2.1 电热气综合能源系统架构及特点
气源
电网
储气罐 P2G
燃气轮
机
碳捕捉装
置
热回收
装置
气负荷
电负荷
蓄电池
热网 热负荷
电锅炉
风机
储
热
罐
储碳装
置
储氢罐
天然气
电能
热能
CO2
H2
汽轮机
光场
光
热
电
站
氢燃机
图 2.1 电-热-气综合能源系统示意图
2.1.1 能源输入设备模型建模
本节对系统中的能源输入设备进行建模，具体包括光热电站和风机机组。
（1）光热电站
光场 热循环
汽轮机发
电
储热罐
电锅炉
电能输出
热损
耗
热能输入
图 2.2 CSP 电站结构原理简图
由图 2.2 可知，CSP 电站发电所用的热能主要来自光场所收集的热能，光场
收集的热能如下式所示：
, , ,CSP t CSP s h CSP s t
H S I
−
=
(2.1)
式中
,CSP t
H
为
t
时刻光场集热器收集的热能；
,CSP s h
−
为 CSP 电站的光热转换
效率；
CSP
S
为光场聚光镜的有效面积；
,st
I
为
t
时刻的光照强度。
CSP 电站用来发电的热能可以来自光场集热、电锅炉产热和储热罐放热，
CSP 电站电能输出公式如下：
, , , ,CSP t CSP h e CSP h e t
PH
−−
=
(2.2)
式中，
,CSP t
P
为 CSP 电站在
t
时刻产生的电能；
,CSP h e
−
为 CSP 电站热能转
换为电能的效率；
,,CSP h e t
H
−
为
t
时刻 CSP 机组推动汽轮机发电所消耗的热能。
CSP 电站中储热罐在太阳能充足时，可以将多余的太阳能以热能形式储
存起来，当太阳能不足时，释放热能来满足发电的需求，也可以直接向负荷
侧供给热能，储热罐模型如下式：
,,
, , 1 , , ,
,
(1 )
TST d t
TST t TST TST t TST c TST c t
TST d
H
Q Q H t t
−
= − + −
(2.3)
式中，
,TST t
Q
、
,1TST t
Q
−
分别为 TST 在
t
、
1t −
时刻的储热量；
TST
为 TST 的热量
自损失率；
,TST c
、
,TST d
分别为 TST 的储热、放热效率；
,,TST c t
H
、
,,TST d t
H
分别为
t
时
刻 TST 的储热、放热功率。
由图 2.2 可看出，CSP 电站内部热循环满足以下式子：
, , , , , , , , ,
CPS t Eb t TES d t TES c t CPS loss CSP h e t
H H H H H H
−
+ + = + +
(2.4)
式中，
,CPS loss
H
为 CSP 机组的热损失，热损失一般为 CSP 用来制电热功率
,,CSP h e t
H
−
的 5%，
,EB t
H
为
t
时刻 EB 产生的热能。
（2）风机机组
风力发电作为资源丰富的可再生能源，将风力发电接入系统可有效改善综合
能源系统的能源结构和运行方式，且风电具有逆调峰特性和间歇性，风电出力高
峰多处于夜晚，与光热电站系统协调运行时可有效改善系统供电稳定性，提高可
再生能源利用率和渗透率，且对经济和环境有明显益处。一般风电出力用分段函
数表示：
33
,
33
0 , ,
,
,
ci co
vi
WT t ci r
r vi
wind r co
v v v v
vv
P v v v
vv
P v v v
−
=
−
(2.4)
式中，
,WT t
P
为风机出力的实际值；
wind
P
为风机的额定出力；
ci
v
和
co
v
分别为风
机的切入风速和切出风速；
v
和
r
v
分别为风机的实际风速和额定风速。
2.1.2 能源转换设备模型建模
（1）碳捕集电厂
在燃气轮机旁设置碳捕集装置，对燃气轮机产生的 CO
2
进行吸收利用，即将
传统的燃气轮机改造成碳捕集电厂。
燃气轮机电能输出和热能输出与天然气流量之间的关系为：
44
4
44
4
, , ,
, , ,
CH CH
GT t GT g e CH GT t
CH CH
GT t GT g h CH GT t
Pg
Hg
−
−
=
=
(2.5)
式中，
4
,
CH
GT t
P
、
4
,
CH
GT t
H
分别为 GT 燃烧 CH
4
产生的电输出功率和热输出功率；
,GT g e
−
、
,GT g h
−
分别为 GT 的电转换效率和热转换效率；
4
CH
为 CH
4
燃烧的热值；
4
,
CH
GT t
g
为
t
时刻流入 GT 的 CH
4
流量。
GT 机组发电为碳捕集电厂唯一的电能来源，GT 机组的输出电能即为碳捕
集电厂的电能总输出，整个碳捕集电厂生成的 CO2 满足
22
,,CO t CO GT t
gP
=
(2.6)
式中，
2
,CO t
g
为
t
时刻碳捕集电厂产生的 CO
2
；
2
CO
为碳捕集电厂的 CO2 排放
强度，其值与 GT 机组的 CO
2
排放强度相等。
碳捕集装置默认捕集效率为 100%，即经过碳捕集装置处理的 CO
2
都会被成
功捕集，碳捕集装置需要消耗一定电能对压缩机进行驱动，消耗的电能与捕集到
的 CO
2
成正比，碳捕集电厂用以捕集 CO
2
的电能消耗可表示为
2
2
2
,
,
CO
CO CC t
CO
CC t
CC
g
P
=
(2.7)
式中，
,CC t
P
为
t
时刻碳捕集电厂捕集 CO
2
所消耗的电能；
2
CO
为碳捕集电厂处
理单位 CO
2
的电能消耗；
2
,
CO
CC t
g
为
t
时刻碳捕集电厂捕集的 CO
2
，其值小于等于
,CC t
g
；
CC
为碳捕集装置的工作效率。
碳捕集装置在待机状态也会消耗一定电能，碳捕集电厂的电能输出可表示为
42
, , ,
CH CO
fix
CC t GT t CC t CC
P P P P= − −
(2.8)
式中，
fix
CC
P
为碳捕集装置的固定能耗。
碳捕集电厂的碳排放量可表示为
2
2
, , ,
CO
out
CC t CO t CC t
g g g=−
,
out
CC t
g
为
t
时刻碳捕集电厂的碳排放。
（2）电锅炉
,,EB t EB EB t
HP
=
(2.10)
式中，
EB
为 EB 的热电转化效率；
,EB t
P
为
t
时刻 EB 的输入电功率。
（3）热回收装置
HRU 的余热来源为 GT 和 P2G 运行所产生的热能，HRU 可用下式表示：
,,
in
HRU t HRU HRU t
HH
=
(2.11)
式中，
,HRU t
H
为
t
时刻 HRU 生产的高品味热能；
HRU
为 HRU 机组的热转换
效率；
,
in
HRU t
H
为 GT 和 P2G 输入到 HRU 的余热。
（4）电制气装置
P2G 装置合成 CH4 过程主要分为两部分：电解水和甲烷化，P2G 装置合成
CH
4
原理如图 2.3 所示。
电解水
甲烷化
富余可再生能源
CO2
碱性水
O2
H2
H2O
CH4
热能
