DQZHAN技術(shù)訊：具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)的市場均衡分析

1.電轉(zhuǎn)氣技術(shù)對未來多能源系統(tǒng)的意義

隨著化石能源逐漸枯竭和環(huán)境污染問題加劇, 近年來許多國家加大了可再生能源發(fā)電的發(fā)展力度, 尤其是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電, 以期緩解能源和環(huán)境問題。雖然這些可再生能源發(fā)展迅速, 但其發(fā)電出力具有間歇性和可控性差的特征, 其大量并網(wǎng)運(yùn)行給電力系統(tǒng)運(yùn)行的**性和經(jīng)濟(jì)性帶來很大挑戰(zhàn), “棄風(fēng)”、“棄光”現(xiàn)象普遍存在。國家能源局指出, 2013年國內(nèi)平均棄風(fēng)率達(dá)11%, 國內(nèi)光伏發(fā)電站被“棄光限電”的比例甚至高達(dá)40%, 可再生能源發(fā)電資源浪費(fèi)嚴(yán)重, 這對可再生能源行業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。從根本上講, 電力工業(yè)傳統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷”結(jié)構(gòu)難以承載大規(guī)模分布式可再生能源的接入, 亟需在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式上進(jìn)行變革。

未來能源系統(tǒng)變革的趨勢之一是多種能源系統(tǒng)的互聯(lián)互通, 實(shí)現(xiàn)包括可再生能源在內(nèi)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(wǎng)絡(luò)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中緊密融合; 各種能源通過對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換能源形式(如氣→電, 氣→熱等), 實(shí)現(xiàn)能源在不同物理系統(tǒng)中的雙向流動; 充分利用各能源系統(tǒng)的傳輸設(shè)備和儲能設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合交互與協(xié)調(diào)優(yōu)化。

與現(xiàn)有的能源系統(tǒng)相比, 未來多能源系統(tǒng)在能源市場方面將會有很大區(qū)別：在目前的能源系統(tǒng)中需求側(cè)對不同能源的需求一般難以相互替代, 而在多能源系統(tǒng)中消耗不同能源的負(fù)荷間可相互轉(zhuǎn)換, 具有一定的可替代性; 需求側(cè)可通過調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu), 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(xiàn)有能源系統(tǒng)的重要組成部分, 而目前電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的耦合**于燃?xì)廨啓C(jī), 即天然氣向電能單向轉(zhuǎn)換。近年來出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)技術(shù)則可能改變這一現(xiàn)狀, 并為電能的大規(guī)模儲存提供了新思路: 把富余的電能進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后將氫氣和二氧化碳制**造天然氣, 注入天然氣網(wǎng)絡(luò), 從而可利用天然氣儲存設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模長時間存儲, 進(jìn)而有效提高電力系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時段接納間歇性可再生能源發(fā)電的能力。此外, P2G技術(shù)也可在輸電線路阻塞時將電能轉(zhuǎn)化為天然氣, 通過天然氣管道輸往非阻塞區(qū)域的燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)行發(fā)電, 從而避免或緩解系統(tǒng)阻塞?？偠灾? P2G使電能和天然氣之間可以相互轉(zhuǎn)換, 促進(jìn)電氣網(wǎng)絡(luò)和天然氣系統(tǒng)的融合, 是未來多能源系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。

2.多能源系統(tǒng)建模

能源中心建模方法是將多能源系統(tǒng)分解為多個低耦合的能源中心(Energy Hub)。每個能源中心由區(qū)域內(nèi)一個或多個能源轉(zhuǎn)換器 (如燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備等) 組成, 多種能源在能源中心中互相轉(zhuǎn)換, 滿足對不同能源的需求?？捎梅€(wěn)態(tài)能源轉(zhuǎn)換效率描述能源轉(zhuǎn)換器的性能。各能源中心之間相對獨(dú)立, 通過多能源網(wǎng)絡(luò)(電力網(wǎng)絡(luò)、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(tǒng), 圖2則為能源中心內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)備相互轉(zhuǎn)化, 多能源網(wǎng)絡(luò)中各個網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立。

3.多能源系統(tǒng)的市場均衡問題

多能源系統(tǒng)與多個相對獨(dú)立的能源市場 (如電力市場、天然氣市場等)相關(guān), 每個市場由對應(yīng)的能源網(wǎng)絡(luò)支撐。當(dāng)多能源網(wǎng)絡(luò)采用市場化運(yùn)行方式時, 各能源中心為相互獨(dú)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互動。通過燃?xì)廨啓C(jī)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備等能源轉(zhuǎn)換器, 能源可以互相轉(zhuǎn)換, 具有可替代性。即使終端負(fù)荷缺乏彈性, 能源中心也可通過調(diào)度內(nèi)部能源轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài), 來調(diào)整在不同市場購置的能源總量, 從而影響相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的能源價格。每個能源中心內(nèi)部則采用基于成本的優(yōu)化調(diào)度, 自行調(diào)節(jié)內(nèi)部各設(shè)備的運(yùn)行狀況, 確定各時段的儲存和釋放能量, 進(jìn)而*小化運(yùn)行成本。

4.市場均衡解的求取

與僅考慮單一能源類型的優(yōu)化運(yùn)行問題相比, 具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)中包括不同種類的分布式設(shè)備, 對應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行問題的規(guī)模更加龐大, 傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化算法未必有效。一方面集中式優(yōu)化算法難以在合理時間內(nèi)求解超高維非線性優(yōu)化問題, 另一方面由于不同能源網(wǎng)絡(luò)往往由不同的部門負(fù)責(zé)優(yōu)化運(yùn)行, 短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)跨部門的信息匯總與協(xié)調(diào)優(yōu)化。因此, 有必要對多能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行問題進(jìn)行解耦處理。有些文獻(xiàn)嘗試采用博弈論模型對經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題進(jìn)行建模與求解, 雖然由博弈優(yōu)化模型得到的均衡解在理論上不能保證全局*優(yōu), 但其建模方式能比較合理的反映未來多能源系統(tǒng)環(huán)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(gòu)下, 考慮了在多能源系統(tǒng)中各能源中心獨(dú)立參與多個能源市場的行為, 分析了市場均衡狀態(tài), 進(jìn)而考察具有P2G功能的多能源系統(tǒng)在市場均衡狀態(tài)下的運(yùn)行方式。

能源中心調(diào)整能源輸入量的行為會對整個系統(tǒng)的能源流動和分布造成影響, 導(dǎo)致其它能源中心能源邊際價格的變化從而引導(dǎo)其它能源中心調(diào)整購置能源的方案。各能源中心通過調(diào)整自身在不同能源市場購置能源的方案以實(shí)現(xiàn)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(diào)整自身的能源購置方案實(shí)現(xiàn)更大利益時, 博弈達(dá)到納什均衡點(diǎn), 所得到的結(jié)果即為多能源系統(tǒng)的市場均衡解。本文采用基于博弈論的并行優(yōu)化算法對所發(fā)展的優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

5.算例分析

應(yīng)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(tǒng)和澳大利亞維多利亞州以大墨爾本地區(qū)為中心的多能源系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行計算。對于4能源中心算例系統(tǒng), 未采用P2G技術(shù)時在運(yùn)行期內(nèi)風(fēng)電棄風(fēng)率達(dá)到8.7%; 采用P2G技術(shù)后, 在市場均衡狀態(tài)下風(fēng)能被完全消納。對于維多利亞州的多能源系統(tǒng), 在多能源市場達(dá)到均衡狀態(tài)時, P2G技術(shù)消納多余風(fēng)電所帶來的能源費(fèi)用節(jié)約額在冬季典型負(fù)荷時期可達(dá)到總能源支出的1.2%, 在夏季典型負(fù)荷時期也可達(dá)到總能源費(fèi)用支出的0.3%。

計算結(jié)果表明: 1) 在夜間風(fēng)電富余時, 電價較低, 此時多能源系統(tǒng)的市場均衡狀態(tài)對應(yīng)的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備將富余風(fēng)電轉(zhuǎn)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(fā)電的利用率; 2) 各能源中心作為獨(dú)立決策個體, 在多能源系統(tǒng)中供能和負(fù)荷等情況發(fā)生變化時, 能夠根據(jù)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)能源價格變化做出反應(yīng), 采用分散決策方式調(diào)整不同類型能源的使用比重和能源中心內(nèi)能源轉(zhuǎn)換與儲存方案, *終達(dá)到多能源市場新的均衡狀態(tài), 從而改善能源的總體利用效率。