CN110829504B - 弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弃风参与电网调频的电转气‑储气‑燃气轮机容量优化配置方法及系统，首先创新性提出通过PtG利用弃风生产天然气，经储气罐存储，并通过燃气机组(NGGU)发电参与调频的运行场景，并提出了各装置的协调运行策略；继而，根据上述运行策略，文中构建了PtG、储气罐、NGGU参与调频过程的成本‑收益模型，以最大化净收益为目标实现各装置的容量优化配置；最后以某风电场实际弃风、某自动发电控制(AGC)实际下发指令为参考，通过粒子群优化算法进行规划计算，通过结果分析了利用风电场弃风与PtG技术在PtG、储气与NGGU容量优化配置下参与电力市场调频辅助服务经济性与可行性。

Description

弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方 法及系统

技术领域

本发明涉及可再生能源消纳技术领域，尤其涉及一种弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电转气(power to gas，PtG)技术为可再生能源的就地消纳提供了新的解决途径，PtG将原本弃风时段难以消纳的可再生能源出力转化为天然气或氢气。

目前针对PtG技术提升系统消纳风电水平的相关技术研究已经有很多，现有技术均通过PtG设备将富余风电转化为天然气，被能源互联系统储存或利用，在电力负荷高峰时由本地燃气轮机发电，减少了能源中心从网络中获取的天然气和电力，使能源互联系统成本降低，风电消纳能力提高同时提升综合能源各项评价指标。但在获取收益的途径上大多考虑通过减少系统购气或获取售电差价、节能减排及削峰填谷的方式。由于当前PtG技术还不够成熟，成本高，这类方法取得的经济效益十分有限，为此，考虑收益更高的调频辅助服务。

为降低管道、线路建设成本需要PtG厂在空间上与风电场、气网进行耦合，现有技术通过就PtG选址对PtG经济性的影响进行分析，得到PtG厂想要获取良好经济效益对空间要求较为苛刻。

燃气机组(natural gas generating unit，NGGU)具有转换效率高，运行方式灵活，爬坡性能良好等特点，使其具备实时响应自动发电控制(Automatic Gain Control，AGC)指令的能力，可以取代传统火电调频机组。近些年天然气供求关系紧张，直接购买大量天然气经NGGU进行调频是不经济的，而弃风通过PtG技术得到的天然气经过NGGU进行调频可以在获取更高的经济效益同时消纳弃风。随着PtG与NGGU技术不断发展，电力系统与天然气系统闭环耦合程度不断加深，使PtG与NGGU联合调频成为可能。

目前,关于PtG参与调频的研究较少。现有技术采用将PtG与燃气轮机进行联合调频，但是其联合调用策略较为简单，优先调用成本较低的一组，没有考虑二者在调频性能上的差异，而目前调频辅助服务市场针对不同的调频性能会有不同的收益。现有技术中提出的将PtG厂视作负荷侧,对PtG厂进行需求侧响应，实现对AGC指令实时响应，然而这种形式的调频对弃风要求高，没有弃风的时刻难以进行调频，并且在需求侧响应时，会导致PtG厂功率下降，会使弃风利用率降低；而只采用电网购电的方式则会增大调频成本，使本来经济性一般的PtG设备的经济性进一步降低。可见，基于PtG技术参与电网调频仍需进一步研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法及系统，将PtG厂建设于风电场侧，同时将PtG合成的气体采用储气罐进行长时间大容量存储，并通过燃气机组(NGGU)发电参与调频；提出了各装置的协调运行策略；继而，根据上述运行策略，构建了PtG、储气罐、NGGU参与调频过程的成本-收益模型，以最大化净收益为目标实现各装置的容量优化配置。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，包括：

将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频；

分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略；

以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型；

考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置系统，包括：

用于将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频的装置；

用于分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略的装置；

用于以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型的装置；

用于考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略的装置。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用PtG设备消纳风电场弃风，并利用储气设备进行储存，针对传统PtG成本高获取收益较低的问题，提出利用NGGU进行调频，以获取较高的收益的方法。针对PtG容量、储气罐容量、NGGU容量这三个决策量与PtG-NGGU联合调频系统净收益之间的关系，通过优化模型确定PtG、储气罐以及NGGU的最佳容量，使PtG-NGGU联合调频系统获取最大的净收益。从而证明该调频系统的经济可行性，丰富了PtG应用场景。

附图说明

图1是本发明实施例一中PtG-NGGU联合调频系统示意图；

图2是本发明实施例一中火电AGC指令曲线；

图3是本发明实施例一中燃气机组AGC指令曲线；

图4是本发明实施例一中通过粒子群算法求解模型最优解流程图；

图5(a)-(b)分别是本发明实施例一中春季和冬季典型日弃风以及PtG运行状态；

图6(a)-(b)分别是本发明实施例一中春季和冬季储气罐运行工况；

图7是本发明实施例一中NGGU运行工况；

图8(a)-(b)分别是本发明实施例一中火电机组和NGGU低时间尺度下调频效果。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施例中，公开了一种弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，提出了一种消纳风电场弃风并提高PtG设备经济性的PtG-NGGU联合调频场景；考虑投资成本与调频收益的制约关系建立容量优化模型，实现了PtG、储气罐及NGGU容量的优化配置。具体包括如下步骤：

将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频；

分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略；

以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型；

考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略。

下面对本实施例所述的方法进行详细的说明。

1PtG技术参与调频

1.1PtG-NGGU联合调频场景

PtG技术是电力转化为气体燃料的技术,相较于氢储能的高效而言，电转甲烷效率较低，但其可以利用现有的储气管道进行存储，因此也拥有更大的储能容量和更低的储能成本。基于此PtG技术在消纳弃风时，可以做到快速、大容量转换，为消纳夜间弃风提供了技术支持。目前PtG系统的能量利用效率通常只有50—60％，当合成的天然气通过NGGU进行发电时，整体能量利用效率进一步减少，因此大规模电量通过PtG进行削峰填谷等操作所获取经济效益有限，所以本实施例采用PtG-NGGU联合调频来获取经济效益。

如图1所示,当风电消纳困难时,可通过PtG将过剩风电转化为天然气,供NGGU使用或进行储存,从而提高风电消纳能力与系统运行灵活性。NGGU在储气罐的储气量充足的情况下实时响应能量管理系统(energy manage system,EMS)下发的AGC指令，继而获取调频收益。

在本实施例所建立的场景中，PtG、储气罐、NGGU都作为风电场的配套设施，这样建设可以节省线路成本，降低风场弃风率，并通过优化算法对PtG、储气罐、NGGU进行优化配置,最大化PtG-NGGU联合调频系统收入。

1.2PtG-NGGU联合调频策略

1.2.1调频指令确定方法

由于目前大规模NGGU作为AGC机组参与调频技术还不成熟，难以获得实际NGGU参与AGC的调频指令曲线，因此借用山东某220MW火电AGC机组参与调频时的实际AGC指令曲线，AGC指令由EMS下发，采样间隔为5s，其指令曲线如图2所示。由于传统火电调频机组在承担响应AGC指令的同时还需要承担一定的发电任务，与火电调频机组相比NGGU参与调频时出力范围更大，并且由于弃风电量有限，弃风电量通过PtG与NGGU参与调频时无法满足火电AGC下发的调频与发电指令的全部需求，因此对火电调频机组响应的AGC指令做出合理修改以适应本实施例提出的利用弃风和PtG参与调频的NGGU的工作特性：在火电AGC指令基础上，仅实时响应与火电机组相同的上调下调的调频动作出力，不考虑火电AGC机组的发电量部分。图2为火电AGC指令曲线图，图中A为AGC出力上限；B为AGC指令的出力下限，NGGU仅对A、B间的变化进行实时响应。

本实施例将火电调频厂接收的AGC指令的基准出力下限B在留有一定向下调频备用基础下与NGGU最低技术出力相加得到了NGGU接收的AGC指令：

式中，

为t时刻NGGU所接收的AGC指令，

为t时刻火电厂接收的AGC指令，

为火电厂接受AGC指令的出力下限，

为NGGU最低技术出力值为其容量的12％，C_NGGU为NGGU容量，选取其容量的10％作为向下调频备用容量。其指令曲线如图3所示，图3中C为NGGU所接受的最低AGC出力。D为NGGU最低技术出力。由于NGGU调频指令会随其容量发生变化，因此在图形中采用

对NGGU的响应指令进行描述。

1.2.2PtG运行策略

当风电场产生弃风，PtG厂对弃风进行实时消纳，首先对弃风电量传输至PtG过程中作出无电量损耗的假设。由于PtG设备不仅消纳弃风电量，同时还对储气设备进行充气，其运行策略受到二者状态的相互制约，因此设计PtG运行策略应同时考虑弃风与储气设备状况。根据储气设备储气量由低至高，对PtG运行策略划分为四种不同阶段:

1)储气不足阶段，即

2)储气充足阶段，即

3)储气临界饱和阶段，即

4)储气饱和阶段，即

为储气罐最大储气量，

为t时刻储气罐储气量。

首先分析储气不足阶段，由于储气量小于

故储气罐中气体可能无法满足下一时刻NGGU的用气需求，此时NGGU无法按照EMS下发的AGC指令实时响应，故此时PtG设备在利用风电场的弃风将富余电力转化为天然气同时按照风电场上网电价进行购电，PtG通过购电全力生产天然气，尽快使储气设备的储气量恢复至储气充足阶段，为NGGU调频需要的天然气留有足够裕度。此时PtG厂具体运行策略如式(2)所示：

表示t时刻PtG厂实际出力，

为PtG厂最大技术出力。

当储气罐储气量在储气充足阶段，即

时，PtG厂运行策略如下式所示：

当风电场弃风量

高于

时，高出PtG功率的弃风功率部分不得不舍弃，PtG厂出力维持在最大出力；当

小于PtG厂最低出力

高于

时，PtG出力为

这样可减少PtG停机造成弃风资源的浪费同时维持储气罐储气水平；

然而当

小于

时，若PtG仍要维持

则需要花费大量的购电成本，因此此时PtG停机；其它时刻PtG功率等于弃风功率。

当储气罐储气量在储气临界饱和阶段，即

为避免储气罐饱和导致PtG停机，因此此时PtG的运行策略如下式所示：

即除了在

无法保证为

情况下PtG的实际出力为0外，其余情况

维持在

减少储气罐饱和导致PtG停机情况的出现。

当储气罐进入储气饱和阶段，即

此时PtG停机:

1.2.3储气罐运行策略

储气罐对PtG消纳弃风产生的天然气实时进行储存，并且供给NGGU调频所需燃料，

如下式所示：

式中

分别代表t-1时刻NGGU的实际出力和t-1时刻PtG的实际出力，α表示PtG厂工作时电力转换为天然气的能量转换系数，取60％；β表示NGGU工作时，天然气转化为电力的能量转换系数，取70％。天然气中储存的化学能可以通过燃烧转化为功率流，二者之间换算关系如下式：

S^gas＝H_GVV^gas (7)

S^gas为天然气燃烧后产生的能量，H_GV为天然气的高热值，取39MJ/m³，V^gas为常温常压下燃烧的天然气流量。

为保证设备周期性运行，维持起止时间储气罐储气量相同，因此对储气罐内结束时刻储气余量

与初始时刻储气量

作比较，若

高于

可以售气做为收入；

少于

则购入气体，作为购气成本。

1.2.4NGGU调频策略

NGGU的调频策略，就是通过判断储气量是否充足，来决定出力是否跟随AGC指令响应。当储气充足时，NGGU出力

与

相同，即：

当

无法满足NGGU对调频指令的出力需求,但

能够满足NGGU最低技术出力需求时，由于NGGU具有良好的爬坡性能，并且为了节省收益较低的发电量所带来的气体能量损耗，同时避免NGGU启停带来的花费，所以在

无法完成调频工作时将NGGU的出力降低至

即

时：

当储气罐中气体无法保证NGGU最低出力时，NGGU停机，输出功率为0，即当

2PtG参与电网调频的储气及NGGU容量规划模型

如图1所示，PtG设备对原本风电场的弃风进行消纳，将弃风中的能量利用储气设备以甲烷的形式储存起来，并且NGGU根据实时下发的AGC指令实时调整自身出力，由于储气罐中储存有能量，NGGU仍可在没有弃风时段通过储气罐中储存的能量获取收益。作为风电场配套设施投资方，希望投资获取最大收益，因此其成本收益模型可以通过以下数学模型来描述：

式中，

为PtG厂、NGGU、储气联合装置的净利润。

为装置的年总收入，

为装置的年均总投资。

2.1成本收益模型

年收益模型如下式：

分别代表T时刻内调频里程收入和T时刻内调频容量收入，调频市场参考美国新英格兰(ISO-NE)电力市场，

代表T时刻内NGGU调频中标后发电量收入：

式中λ₁为新能源上网单位价格。

年投资成本模型如下：

式中，装置的年均总投资

包括NGGU年均投资成本

PtG厂年均投资成本

储气罐的年均投资成本

购电成本T_ele以及购气成本T_gas和惩罚T_off。根据年利率公式可以得到式(15)、(16)、(17)分别计算NGGU、PtG和储气罐年均总成本。

包括NGGU的建设投资成本以及每年4％运营维护成本

NGGU启停成本

包括PtG厂的年均建设投资成本以及每年5％的运营维护原料成本

和PtG设备启停成本

代表储气罐的建设投资成本以及每年3％运营维护成本

C_PtG、C_str分别代表PtG容量和储气罐容量，λ₂、λ₃、λ₄代表NGGU、PtG、储气罐的单位投资成本系数，详见表1。

表1各单位参数

η＝5％为年利率，Lif为设备的使用年限。T_ele为购电成本，当PtG功率大于弃风功率时m取1，其余时刻m取0。T_gas为购气成本，而当余气过多时会得到售气收入，λ₅为天然气市场价格,通过购/售气方式维持每日储气罐中储气量在起止时刻相同，保证NGGU可以长时间持续运行。T_off为NGGU停机或仅维持最低出力未响应调频指令时的惩罚，具体计算方法为：

式中，当NGGU停机或仅维持最低出力时k取1，其余时刻k取0，λ₆为NGGU停机或仅在最低出力下的惩罚系数，引入该惩罚系数为了减少因储气量不足致使NGGU无法响应AGC指令的情况出现，该值的设定高于通过风电场购电进行PtG的成本价格，本实施例选取λ₆＝1$/kWh。

2.2约束条件

NGGU、PtG厂爬坡约束如式(20)、(21)所示：

式中

分别代表NGGU向上、向下爬坡率和PtG的向上、向下爬坡率，Δt代表时间间隔。

NGGU出力与PtG厂出力约束如式(22)、(23)，储气罐储气状态约束如式(24)所示：

式中，

为其额定容量的35％。

分别为NGGU与PtG厂的最大输出功率，为NGGU与PtG的容量；储气状态约束受到储气罐所能承受最大压强与其容量限制。

NGGU与PtG的最小启停时间约束如式(25)、(26)所示。

Δt_su，NGGU≥Δt_{su，NGGU，min} (25)

Δt_su，PtG≥Δt_{su，PtG，min} (26)

式中，Δt_su，NGGU、Δt_su，PtG分别代表NGGU与PtG的开机时间。Δt_{su，NGGU，min}、Δt_{su，PtG，min}分别代表NGGU与PtG的最小开机时间。当PtG、NGGU因弃风电量、储气不足被迫停机后，在重新投入运行时，应考虑其最小开机时间，并计入启停成本。

2.3求解算法及步骤

对PtG-NGGU调频系统采用滚动时序方法通过粒子群算法在MATLAB中进行求解，粒子群算法具有实现容易、精度高、收敛快的特点，在单目标优化问题中，具有一定优越性。通常来说粒子群算法用于解决无约束问题，传统约束处理中通常采用直接修改或罚函数方法。而本实施例由于时序偏多因此将上述运行约束在计算粒子群适应值过程中进行体现，避免直接修改法中对所有时序都要计算不同设备不同时刻出力，从而降低粒子维度，提高计算效果。计算流程如图4所示。

3算例分析

3.1应用场景

本实施例将风电场可发功率与实际并网功率的差值定义为风电场的弃风功率，得到春秋、冬季典型日实际弃风曲线如图5(a)、(b)所示，并作出以下假设：夏季弃风较少需要在较多时刻购电不具有经济性，故该设备每年运行在春、秋、冬三季。该应用场景中，储气罐具有初始储气量，设其初始气压为5Mpa，储气罐可承受最大压强为10Mpa，考察在这种情况下，利用风电场弃风和PtG参与电网调频的储气及NGGU的容量优化并考察该PtG-NGGU联合调频系统是否具有经济可行性。本实施例参与电力市场与天然气市场的服务类型与服务价格详见表2。

表A2电力市场和天然气市场价格

3.2分析

通过粒子群算法得到对应的决策量PtG容量为180.022MW，储气罐容量为3137.726m3，NGGU容量为119.026MW时，整个PtG-NGGU调频系统获取最大收益，在整个投资成本中，PtG厂总投资为2.701*10⁸$，NGGU投资总成本为2.622*10⁷$，储气罐投资总成本为8.409*10⁵$，将投资成本按5％年利率分摊至每年，并计及春、秋、冬三季PtG-NGGU调频系统的收益，得到年最大净利润为3.204*10⁷$。其中每日调频里程收益1.214*10⁵$，调频容量收益3.862*10⁴$，日售电收益为1.349*10⁵$，不考虑建设期下的净态投资回收期为4.715年。可见该方案虽然受到目前高额的成本限制，但联合调频方案经济性仍然较好，投资回收周期较短，鉴于PtG在未来还有很大的成本降低空间，所以本实施例设立场景的经济性还有更大潜力。

3.2.1 PtG运行工况

PtG设备在按照前文所述策略下，在春秋季节以及冬季不同弃风状态下的运行工况分别为图5(a)、(b)所示，通过图5(a)、(b)两图可以观测到，PtG实时消纳弃风且出力工况合理可以明显降低弃风率，春秋季和冬季弃风利用率分别为96.67％与89.78％。同时在白天弃风电量较少的时刻，如春秋季典型日的19时前后，需要通过购买电力以保证PtG可以工作在最低出力的正常运行的情况下，这样不仅可以消纳更多弃风，还可以使PtG生产更多的天然气供给NGGU使用。而在春秋季典型日通过图5(a)可以观测到，在春秋季节22时至23时，由于全天消耗的天然气高于PtG生产的天然气，PtG还会通过额外购电生产天然气保证储气量维持在储气充足水平，避免进入储气不足阶段。其中春秋季购电日花费1.425*10³$，冬季购电日花费1.320*10³$。

3.2.2储气罐运行工况

储气罐运行工况通过储气罐内气压反映，通过图6(a)、(b)可以看到无论春秋季节还是弃风较多的冬季，储气罐运行气压均维持在合理范围内，由于无论在冬季还是春秋季节典型日结束时刻储气量都低于典型日初始时刻储气量，因此该调频系统均需要购气获取一定收益，其中冬季弃风多，每日所需购气量低，日购气成本2.411*10⁴$，而春秋季节由于弃风少购气量较大，每日购气成本为6.227*10⁴$。1Mpa为决定PtG运行工况的10％临界气压值，结合图5(a)-图6(b)可知，当储气罐内气压在临界气压值1Mpa附近时，如春秋季22至23时，PtG运行策略在只利用弃风和同时利用弃风与购买电量之间变化次数较多，故PtG出力存在一定振荡。

3.2.3NGGU运行工况

由于无论冬季还是春秋季，储气罐内储气量始终维持在较高水平，因此不会出现储气量不足导致无法响应AGC指令情况，冬季与春秋季节的NGGU运行工况均相同，图7为NGGU一日之内的运行工况随时间变化的曲线，同时还可以通过图8(a)、(b)进一步观察更低时间尺度下的火电调频机组与NGGU的调频效果，AGC指令与实际响应采样间隔为5s，两图反映同一时间窗口下的不同调频机组响应。其中火电调频机组出力取自现场量测数据。通过两图可以看到NGGU能够实时响应AGC指令，因此NGGU配置合理。

同时还可以通过调频性能指标衡量NGGU对AGC响应质量，A^ISO-NE为0.927。即当采用本实施例所述的PtG-NGGU进行AGC指令的响应时，系统的调频性能指标相较于火电调频机组的0.6601提高了40.46％。调频性能大大提高。

相较于传统NGGU需要消耗大量天然气进行调频，本实施例所提出调频系统合理性在于将无成本的弃风与购气相结合，在燃气相对缺乏但弃风相对充足的冬季，不仅能够实现冬季弃风的消纳，同时还可以减少NGGU调频所需的购买的天然气，加强电力系统与天然气系统耦合，尤其是在冬季弃风充足的情况下对天然气系统起到补充作用，电力、天然气系统各取所需，既能够充分消纳冬季弃风，又减少了传统NGGU调频机组的购气需求，在提供可观的收入同时还能够缓解冬季天然气取暖地区的气荒现象。

3.3验证场景

为说明联合调频经济性与合理性，故设立不同场景对其进行验证。

3.3.1削峰填谷场景对比

选取与上文调频场景相同的弃风典型日与建设容量，即在春秋、冬三季弃风较多时进行削峰填谷操作，仅调整各设备运行策略。峰时上网电价在平时上网电价的基础上上浮50％，用电高峰时段为8：00-11：00h、18：00-23：00h，于用电高峰时段售电获取收益；谷时上网电价在平时上网电价的基础上下浮50％，其中用电低谷时段为0：00-7：00h、23:00-24:00h，于谷时利用弃风与购电进行储能。其中，PtG、NGGU运行策略如下：

PtG运行策略如下式：

NGGU运行策略如下式：

其中，t_h、t_l分别代表电力系统削峰时段、填谷时段。

PtG根据电力调度机构指令进入充电状态，对其充电电量进行补偿，具体补偿标准参考表2，PtG充电填谷时刻充电电量补偿收益为1.039*10⁵$；NGGU售电高峰时刻削峰收益为1.430*10⁵$；春秋季及冬季购电费用分别为3.719*10⁴$与2.863*10⁴$；维持每日起止时刻储气量相同需要每日进行购气，费用为2.414*10⁴$；年最大净利润为2.273*10⁷，成本回收期达13.073年，可见成本回收期较长，经济性较差。故调峰场景无法获取足够利润，符合以往PtG的削峰填谷应用场景中对其经济性的评价，由于联合系统调峰、调频均是作为风电场配套设施，在容量不变建设成本不变情况下，可知联合调频系统收益的提高主要来源于收入的提升。

3.3.2调频场景对比

为验证本实施例所提出优化配置模型的合理性，故对比该调频系统在不同AGC指令其余条件均相同下的收益情况：由于NGGU机组容量并未发生改变，该调频场景下每日调频容量收益仍为3.862*10⁴$；但是由于调频里程数增加，该联合调频系统的每日调频里程收益增为：1.631*10⁵$；同时春秋季每日购气成本变为：5.658*10⁴$；冬季每日购气成本变为：1.821*10⁴$；由于收益的提高与部分成本的降低，成本回收期缩减至4.040年。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置系统，其特征在于，包括：

用于将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频的装置；

用于分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略的装置；

用于以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型的装置；

用于考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略的装置。

在另一些实施方式中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行实施例一中所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，包括：

将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频；

分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略，PtG设备的运行策略由弃风与储气罐储气量共同确定，具体为：

储气不足阶段，PtG设备在利用风电场的弃风将富余电力转化为天然气同时，按照风电场上网电价进行购电，PtG设备通过购电全力生产天然气，使储气设备的储气量恢复至储气充足阶段；

储气充足阶段，当风电场弃风功率高于PtG设备最大出力时，PtG设备出力维持在最大出力；当风电场弃风功率小于PtG设备最低出力且高于A倍的PtG设备最低出力时，PtG设备出力等于最小出力；当风电场弃风功率小于A倍的PtG设备最低出力时，PtG设备停机；其他情况下，PtG设备的出力等于风电场弃风功率；

储气量在临界饱和阶段，当风电场弃风功率小于PtG设备最小出力时，PtG设备的出力为零，其余情况下PtG设备的出力维持在最小出力；

储气量在饱和阶段，PtG设备停机；

以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型；

考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略。

2.如权利要求1所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，当风电消纳困难时，通过PtG设备将过剩风电转化为天然气，供燃气机组使用或进行储存；燃气机组在储气罐的储气量充足的情况下，根据接收的AGC指令，获取调频收益；

将火电调频厂接收的AGC指令的基准出力下限在留有一定向下调频备用基础上，与燃气机组最低技术出力相加得到燃气机组接收的AGC指令。

3.如权利要求1所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，储气罐运行策略如下：

储气罐对PtG设备消纳弃风产生的天然气实时进行储存，并且供给燃气机组调频所需燃料；

将储气罐内结束时刻储气余量与初始时刻储气量作比较，若结束时刻储气余量高于初始时刻储气量，则售气做为收入；反之，则购入气体，作为购气成本。

4.如权利要求1所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，燃气机组的调频策略如下：

燃气机组通过判断储气量是否充足，来决定出力是否跟随AGC指令响应；

当储气充足时，燃气机组的出力与燃气机组所接收的AGC指令相同；当储气量无法完成调频工作时，将燃气机组的出力降低至最小出力；当储气量无法保证燃气机组的最小出力时，燃气机组停机。

5.如权利要求1所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型，具体为：

其中，

为PtG设备、燃气机组和储气罐联合装置的净利润；

为联合装置的年总收入，

为联合装置的年均总投资。

6.如权利要求5所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，联合装置的年总收入具体为：

其中，

分别代表T时刻内调频里程收入和T时刻内调频容量收入，

代表T时刻内NGGU调频中标后发电量收入。

7.如权利要求5所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法，其特征在于，联合装置的年均总投资具体为：

其中，

为装置的年均总投资,

为燃气机组的年均投资成本，

为PtG设备的年均投资成本，

为储气罐的年均投资成本，T_ele为购电成本，T_gas为购气成本，T_off为惩罚。

8.弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置系统，其特征在于，包括：

用于将PtG设备建设于风电场侧，将PtG合成的气体采用储气罐进行存储，并通过燃气机组发电参与调频的装置；

用于分别确定PtG设备、储气罐和燃气机组联合调频的运行策略的装置，PtG设备的运行策略由弃风与储气罐储气量共同确定，具体为：

储气不足阶段，PtG设备在利用风电场的弃风将富余电力转化为天然气同时，按照风电场上网电价进行购电，PtG设备通过购电全力生产天然气，使储气设备的储气量恢复至储气充足阶段；

储气充足阶段，当风电场弃风功率高于PtG设备最大出力时，PtG设备出力维持在最大出力；当风电场弃风功率小于PtG设备最低出力且高于A倍的PtG设备最低出力时，PtG设备出力等于最小出力；当风电场弃风功率小于A倍的PtG设备最低出力时，PtG设备停机；其他情况下，PtG设备的出力等于风电场弃风功率；

储气量在临界饱和阶段，当风电场弃风功率小于PtG设备最小出力时，PtG设备的出力为零，其余情况下PtG设备的出力维持在最小出力；

储气量在饱和阶段，PtG设备停机；

用于以PtG设备、储气罐和燃气机组联合装置的净利润最大为目标，建立联合装置容量优化模型的装置；

用于考虑PtG设备和燃气机组的爬坡约束、出力约束以及最小启停时间约束，通过粒子群优化算法对建立的联合装置容量优化模型进行求解，得到PtG设备、储气罐和燃气机组最优的容量配置策略的装置。

9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的弃风参与电网调频的电转气-储气-燃气轮机容量优化配置方法。

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