【精彩论文】P2X技术进展及其参与电力系统运行优化模拟研究

P2X技术进展及其参与电力系统运行优化模拟研究

张宁¹, 代红才¹, 王轶楠¹, 刘林¹, 汤芳¹, 徐楠²

（1. 国网能源研究院有限公司，北京 102209; 2. 国网河北省电力有限公司经济技术研究院，河北 石家庄 050011）

摘要：电转气（power to x，P2X）是电能向热、冷、气等能源形式转换的前沿技术理念。从P2X的基本概念出发，对P2X技术体系进行了综述，评价了各类主要技术的经济性与发展潜力，提出了电力系统视角下P2X的角色与价值。进而构建了考虑P2X灵活性负荷的电力系统运行模拟优化模型，并以华北地区远景目标年为场景，对电采暖、电制氢负荷优化运行进行了模拟研究，结果表明P2X负荷通过参与电力系统优化运行，对降低新能源弃能率具有重要作用。

引文信息

张宁, 代红才, 王轶楠, 等. P2X技术进展及其参与电力系统运行优化模拟研究[J]. 中国电力, 2021, 54(6): 119-127, 135.

ZHANG Ning, DAI Hongcai, WANG Yinan, et al. P2X technology progress and simulation studies on its participation in power system operation optimization[J]. Electric Power, 2021, 54(6): 119-127, 135.

引言

随着能源革命的深入推进，电力将在能源系统中发挥更加重要的角色，电能与其他能源的转换将更为频繁。P2X（power to x）是指电能向热、冷、气等其他终端能源需求品类的转换^[1-2]。P2X概念在国际上已较为流行，国内相关探讨正在兴起。欧洲是P2X概念提出和相关技术研发的先驱者，将其视为提升能源电力系统灵活性、促进波动性新能源消纳、实现二氧化碳有效利用的重要手段^[3]。国内方面，电采暖、电制氢、电转气等概念近年来正逐渐成为热点话题，国家已提出“探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能”^[4-5]，但中国从P2X视角对各类相关技术进行的概括总结尚不多见。

在P2X参与电力系统优化运行方面，空调作为相对成熟的P2X技术，其参与电力系统调度控制的研究已较为丰富。文献[6]讨论了空调负荷在需求响应中的研究现状，并对空调负荷进一步的研究方向进行了展望。文献[7]对美国需求响应在商业建筑空调负荷中的具体策略及商业模式进行了综述。文献[8]提出了一种冷电联供分布式供能系统的能量管理优化模型。文献[9]提出了一种考虑储能系统和空调负荷的主动配电网多目标调度优化方法。文献[10]提出了基于直接负荷控制的空调负荷双层优化调度和控制模型。文献[11]提出了一种基于弹性温度可调裕度的中央空调控制策略，构建了基于弹性温度可调裕度的中央空调集群需求响应双层优化模型。近年来，随着清洁供暖逐渐普及，已有部分学者将电采暖负荷纳入电力系统相关模型进行考虑。文献[12]构建了计及需求响应资源的两阶段随机市场购电决策模型，分析了灵活供热负荷对综合能源服务商购电策略的影响。文献[13]提出了一种基于机会约束的热泵日前调度模型。文献[14]构建了计及电热混合储能的多源微网自治优化运行模型。此外，少数学者开始关注电制氢负荷对电力系统的价值。文献[15]研究了可再生能源电力制氢对电网规划的影响。文献[16]构建了风电-氢储能与煤化工多能耦合系统设备投资规划优化模型。文献[17]开展了考虑氢能-天然气混合储能的电-气综合能源微网日前经济调度优化研究。整体来看，将P2X负荷作为需求响应资源纳入电力系统优化中是研究发展趋势，但目前尚处于探索初期，特别是对电采暖、电制氢负荷的优化及其对新能源消纳的影响分析，相关研究还较为匮乏。

在此背景下，本文对P2X技术体系进行了剖析，综述了P2X主要技术类型的发展情况，从电力系统视角分析提出了P2X用电负荷的角色与价值。随后，构建了考虑P2X灵活性负荷的电力系统运行模拟优化模型，并结合中国华北地区电采暖、电制氢进行了实证研究，分析了P2X负荷优化运行对新能源弃能率的影响。

1  P2X技术发展概况

1.1  P2X技术体系

P2X是近年来出现的新概念，各方对其所包含的技术范围仍存在不同认识。一般而言，P2X包括电转热、电转冷、电转气（制氢或甲烷）、电制液体燃料、电制化工产品等。在广义的P2X概念中，还包括电转电（电能转换为氢能等能量形式后再转换为电能）、电转动力等^[2,18]。除电转热、电转冷外，其他形式的P2X技术均以电制氢为基础。电解水制氢后，氢气可与二氧化碳发生化学反应生成甲烷，实现电制甲烷；氢气也可与二氧化碳反应生成甲醇，实现电制液体燃料；氢气还可与氮气反应合成氨，实现电制化工产品；氢气储存后适时以燃料电池等载体重新转化为电能，实现电转电；此外，氢气或氢的衍生产品可作为动力的来源，间接实现电转动力。P2X技术体系及主要技术分别如图1、表1所示。

图1  P2X的技术路线

Fig.1  Technical route of P2X

表1  P2X主要技术形式

Table 1  List of main P2X technical solutions

1.2  电制热、电制冷技术

（1）热泵。热泵从自然界中获取低品位热能，经电力做功转化为高品位热能，主要包括空气源热泵、水源热泵和地源热泵。热泵能效水平高，COP（制热能效比）值可达到2.5~6.5，且可兼顾夏季供冷、冬季供热需求，具有较高的经济性。热泵已成为欧美国家重要的供暖方式，在中国随着清洁供暖深入推进，正步入发展快车道^[19]。推广各类热泵时需考虑自然资源情况：空气源热泵适合室外最低温度高于–15 ℃的区域；水源热泵适合靠近江河湖海或污水处理厂的区域；地源热泵适合冬季供暖与夏季制冷基本平衡的区域。总体来看，热泵是经济性较高的电转热技术，在资源条件适宜地区有一定商业推广价值。（2）电阻式电采暖。该类技术利用电阻发热原理直接将电能转化为热能，包括电锅炉、电暖器等。其COP不超过1，效率低于热泵。按照正常电价水平计算，该类电采暖技术经济性较差，通常需依靠财政补贴^[20]加装蓄热模块可充分利用夜间低谷电制热，节省采暖电费支出，且通过削峰填谷可减缓电网扩容建设成本，有助于提升经济性，但与热泵等技术相比仍不具备竞争力。（3）空调。空调是电转冷的主要技术形式，在中国已实现大规模应用。从能量转换角度，电蓄冷空调更具发展价值，其核心设备是双工况冷水主机，能够在低电价时段制冷并储冷、在高电价时段释放存储的冷量。此外，空调加装智能控制模块是大势所趋，既有助于提升用户体验，也将支撑电力系统对空调的优化调控，实现智能化、自动化需求响应。总体来看，电转热、电转冷技术已进入规模化推广应用阶段，但目前通常仅作为满足用户采暖、制冷需求的方式，其打通能源品类边界、实现以电为中心的多能互补优化的系统效益尚未被充分挖掘。

1.3  电制氢及相关衍生技术

（1）电制氢。氢气的主要制取途径包括煤制氢、天然气制氢、石油制氢、工业副产氢、电解水制氢等，其中煤制氢是中国当前成本最低、应用最广泛的技术。电解水制氢主要有3种技术：碱性电解水制氢（ALK）、质子交换膜电解水制氢（PEM）和固态氧化物电解水制氢（SOEC），ALK和PEM技术均可接受波动性电源供电，其中PEM的灵活性能更为出色, 可接受负荷变化范围为额定功率的0~100%（部分设备甚至允许短时按照额定功率的160%运行），爬坡速率为100%/s，热启动时间仅为1 s，冷启动时间为5 min，是非常理想的灵活性资源^[21]。近年来随着欧洲提出P2G、P2X等概念，电制氢技术成为前沿热点，但受限于成本，离大规模商用仍有差距^[22]。要使电制氢成本低于煤制氢，需确保电价低于0.1元/（kW·h），此时电制氢成为具有经济竞争力的制氢技术；要使电制氢成本低于加装CCS的煤制氢技术，需确保电价低于0.25元/（kW·h），此时以清洁电力为输入的电制氢将成为最经济的清洁氢能制取方式。但当国内各省煤电标杆上网电价均高于0.25元/（kW·h），即风电和光伏发电实现平价上网后仍无法保证电制氢的经济性。为提升其经济竞争力，一是可结合富余的清洁能源发电，利用弃风、弃光、弃水电量制氢；二是加快技术研发，促进电解器成本下降、电解水制氢效率提升；三是中长期来看新能源发电成本具有持续下降空间。（2）电制甲烷。由于氢气的储运存在技术和基础设施方面的障碍，可在制氢后继续与二氧化碳反应制取甲烷。甲烷能够直接注入天然气管道和储气装置，不像氢气注入天然气管道存在最大体积占比上限（通常仅为10%~20%），因而能够实现能量的远距离传输和大规模存储。目前电制甲烷的效率为50%~60%，低于电制氢，如表2所示。电转气合成甲烷的成本是常规天然气的2~4倍，经济性较差，故同电制氢一样适宜与富余清洁电力结合发展，作为天然气的补充来源^[23]。

表2  氢气与甲烷技术指标对比

Table 2  Comparison of hydrogen and methane technical indicators

（3）其他电制氢衍生技术。电转氢、转电方面，电制氢后以燃料电池形式发电，可作为重要的储能形式，是储存时间最长、能量密度最大的储能技术，但成本较高，适用于大规模跨季节存储与平衡、分布式能源供应等场景^[24]。电转氢、转动力方面，燃料电池汽车的经济性难以超过锂电池汽车，在乘用车领域发展潜力有限；但燃料电池能量密度大、续航里程长、加氢速度快，在公路货运、轨道交通、航运、航空等领域存在一定竞争优势，未来有望作为终端能源消费清洁化转型的重要选择，如表3所示^[25]。总体来看，其他电制氢衍生技术经济性有限，但基于氢能高能量密度的特性，在特定场景下具有一定市场潜力。

表3  燃料电池汽车与纯电动汽车性能对比

Table 3  Performance comparison between fuel cell vehicles and pure electric vehicles

总体来看，电制氢及相关衍生技术增加了能源转换环节，导致其效率和经济性有限，但考虑到电制氢技术的清洁性和系统调节价值，仍有必要加大研发示范力度。

2  P2X在电力系统中的角色与价值

2.1  P2X在电力系统中的角色

（1）可控负荷。从电力系统用电负荷角度来看，电采暖、电制冷、电制氢等都具有较强的可中断性与可时移性，是理想的需求响应资源，可根据电力供需形势变化进行负荷的实时增减。（2）储能。与电能不同，热、冷、气等能源品类都具有能够大规模存储的特征，电转热、电转冷、电转气等技术可实现能量的多元化灵活存储^[24]。尤其是电制氢后能够实现跨季节尺度的大规模存储，可作为未来高比例新能源电力系统中重要的能量型储能方式。（3）与其他系统的接口。不同能源间的转换打通了电力系统与热力系统、天然气系统等其他能源系统以及交通等基础设施的界限。P2X技术可作为系统间的接口，支撑电力系统扩大耦合边界，实现更大范围的连接与优化。

2.2  P2X对电力系统的价值

（1）丰富供需平衡调节手段，支撑电力平衡。P2X元素作为可控负荷，将为电力供需平衡提供新的手段，有助于实现从供需单向匹配向双向协同优化转变。在负荷高峰时段，P2X元素可降低用电功率，缓解电力平衡紧张形势；在负荷低谷时段，P2X元素可加大运行功率，满足机组最小开机运行方式约束。（2）增强系统灵活性，助力新能源消纳。无论作为可控负荷还是储能，P2X元素都将成为系统中关键的灵活性资源，提升系统调峰、调频能力，同时P2X产生的灵活性电量需求将扩大新能源消纳空间。通过将P2X的运行控制策略与新能源的出力波动情况紧密耦合，能够促进新能源充分消纳利用，提高系统运行效率^[26-27]。（3）提升电力系统在能源系统中的地位，促进实现以电为中心的综合能源高效利用。P2X技术赋予了电力更加重要的角色，进一步凸显了电能的中心地位，能够提高电能在终端能源消费中的占比，有益于扩大电能消费，也有助于实现多能协同高效利用。
3  考虑P2X灵活性负荷的电力系统运行模拟模型

在传统电力系统运行模拟模型基础上，加入对P2X负荷可调节性的考虑，实现电力系统整体优化。模型由目标函数和约束条件构成。

3.1  目标函数

模型的目标函数是使调度期内系统总成本最小化，包括发电侧机组调度成本、P2X负荷需求响应激励成本以及系统碳排放成本。发电侧机组调度成本为式中：H为生产模拟周期内小时数；R为区域数；N为电源数量；P_r,i,t为t时刻区域r电源i的出力；FC_i为电源i的调度成本。P2X负荷需求响应激励成本为式中：DRSo_r,t 为t时刻区域r的P2X负荷转移功率；TCS_r,t为t时刻区域r转移负荷激励成本。系统碳排放成本为式中：Pr_c为碳排放成本；e_i为机组i的碳排放系数。综上，模型的目标函数为

3.2  约束条件

该模型共包含12个约束条件。其中，为适应高比例新能源发展，确保系统备用容量能够应对风电与光伏发电的不确定性，在生产模拟模型的系统上旋备用约束、下旋备用约束中加入了风电、光伏发电对系统备用容量的影响。（1）电力供需平衡约束。该约束旨在保障各区域各时刻的电力供应能够有效满足电力需求。式中：Pt_g,t为t时刻第g条输电通道的输电功率；Ω_r2x为区域r向外送电的输电通道集合；Ω_x2r为区域r从外界受电的输电通道集合；l_g为通道g的输电线损率；DRSi_r,t是t时刻区域r需求响应转入负荷功率；Cc_r,t为t时刻区域r储能的净放电功率，正值为放电，负值为充电；Load_r,t是r区域t时刻负荷需求。（2）系统上旋备用约束。该约束旨在保障各区域各时刻系统上旋备用容量能够满足负荷和风光电的备用需求。式中：P_r,i,t,max是区域r电源i在t时刻能达到的最大出力；I_r,i,t为区域r电源i在t时刻的开机状态；DRSo_r,t,max为t时刻区域r需求响应转出负荷功率上限；Cc_r,t,max为t时刻区域r储能的净放电功率上限；a₁为由负荷需求决定的上旋备用系数；b₁为由风电出力决定的上旋备用系数；c₁为由光伏发电出力决定的上旋备用系数；Pw_t为t时刻风电出力；Pp_t为t时刻光伏发电出力。（3）系统下旋备用约束。该约束旨在保障各区域各时刻系统下旋备用容量能够满足负荷和风光电的备用需求。式中：P_r,i,t,min为区域r电源i在t时刻能达到的最小出力；DRSi_r,t,max为t时刻区域r需求响应转入负荷功率上限；Cc_r,t,max为t时刻区域r储能的净放电功率下限；a₂为由负荷需求决定的下旋备用系数；b₂为由风电出力决定的下旋备用系数；c₂为由光伏发电出力决定的下旋备用系数。（4）系统冷备用约束。该约束旨在保障各区域各时刻系统冷备用容量能够满足系统安全稳定运行需求。式中：a₃为由负荷需求决定的系统冷备用系数。（5）电源出力范围约束。该约束旨在保障各区域各时点各类电源出力均在其最大、最小技术出力范围之间。式中：P_i,max和P_i,min分别为电源i的最大、最小技术出力。（6）电源爬坡速率约束。该约束旨在保障各区域各时刻各类电源出力的变化速率不超过其爬坡速率限制。式中：Ru_i和Rd_i分别为电源i的爬坡速率、滑坡速率。（7）风电出力约束。该约束旨在保障各区域各时刻风电出力在自然资源允许的可调功率范围内。式中：W_r,t为t时刻r区域风电资源可调系数；Cw_r为r区域风电总装机容量。（8）光伏发电出力约束。该约束旨在保障各区域各时刻光伏发电出力在自然资源允许的可调功率范围内。式中：S_r,t为t时刻r区域光伏发电资源可调系数；Cp_r为r区域光伏发电总装机容量。（9）P2X负荷转出电力上限约束。该约束旨在保障各区域各时刻P2X负荷转出电力不超过响应潜力上限。（10）P2X负荷转入电力上限约束。该约束旨在保障各区域各时点P2X负荷转入电力不超过响应潜力上限。（11）P2X负荷跨时段转移电量平衡约束。该约束旨在保障各区域一定时间段内P2X负荷累计转出电量与累计转入电量相等。（12）系统无转动惯量电源渗透率约束。该约束旨在保障各区域各时刻无转动惯量的电源出力占比在系统安全稳定允许范围以内。

式中：VP_max为无转动惯量电源功率占比上限约束。

4  P2X参与电力系统运行模拟实证研究

由于P2X尚处于技术发展阶段，其规模化推广及参与电力系统优化运行仍需时日，且P2X负荷灵活运行在高比例新能源环境下意义更为明显，故在中长期发展情景下进行电力系统视角下的P2X运行模拟量化研究意义重大。

4.1  电采暖负荷优化运行

以华北地区2035年发展情景为算例环境，新能源与各类常规电源装机容量、跨区联网容量及负荷等数据引自文献[28]。分别设置基准场景（不考虑电采暖）、考虑电采暖场景（日采暖电量2.4亿kW·h）、强化电采暖场景（日采暖电量4.8亿kW·h），假设其中一半的采暖负荷具有可时移性，基于本文构建的模型，对华北地区冬季典型周进行系统运行模拟。经优化求解，强化电采暖场景下采暖负荷优化运行状态及其与新能源发电出力如图2所示，不同场景下负荷需求曲线改变与新能源弃电情况对比如图3所示。

图2  华北地区冬季典型周采暖负荷优化运行状态与新能源发电出力

Fig.2  Optimal operation state of heating load and power generation output of new energy in typical winter week in North China Region

由模拟结果可知，采暖负荷运行状态与新能源发电出力高度相关，当新能源大发时部分采暖设备启动运行或增大功率，当可用新能源资源相对匮乏时部分采暖设备关闭或减小功率，充分发挥热负荷的时间惯性与蓄热的可时移性优势。通过挖掘电-热互补潜力，提升电力系统灵活性，扩大新能源消纳空间，将明显降低弃风率与弃光率，如表4所示。鉴于风资源时序分布特性与供热需求重合性更高，因此，通过电采暖实现电热互补优化运行对风电消纳的促进作用比光伏发电更为明显。

图3  华北地区冬季典型周实际负荷需求曲线与新能源弃电情况

Fig.3  Actual load demand curves and new energy generation curtailment in typical winter week in North China Region

表4  不同场景下华北地区冬季典型周弃风率与弃光率

Table 4  Generation curtailment rate of wind power and solar power in various scenarios in typical winter week in North China Region

此外，电采暖负荷优化运行还可有效降低系统运行成本与二氧化碳排放水平，实现经济效益与环境效益的协同，如表5所示。

表5  不同场景下华北地区冬季典型周度电平均成本与碳排放量

Table 5  Average power supply cost and carbon emissions per unit of electricity in various scenarios in typical winter week in North China Region

4.2  电制氢负荷优化运行

以华北地区2050年冬季典型周为场景开展算例研究，相关容量参数取自文献[28]。分别设置基准场景（不考虑电制氢负荷）、考虑电制氢场景（加入2000万kW制氢负荷，利用小时数按3000 h计算），假设电制氢负荷均具有可时移性，基于构建的模型对华北地区冬季典型周进行系统运行模拟。经优化求解，考虑电制氢场景下制氢负荷与各类电源调度情况如图4所示，制氢负荷运行与净负荷曲线对比如图5所示。

图4  华北地区冬季典型周制氢负荷与各类电源调度情况

Fig.4  Optimal operation state of hydrogen production load and output of various power sources in typical winter week in North China Region

图5  华北地区冬季典型周制氢负荷运行情况与系统净负荷

Fig.5  Operation state of hydrogen production load and net load demand in typical winter week in North China Region

由模拟结果可见，电制氢负荷接入电网后，将集中在净负荷低谷同时也是新能源消纳压力最大的时段满功率运行，其余时段则根据新能源出力变化与负荷波动情况低功率运行，运行功率逐时变动但存在一定规律，避免了输入功率无序随机波动对设备寿命的影响。提高挖掘电制氢负荷的灵活性价值，能够切实提升电力系统对新能源的消纳能力。在本算例中，灵活性电制氢负荷有效降低了弃风弃光率，如表6所示。

表6  电制氢场景下华北地区冬季典型周弃风率与弃光率

Table 6  Generation curtailment rate of wind power and solar power in P2H scenarios in typical winter week in North China Region

5  结语

（1）部分P2X技术尚处于技术突破发展阶段，尤其是以电制氢为核心环节的多类P2X技术，随着新能源发电成本下降其经济竞争力将逐步提升。（2）P2X负荷对电力系统意义重大，是未来电力系统重要的灵活性资源，通过参与电力系统优化运行，也将促进新能源发电的高效消纳。针对P2X的综述分析可用于对P2X主要技术路线及发展成熟度进行判断参考，构建的考虑P2X灵活性负荷的电力系统运行模拟优化模型可用于对电采暖、电制氢等灵活性负荷参与电力系统优化运行进行模拟分析，为灵活性负荷运行方式及新能源消纳影响分析提供量化工具。下一步，将进一步深化对细分P2X技术的研究，并结合更多实际算例开展模型应用。（责任编辑　蒋东方）

作者介绍

张宁(1989—)，男，通信作者，博士，高级工程师，从事能源电力规划、能源互联网研究，E-mail：[e-mail];

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代红才(1977—)，男，硕士，高级工程师，从事企业战略、能源互联网研究，E-mail：[e-mail];

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王轶楠(1992—)，男，博士，工程师，从事能源互联网、信息物理系统研究，E-mail：[e-mail].

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤、蒋东方‍

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