源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究.pdf
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1、第 42 卷 第 4 期2023 年 8 月内蒙古工业大学学报(自然科学版)Journal of Inner Mongolia University of Technology(Natural Science Edition)Vol.42 No.4Aug.2023源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究李兴国,曹家乐,陈建,任永峰(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院,呼和浩特 010051)摘要:综合能源系统(Integrated energy system,IES)在能源消纳和满足多元化能源需求的同时兼具低碳性和经济性的优点。为进一步提升综合能源系统消纳水平以及经济性,提出了考虑源-储
2、联动综合能源系统协调优化运行策略。首先,将综合能源系统分为供给侧、转换侧和储存侧、用户侧,重点阐述源-储两侧组成单元的运行机理,并分析其在IES中发挥的作用。其次,将聚焦式光热(Concentrating solar power,CSP)电站引入能源供给侧,充分利用电耦合CSP电站能量时移特性维持供需平衡。利用储能侧双层电转气(Power to gas,P2G)系统提升综合能源系统消纳水平,并与单层氢储系统在可再生能源消纳效果上进行对比分析。最后,基于Matlab/simulink软件平台对所提优化协调运行策略有效性进行时域仿真验证。实验结果表明:所提优化协调策略可有效增强系统消纳水平,提升系
3、统经济性,对解决弃风、弃光问题以及能源行业绿色低碳转型具有重要参考价值。关键词:综合能源系统;光热电站;电转气中图分类号:TK 519 文献标志码:AA Coordinated and optimized operation strategy for comprehensive energy systems considering source storage linkageLI Xingguo,CAO Jiale,CHEN Jian,REN Yongfeng(School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of
4、 Technology,Hohhot 010051,China)Abstract:Integrated energy systems(IES)possess the advantages of carbon reduction and economic viability while addressing diverse energy demands and ensuring energy consumption.To further enhance the level of energy consumption and economy in IES,this paper proposes a
5、 coordinated optimization operation strategy considering the synergy between energy sources and energy storage units.Firstly,the IES is divided into the supply side,conversion and storage side,and user side,with a focus on elucidating the operational mechanisms of source and storage units and analyz
6、ing their roles in IES.Secondly,concentrating solar power(CSP)plants are introduced to the energy supply side,utilizing the temporal characteristics of energy transmission in electric-coupled CSP plants to maintain supply-demand balance.The energy storage side utilizes a two-layer power-to-gas(P2G)s
7、ystem to improve the level of energy consumption in the integrated energy system,and a comparative analysis is conducted with the single-layer hydrogen storage system in terms of renewable energy consumption effectiveness.Finally,the effectiveness of the proposed optimized coordination operation str
8、ategy is validated through time-domain simulations using the Matlab/Simulink software platform.Experimental results demonstrate that the proposed strategy effectively enhances the systems level of energy consumption,improves its economic feasibility,and provides valuable insights for addressing wind
9、 and solar curtailment issues and achieving green and low-carbon transformation in the energy industry.Keywords:integrated energy system;concentrating solar power;power to gas随着我国经济快速发展,能源需求不断上升,电力行业已成为碳排放的最大单一行业1-3。尽管高比例可再生能源有助于实现降碳目标,但仍存在技术难题,如新型电力系统如何实现稳定运行和灵活调度。综合能源系统为解决这一问题提供了新思路,整合多种能源并解决大规模新能
10、源接入和消纳的适文章编号:1001-5167(2023)04-0336-07收稿日期:2023-06-04基金项目:国家自然科学基金项目(51967016);内蒙古自治区自然科学基金项目(2022LHQN05001);内蒙古工业大学科学研究项目(ZY201903)第一作者:李兴国(1997),男,2020级硕士研究生,主要从事综合能源系统研究。E-mail:通信作者:陈建(1987),男,博士,讲师,主要从事新能源并网发电与电能质量控制。E-mail:第 4 期李兴国等 源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究应性问题。光热电站和电转气综合能源系统具有巨大的研究价值。目前,综合能源系统模
11、型正向精细化和物理化发展,但尚无统一建模方法。部分研究已探讨了电转气、碳捕集、随机博弈等多方面的综合能源系统建模方法,但关于源-储联动系统的经济性和低碳性研究不足4-7。太阳能热发电的研究表明,光伏发电和光热发电混合发电厂具有廉价和可调度的优势8-13。电转气技术加快了综合能源系统多能深度耦合,为解决能源过剩与浪费提供了新途径14-18。本文旨在探讨光热电站在综合能源系统中的优化应用,以提高可再生能源的供能稳定性。本文的创新性主要体现在以下几点:首先,在源侧考虑以光热电站优化综合能源系统可再生能源的供能稳定性,同时降低碳排放。其次,在光热发电系统中添加电热转换模块,实现电热系统耦合,利用光热电
12、站配置的储热系统辅助消纳风光电量。最后,在储侧构建双层电转气系统,充分发挥电转气技术储能优势,分段分级消纳可再生能源电量,同时稳定系统供需平衡。1综合能源系统组成单元运行机理分析及数学模型1.1源侧光热电站CSP电站具有储热系统可以直接输出热能,具有良好的输出、可调度特性和能量时移特性,还可根据电网用电负荷需要参与电力系统的一次调频和二次调频,确保电网频率稳定,保证电网安全。下文中所提光热电站均为塔式熔盐光热电站。电耦合塔式熔盐光热电站由镜场、高低温熔盐罐、电加热器、换热装置和热电联供机组组成,如图1所示。根据质量守恒定律建立数学模型:Ml(t+1)=Ml()t-Mg()t-Meh()t+Mr
13、()tMh(t+1)=Mh()t+Mg()t+Meh()t-Mr()t(1)式中:Ml为低温熔盐罐中熔融盐质量;Mg为进出集热塔的熔融盐质量;Meh为进出电加热器的熔融盐质量;Mr为进出换热装置的熔融盐质量;Mh为高温熔盐罐中熔融盐质量。1.2储侧电转气系统1.2.1电转气运行机理目前电转气技术主要分为电转氢气和电转天然气两种,电转氢气是电解水生成氢气和氧气,同时可以进一步将氢气与二氧化碳合成为甲烷等利于存储运输的气体,称之为电转天然气。两个化学过程如下:2H2O2H2+O2(2)CO2+4H2CH4+2H2O(3)1.2.2双层电转气系统图2为双层电转气储能系统,由于电转天然气全过程的能量转
14、换率较低,可以将电转天然气分为两阶段。第一阶段为电解水阶段,建立氢储能系统。在可再生能源出力峰值时,以电解槽制氢气,将氢气储存在储氢罐中。若还有富余弃风、弃光电量,可进入第二阶段氢气转天然气阶段,将制成的天然气由天然气管网运输出去,不仅提高了综合能源系统中储能容量的上限,而且做到分层次、分阶段消纳弃风、弃光电量。同时氢气与二氧化碳反应,也有助于综合能源系统低碳性的实现。依据双层电转气储能系统原理,构建其能量流动数学模型如下:QH2(1)=18QH2(t+1)=QH2(t)+ECPEC()t-PFC()tFC-qCH4()tQH2minQH2()t QH2max(4)式中:MH2为t时刻氢储系统
15、储存的能量;PEC为电解槽出力;PFC为燃料电池出力;EC为电解槽效率;FC为燃料电池效率;QCH4为电转天然气所消耗氢能;QH2min、QH2max分别为氢储能系统上下限约束。图2双层电转气系统原理图Fig.2Double-layer power to gas schematic diagram图1电耦合光热电站原理图Fig.1CSP station with electric heater schematic diagram337内蒙古工业大学学报(自然科学版)2023 年1.3其他组成设备1.3.1风力发电风力发电机组出力与风速和风轮桨叶尺寸等多种因素有关,风力发电机组输出功率表达式为:
16、Pw=12CpSwv3(5)式中:Pw为风机输出的有功功率;Cp为风能利用系数;为空气密度;Sw为风轮桨叶扫掠面积;v3为风速。根据风机的切入、额定、切出风速简化式(5)得到式(6):Pw=0vvout(6)1.3.2光伏发电影响光伏发电出力的主要因素是光照强度和环境温度,三者关系如下:Ppv=PSGC1+k()TC-TSGS(7)式中:Ppv为光伏电池板出力;PS为在标准测试环境下的光伏电池板出力;GS为标准测试环境下光照强度,1 000 W/m2;GC为实际工作环境下光照强度;k为功率温度系数,k=-0.47%/K;TS为标准测试环境下光伏电池板温度;Tc为实际工作环境下光伏电池板温度。1
17、.3.3热电联产机组本文热电联供机组的热源为光热电站的储热系统及火力发电的燃煤锅炉。热电联供机组热电比固定,其生产的热功率与电功率高度相关,故可用以下数学模型进行表示:PCHP=CHP-eGCHPHCHP=CHP-hGCHP(8)式中:GCHP为热源为热电联供机组提供的功率;CHP-e为热电联供机组电效率;CHP-h为热电联供机组热效率;PCHP为热电联供机组电功率;HCHP为热电联供机组热功率。1.3.4燃气锅炉燃气锅炉数学模型如下:Hb=bVCH4qCH4(9)式中:Hb为燃气锅炉出力;b为燃气锅炉效率;VCH4为燃气锅炉进气量;qCH4为天然气热值。2含光热电站和电转气的综合能源系统运行
18、2.1含光热电站和电转气的综合能源系统系统模型搭建含光热电站和双层电转气的综合能源系统如图3所示。将整个综合能源系统划分为三个部分,能源供给侧由风力发电、光伏发电、光热发电和火力发电组成,以可再生能源为主,化石能源为辅。能源转换侧由电加热器、电解槽、燃料电池、燃气锅炉及热电联供机组组成。储能为光热电站自备的熔盐储热系统和双层电转气系统。用户侧包括电能负荷、热能负荷。2.1.1目标函数本文的综合能源系统以运行成本最低为目标,优化系统内各设备出力。建立目标函数:minF=C1+C2+C3+C4(10)式中:F为系统运行总成本;C1为设备运维成本;C2为碳处理成本;C3为能源购买成本;C4为弃风弃光
19、成本。1)设备运维成本根据各个设备的运行时长,运行功率计算其运维成本。C1=t=1T(i=1NCw-iPi(t)(11)式中:T为总运行时间;N为运维设备数量;CW-i为i设备的运行维护费用;Pi为i设备的出力。2)碳处理成本碳处理成本是为了鼓励能源转型减少碳排放。图3综合能源系统结构图Fig.3Structure diagram of integrated energy system338第 4 期李兴国等 源-储联动的综合能源系统协调与优化运行策略研究C2=CO2(3.6bqCH4bHb+tpPtp)-gPCH4(12)式中:CO2为二氧化碳处理成本;b为燃烧单位天然气产生二氧化碳量;qC
20、H4为天然气热值;b为燃气锅炉的效率;Hb为燃气锅炉总出力;tp为火电厂每单位电量产生二氧化碳量;Ptp为火电总出力;g为单位功率甲烷反应器获得碳收益指数;PCH4为甲烷反应器总功率。3)能源购买成本综合能源系统中火力发电需要购买煤炭,燃气锅炉需要购买天然气。C3=GctpPtp+GCH43.6qCH4bHb(13)式中:Gc为煤炭购买价格;tp为火电厂每单位电量耗煤量;GCH4为分时天然气价。4)弃风弃光成本弃风、弃光电量的产生,不仅没有产生收益,还会使设备折旧。C4=a(Pw-a+Ppv-a)(14)式中:a为弃风、弃光惩罚;Pw-a为弃风量;Ppv-a为弃光量。2.1.2约束条件1)功率
21、平衡约束 ptp()t+pcsp()t+pw()t+ppv()t+pfc()t=pec()t+ph()t+pCH4()t+pL()thtp()t+hcsp()t+hb()t=hL()t(15)式中:Pcsp为光热电站出力;Pw为风电出力;Ppv为光伏出力;Pfc为燃料电池出力;Pec为电解槽功率;Ph为电加热器功率;PL为电负荷;htp为火电热出力;hcsp为光热电站热出力。2)设备启停约束 D=onoffi()t-onoffi()t-1Range=t:min()Tt+Ton-1onoffi()Range 1-D(16)式中:D为启停状态指示变量;onoffi为二进制变量表示i设备的启停状态;
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- 联动 综合 能源 系统 协调 优化 运行 策略 研究
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