含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度

余莎，何光層，劉志堅，朱玨佩，楊竣皓

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650504)

在全球變暖問題日趨嚴重的背景下，“雙碳”戰(zhàn)略目標的提出對我國乃至全世界綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]，電力行業(yè)作為最大的碳排放行業(yè)，助力“雙碳”目標的落實責(zé)無旁貸。電-氣綜合能源系統(tǒng)以供需互動、綜合能源利用率高[2-3]且運行高效的特點在全世界尤其是國外被廣泛應(yīng)用于能源供應(yīng)系統(tǒng)[4]。綜合能源系統(tǒng)作為未來能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向，更應(yīng)該明確在多能耦合形勢下系統(tǒng)能源低污染、高能效的發(fā)展目標[5]。

“雙碳”背景下，能源體系綠色轉(zhuǎn)型刻不容緩，電力系統(tǒng)能夠采取的行之有效的方法除了增加綠色能源的使用率[6]，還有轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，致力于低碳技術(shù)的發(fā)展[7-8]。文獻[9-10]分析了低碳電力的發(fā)展過程中碳捕集的重要地位，表明對于當前低碳電力的可持續(xù)發(fā)展離不開碳捕集這一關(guān)鍵性的低碳技術(shù)；文獻[11]綜合考慮儲液式、分流式2種碳捕集電廠的運行方式，驗證綜合運行模式下系統(tǒng)的調(diào)峰作用以及所提模型的經(jīng)濟環(huán)保性；文獻[12]構(gòu)建含碳捕集熱電聯(lián)產(chǎn)機組的虛擬電廠，并聚合風(fēng)電及電轉(zhuǎn)氣裝置，實現(xiàn)了碳捕集系統(tǒng)與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備之間的碳循環(huán)；文獻[13]采用碳排放流模型對碳排放進行跟蹤和計算，提出一種基于雙邊貿(mào)易機制和主動需求側(cè)管理的兩階段低碳運營規(guī)劃模型，以減少碳排放。

“雙碳”背景下，可再生能源高比例并網(wǎng)發(fā)電的同時，系統(tǒng)的棄風(fēng)問題也日益嚴重[14]。為保證新能源能夠盡可能全額消納，文獻[15]提出的電轉(zhuǎn)氣考慮了電轉(zhuǎn)氫和電轉(zhuǎn)天然氣兩階段能量流動，將混合儲能系統(tǒng)與微網(wǎng)結(jié)合，在風(fēng)電并網(wǎng)時保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性；文獻[16]提出一種削峰填谷模型，驗證電轉(zhuǎn)氣在消納新能源、平滑凈負荷曲線方面的作用；文獻[17]通過設(shè)定不同的仿真場景驗證了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消納風(fēng)電的能力；文獻[18]對電轉(zhuǎn)氣設(shè)備采取碳交易激勵機制，采用改進的逐次線性化方法對模型作線性化處理，驗證所提機制對提高電轉(zhuǎn)氣運行性能、消納風(fēng)電的積極作用。

以上文獻雖在“雙碳”背景下對綜合能源系統(tǒng)進行能量優(yōu)化和經(jīng)濟調(diào)度研究，但對于引入碳捕集系統(tǒng)后，碳捕集系統(tǒng)和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的靈活運行以及二者聯(lián)合消納風(fēng)電的機制鮮有研究?；诖?，本文構(gòu)建含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度模型，針對碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，提出一種計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式。首先對含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行理論研究，其次在聯(lián)合運行模式下考慮綜合能源系統(tǒng)相關(guān)約束，以系統(tǒng)綜合運行成本最小為目標建立優(yōu)化調(diào)度模型，最后通過仿真結(jié)果進行對比分析，驗證所提模型的可行性。

1 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)及其運行模式

1.1 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)

1.1.1 碳捕集電廠模型

圖1為碳捕集電廠的能量流動框圖。常規(guī)火電機組加裝碳捕集系統(tǒng)后即為碳捕集機組。在碳捕集電廠的能量流動過程中，等效輸出功率即碳捕集電廠按照一定轉(zhuǎn)換效率通過發(fā)電循環(huán)輸出的電能；凈輸出功率即扣除用于碳捕集系統(tǒng)運行的能量后，碳捕集電廠最終對外輸出的電能[19]。碳捕集系統(tǒng)消耗的捕集能量由機組提供，使得電廠能夠上網(wǎng)的凈輸出小于其額定發(fā)電功率[20]。

圖1 碳捕集電廠能量流動框圖

結(jié)合圖1所示碳捕集電廠的能量流動框圖，碳捕集電廠運行模型表示如下：

(1)

碳捕集電廠在發(fā)出等效輸出功率的同時將按一定比例產(chǎn)生CO2量Qc：

(2)

綜上，碳捕集電廠的凈輸出功率

(3)

且凈輸出功率滿足出力限制約束

(4)

1.1.2 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)如圖2所示。與傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)相比，該系統(tǒng)引入碳捕集電廠、儲碳設(shè)備、儲氫設(shè)備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的雙向電氣耦合，還可通過碳捕集裝置形成碳循環(huán)，提高系統(tǒng)的碳減排能力，使該系統(tǒng)兼顧經(jīng)濟性與環(huán)保性。下面對本文所提出的計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式進行建模研究。

圖2 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)

1.2 計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式

單純的碳捕集系統(tǒng)與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進行耦合存在一定的缺陷。其一，電-氣綜合能源系統(tǒng)中電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的甲烷化反應(yīng)只在棄風(fēng)時段利用剩余電能消耗CO2合成甲烷[21]，但碳捕集系統(tǒng)捕獲CO2可能貫穿于整個調(diào)度周期，CO2氣體流量供需不平衡造成不必要的成本及氣體資源浪費。其二，氫氣的用途廣泛，與直接參與甲烷化反應(yīng)相比，將氫氣用于電動汽車市場、燃料電池、氫氣燃氣輪機發(fā)電或許能帶來更好的經(jīng)濟效益。基于此，本文提出一種計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式，如圖3所示。一方面可以降低電轉(zhuǎn)氣設(shè)備因甲烷化反應(yīng)購買CO2的成本，另一方面甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以用于補償碳捕集系統(tǒng)因運行產(chǎn)生的運行能耗，進而提高碳捕集電廠的凈輸出功率。

圖3 計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式

在計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式下，儲氫設(shè)備、儲碳設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、氫氣燃氣輪機以及碳捕集電廠中的碳捕集系統(tǒng)模型分別列寫如下。

a)儲氫設(shè)備模型為：

(5)

另外，甲烷化反應(yīng)和氫氣燃氣輪機所需的氫氣均來自儲氫設(shè)備，故氫氣流量應(yīng)滿足以下約束：

(6)

b)儲碳設(shè)備模型可類比于儲氫設(shè)備，儲碳設(shè)備在運行過程中任一時刻的儲碳量

(7)

相應(yīng)的儲碳設(shè)備容量約束，CO2流量的注入量及取出量大小約束，一個調(diào)度周期內(nèi)初始、結(jié)束時的CO2容量約束如下：

(8)

儲碳設(shè)備d的CO2注入量

(9)

c)電轉(zhuǎn)氣裝置電解制氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣量

(10)

電轉(zhuǎn)氣裝置輸入功率約束為

(11)

(12)

式中ψH2-CO2、ψH2-CH4分別為氫氣與CO2、氫氣與甲烷之間的反應(yīng)系數(shù)，取值均為0.25。

同時，因甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的熱能

(13)

式中ψheat為熱量回收系數(shù)。

d)碳捕集系統(tǒng)運行能耗

(14)

2 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型

本文所提含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度模型以系統(tǒng)運行成本、CO2相關(guān)成本以及棄風(fēng)懲罰成本三者之和的綜合成本最小為目標函數(shù)，并考慮電力網(wǎng)絡(luò)約束、天然氣網(wǎng)絡(luò)約束、耦合單元約束及碳捕集系統(tǒng)約束。

2.1 目標函數(shù)

含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度以在聯(lián)合運行模式下的綜合成本最小為優(yōu)化目標，目標函數(shù)為minF，

F=FO+FC+FW.

(15)

式中：FO為系統(tǒng)運行成本；FC為CO2相關(guān)成本；FW為棄風(fēng)懲罰成本。

a)系統(tǒng)運行成本FO包括化石燃料機組運行成本FG、天然氣源的產(chǎn)氣成本FNω、天然氣儲氣設(shè)施的用氣成本FNS，即

(16)

b)CO2相關(guān)成本FC包括化石燃料機組排放CO2的碳稅成本FCT、CO2的傳輸存儲成本FTS、碳捕集機組從空氣中捕集CO2的成本FCC，即

(17)

c)棄風(fēng)懲罰成本是因風(fēng)電不確定性產(chǎn)生棄風(fēng)而引發(fā)的成本問題，可引入棄風(fēng)懲罰費用系數(shù)對其進行優(yōu)化處理：

(18)

式中：NW為風(fēng)電場數(shù)；P′w,t為風(fēng)電場w在t時刻的出力預(yù)測值；Pw,t為風(fēng)電場w在t時刻的實際出力值；Cw為棄風(fēng)懲罰費用系數(shù)。

2.2 約束條件

本文模型包含電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、碳捕集系統(tǒng)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備及聯(lián)合運行模式中儲碳、儲氫等設(shè)備約束。其中，天然氣網(wǎng)絡(luò)采用其常規(guī)穩(wěn)態(tài)模型，電力網(wǎng)絡(luò)在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上對其功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束分別作如下改寫：

(19)

(20)

其余約束見第1章詳細建模。

3 算例分析

在如圖4所示的6母線電網(wǎng)和7節(jié)點天然氣網(wǎng)絡(luò)上對本文所提模型進行仿真驗證，該模型各部分結(jié)構(gòu)組成見表1。本文模型的求解選擇優(yōu)化軟件Gurobi 8.1.1，在MATLAB 2018平臺上采用Yalmip建模工具包進行編程求解，計算機環(huán)境為Intel 2.90 GHz CPU，8 GB內(nèi)存。

表1 電-氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖4 6節(jié)點電力系統(tǒng)和7節(jié)點天然氣系統(tǒng)

3.1 仿真場景設(shè)定

基于以上的網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定以下3種仿真場景進行對比仿真分析：

場景1，典型綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度(基準場景，電、氣兩網(wǎng)由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備連接)；

場景2，含碳捕集系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度；

場景3，計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式下綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟調(diào)度。

3.2 參數(shù)設(shè)定

為了驗證模型的正確性，系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)定如下：電力負荷、天然氣負荷及風(fēng)電出力預(yù)測曲線如圖5所示，電力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)與matpower6節(jié)點相同，天然氣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)參考文獻[7]。此外，電力網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)備用需求取值為總負荷的30%；電轉(zhuǎn)氣設(shè)備允許輸入功率的下限取值10 MW、上限取值100 MW；碳捕集系統(tǒng)的維持能耗為固定值，取機組裝機容量的0.5%；碳稅價格取值20美元/t，傳輸存儲CO2的價格取值5美元/t，從空氣中捕獲CO2所需的價格成本取值200美元/t。以1 h為時間間隔對1 d(24 h)的電-氣綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化分析。

圖5 電力負荷、天然氣負荷及風(fēng)電預(yù)測值曲線

3.3 仿真結(jié)果分析

本文分別對3種場景下系統(tǒng)風(fēng)電消納、碳捕集凈輸出功率、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸入功率、模型目標優(yōu)化等方面的優(yōu)化結(jié)果進行對比分析，驗證本文所提模型的意義。

3.3.1 風(fēng)電消納情況及分析

3種場景下風(fēng)電消納對比如圖6所示。由圖6可知，場景1雖有電轉(zhuǎn)氣設(shè)備可消納一部分風(fēng)電，但輸入電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的功率大小受其上限約束，故在風(fēng)電出力較多的2—7、20—24時段出現(xiàn)大量棄風(fēng)，從而使系統(tǒng)的懲罰成本增加。在場景2中，雖加入碳捕集系統(tǒng)使得棄風(fēng)量減少，但碳捕集系統(tǒng)的運行能耗由其處理的CO2量決定，故3—6時段仍有少量棄風(fēng)。在場景3中，加入儲碳、儲氫單元，能夠提高碳捕集系統(tǒng)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的靈活運行能力，調(diào)度周期內(nèi)可基本實現(xiàn)風(fēng)電的全消納。

圖6 3種場景下的風(fēng)電消納對比

3.3.2 碳捕集機組運行情況分析

3種場景下機組G5出力對比如圖7所示。由圖7可知，場景2中，由機組本身提供碳捕集系統(tǒng)運行所需的捕集能量，故機組G5在場景2的凈輸出低于場景1，給風(fēng)電上網(wǎng)提供了更大的利用空間。在場景3聯(lián)合運行模式下，碳捕集系統(tǒng)回收利用甲烷化反應(yīng)釋放的熱量，減少自身運行能耗，從而使機組G5的凈輸出功率總體高于場景2。另外，回收的熱能未能全補償碳捕集系統(tǒng)運行能耗，機組自身仍需提供一部分能耗，故機組G5在場景3的凈輸出總體上仍低于場景1。

圖7 3種場景下的機組G5出力對比

3.3.3 電轉(zhuǎn)氣設(shè)備結(jié)合儲氫設(shè)備的運行情況及分析

3種場景下電轉(zhuǎn)氣輸入功率對比如圖8所示。與場景1相比，場景2、3中加入碳捕集系統(tǒng)可消納一部分風(fēng)電，故電轉(zhuǎn)氣設(shè)備利用的風(fēng)電相對較少。同時，由于場景3加入儲氫設(shè)備，實現(xiàn)電轉(zhuǎn)天然氣和電轉(zhuǎn)氫氣2個過程的解耦，電解反應(yīng)利用富余電能電解制氫，可基本實現(xiàn)風(fēng)電的全消納，故場景3相較于場景2電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的輸入功率總體較高。

圖8 3種場景下的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸入功率對比

3種場景下電轉(zhuǎn)氣設(shè)備合成甲烷產(chǎn)量對比如圖9所示。場景1、2中，合成甲烷氣體量與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸入功率成正比關(guān)系，二者曲線走向相同。在場景3，發(fā)生甲烷化反應(yīng)合成甲烷的同時還伴隨著放熱過程，圖10所示為9—13、19—22時段甲烷化反應(yīng)釋放的熱量，全時段釋放的總熱量73.66 MW將被碳捕集機組G5全部回收，用于補償捕集CO2產(chǎn)生的運行能耗。

圖9 3種場景下的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備合成甲烷產(chǎn)量對比

圖10 場景3下的機組G5碳捕集回收熱能

綜上分析表明，系統(tǒng)中加入儲氫設(shè)備能夠使電轉(zhuǎn)氣設(shè)備更加靈活運行，進而使電、氣兩網(wǎng)間的能量流能夠更加靈活地進行耦合。

3.3.4 目標優(yōu)化結(jié)果及分析

一個調(diào)度周期內(nèi)不同場景下CO2相關(guān)成本對比見表2。結(jié)合圖11不同場景下CO2排放量及CO2捕集量可知，場景3中的碳捕集系統(tǒng)由于回收利用甲烷化反應(yīng)釋放的熱量，碳捕集機組G5能夠捕集的CO2量比場景2中多38.3 m3，因此場景3中的CO2傳輸存儲成本高于場景2。場景1中甲烷化反應(yīng)所需CO2均從空氣中捕集，而場景3中甲烷化反應(yīng)所需的CO2均能由儲碳設(shè)備提供，故從空氣捕集CO2成本場景1最高，場景3成本為0。

表2 3種場景下的CO2相關(guān)成本對比

圖11 3種場景下的CO2排放量及機組G5的CO2捕集量

一個調(diào)度周期內(nèi)3種場景下系統(tǒng)各項成本及綜合成本見表3。由表3可知，場景2、3電轉(zhuǎn)氣設(shè)備及碳捕集系統(tǒng)均有利于消納風(fēng)電，故棄風(fēng)懲罰成本均低于場景1。場景3中無論是系統(tǒng)綜合成本，還是系統(tǒng)運行成本、CO2相關(guān)成本、棄風(fēng)懲罰成本，均為3種場景下的最優(yōu)值。因此，本文所提計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式在電-氣綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用中具有一定的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

表3 3種場景下的系統(tǒng)綜合成本對比

4 結(jié)束語

本文在風(fēng)電消納和“雙碳”背景下，為使電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、碳捕集系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮消納風(fēng)電、降低碳排放的優(yōu)勢，提出一種計及儲碳、儲氫設(shè)備的聯(lián)合運行模式，并構(gòu)建含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型。聯(lián)合運行模式下，系統(tǒng)基本實現(xiàn)了風(fēng)電的全額消納。儲碳、儲氫設(shè)備的加入提高了碳捕集系統(tǒng)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運行的靈活性，實現(xiàn)碳循環(huán)，優(yōu)化能量流，使得系統(tǒng)綜合運行成本、碳排放量均為最優(yōu)。在多能耦合的綜合能源系統(tǒng)背景下，該模型的提出對系統(tǒng)能夠經(jīng)濟、環(huán)保地運行具有重要意義。