计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调度方法

摘要

本发明公开了计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调度方法，本发明针对综合能源系统，研究计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调度。通过细化电转气两阶段机理，实现在电转气消纳风电的同时充分发挥其减碳效益，并考虑氢能，构建电‑氢‑天然气综合能源系统。在此基础上，建立奖惩阶梯型碳交易机制模型，考虑P2G和燃气轮机共同参与碳交易市场，通过对系统各单元的协调调度，实现保证系统调度经济性的同时减少碳排放量。

说明书

技术领域

本发明属于于综合能源系统优化调度技术领域，具体涉及计及电转气的综 合能源系统低碳经济优化调度方法。

背景技术

目前，针对计及电转气的综合能源系统优化调度研究，国内外学者展开了 一系列研究。比如：1)针对含大规模分布式风电的综合能源系统，主要研究电 转气消纳风电直接生成天然气，存入天然气网络，并通过电-气综合能源系统协 调运行，提高系统消纳风电能力。2)针对含大规模风电的综合能源系统，探索 风电的经济价值，进行综合能源系统经济调度方面的研究。3)考虑环境影响， 目前研究主要是将碳交易机制引入综合能源系统，但未对碳交易机制原理进行 分析，且主要考虑传统碳交易机制。然而，1)中忽略了高比例风电功率波动对 天然气网络的直接冲击影响，忽略了中间环节氢气的可利用价值，且电直接转 化为天然气过程能量损耗太大。2)多数关注综合能源系统运行经济、安全性， 对能源转化利用过程中带来的环境影响未得到充分考虑；3)鲜有文献将奖惩阶 梯型碳交易机制引入综合能源系统进行优化调度分析。

发明内容

本发明的目的在于提供计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调度方 法，促进风电资源的消纳同时，提高系统经济性和低碳性。

本发明所采用的技术方案是：计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调 度方法，主要包括从电转气两阶段运行机理入手，挖掘P2G的低碳潜力，并引 入奖惩阶梯型碳交易机制，考虑P2G和燃气轮机参与碳交易市场，从而建立含 分布式风电的电-氢-天然气综合能源系统低碳经济调度模型，最后通过线性化 处理模型后进行求解，具体操作步骤如下:

步骤1、从电转气两阶段运行机理入手，对系统中电转气精细化建模，在 电转气消纳风电的基础上，挖掘电转气低碳潜力，引入氢能，从而构建电-氢 气-天然气综合能源系统；

步骤2、通过引入奖惩阶梯型碳交易机制，同时考虑电转气和燃气轮机共 同参与碳交易市场，设计综合能源系统低碳经济的目标函数，构建综合能源系 统中配电网、配气网优化运行模型；

步骤3、分别采用分段线性化、增量线性化和二阶锥松弛方法，对目标函 数、电网潮流和天然气网络潮流非线性边界做线性化处理，并利用CPLEX求 解器求解该模型。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：

步骤1.1、所述电转气的运行机理分别为电解水制氢阶段和氢气甲烷化阶 段；

①电解槽模型

式中：V

②甲烷反应器模型

式中：P

③量化电转气减碳能力

甲烷化反应合成天然气需要CO

式中：

步骤1.2、引入氢能，构建包含电-氢气-天然气混合的综合能源系统。

步骤2具体过程为：

步骤2.1、构建奖惩阶梯型碳交易机制模型，考虑电转气和燃气轮机共同参 与碳交易市场，

式中：C

电转气的碳交易成本可表示为

式中：e

步骤2.2、构建综合能源系统低碳经济调度模型

min f＝f

①购能成本f

f

式中：ρ

②弃风成本f

式中：P

③综合能源系统的碳交易成本f

整个系统中需考虑的一是由向上级电网购电和燃气轮机发电产生的CO

其中，C

步骤3分别采用分段线性化、增量线性化和二阶锥松弛方法，对目标函数、 电网潮流和天然气网络潮流非线性边界做线性化处理，并利用CPLEX求解器 求解线性化处理后的综合能源系统低碳经济调度模型。

本发明的有益效果是：

1)将P2G过程细分为电解水制氢阶段和氢气甲烷化阶段，考虑P2G在消 纳风电的同时，参与碳交易市场，挖掘氢气甲烷化阶段中P2G减碳潜力；

2)考虑奖惩阶梯型碳交易机制，构建综合能源系统低碳经济目标函数，在 保证系统经济性的同时，减少系统碳排放量。

附图说明

图1是本发明方法用于实例的综合能源系统示意图；

图2是本发明电转气两阶段模型结构；

图3是本发明电-氢-天然气综合能源系统的结构图；

图4是本发明方法用于实例的优化调度方法计算结果示意图；

图5是本发明方法用于实例的优化调度方法计算结果示意图；

图6是本发明方法用于实例的优化调度方法计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种计及电转气的综合能源系统低碳经济优化调度方法，如图3所 示，电转气(P2G)消纳多余风电产生氢气，一部分供给甲烷发生器，催化生 成天然气注入天然气网，一部分供给氢负荷，多余部分储存在储氢罐。储氢罐 在电解槽生成氢气负荷不足时以及天然气需求高时，分别供给氢负荷和甲烷发 生器。同时，燃气轮机可消耗天然气发电，共同实现电网-天然气网的双向耦合。

具体按照以下步骤实施：

步骤1、从P2G两阶段运行机理入手，对系统中P2G精细化建模，在P2G 消纳风电的基础上，挖掘P2G低碳潜力，引入氢能，从而构建电-氢气-天然气 综合能源系统；

具体过程为：

步骤1.1、细化电转气的两阶段运行机理，分别为电解水制氢阶段和氢气甲 烷化阶段，挖掘氢气甲烷化阶段P2G的减碳潜力；

①电解槽模型

式中：V

②甲烷反应器模型

式中：P

(3)量化P2G减碳能力

甲烷化反应合成天然气需要CO

式中：

步骤1.2、引入氢能，构建包含电-氢气-天然气综合能源系统。

步骤2、通过引入奖惩阶梯型碳交易机制，同时考虑P2G和燃气轮机共同 参与碳交易市场，设计综合能源系统低碳经济的目标函数，构建综合能源系统 中配电网、配气网优化运行模型；

步骤2.1、构建奖惩阶梯型碳交易机制模型，考虑P2G和燃气轮机共同参 与碳交易市场。

式中：C

P2G的碳交易成本可表示为

式中：e

步骤2.2、构建综合能源系统低碳经济调度模型

min f＝f

(1)购能成本

f

本文购电成本考虑峰谷分时电价机制，购气成本采用现阶段普遍施行的固 定气价。

式中：ρ

(2)弃风成本

式中：P

(3)综合能源系统的碳交易成本

整个综合能源系统中需考虑的一是由向上级电网购电和燃气轮机发电产生 的CO

其中，C

步骤3、分别采用分段线性化、增量线性化和二阶锥松弛方法，对目标函 数、电网潮流和天然气网络潮流非线性边界做线性化处理，并利用CPLEX求 解器求解线性化处理后的综合能源系统低碳经济调度模型。

实施例

下面通过具体实施例说明本发明有益效果。

如附图1所示，以IEEE 33节点配电网和24节点配气网构成的电-气综合 能源系统进行仿真分析。

图4～图6为优化运行后各时段内系统不同单元的功率以及氢-天然气体体 积。分析可知，凌晨1:00至6:00左右，配电网和配气网系统负荷和电价处于低 谷状态，但此时风电场出力接近满发，在这种情况下充分发挥电转气的消纳弃 风能力，电转气功率较大。同时气负荷的需求较少，电转气设备产生的氢气基 本不转化为天然气，而是供给氢负荷以及储存在储氢罐中。上午10:00至15： 00左右，电、气负荷和电价处于高峰状态，向上级电网购电减少，电负荷主要 由燃气轮机和风电供给。此时，气负荷需求较高，电转气设备的氢气转化为天 然气供给天然气负荷。下午17:00至21:00左右为电负荷高峰期时，此时气负荷 需求变小，电转气设备几乎不运行，燃气轮机发挥主要作用。

通过上述方式，本发明考虑一种计及电转气的综合能源系统低碳经济优化 调度方法，在风电大规模接入情况下，通过细化电转气两阶段运行机理，实现 在消纳风电的同时，发挥氢能的利用价值；与现有普遍以经济性为目标的综合 能源系统优化模型相比，考虑奖惩阶梯型碳交易机制，以购能成本、弃风成本 和碳交易成本之和为优化目标，实现减碳的同时保持较低的总成本。