DQZHAN技術訊：具有電轉氣功能的多能源系統的市場均衡分析
1.電轉氣技術對未來多能源系統的意義
隨著化石能源逐漸枯竭和環境污染問題加劇, 近年來許多國家加大了可再生能源發電的發展力度, 尤其是風力發電和太陽能發電, 以期緩解能源和環境問題。雖然這些可再生能源發展迅速, 但其發電出力具有間歇性和可控性差的特征, 其大量并網運行給電力系統運行的**性和經濟性帶來很大挑戰, “棄風”、“棄光”現象普遍存在。國家能源局指出, 2013年國內平均棄風率達11%, 國內光伏發電站被“棄光限電”的比例甚至高達40%, 可再生能源發電資源浪費嚴重, 這對可再生能源行業的發展帶來了嚴重的負面影響。從根本上講, 電力工業傳統的“源-網-荷”結構難以承載大規模分布式可再生能源的接入, 亟需在結構和運行方式上進行變革。
未來能源系統變革的趨勢之一是多種能源系統的互聯互通, 實現包括可再生能源在內的各種一次能源、電能為主的二次能源以及各種終端能源在多個能源網絡組成的復雜網絡系統中緊密融合; 各種能源通過對應的能量轉換設備轉換能源形式(如氣→電, 氣→熱等), 實現能源在不同物理系統中的雙向流動; 充分利用各能源系統的傳輸設備和儲能設備, 實現多種能源的綜合交互與協調優化。
與現有的能源系統相比, 未來多能源系統在能源市場方面將會有很大區別：在目前的能源系統中需求側對不同能源的需求一般難以相互替代, 而在多能源系統中消耗不同能源的負荷間可相互轉換, 具有一定的可替代性; 需求側可通過調整能源消費結構, 用多種形式的能源滿足自身能源需求。
電能和天然氣都是現有能源系統的重要組成部分, 而目前電力系統和天然氣系統之間的耦合**于燃氣輪機, 即天然氣向電能單向轉換。近年來出現的電轉氣(power to gas, P2G)技術則可能改變這一現狀, 并為電能的大規模儲存提供了新思路: 把富余的電能進行電化學反應后將氫氣和二氧化碳制**造天然氣, 注入天然氣網絡, 從而可利用天然氣儲存設施進行大規模長時間存儲, 進而有效提高電力系統在負荷低谷時段接納間歇性可再生能源發電的能力。此外, P2G技術也可在輸電線路阻塞時將電能轉化為天然氣, 通過天然氣管道輸往非阻塞區域的燃氣機組進行發電, 從而避免或緩解系統阻塞。總而言之, P2G使電能和天然氣之間可以相互轉換, 促進電氣網絡和天然氣系統的融合, 是未來多能源系統的重要技術之一。
2.多能源系統建模
能源中心建模方法是將多能源系統分解為多個低耦合的能源中心(Energy Hub)。每個能源中心由區域內一個或多個能源轉換器 (如燃氣輪機、電轉氣設備等) 組成, 多種能源在能源中心中互相轉換, 滿足對不同能源的需求。可用穩態能源轉換效率描述能源轉換器的性能。各能源中心之間相對獨立, 通過多能源網絡(電力網絡、天然氣管道和供熱管道等)耦合。
圖1展示了一個簡單的包含4個能源中心的多能源系統, 圖2則為能源中心內部結構示意圖。采用能源中心建模方法, 多種能源在能源中心耦合, 不同能源通過各種設備相互轉化, 多能源網絡中各個網絡相對獨立。
3.多能源系統的市場均衡問題
多能源系統與多個相對獨立的能源市場 (如電力市場、天然氣市場等)相關, 每個市場由對應的能源網絡支撐。當多能源網絡采用市場化運行方式時, 各能源中心為相互獨立的決策個體, 可同時參與多個能源市場, 以各種能源購置量為決策變量與多個能源網絡進行互動。通過燃氣輪機、電轉氣設備等能源轉換器, 能源可以互相轉換, 具有可替代性。即使終端負荷缺乏彈性, 能源中心也可通過調度內部能源轉換器的工作狀態, 來調整在不同市場購置的能源總量, 從而影響相應節點的能源價格。每個能源中心內部則采用基于成本的優化調度, 自行調節內部各設備的運行狀況, 確定各時段的儲存和釋放能量, 進而*小化運行成本。
4.市場均衡解的求取
與僅考慮單一能源類型的優化運行問題相比, 具有電轉氣功能的多能源系統中包括不同種類的分布式設備, 對應的優化運行問題的規模更加龐大, 傳統的集中式優化算法未必有效。一方面集中式優化算法難以在合理時間內求解超高維非線性優化問題, 另一方面由于不同能源網絡往往由不同的部門負責優化運行, 短期內難以實現跨部門的信息匯總與協調優化。因此, 有必要對多能源系統的優化運行問題進行解耦處理。有些文獻嘗試采用博弈論模型對經濟調度問題進行建模與求解, 雖然由博弈優化模型得到的均衡解在理論上不能保證全局*優, 但其建模方式能比較合理的反映未來多能源系統環境下各個參與者的行為模式。基于這樣的考慮, 在博弈論模型的架構下, 考慮了在多能源系統中各能源中心獨立參與多個能源市場的行為, 分析了市場均衡狀態, 進而考察具有P2G功能的多能源系統在市場均衡狀態下的運行方式。
能源中心調整能源輸入量的行為會對整個系統的能源流動和分布造成影響, 導致其它能源中心能源邊際價格的變化從而引導其它能源中心調整購置能源的方案。各能源中心通過調整自身在不同能源市場購置能源的方案以實現自身利益*大化的過程可視為多主體博弈過程; 各能源中心無法通過調整自身的能源購置方案實現更大利益時, 博弈達到納什均衡點, 所得到的結果即為多能源系統的市場均衡解。本文采用基于博弈論的并行優化算法對所發展的優化模型進行求解。
5.算例分析
應用能源中心建模方法和基于博弈論的并行求解算法, 對上文所示的4能源中心算例系統和澳大利亞維多利亞州以大墨爾本地區為中心的多能源系統的運行情況進行計算。對于4能源中心算例系統, 未采用P2G技術時在運行期內風電棄風率達到8.7%; 采用P2G技術后, 在市場均衡狀態下風能被完全消納。對于維多利亞州的多能源系統, 在多能源市場達到均衡狀態時, P2G技術消納多余風電所帶來的能源費用節約額在冬季典型負荷時期可達到總能源支出的1.2%, 在夏季典型負荷時期也可達到總能源費用支出的0.3%。
計算結果表明: 1) 在夜間風電富余時, 電價較低, 此時多能源系統的市場均衡狀態對應的電轉氣設備將富余風電轉換為天然氣并儲存于儲氣裝置中, 這樣就提高了間歇性可再生能源發電的利用率; 2) 各能源中心作為獨立決策個體, 在多能源系統中供能和負荷等情況發生變化時, 能夠根據對應節點能源價格變化做出反應, 采用分散決策方式調整不同類型能源的使用比重和能源中心內能源轉換與儲存方案, *終達到多能源市場新的均衡狀態, 從而改善能源的總體利用效率。
