【电力系统】计及P2G厂站的电-气综合能源系统规划研究Matlab代复现-优快云博客

✅作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。

🍎个人主页：Matlab科研工作室

🍊个人信条：格物致知，求助可私信。

🔥 内容介绍

能源转型的浪潮下，电力系统和天然气系统不再是孤立运行的个体，而是逐渐融合为相互依赖、协同互补的综合能源系统。其中，电力制气（Power-to-Gas, P2G）技术作为一种关键的能量转换方式，实现了电能向天然气形式的有效储存和利用，为解决可再生能源消纳难题、提升能源系统灵活性、促进能源系统低碳转型提供了新的解决方案。本文围绕计及P2G厂站的电-气综合能源系统规划问题展开研究，深入探讨P2G技术在综合能源系统规划中的作用机制、建模方法以及优化策略。首先，分析了P2G技术的基本原理、优势和挑战，阐述了其在综合能源系统中的必要性；其次，对P2G厂站进行合理建模，并将其融入到电-气综合能源系统的规划模型中，以全面考虑能源之间的耦合关系；最后，针对优化模型，提出考虑多种约束条件和目标函数的优化算法，以实现系统经济性、可靠性、环保性的综合提升。本文旨在为未来综合能源系统的发展提供理论参考和实践指导。

关键词：电力制气（P2G），综合能源系统，规划，优化，电-气耦合，可再生能源消纳

1. 引言

全球能源危机、环境污染以及气候变化的日益加剧，迫使各国加快能源转型步伐。在此背景下，传统的单一能源系统逐渐向多能互补、协调运行的综合能源系统演变。电网作为能源互联网的骨干网架，是各类能源转换、传输和利用的重要枢纽，在综合能源系统构建中占据核心地位。然而，可再生能源（如风电、光伏等）的间歇性和波动性给电网的稳定运行带来了严峻挑战，同时也造成了大量的弃风弃光现象。另一方面，天然气作为一种清洁能源，在供热、工业以及交通领域具有广泛应用。因此，如何有效地利用可再生能源电力，促进电力系统和天然气系统的协调发展，是当前能源领域亟待解决的关键问题。

电力制气（Power-to-Gas, P2G）技术为这一问题提供了富有潜力的解决方案。P2G技术利用可再生能源电力将水分解为氢气，再经过化学反应将氢气与二氧化碳转化为甲烷或合成天然气，实现电能向天然气形式的有效储存。P2G技术不仅可以消纳过剩的可再生能源电力，缓解电网压力，还可以利用天然气管网进行大规模、长周期的能源存储，提高能源系统的灵活性和可靠性。此外，利用二氧化碳作为原料生产合成天然气，可以实现碳的循环利用，降低温室气体排放，为实现能源系统的低碳化转型做出贡献。

因此，对计及P2G厂站的电-气综合能源系统规划进行深入研究具有重要的理论意义和实际价值。本文将系统梳理P2G技术在综合能源系统中的作用机制，构建包含P2G厂站的电-气综合能源系统规划模型，并针对优化模型提出有效的求解方法，为未来综合能源系统的规划设计提供技术支撑。

2. P2G技术及其在综合能源系统中的应用

2.1 P2G技术基本原理

P2G技术的核心是将电能转化为气体燃料。其基本过程主要包括以下几个步骤：

电解水制氢（Electrolysis）: 利用电能将水分解为氢气和氧气。电解水技术主要有碱性电解、质子交换膜电解和固体氧化物电解等多种方式，不同方式具有不同的效率、成本和运行特性。
二氧化碳加氢（Methanation）：将电解水产生的氢气与二氧化碳在催化剂作用下反应生成甲烷，即合成天然气。甲烷的化学反应式为：CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O。
气体净化和储存：生成的合成天然气需要经过净化处理以去除杂质，然后进行压缩或液化储存。

P2G技术的能量转换效率取决于各个环节的转换效率以及最终产品的形式。目前，P2G技术的能量转换效率相对较低，仍然存在较大的提升空间。

2.2 P2G技术在综合能源系统中的优势

P2G技术在综合能源系统中的应用具有显著的优势：

可再生能源消纳: P2G技术能够有效利用过剩的可再生能源电力，将其转化为天然气储存，缓解电网运行压力，降低弃风弃光现象。
能源储存与灵活调度: 天然气管网具有大规模、长周期的储能能力，P2G技术可以将电能以天然气形式存储，实现能量的时空转移和灵活调度，提高能源系统的稳定性和可靠性。
多能互补与协同: P2G技术将电力系统与天然气系统紧密耦合，促进了不同能源之间的互补和协同，提高了能源系统的整体效率。
碳减排与环境保护: P2G技术利用二氧化碳作为原料生产合成天然气，实现碳的循环利用，减少温室气体排放，降低对环境的影响。
基础设施利用: P2G技术可以充分利用现有天然气管网等基础设施，降低投资成本。

2.3 P2G技术面临的挑战

尽管P2G技术具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战：