電力系統(tǒng)多模態(tài)低碳電力調(diào)度策略分析

覃禹銘， 盧 穎

（貴州電網(wǎng)有限責任公司遵義供電局，貴州遵義563000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，能源是必不可少的一個環(huán)節(jié)，大規(guī)模的化石能源的利用，在過去很長時間內(nèi)極大地促進了人們生產(chǎn)和生活的進步，同時化石能源是電力系統(tǒng)的主要燃料，在整個發(fā)電系統(tǒng)中的占比很高［1-3］。在化石能源不斷開發(fā)和利用過程中會產(chǎn)生大量的污染物以及有害氣體，從而造成嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境問題成為制約化石能源開發(fā)的重要因素。隨著環(huán)境問題越來越突出，能源利用、經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境問題之間的矛盾也越來越明顯，低碳發(fā)展已經(jīng)成為各個行業(yè)的重要發(fā)展目標，也是國家可持續(xù)發(fā)展的重要方向［3-7］。電力系統(tǒng)，其在能源中的地位越來越重要，低碳電力的發(fā)展也是具有巨大的現(xiàn)實意義，從而減少CO2等溫室氣體的排放，緩解目前嚴重的環(huán)境問題［8］。

從目前能源系統(tǒng)的發(fā)展來說，化石能源仍然是主要能源形式，火力發(fā)電在一定時期內(nèi)仍占據(jù)發(fā)電形式的主導地位［9-11］。對于火力發(fā)電廠，二氧化碳捕集是實現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的很重要技術(shù)，通過相應的設(shè)備將電廠中的污染氣體進行封存，從而實現(xiàn)溫室氣體的低碳排放。但由于CO2捕集技術(shù)的相關(guān)設(shè)備成本較高，并不是所有的電廠均能配置相關(guān)設(shè)備，這項技術(shù)也并沒有大規(guī)模應用，因此需要進行低碳調(diào)度技術(shù)的研究，通過低碳調(diào)度策略實現(xiàn)CO2的排放控制［12-16］。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，在電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中考慮碳排放和碳捕集的經(jīng)濟和收益情況，得到了正常模態(tài)和附加模態(tài)下的電力調(diào)度模型，可以實現(xiàn)相應的優(yōu)化功能，在附加模態(tài)中沒有對系統(tǒng)的靜態(tài)電壓進行考慮，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，但是會存在一定的安全風險，而在附加模態(tài)的優(yōu)化調(diào)度中，不僅考慮系統(tǒng)的整體成本，同時將系統(tǒng)的靜態(tài)電壓納入了調(diào)度模型約束中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，在滿足條件的情況下保證系統(tǒng)充分的負荷裕度。

1 碳捕集技術(shù)分析

碳捕集技術(shù)主要通過一定的技術(shù)手段，對排放氣體中的CO2等氣體進行相應的封存，從而減少向大氣中的溫室氣體排放，以達到低碳電力的目的。在碳捕集過程中會消耗較大的能量，捕集到的CO2量越大，消耗的能量越多。在設(shè)備運行過程中，假設(shè)能量消耗與捕集量成近似線性關(guān)系，則在運行過程中的能量消耗為：

式中：Pr為碳捕集過程消耗的總功率；μ為單位時間內(nèi)捕集單位質(zhì)量CO2需要的功率；E為捕集的碳質(zhì)量。

這樣，電廠相關(guān)機組的輸出功率為：

式中：Pg為發(fā)電機組的總輸出功率；P1為發(fā)電廠的設(shè)備消耗功率；P0為發(fā)電機組的發(fā)電功率。

通過上述分析可以得到具備碳捕集電廠的最小出力約束：

式中：Pmin為發(fā)電機組的最小出力大?。沪?為單位電量的碳排放系數(shù)，kr＿max為最大的碳捕集率。

在目前的碳捕集技術(shù)中，燃燒后進行碳捕集是相對常用的方法，不僅可以實現(xiàn)CO2的捕集，還不會改變現(xiàn)有的發(fā)電廠程序。對于火力發(fā)電廠來說，碳排放強度可表示為：

式中：ke為發(fā)電廠的碳排放強度；me為發(fā)電廠單位時間的碳排放。

對于發(fā)電廠來說，通過碳捕集技術(shù)的實施可以大幅減少氣體中的CO2排放量，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)可以減少80%以上的碳排放，則碳捕集率為：

式中：kr為發(fā)電廠的碳捕集率；mr為單位時間內(nèi)的發(fā)電廠碳捕集。

碳捕集設(shè)備中的單位功率中碳捕集大小可表示為：

式中，kr為單位功率中碳捕集大小。

對于發(fā)電廠來說，單位時間中其碳排放為：

根據(jù)上述的描述可以得到如下的約束關(guān)系：

通過前述的關(guān)系可以進一步得到：

通過式（10）可以發(fā)現(xiàn)電廠中的碳捕集功率約束條件為：

2 碳捕集技術(shù)對電價影響分析

對于整個碳捕集設(shè)備來說，其主要的費用包括初期設(shè)備費、后期運維費、消耗費以及儲存費等。

對于初期設(shè)備費來說，可用如下關(guān)系式形容：

式中：Bj為碳捕集的初期設(shè)備花費；α為單位容量下設(shè)備費；N為發(fā)電廠的裝機容量；ε為平均發(fā)電小時；λ為單位發(fā)電量的碳排放。

對于碳捕集設(shè)備的后期運維費來說，在電廠中增加了相應的設(shè)備，那么這些設(shè)備都需要進行相應的運行維護，隨著時間的增加，這些費用會逐步提高，設(shè)備的后期運維費用可表示為：

式中：Bw為設(shè)備后期的運維費用；δ為第1年的運維費用占碳捕集設(shè)備總投資的比例；t為碳捕集設(shè)備的使用年限。

碳捕集設(shè)備建成之后，還需要進行相應的耗材來支撐運行，相應的消耗花費可表示為：

式中：By為碳捕集設(shè)備的消耗花費；ρ為發(fā)電所用的燃料單價；χ2為相應的電量消耗的燃料。

對于碳捕集設(shè)備來說，相應的CQ2儲存也是很重要的一部分，這部分費用往往需要支付給第3方，由第3方來實現(xiàn)相應的儲存，這部分費用可以表示為：

式中：Bc為碳捕集中的CQ2儲存費用；η為CQ2／t儲存費。

3 低碳電力調(diào)度模型

3．1 優(yōu)化目標

對于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度來說，一般通過相應的出力調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)的各種約束條件構(gòu)建相應的模型，從而達到系統(tǒng)成本最低的調(diào)度目標，傳統(tǒng)調(diào)度的目標函數(shù)為：

式中：T為調(diào)度優(yōu)化的時間段；N為機組數(shù)；Pi，t為機組i在t時間內(nèi)的輸出；Si為發(fā)電機組的啟動花費；Ci（Pi，t）為發(fā)電成本函數(shù)。

對于傳統(tǒng)電力調(diào)度來說，其約束條件一般包括功率平衡約束、機組運行約束、正旋轉(zhuǎn)備用約束、負旋轉(zhuǎn)備用約束、機組啟停約束以及電網(wǎng)安全約束等，通過各個不同方面的約束條件實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟運行。對于低碳調(diào)度來說，整體目標也是需要實現(xiàn)總體的成本目標最低，但是除了要考慮相應的基本約束之外，還要考慮低碳設(shè)備的成本以及相應的碳排放性能，實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的環(huán)保低碳、經(jīng)濟節(jié)能。

隨著國家以及社會對于低碳電力的要求越來越高，碳排放逐漸成為發(fā)電廠成本很重要的一部分，碳排放所承受的代價越來越高。在這種情況下，電力調(diào)度的總成本可以包括機組發(fā)電的成本、不進行碳捕集的CO2排放成本、碳捕集的收益、發(fā)電商的利潤等。在進行相應的碳捕集設(shè)備安裝之后，相應的低碳調(diào)度函數(shù)為：

式中：Ct為電力系統(tǒng)的購電總費用為系統(tǒng)各機組的單位時間段內(nèi)的發(fā)電成本組成的向量；Ce為碳排放的成本；為各發(fā)電機組的并網(wǎng)功率向量為各發(fā)電機組的廠用電消耗功率向量為碳捕集設(shè)備的消耗功率向量；為單位時間內(nèi)的碳排放強度為單位時間內(nèi)的單位能耗下碳捕集量。

對于上述的低碳調(diào)度模型來說，加入了碳捕集設(shè)備的相應收益計算，使得調(diào)度模型在整體上更加準確，對于系統(tǒng)的評估更加真實有效。對于發(fā)電廠的碳捕集設(shè)備來說，其是否具有收益的影響因素很多，國家對于碳排放的收費會影響碳捕集設(shè)備的整體收益，同時在上述的模型中的發(fā)電成本、碳排放強度、單位能耗下的碳捕捉量等均會影響碳捕集設(shè)備的相應收益。當滿足下列條件的時候，碳捕集設(shè)備會產(chǎn)生正收益，具體如下：

為了使碳捕集設(shè)備產(chǎn)生相應的收益，當碳排放價格高于相應數(shù)值的時候，開啟相應的碳捕集設(shè)備，這樣可以達到相應的整體收益最佳，具體的開啟碳捕集設(shè)備的臨界碳排放價格為：

3.2 約束條件

在確定了相應的調(diào)度模型后，需要滿足一定的約束條件，主要包括系統(tǒng)功率約束、機組出力約束、碳捕集運行功率約束、電壓幅值約束、發(fā)電機無功約束、靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束這幾部分，對于各種約束條件來說前6個約束條件可以看作是系統(tǒng)運行的基本約束，而靜態(tài)電壓約束為系統(tǒng)的附加約束，在只考慮系統(tǒng)運行約束時系統(tǒng)為正常模態(tài)運行，而考慮靜態(tài)電壓約束的時候為附加模態(tài)運行，下面分別進行分析。

（1）系統(tǒng)功率約束

式中：L0為起始運行時的節(jié)點功率大?。粸橄到y(tǒng)大負荷期間的發(fā)電機出力大?。粸橄到y(tǒng)初始時刻的發(fā)電機出力大?。籦為系統(tǒng)的負荷增長方式；λp為負荷增長的影響因子。

（2）機組出力約束

式中：Pgmax為機組出力的最大值；Pgmin為機組出力的最小值。

（3）碳捕集運行功率約束

（4）電壓幅值約束

式中：Upmin為系統(tǒng)節(jié)點電壓的最小值；Up為系統(tǒng)節(jié)點電壓數(shù)值；Upmax為系統(tǒng)節(jié)點電壓的最大值。

（5）發(fā)電機無功約束

式中：Qgmin為系統(tǒng)節(jié)點無功輸出的最小值，Qg為系統(tǒng)節(jié)點的無功輸出數(shù)值，Qgmax為系統(tǒng)節(jié)點電壓的最大值。

（6）靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束。對于電力系統(tǒng)來說，為了更加有效地保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定和系統(tǒng)正常的運行，需要約束相應的電壓穩(wěn)定臨界點功率約束：

式中：下標p為系統(tǒng)負荷高峰時刻，下標0為系統(tǒng)初始時刻，下標c為電壓穩(wěn)定臨界點；λc為電力系統(tǒng)的負荷裕度，λcb為在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定處的負荷變量。

同時，設(shè)定系統(tǒng)的負荷裕度約束為：

式中，λref為負荷裕度最小數(shù)值。

4 算例分析

為了對上述的調(diào)度模型進行分析和驗證，在IEEE30節(jié)點系統(tǒng)上進行相應的算例分析，得到相應的正常模態(tài)和附加模態(tài)下的優(yōu)化結(jié)果，從而對系統(tǒng)的調(diào)度進行分析。整個調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)的負荷增加按照一定的比例進行，從而達到相應的負荷高峰，設(shè)定負荷增長比例為10%，即上式中的λp取值為0．1。為了對系統(tǒng)進行相應的調(diào)度優(yōu)化，設(shè)定此時段內(nèi)的碳排放成本為Ce＝85元／t，而碳捕集設(shè)備的最大碳捕集率為0．9。系統(tǒng)中各節(jié)點的參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)各節(jié)點參數(shù)

4.1 正常模態(tài)優(yōu)化分析

對于系統(tǒng)正常模態(tài)來說，此時在約束條件中不考慮其靜態(tài)電壓約束條件，在系統(tǒng)調(diào)度模型中，不同的節(jié)點處的優(yōu)化方案如表2所示。

表2 正常模態(tài)下系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化方案

系統(tǒng)中，在正常模態(tài)下，不考慮系統(tǒng)的靜態(tài)電壓約束的時候，此時段內(nèi)的節(jié)點1的發(fā)電成本是最低的，可以發(fā)現(xiàn)此時整個系統(tǒng)中的有功出力節(jié)點1全部承擔，而其他采集節(jié)點的有功功率輸出為0。而對于節(jié)點1來說，其碳排放成本的臨界數(shù)值為66元／t，因此其小于該時段的碳排放費用，可以產(chǎn)生相應的碳排放收益，此時該節(jié)點會開啟相應的碳捕集設(shè)備，但是由于節(jié)點1的出力較大，因此其碳捕集設(shè)備的功率達到了最大數(shù)值。在這種出力方式和優(yōu)化調(diào)度方案下，雖然在經(jīng)濟性上可以達到相應的要求，但是其負荷裕度達到了0．143，可以發(fā)現(xiàn)此時距離負荷高峰數(shù)值僅僅相差4．3%，隨著負荷的增加，面臨著電壓崩潰的風險，系統(tǒng)并沒有處于最佳運行狀態(tài)。

4.2 附加模態(tài)優(yōu)化分析

在系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化中，加入系統(tǒng)靜態(tài)電壓約束條件，這樣就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的附加模態(tài)運行，這樣在分析計算后就會得到不同的優(yōu)化方案，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，防止系統(tǒng)出現(xiàn)相應的風險，發(fā)揮低碳調(diào)度的優(yōu)勢和優(yōu)點。

表3 附加模態(tài)下系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化方案

對于附加模態(tài)下來說，通過加入相應的系統(tǒng)靜態(tài)電壓約束，各節(jié)點的出力發(fā)生了相應的變化，而通過上述表格的碳捕集設(shè)備臨界成本來說，節(jié)點1、3、10滿足相應的碳捕集設(shè)備開啟條件，但是為了滿足系統(tǒng)的負荷裕度約束，只開啟了相應的節(jié)點1和3中的碳捕集設(shè)備，此時情況下，系統(tǒng)的負荷裕度變?yōu)?．15，可以發(fā)現(xiàn)高峰負荷點時可以具有85%的負荷裕度，保證了系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時，維護系統(tǒng)的安全運行。

5 結(jié) 語

對于整個電力系統(tǒng)來說，為了更加低碳運行，滿足系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在發(fā)電設(shè)備出加入碳捕集設(shè)備成為一種常見的選擇，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，需要在電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中考慮碳排放和碳捕集的經(jīng)濟和收益情況，本文進行了低碳電力調(diào)度分析，得到了正常模態(tài)和附加模態(tài)下的電力調(diào)度模型，可以實現(xiàn)相應的優(yōu)化功能，在附加模態(tài)中沒有對系統(tǒng)的靜態(tài)電壓進行考慮，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，但是會存在一定的安全風險，而在附加模態(tài)的優(yōu)化調(diào)度中，不僅考慮系統(tǒng)的整體成本，同時將系統(tǒng)的靜態(tài)電壓納入了調(diào)度模型約束中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，在滿足條件的情況下保證系統(tǒng)的充分地負荷裕度。