30电工电气 (20󰀱9 No.5)

作者简介：王力(1967- )，男，高级工程师，硕士，从事发电企业运营、电网规划与电力系统分析等工作； 王玕(1992- )，女，硕士，研究方向为新能源控制、运行和规划技术。计及电转气设备的小水电站优化运行分析王力1，王2(1 国家电投东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110179；2 华南理工大学广州学院 电气工程学院，广东 广州 510800)摘 要：丰水期时小水电无法满发运行，成为阻碍水电资源的高效利用的重要因素。电转气(Power to Gas，P2G)设备的发展为多能互补，提升水电利用效率提供了新的手段。以小水电站收益最大为目标，构建了含P2G设备的小水电站经济运行模型。分析对比了P2G设备在不同时期对小水电站运行的影响，并进一步对比了平水期时P2G设备和储能设备对运行的影响。仿真验证了P2G设备对提升水电利用效率的有效性。关键词：小水电站；电转气设备；储能设备；经济运行中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2019)05-0030-03

Abstract: Small hydropower can't maximize its benefits in the wet period which impedes the efficient use of hydropower resources. The development of power to gas (P2G) facilities was multi-complementary to provide the new means for the improvement of hydroelectric uti-lization efficiency. This paper established a small hydropower economic operation model taking the maximal profit of small hydropower as the goal, and analyzed and compared the impact of P2G facilities on the operation of small hydropower stations in different periods. Further-more, this paper compared the impact of P2G facilities and energy storage facilities on operation in the normal season. The simulation shows the effectiveness of P2G facilities in improving hydropower efficiency. Key words: small hydropower; power to gas facilities; energy storage facilities; economic operationWANG Li󰀱, WANG Gan2（󰀱 SPIC Northeast Electric Power Co., Ltd, Shenyang 󰀱󰀱0󰀱79, China;2 School of Electrical Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 5󰀱0󰀸00, China）Optimal Operation Analysis of Small Hydropower ConsideringPower to Gas Facilities

0 引言随着人们对能源清洁高效利用越来越重视，分布式电源的开发得到迅速发展。其中，小水电在陕西、青海等水电资源丰富的地区应用广泛[1-2]。但是小水电出力存在明显的季节性，在丰水期时，小水电在满足了配网负荷使用要求后，会向主网反向供电，导致电网出现过电压现象[3-4]。为了保持系统的稳定运行，此时小水电往往不能满发运行，严重制约了水电的高效利用。近些年电转气(Power to Gas，P2G)技术的发展，给小水电等分布式电源的高效利用提供了新的途径[5]。目前P2G技术的能源转换效率约为60%，一般情况下，将电能转换为天然气进行存储或使用不具有经济优势。但小水电站在丰水期时能将富余的发电量转化为天然气，在带来直接的售气收益的同时，还能利用P2G的碳捕获作用，带来一定的碳捕获收益[6]。参考文献[7]利用P2G设备，提高系统风电消纳能力。参考文献[8]则以风电站为投资主体，进一步研究了P2G设备的优化配置策略。本文基于P2G设备的工作原理，构建了考虑P2G设备接入后，小水电站优化运行模型和运行评价指标，分析P2G对小水电站在不同时期运行的影响，同时对比了P2G设备和储能设备在平水期对小水电站运行的影响。产品与应用计及电转气设备的小水电站优化运行分析

3󰀱 电工电气 (20󰀱9 No.5)1 电转气设备稳态建模1.1 P2G机理分析P2G主要是指通过电解水后，进一步吸收二氧化碳生成甲烷的技术，包括电转氢气和甲烷化两个步骤。在甲烷化的过程中，P2G设备能进行CO2的捕获。CO2的捕获量Sc，t与消耗的电量PP2G，t的关系见式(1)：Sc，t=η×PP2G，t (1)式中，下标t表示时刻，η表示碳捕获系数，kg/kW。1.2 P2G运行约束P2G设备的运行约束主要包括容量约束和爬坡约束，具体见式(2)：式中，SP2G为P2G设备的容量，uP2G和dP2G分别为P2G设备的上行和下行爬坡限值。2 含P2G的小水电站优化运行模型2.1 目标函数小水电站追求自身效益最大，因此以综合收益最高作为目标，具体为：F=maxEw=maxEe+Eg+Ec (3)式中，Ee表示售电收益，Eg表示售气收益，Ec表示碳捕获收益。具体计算方法如下式：

式中，ρe和ρg分别为电和气的售价，ρc为碳税价格。μg为电转天然气的转换系数，m3/kW。PGrid，t为水电机组接入系统的电量。2.2 约束条件小水电站在运行时，除了受到式(2)的约束外，还受到水电机组出力平衡、当前水量所能产生的电能最大值的约束和水电机组的爬坡约束，具体可表示为：式中，Pw，t表示水电机组的发电量，Sw，t表示在时刻t的水流量下水电机组的最大发电量。uw和dw分别为水电机组的上行和下行爬坡限值。2.3 运行评估指标1)水电能源利用率水电能源利用率ηw可定义为：式中，T为调度周期，24h，ηP2G表示P2G设备的转换效率。2)能效提升率P2G设备的能效提升率λP2G为在某一时期(丰水期、平水期或枯水期)内，P2G设备消纳的水电总功率与水电机组最大发电量的比值，即：式中，λP2G用于表征在不同时期下，P2G设备对提升水电利用效率的能力。3)设备利用率P2G的设备利用率ωP2G可表示为：3 算例分析3.1 算例设置以一年中，6月至9月为丰水期，12月到2月为枯水期，其余的为平水期。选取某微网的小水电站作为研究对象，以其在三个不同时期中某一天的发电量作为相应时期的典型发电情况，以日均负荷量作为该地区的典型负荷情况。典型发电情况和负荷情况如图1所示。(2)0≤PP2G，t≤SP2G-dP2G≤PP2G，t-PP2G，t-1≤uP2G(4)Ee=ρe× PGrid，tΣTt=1Eg=ρg×μg× PP2G，tΣTt=1Ec=ρc× Sc，tΣTt=1(5)Pw，t=PP2G，t+PGrid，t0≤Pw，t≤Sw，t-dw≤Pw，t-Pw，t-1≤uw(6)ηw=(PGrid，t+PP2G，t×ηP2G)ΣTt=1Sw，tΣTt=1

(7)λP2G=PP2G，t×ηP2GΣTt=1Sw，tΣTt=1

(8)ωP2G=PP2G，tΣTt=1T×SP2G计及电转气设备的小水电站优化运行分析图1 小水电站发电量和负荷情况-丰水期发电量 -平水期发电量-枯水期发电量 -典型负荷情况t/h5000P/kW024100042040002000300016128

32电工电气 (20󰀱9 No.5)投入的P2G设备具体参数如表1所示。3.2 不同时期P2G对小水电站运行的影响分析电价、气价和碳捕获的收益计算见参考文献[8]。使用GAMS的CPLEX模块进行仿真计算，得到P2G设备接入前后以一年为周期小水电站的日均运行情况，如表2所示。

由上表可知，P2G设备接入后，日均经济收益提高了4.91%，水电能源利用率提高了4.42%。对比分析P2G设备在不同时期对小水电站运行的影响，不同时期小水电站的各项经济指标和运行指标如表3和表4所示。丰水期和平水期的P2G出力情况如图2所示。由上表可知，P2G设备在丰水期和平水期时，均能将富余水电转换为天然气，提高水电能源利用率，提高经济收益。相较于平水期，由于丰水期时能源富余量大，P2G设备往往能处于满发状态，此时P2G的能效提升率要高。同时，丰水期的富余水能可以充分发挥P2G设备的多能互补能力，设备利用率可达90.91%。3.3 P2G和储能对小水电站运行的影响分析丰水期时，水电机组长期处于高发状态，储能设备的调峰能力受到限制，而在枯水期时没有富余的水电。因此在丰水期和枯水期时不考虑储能设备的影响。考虑在平水期时，单独投入P2G设备或储能设备这两种场景，分别设为场景1和场景2。场景2中的储能设备考虑其容量约束和充放电平衡约束，储能的容量为2000kW·h，功率为1000kW，转换效率为0.9。得到两种场景的运行情况如表5所示。

P2G设备和储能设备的出力情况如图3所示。

由上可知，平水期时，P2G设备和储能设备均能将部分富余水电加以利用。但储能设备时能够低储高发，同时运行效率高于P2G设备。因此相较于P2G设备，在平水期时投入储能设备更有利于经济效益和能源利用效率的提高。4 结语本文通过对含P2G或储能设备的小水电站运行进行建模和仿真，结果表明：表1 P2G设备参数设备参数SP2G/kWuw/kWdw/kWηP2G/%数值100050050060表2 小水电站日均指标场景Ew/元Ee/元Eg/元Ec/元ηw/%ωP2G/%含P2G35896.6034216.041428.24252.3294.2033.33无P2G34216.0434216.04--89.78-表5 两种场景下的运行情况场景Ew/元ηw/%能效提升率/%场景142056.1298.461.46场景242886.3999.512.51图2 不同时期P2G设备的出力情况-丰水期P2G出力 -平水期P2G出力 -P2G设备容量t/h1600

0P/kW

244

20120040080016128图3 P2G和储能设备的出力情况-P2G设备出力 -储能设备出力t/h1000

0P/kW-1000

24-500420050016128计及电转气设备的小水电站优化运行分析

(下转第57页)表3 小水电站经济指标时期场景EwEeEgEc丰水期含P2G54370.8649791.343891.94687.58无P2G49791.3449791.34--平水期含P2G42056.1241686.39314.2255.51无P2G41686.3941686.39--枯水期含P2G998.40998.4000无P2G998.40998.40--元

表4 小水电站运行指标时期场景ηwλP2GωP2G丰水期含P2G84.5211.4390.91无P2G73.10--平水期含P2G98.461.467.27无P2G97.00--枯水期含P2G10000无P2G100--%