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图 1IES系统结构
Fig.1Topology schematic diagram of IES
园区IES中多种能量的流动呈现复杂性和多样性。其中,ALK和GT是实现能量转换的关键设备。ALK实现电能到氢能和热能的转换。一方面,ALK生产的氢气不仅可以满足园区氢负荷,也可以混入天然气中形成氢混天然气为GT提供燃料;另一方面,ALK制氢过程中产生的余热可通过HE吸收,满足供热系统中热负荷或进行TES。氢混天然气GT可以同时提供热能和电能。冷负荷则由CERG和AC提供。EB能够实现电能到热能的转换,提供热能。EES与TES灵活调控能量保证园区IES的能量平衡,进一步提升园区IES的运行经济性。
3 算例分析
3.1 算例系统介绍
以图1所示的某工业园区IES为算例,设置相关数据如表1所示。可再生能源出力和电、热、冷、氢的负荷如图2所示,电价采用分时电价,购电价格如表2所示。
图 2可再生能源出力和负荷曲线
Fig.2Renewable energy power curve and load curve
3.2 计算结果及分析
3.2.1 园区IES调度结果
以24 h为调度周期,当燃气轮机掺氢比为8%时,各设备电功率的调度结果如图3所示。
图 3 电功率平衡
Fig.3 Power balance of electricity
该园区的电能来自风光、燃气轮机发电以及上级电网,在00:00—05:00时,光伏不发电,电能主要由风电提供。在06:00—09:00时,光伏发电功率较少,随着电负荷的增加,风光发电已不能满足系统的电能需求,需要从上级电网购电。在14:00—16:00时,系统的产氢需求较大,ALK消耗大量电能,可再生能源发电不能满足ALK的用能需求,同时GT发电的效率较低,因此向上级电网大量购电。在电价高峰期17:00—19:00中,EES放电来满足系统的电能需求。由此可见,风光被全额消纳,实现了可再生能源的充分利用,通过EES和TES调控能量时空平衡,降低了碳排放。
园区IES中ALK产生的氢气量与氢负荷和GT消耗的氢气量实时平衡,如图4所示。
图 4 氢气量平衡
Fig.4 Balance of hydrogen volumes
由图4可以看出,ALK产生的氢气主要用来满足氢负荷的需求,同时将少部分氢气提供给GT。在GT的运行过程中,其输入的燃料为氢气和天然气,燃料体积如图5所示。
图 5 燃气轮机燃料体积
Fig.5 Fuel volume of GT
由图4和图5可以看出,GT以氢混天然气为燃料,降低了天然气的消耗,减少了购气费用,同时也减小了碳排放量。园区IES中GT、EB、ALK是产热的主要设备,热功率平衡调度结果如图6所示。
图 6 热功率平衡
Fig.6 Power balance of heat
由图6可以看出,在电价高峰期,EB停止运行,热能由GT和ALK提供,当GT出力较小时,EB为热负荷提供热能。TES在夜间热负荷较低时储热,并在白天热负荷较高时放热,维持系统的热功率平衡。
园区IES中储能系统不仅能够维持系统的功率平衡,而且可以提升可再生能源的消纳能力,EES和TES的充放能功率如图7所示。
图 7 储能系统充放功率
Fig.7 Energy storage system charging and discharging power
由图7可知,EES的充电时间集中在夜间00:00—01:00和23:00—24:00,此时电价较低且风电功率较大,EES储存多余的风电,避免了弃风。EES的放电时间主要在09:00—13:00以及17:00—19:00,该时段EES放电来满足负荷需求,避免了系统在电价高峰时期购电带来的成本。TES的蓄热时间集中在夜间02:00—05:00和22:00—23:00,通过电锅炉将多余的电能转换为热能进行存储,提升了系统的电热灵活性,并进一步消纳了夜间的风电功率。TES的放热时间同样在09:00—13:00以及17:00—19:00,该时段热负荷较高,TES放热来满足热负荷需求,避免了系统在电价高峰期使用电锅炉供热带来的购电成本。
园区IES中AC和CERG可以为IES的冷负荷供能,图8为园区IES中制冷设备的调度结果。
图 8 冷功率平衡
Fig.8 Power balance of cold
由图8可知,为了满足该园区的冷负荷,设计的调度策略充分利用了高效率的CREG设备,冷负荷均由CERG满足。通过CERG制冷进一步消纳了风光发电功率,提高了可再生能源消纳能力,且避免了弃风弃光带来的惩罚成本,提升了系统运行经济性。
3.2.2 不同碳交易机制对比
当系统掺氢比固定为8%时,考虑阶梯式碳交易机制和传统碳交易机制2种情况下的园区IES运行成本、碳交易成本和碳排放量如表3所示。
通过对比可以看出,采用传统碳交易机制会产生更多的碳交易成本,导致系统总成本升高。采用阶梯式碳交易机制不但降低了系统的碳交易成本,减少了系统的碳排放量,而且可以提升系统的经济性,使总成本最小化。因此,在双碳背景下,建议相关决策部门推进阶梯式碳交易机制的发展。
3.2.3 掺氢比对IES经济性的影响
在考虑阶梯式碳交易机制下,设置燃气轮机的掺氢比分别为0、3%、8%、11%、14%、17%和20%。图9为掺氢比对IES设备运行和启停成本的影响。
图 9 掺氢比与设备成本关系
Fig.9 Effect of hydrogen blending ratio on device costs
由图9可知,改变掺氢比时,设备运行成本最高和最低相差55元,同时启停成本在掺入一定量氢气后保持不变,因此掺氢比对园区IES的设备运行成本和启停成本影响较小。
掺氢比对系统碳交易和购电购气成本的影响如图10所示。
图 10 掺氢比与碳交易和购能成本关系
Fig.10 Effect of hydrogen blending ratio on carbon trading and energy purchse costs
随着掺氢比的逐渐增大,燃气轮机所需天然气量逐渐减少,购气量相应减少,同时减少了系统的碳排放量,使得碳交易成本明显下降。这表明燃气轮机氢混天然气技术的发展有助于推进双碳目标的实现。但是当氢气比例逐渐增多时,需要电解槽消耗更多的电能来生产氢气,使得系统的购电量增加。
掺氢比对园区IES弃风弃光惩罚成本和运行总成本的影响如图11所示。
图 11 掺氢比与风光消纳和总成本关系
Fig.11 Effect of hydrogen blending ratio on the wind and light consumption and total operating costs
该园区风电和光伏是全额消纳,弃风弃光成本为0,改变掺氢比不会影响系统的风光消纳。当掺氢比较小时,园区IES减少的碳交易成本大于购电增加的成本,系统总运行成本呈现下降趋势;当掺氢比较大时,购电会产生更多的成本,此时园区IES的总成本反而会升高。因此,为兼顾园区IES的经济性和环保性,掺氢比应该控制在合理范围内。
4 结论
针对含电、热、冷、氢负荷的园区IES,建立了考虑阶梯式碳交易机制与氢混天然气的优化调度模型,求解得到的调度策略可降低园区IES碳排放和提升运行经济性。
1)通过比较分析不同掺氢比对IES经济性的影响,表明在燃气轮机运行安全范围内,适量增大掺氢比可以提升系统的经济性和环保性。
2)对比分析碳交易机制的计算结果,采用阶梯式碳交易机制有助于减少IES的碳排放量。在中国双碳目标下,建议推进能源系统碳交易机制的改革,发展燃气轮机混氢技术。
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