析了天然氣價格、碳交易價格以及天然氣網(wǎng)絡(luò)約束對綜合系統(tǒng)運行的影響。文獻8在計算氣電聯(lián)合系統(tǒng)的可用輸電能力時，計及了一次能源系統(tǒng)天然氣系統(tǒng)的靜態(tài)安全約束，計算結(jié)果更符合統(tǒng)一規(guī)劃的聯(lián)合系統(tǒng)。文獻9計及了風電場、負荷的不確定性和相關(guān)性，計算氣電互聯(lián)系統(tǒng)的最優(yōu)潮流，聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于獨立優(yōu)化，可為調(diào)度人員提供更加準確的參考。文獻10利用能源中心建模方法對綜合能源系統(tǒng)進行建模，在博弈論的

11、框架下，研究了各個能源中心同時參與多個能源市場的市場均衡問題。文獻11研究了含P2G的多源儲能型微網(wǎng)的日前調(diào)度。在規(guī)劃方面，文獻12建立了多階段電源、電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合規(guī)劃模型，并提出一種天然氣潮流計算方法校驗天然氣網(wǎng)絡(luò)的完全性。文獻13提出了以投資費用和運行費用最小為目標的天然氣網(wǎng)絡(luò)和電源、電網(wǎng)多階段聯(lián)合規(guī)劃模型，并采用增量分段線性化求解，可得到電源、輸電線路和天然氣管道的投建容量、投建位置和投運時間。文獻14對天然氣系統(tǒng)進行了精確建模，在此基礎(chǔ)上建立氣電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃動態(tài)模型，既可得到電網(wǎng)和天然氣管道的投資決策，還能得到加壓站和天然氣存儲器的決策結(jié)果。文獻15提出了使社會福利最大化的氣電聯(lián)合

12、規(guī)劃動態(tài)模型，為了提高規(guī)劃方案在不同場景下的魯棒性，將自適應(yīng)成本作為目標函數(shù)，量化規(guī)劃中負荷預測、燃料費用等不確定性因素帶來的風險。文獻16-17通過對含熱電聯(lián)產(chǎn)機組（CHP）的能源中心建模，建立以能源中心為基礎(chǔ)的含P2G的氣電聯(lián)合系統(tǒng)規(guī)劃模型，對常規(guī)發(fā)電機組、CHP、P2G廠站以及輸電線路和天然氣管道進行選址定容。文獻18探索了風電場和P2G廠站的協(xié)同投資建設(shè)模式，建立了基于場景分析的風電場和P2G廠站的協(xié)同選址規(guī)劃模型。文獻19利用電網(wǎng)削峰填谷率、系統(tǒng)可靠功能率、可再生能源產(chǎn)能過剩率等指標分析P2G對氣電綜合系統(tǒng)的有益影響。文獻20專門提出氣電綜合系統(tǒng)的削峰填谷模型，利用P2G的“填谷”和

13、燃氣輪機的“削峰”作用，實現(xiàn)了平滑氣電聯(lián)合系統(tǒng)的凈負荷。綜上，可看出P2G技術(shù)的引入和發(fā)展對增大可再生能源的消納、提高能源利用率有重要作用。上述針對含P2G的綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度和規(guī)劃的文章多是以系統(tǒng)成本最小為目標進行優(yōu)化。文獻21在對氣電聯(lián)合系統(tǒng)進行優(yōu)化時計及了P2G的運行成本，建立了含系統(tǒng)經(jīng)濟性和棄風效果的多目標優(yōu)化模型，著重分析了P2G運行成本較高時對系統(tǒng)風電接納能力與運行經(jīng)濟性之間的矛盾問題，使用加權(quán)模糊方法將多目標轉(zhuǎn)化為單目標進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果依賴決策者對各個目標函數(shù)的權(quán)重系數(shù)的選擇?；谏鲜鲅芯浚紤]到天然氣作為清潔能源，對環(huán)境污染比較小，本文提出一種兼顧系統(tǒng)總發(fā)電成本和系統(tǒng)污染

14、排放以及風電消納的多目標優(yōu)化調(diào)度模型，系統(tǒng)總成本計及了P2G的轉(zhuǎn)換成本。首先對天然氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及互聯(lián)系統(tǒng)的耦合部分分別建模。在計及電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)各自運行約束以及耦合元件運行約束的基礎(chǔ)上，利用多目標粒子群算法對模型進行求解，然后利用模糊理論挑選綜合滿意度最大的解作為折衷解。并通過算例驗證了該模型的有效性；分析了P2G能夠有效地對可再生能源進行消納；天然氣負荷的變化對電力系統(tǒng)調(diào)度安排有較大沖擊，進而影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性和污染排放。1含P2G的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)1.1P2G技術(shù)P2G技術(shù)是指通過電解水將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，或進一步通過薩巴蒂埃（Sabatier）催化反應(yīng)將氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣，從而

15、直接利用氫氣或者天然氣。整個轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。圖1 P2G過程Fig.1 The pProcess of P2G由于氫氣不能直接注入天然氣系統(tǒng)中，且存儲和運輸困難，一般選用電轉(zhuǎn)天然氣，電轉(zhuǎn)天然氣的轉(zhuǎn)化效率為45%60%。天然氣可直接注入天然氣系統(tǒng)進行大規(guī)模存儲和長距離傳輸，在用電高峰時，通過燃氣機轉(zhuǎn)化為電能，緩解用電緊張。應(yīng)用P2G技術(shù)，要考慮P2G技術(shù)的成本。P2G的運行成本包括初始投資、后期設(shè)備維護等固定成本和生成單位天然氣所需的可變成本?？勺兂杀景ㄓ秒姵杀竞驮铣杀?，原料成本主要是指二氧化碳成本。二氧化碳的來源不同（碳捕捉技術(shù)、沼氣等），所需成本不同，成本在101000$/t之間。P

16、2G的可變成本隨著其用電量和產(chǎn)氣量變化而變化，直接影響日前調(diào)度的經(jīng)濟性。本文在計算氣電互聯(lián)系統(tǒng)運行成本時，主要考慮了P2G的可變成本，表示為式（1）： （1）式中 、分別為第a臺P2G的用電價格、生成單位天然氣所需的系數(shù)以及價格系數(shù)；和是第a臺P2G在t時刻消耗的電功率和生成的天然氣。1.2氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)P2G將多余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣，另一邊，燃氣機組將天然氣轉(zhuǎn)換為電能，減少污染氣體排放，兩者實現(xiàn)了氣電互聯(lián)系統(tǒng)之間的能量雙向流動。含P2G的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。2氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)多目標優(yōu)化運行模型2.1目標函數(shù)（1）優(yōu)化目標1是系統(tǒng)總的運行成本最低。包括傳統(tǒng)燃煤機組

17、的發(fā)電成本，天然氣氣源生產(chǎn)成本，天然氣存儲成本，以及P2G的原料成本，P2G的用電成本考慮在火電成本或風電中，風力發(fā)電不產(chǎn)生費用，不計入綜合成本中。目標函數(shù)可表示為： （2）式中 F1是綜合成本；t為總的調(diào)度時段；GU是然其機組數(shù)目；k是天然氣氣源數(shù)目；m是儲氣設(shè)備數(shù)目；n是P2G設(shè)備數(shù)目；是機組i的燃料價格；是氣源點k的價格；是儲氣設(shè)備s的用氣價格；為氣源點k在t時段的出力；是儲氣設(shè)備s在t時段的氣體進出量；是機組i的熱耗曲線，與機組出力的關(guān)系如下式： （3）式中 ，分別機組i的煤耗系數(shù)；是燃煤機組i在t時刻的出力。圖2 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagra

18、m diagram of the integrated natural-gas and electricity energy systems（2）優(yōu)化目標2是系統(tǒng)二氧化碳和二氧化硫總的排放量最小。目標函數(shù)為： （4）式中 tu是燃煤機組總數(shù)；、分別表示二氧化硫和二氧化碳排放量與機組出力的關(guān)系。二氧化硫的排放總量和機組出力的關(guān)系表達式如下：（5）二氧化硫的排放總量和機組出力的關(guān)系表達式如下：（6）式中 至是排放系數(shù)。（3）優(yōu)化目標3表示系統(tǒng)的棄風量最小即系統(tǒng)的棄風成本最少20，表示為： （7）式中 、是風電場w在t時段的棄風成本系數(shù)、棄風量。系統(tǒng)棄風量為： （8）式中 、表示風電場w在t時段的預

19、測功率和實際并網(wǎng)功率。P2G的引入能提高對可再生能源風電的消納，但P2G自身轉(zhuǎn)換的容量有限以及受其轉(zhuǎn)換成本的影響，在風電滲透率較高時，不能全額消納過剩風電，產(chǎn)生一定量棄風，引入目標函數(shù)3來衡量風電滲透率和P2G轉(zhuǎn)換容量對系統(tǒng)消納風電的影響。2.2電力系統(tǒng)約束電力系統(tǒng)的運行約束包括功率平衡約束，發(fā)電機出力約束以及采用直流潮流法時的相角約束和線路潮流約束。（1）節(jié)點功率平衡約束 （9）式中 N(e)表示與節(jié)點e相連設(shè)備的集合；s(l)和r(l)表示輸電線路l發(fā)送母線或節(jié)點、接收母線或者節(jié)點；、分別表示火電機組i、風電場w在t時刻的出力和t時刻的負荷d。（2）直流潮流法計算約束 （10） （11）

20、（12）式中 和是母線e相角最小和最大限制；和是輸電線路l送端母線和受端母線的相角；表示線路l的最大潮流功率。（3）發(fā)電機組出力、P2G電能消耗的上下限以及風電出力等約束。 （13） （14） （15）式中 、是第i臺火電機組的出力上下限；表示第a臺P2G設(shè)備的轉(zhuǎn)換功率上限。2.3天然氣系統(tǒng)約束天然氣網(wǎng)主要由天然氣源、天然氣管道、加壓站和儲氣設(shè)備以及天然氣負荷組成。和電力系統(tǒng)類似，天然氣系統(tǒng)也有節(jié)點能量平衡以及管道潮流約束。（1）節(jié)點能量平衡約束（16）式中 G(m)表示與該節(jié)點m相連的設(shè)備集合；s(mn)、r(mn)表示天然氣管道發(fā)送母線或節(jié)點，接收母線或者節(jié)點；是與該節(jié)點相連的氣源k在t時

21、刻的出氣量；、是與該節(jié)點相連的儲氣設(shè)備s在t時刻的出氣量和進氣量；、是與該節(jié)點相連的燃氣機組i和天然氣負荷g的耗氣量。（2）天然氣管道潮流約束天然氣管道流量和管道兩端壓力等物理特性有關(guān)，且成非線性關(guān)系。采用Weymouth描述管道中氣流和兩端氣壓的關(guān)系為： （17） （18） （19）式中 是天然氣節(jié)點m的氣壓，Kmn為天然氣管道的Weymouth特性參數(shù)；和是天然氣節(jié)點m氣壓的最小和最大限制。（3）加壓站約束天然氣管道在傳輸過程中由于管壁摩擦和地勢變化存在輸氣損耗。需要在輸氣管道沿途添加加壓站彌補輸氣損耗。忽略加壓站本身的能量消耗，僅考慮進氣端和出氣端之間的升壓關(guān)系以及加壓站的容量限制，加壓

22、站的約束為： （20）式中 是壓縮常數(shù)，使天然氣從低氣壓節(jié)點流向高氣壓節(jié)點。（4）儲氣設(shè)備約束儲氣設(shè)備可在天然氣網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者氣體負荷發(fā)生大的波動下提供支持，增加天然氣網(wǎng)絡(luò)的運行可靠性。儲氣設(shè)備既受到自身儲氣容量的限制也有每個時刻進氣量和出氣量的限制。一個調(diào)度周期內(nèi)考慮多時段的動態(tài)約束表示為： （21） （22） （23） （24）式中 為天然氣儲氣設(shè)備s在t時刻的儲氣量；和和分別代表儲氣設(shè)備s儲氣容量的最小值和最大值；和和為儲氣設(shè)備s的最大和最小氣流量限制。2.4電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的耦合約束電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)通過燃氣機組和P2G的形式耦合在一起。（1）燃氣機組約束。燃氣機組是消耗天然氣

23、產(chǎn)生電能，相當于天然氣系統(tǒng)的負荷，電力系統(tǒng)的電源。燃氣輪機發(fā)電量和所需天然氣之間的關(guān)系如下所示： （25）式中 HHV（high heating value）是指天然氣的高熱值，將天然氣流量轉(zhuǎn)換為天然氣功率流的一個系數(shù)，其值為1.026 MBtu/kcf。（2）P2G運行約束。P2G將系統(tǒng)過剩風電轉(zhuǎn)換為天然氣注入天然氣系統(tǒng)中，相當于電力系統(tǒng)中的負荷，天然氣系統(tǒng)的氣源。P2G消耗電能產(chǎn)生天然氣，兩者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示： （26）式中 表示能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取為；表示P2G的轉(zhuǎn)換效率。為了求解氣電互聯(lián)系統(tǒng)的多目標優(yōu)化調(diào)度模型。調(diào)度中心將收集到的電負荷曲線、氣負荷曲線以及風電預測功率信息輸入求解模

24、型中，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行次日的火電機組、燃氣機組、P2G、天然氣氣源、風電并網(wǎng)等調(diào)度安排。優(yōu)化結(jié)果兼顧了系統(tǒng)經(jīng)濟性、污染排放以及風電消納。由于調(diào)度模型是非線性的，本文采用多目標粒子群算法進行求解。3基于多目標粒子群算法的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行求解3.1多目標粒子群優(yōu)化算法粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是美國電氣工程師Kennedy和社會心理學家Eberhart基于鳥類覓食的行為提出的。在求解多目標優(yōu)化的問題上，粒子群具有算法簡單、搜索效率高和快速收斂等優(yōu)點。針對基本多目標粒子群優(yōu)化算法沒有變異容易陷入局部最優(yōu)、提前收斂的問題。本文引入變異算子改善這種情

25、況。再使用拉丁超立方抽樣生成初代粒子，使粒子能在較大的可行域中搜索22。3.2非劣解的更新策略定義一個外部檔案來存取每次迭代產(chǎn)生的非劣解。最終的非劣解也是從外部檔案中選取。通過比較新的解和原來檔案中各個解的支配關(guān)系來更新外部檔案。新解支配已有解，則刪除被支配解，已有解支配新解，則新解不加入，新舊解間無支配關(guān)系則增加新解。隨著迭代次數(shù)的增加，外部檔案的規(guī)模會增大。利用擁擠距離對外部檔案進行再次篩選。當前粒子擁擠距離跟其前后粒子的目標函數(shù)值有關(guān)，表示為： （27）式中 表示第b個粒子的擁擠距離；、表示第j個目標函數(shù)的最大值和最小值。擁擠距離越大，則該粒子周圍越稀疏，選擇擁擠距離大的粒子留在外部檔案

26、中，保證外部檔案的多樣性，不易陷入局部最優(yōu)。3.3模糊理論選取折衷解多目標優(yōu)化不存在最優(yōu)解，而是由很多非劣解構(gòu)成Pareto最優(yōu)解集。在不知決策者偏好和實際情況下，通過模糊理論挑選綜合滿意度最大的解作為折衷解，兼顧多個目標。定義模糊隸屬度函數(shù)為22： （28）式中 fj表示第j個目標函數(shù)值；、表示第j個目標函數(shù)的最小值和最大值。再根據(jù)公式（29）求取每個目標函數(shù)的綜合隸屬度U，選取U最大的作為折衷解。 （29）3.4模型求解流程利用多目標粒子群算法求解氣電互聯(lián)綜合能源優(yōu)化問題。將電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)統(tǒng)一優(yōu)化求解。流程圖如圖3所示。圖3 優(yōu)化模型求解流程圖Fig.3 Flow chart of

27、solving the proposed optimization model4算例分析4.1算例系統(tǒng)介紹針對上兩節(jié)所提的模型和所用算法，本文利用一個6母線的電力系統(tǒng)和一個7節(jié)點的天然氣系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)作為算例進行編程計算23。氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 圖4 氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure diagram of the integrated electricity and natural-gas energy systems如圖4所示，電力系統(tǒng)中G1、G2、G3代表傳統(tǒng)燃煤機組，燃煤機組的成本系數(shù)是2.5 $/MBtu；G4、G5是燃氣機組，并且分別接入

28、天然氣系統(tǒng)中的3、1節(jié)點。燃氣機組的成本計算在天然氣生產(chǎn)成本中。節(jié)點4接入一個風電場，風電場裝機容量為120 MW，棄風成本系數(shù)1 000 $/MW20。天然氣系統(tǒng)中，氣源W1、W2分別接入節(jié)點7、6，成本系數(shù)分別為2 $/kcf和2.5 $/kcf，壓縮站存在節(jié)點2、4之間，儲氣設(shè)備S1和P2G同時接入節(jié)點1，P2G的另一端接入電力系統(tǒng)的節(jié)點3，P2G的最大轉(zhuǎn)換功率為30 MW，轉(zhuǎn)換效率是0.64，轉(zhuǎn)換成本參考文獻21，取，轉(zhuǎn)換價格為4.5$/(MWh)。儲氣設(shè)備的使用成本是1 $/kcf，最大儲氣量為2 500 kcf/h，每次進出氣的上限為500 kcf/h。綜合系統(tǒng)的線路傳輸約束參見文

29、獻24。燃煤機組的污染排放見表125。表1 燃煤機組的污染排放系數(shù)Table Tab.1 Pollution emission coefficients Three of generators emission coefficientscoal-fired power unitjG1171.73-184.0660.8311381.07-12198.24031.44G276.65-92.0740.005080.15-6101.952651.10G339.12-57.6531.562592.64-3820.932091.66注：表中數(shù)據(jù)的單位是（10-3ton/h）本文以一天為一個調(diào)度周期，一小時

30、為間隔。系統(tǒng)的風電預測出力、電負荷以及氣負荷需求曲線如圖5所示。從圖5看出，風電預測出力有反調(diào)峰性，夜間負荷低谷時，風電出力較多，此時易產(chǎn)生棄風。圖5 電負荷、氣負荷和風電出力曲線Fig.5 Load profile of electric, gas and output curve of wind farms為了研究P2G的對系統(tǒng)棄風的改善以及天然氣負荷變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性和污染排放的影響，設(shè)置了以下4個場景：場景1：不含P2G時的多目標優(yōu)化；場景2：包含P2G情況下的多目標優(yōu)化；場景3：在場景2基礎(chǔ)上，不同風電滲透率下的多目標優(yōu)化；場景4：在場景2基礎(chǔ)上，某節(jié)點的天然氣負荷增加時的多目標優(yōu)化。

31、4.2算例結(jié)果分析（1）場景1、2的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。表2 場景1、2的優(yōu)化結(jié)果Tab. 2 The Optimization results of scenarios 1 and 2運行成本/($)*105污染排放/ton棄風成本/($)*104不含P2G7.0421250.76737.9082含P2G7.0460250.76730從表2數(shù)據(jù)可看出：1）含P2G的系統(tǒng)棄風量從79.082 MW降為了零，風電被完全消納，沒有棄風。兩種場景下的棄風情況如圖6所示。沒有P2G的系統(tǒng)棄風主要產(chǎn)生在夜間46時，此時風電出力達到高峰而用電負荷處于低谷，火電機組1、2出力幾乎達到其下限，無法再提供下旋轉(zhuǎn)

32、備用，故系統(tǒng)不能再繼續(xù)消納風電，棄掉過剩風電。增加P2G后，增大了系統(tǒng)的下旋轉(zhuǎn)備用，過剩風電可被消納，減少棄風；2）含P2G系統(tǒng)總的運行成本比不含P2G系統(tǒng)的運行成本有所增加，從7.0421*105$提高到了7.0460*105$。這是因為本文在計算系統(tǒng)總的運行成本時計及了P2G的可變成本，當前算例中P2G將過剩風電轉(zhuǎn)換為天然氣而增加的轉(zhuǎn)換成本高于天然氣減少使用的成本，故含P2G系統(tǒng)總的運行成本較無P2G系統(tǒng)的運行成本多。不過，雖然目前P2G的轉(zhuǎn)換成本較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，P2G的轉(zhuǎn)換成本會降低轉(zhuǎn)換效率也會提高，這樣在系統(tǒng)經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢會逐步顯現(xiàn)；3）場景1、2的污染排放量一致。這是

33、因為本算例中P2G雖然消納了過剩風電，從而減少了天然氣消耗，但沒有影響燃氣機組和其他燃煤機組的出力變化，故對系統(tǒng)的污染排放沒有影響。由多目標粒子群算法求取的場景2中滿足系統(tǒng)功率平衡以及線路傳輸?shù)燃s束要求的機組出力、氣源出力如圖7所示。（2）場景3的優(yōu)化結(jié)果分析。P2G消納過剩風電不是無限量的，這和P2G本身的轉(zhuǎn)換容量有關(guān)。為了進一步分析P2G的轉(zhuǎn)換容量對系統(tǒng)消納風電的影響，設(shè)置了不同風電滲透率和不同P2G轉(zhuǎn)換容量的算例。場景3分為3個子場景：場景3.1：風電滲透率是120 MW，P2G的轉(zhuǎn)換容量是30 MW；圖6 場景1、2中棄風量對比Fig. 6 The cComparison of win

34、d power curtailment in scenarios 1 and 2（a）場景2中發(fā)電出力（b）場景2中供氣出力圖7 場景2發(fā)電、供氣出力Fig. 7 Electric power outputs and gas source outputs in scenario 2場景3.2：風電滲透率是144MW，P2G的轉(zhuǎn)換容量是30MW；場景3.3：風電滲透率是144MW，P2G的轉(zhuǎn)換容量是50MW。算例優(yōu)化結(jié)果如表3所示。表3 場景3的優(yōu)化結(jié)果Tab.3 The Optimization results of scenario 3子場景序號運行成本/($)*105污染排放/ton棄風成

35、本/($)*104場景3.17.0460250.76730場景3.26.9539234.39983.8150場景3.36.9594232.83310分析表3中數(shù)據(jù)可得，場景3.1的情況下風電可被完全消納，沒有棄風，接入系統(tǒng)風電的使用情況如圖8（a）所示；但當風電滲透率增加到144 MW，P2G轉(zhuǎn)換容量保持30 MW不變時，風電不能被全部消納，產(chǎn)生棄風，風電的使用情況如圖8（b）所示。在場景3.2的基礎(chǔ)上，將P2G的容量增加到50 MW，則接入144 MW的風電可被完全消納，風電的使用情況如圖8（c）所示。由此可見，增大P2G的轉(zhuǎn)換容量，可增加風電的消納，減少棄風成本。實際中可根據(jù)系統(tǒng)的風電接入

36、量配置容量合適的P2G，以更好地消納風電，減少資源浪費，降低污染排放。（3）場景4的優(yōu)化結(jié)果分析。電力系統(tǒng)和天然氣通過燃氣機組和P2G緊密耦合在一起，當天然氣系統(tǒng)的負荷變化時也會通過燃氣機組影響到電力系統(tǒng)，從而影響整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性和污染排放。為了分析天然氣居民負荷增加對整個系統(tǒng)經(jīng)濟性和污染排放的影響，在場景2基礎(chǔ)上對節(jié)點1的居民負荷分別增加200 kcf/h和250 kcf/h。優(yōu)化結(jié)果如表4所示。表4 場景4的優(yōu)化結(jié)果Tab.4 The Optimization results of scenario 4節(jié)點1負荷增加量（kcf/h）運行成本/($)*105污染排放/ton棄風成本/($)*

37、10407.0460250.767302007.1467251.200802507.1615251.27680分析表4的數(shù)據(jù)可得，當天然氣系統(tǒng)中居民負荷增加時，綜合系統(tǒng)總的運行成本和污染排放都增加。這是因為當天然氣中的居民負荷增加時，氣源出力增加，故系統(tǒng)總的運行成本增加。且在儲氣設(shè)備和氣源出力一定時，不能同時滿足居民負荷增長和燃氣機組的消耗，居民負荷用氣的優(yōu)先級高于燃氣機組，只能通過減少燃氣機組的耗氣量來保證居民用氣量。燃氣機組出力減少而產(chǎn)生的電出力缺口由電力系統(tǒng)中其他燃煤機組增加出力補足，故整個系統(tǒng)的污染排放會有所增加。圖9給出了天然氣居民負荷變化時燃氣機組5的發(fā)電出力變化。在不改變系統(tǒng)現(xiàn)有

38、開機方式的情況下，只是減少燃氣機組5的出力就能補足居民負荷的用氣增長，燃氣機組5主要是在1821時天然氣居民負荷高峰時減少出力。(a) 場景3.1(b) 場景3.2(c) 場景3.3圖8 不同風電滲透率下和P2G容量下風電使用情況Fig.8 Wind power utilization under different wind power penetration and P2G capacity圖9 燃氣機組5的電出力變化Fig.9 The pPower output change of gas unit 54結(jié)束語通過對含P2G的氣電互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)建立包含系統(tǒng)綜合成本最小、污染排放量最少、

39、棄風成本最少的多目標優(yōu)化調(diào)度模型，并利用多目標粒子群優(yōu)化算法和模糊理論求出折衷解，兼顧多種目標需求。算例結(jié)果表明P2G對系統(tǒng)消納風電有積極作用。由于目前P2G的成本較高，在降低系統(tǒng)成本方面優(yōu)勢還不明顯，未來隨著技術(shù)的發(fā)展，P2G的轉(zhuǎn)換成本會降低。此外分析了P2G的轉(zhuǎn)換容量對風電消納量的影響，以及天然氣居民負荷增加時，系統(tǒng)總的運行成本和污染排放都會增加。在后續(xù)工作中，將各個部分的模型精細化，如考慮風電預測功率的誤差、互聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)特性等，研究深度耦合下的綜合能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。參 考 文 獻中華人民共和國國家能源局. 2015年風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況EB/OL. (2016-02-02). http:

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