考慮碳排放流理論的風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合新型中長期調(diào)度方式

嚴(yán)中華，王建功，朱英剛，蔡逸昊，張曉峰

（1.積成電子股份有限公司，山東濟南 250100；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境問題逐漸彰顯，為了實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境社會的可持續(xù)發(fā)展，可再生能源和節(jié)能低碳技術(shù)的發(fā)展變得愈加重要?，F(xiàn)階段，可再生能源的接入規(guī)模不斷增大，但風(fēng)電等的隨機性和波動性給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來諸多問題[1-3]。因此，需要更加合理的調(diào)度方式和技術(shù)手段來解決風(fēng)電波動和棄風(fēng)問題。文獻[4]提出了一種通過混合儲能系統(tǒng)抑制風(fēng)電波動的方法。文獻[5]建立了高風(fēng)電滲透率下的火電儲能協(xié)調(diào)調(diào)度模型來針對大規(guī)模風(fēng)電不確定和波動性。文獻[6]使用分布魯棒優(yōu)化方法處理風(fēng)電出力不確定性。文獻[7-8]建立了風(fēng)—火—抽蓄聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，通過抽水蓄能和風(fēng)電的合作應(yīng)對風(fēng)電預(yù)測誤差。文獻[9]將中長期交易與短期調(diào)度結(jié)合，從市場和調(diào)度2 個維度促進風(fēng)電的消納。文獻所提出的系統(tǒng)模型和機組組合方式在風(fēng)電消納方面取得了一定的成果，但在低碳減排方面沒有過多考慮。

隨著國家“碳達峰”、“碳中和”目標(biāo)的提出，碳減排已提上日程。在碳處理方面，文獻[10]建立了風(fēng)火發(fā)電商市場效益模型，綜合探討了碳交易價格、碳減排約束等的靈敏度問題。文獻[11]分析了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的原理，建立了可實現(xiàn)電轉(zhuǎn)氣功能的多能源協(xié)同系統(tǒng)低碳優(yōu)化模型。文獻[12-16]在碳交易機制的基礎(chǔ)上提出了的電—氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)低碳調(diào)度模型。文獻[17]研究了碳捕集電廠分流式和儲液式運行的能流特性，提出了2 種特性相結(jié)合的綜合靈活運行方式。文獻[18]綜合考慮儲熱裝置與碳捕集設(shè)備，提出了電熱混合儲能系統(tǒng)運行策略，將棄風(fēng)與電和熱2 種儲能設(shè)備的運行狀態(tài)結(jié)合。在提高系統(tǒng)能源利用率和降低碳排放方面取得了一定成果，但未通過碳捕集和電轉(zhuǎn)氣與風(fēng)電聯(lián)動，實現(xiàn)風(fēng)電的充分消納。

目前碳排放量的計算主要根據(jù)能源消耗量進行統(tǒng)計，無法體現(xiàn)電網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)”特征。碳排放流理論有助于將碳排放流在電網(wǎng)中的分布清晰展現(xiàn)、辨識系統(tǒng)中的高碳要素，為電力系統(tǒng)的低碳優(yōu)化和節(jié)能減排提供量化依據(jù)。文獻[19]提出了碳排放流的理論概念以及相關(guān)基礎(chǔ)指標(biāo)的計算方法。文獻[20]進一步研究了碳排放流指標(biāo)的矩陣計算方法。文獻[21]基于電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和碳排放流的計算方法，剖析了碳排放流在電網(wǎng)中的分布特性與機理。文獻[22]基于碳排放流理論建立了電力系統(tǒng)源-荷協(xié)調(diào)低碳優(yōu)化調(diào)度策略，實現(xiàn)風(fēng)電消納與負(fù)荷側(cè)碳排放責(zé)任分?jǐn)?。通過結(jié)合碳排放流的相關(guān)理論技術(shù)研究，對系統(tǒng)中碳流率較大、碳勢較高的區(qū)域，可以通過增加碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進行優(yōu)化和改善，從而更有針對性地實施節(jié)能減排的措施。

本文在諸多研究基礎(chǔ)上，基于碳排放流理論和風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣的聯(lián)合特性，以綜合成本最小為目標(biāo)函數(shù)，建立了含有風(fēng)電、水電、抽蓄、碳捕集、P2G 的發(fā)電系統(tǒng)中長期機組組合模型。結(jié)合碳排放流理論計算各節(jié)點的碳勢指標(biāo)，確立碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備在系統(tǒng)的接入位置。通過碳捕集、電轉(zhuǎn)氣降低碳排放、提高碳資源利用率，并促進風(fēng)電消納。

1 電力系統(tǒng)碳排放流理論

1.1 碳排放流理論概述

碳排放流是根據(jù)電力潮流和系統(tǒng)碳排放虛擬的一種網(wǎng)絡(luò)流，給電力系統(tǒng)每條支路上的潮流加上碳排放的標(biāo)簽，用來描述電力系統(tǒng)碳排放在電力網(wǎng)絡(luò)中的分布，使碳排放在系統(tǒng)各節(jié)點和支路量化。

基于碳排放流與電力潮流的依附關(guān)系，碳排放流在電力系統(tǒng)的流動圖如圖1 所示。碳排放流從發(fā)電廠節(jié)點出發(fā)，進入電力系統(tǒng)隨著潮流在電力網(wǎng)絡(luò)中流動，最后流入負(fù)荷節(jié)點。

圖1 電力系統(tǒng)碳排放流圖Fig.1 Diagram of carbon emission flow

1.2 碳排放流理論基礎(chǔ)定義

電力系統(tǒng)碳排放流理論包含若干相關(guān)基礎(chǔ)指標(biāo)。

1）碳流量。碳流量Fcef表征支路上碳排放流的大小，為給定時間內(nèi)通過支路的碳排放量。

2）碳流率。支路碳排放流率Rcer為單位時間內(nèi)某條支路上通過的碳流量，簡稱為碳流率。

3）碳流密度。由于電力系統(tǒng)碳排放流依附于有功潮流，根據(jù)碳排放與有功潮流的關(guān)系，定義碳流密度ρcei為支路碳流率與有功潮流的比值。

式中：Pbr為支路有功潮流。

根據(jù)碳流密度的定義式，對于產(chǎn)生碳排放的發(fā)電廠，其出線對應(yīng)的碳流密度等于發(fā)電機組的碳排放強度；而不產(chǎn)生碳排放的發(fā)電廠，如風(fēng)電廠，其出線對應(yīng)的碳流密度為0。

式中：N+為節(jié)點I相連的所有支路集合。

1.3 碳排放流理論指標(biāo)

本文主要計算節(jié)點碳勢指標(biāo)。設(shè)系統(tǒng)具有N個節(jié)點，其中存在K個機組注入節(jié)點和M個負(fù)荷節(jié)點。設(shè)第（II=1，2，…，N）個節(jié)點的碳勢為，則節(jié)點碳勢向量可表示為[20]:

節(jié)點碳勢向量的計算式為[20]：

式中：PNod為節(jié)點有功通量矩陣；PB為支路潮流分布矩陣；PG為機組注入分布矩陣；EG為機組碳排放強度向量。

碳排放流理論使得碳流量、碳流率與電力潮流的相關(guān)物理量相互對應(yīng)，增強了系統(tǒng)碳排放與潮流的聯(lián)系。通過結(jié)合碳排放流理論，可以根據(jù)潮流、碳流率、機組碳排放強度等基礎(chǔ)指標(biāo)計算系統(tǒng)各節(jié)點的節(jié)點碳勢，從而有針對性地對系統(tǒng)中的高碳勢節(jié)點區(qū)域?qū)嵤┑吞紲p排措施。

2 風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)模型

2.1 碳捕集運行原理

碳捕集的過程包括吸收、再生和壓縮3 個部分。整體流程如圖2 所示。

圖2 CO2捕集流程Fig.2 Carbon dioxide capture process

碳捕集設(shè)備的能耗主要包括基本能耗和運行能耗，其出力和能耗特性為[23]：

2.2 電轉(zhuǎn)氣運行原理

本文采用電轉(zhuǎn)天然氣技術(shù)。電轉(zhuǎn)氣生成的天然氣體積由式（7）所得[24]：

2.3 風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合特性

碳捕集過程收集的CO2可用于電轉(zhuǎn)氣，提高設(shè)備和資源的利用率，降低系統(tǒng)運行成本。碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的部分功耗由風(fēng)電提供以消納部分風(fēng)力，即：

風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 風(fēng)-水-抽蓄-碳捕集聯(lián)合系統(tǒng)Fig.3 Combined energy system of wind-hydro-pumped storage-carbon capture

在風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)中，火電、水電、抽水蓄能為主要的優(yōu)化機組。不參與優(yōu)化調(diào)度的核電機組與負(fù)荷整體看作為凈負(fù)荷。通過調(diào)節(jié)參與優(yōu)化調(diào)度的機組出力實現(xiàn)發(fā)電量與凈負(fù)荷的平衡，同時實現(xiàn)低碳減排的目標(biāo)。

3 中長期機組組合低碳模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

以綜合成本最低為目標(biāo)函數(shù)，包括各個機組的運行成本及啟動成本、碳交易成本、碳處理成本和運維成本等，即：

火電機組的碳排放量如式（12）所示：

經(jīng)碳捕集后，系統(tǒng)碳排放量如式（13）所示：

此時，碳交易成本為：

式中：NG為火電機組數(shù)量；c為碳交易價格。

3）火電機組的燃料成本C3為：

4）各機組和設(shè)備的啟停成本C4為：

式中：ci為設(shè)備的啟動成本系數(shù)；ui,t為設(shè)備的啟動狀態(tài)變量；NU為火電、水電、抽水蓄能機組的總數(shù)量。

5）風(fēng)電運維成本、棄風(fēng)成本C5為：

3.2 約束條件

1）系統(tǒng)功率平衡約束為：

2）為了保障一定的經(jīng)濟性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制火電機組的最小開機時間為2 個調(diào)度時段?；痣姍C組約束為：

啟動狀態(tài)約束如下。

火電機組出力上下限約束為：

對燃料成本進行分段線性化處理，方法參照文獻[25]。燃料成本約束為：

式中：ak，bk為火電機組發(fā)電成本分段線性化的系數(shù)。

碳捕集約束為：

6）抽水蓄能機組約束如下。

啟動狀態(tài)約束為：

發(fā)電機組、抽水機組出力上下限約束為：

式中：ηcx為抽蓄機組的轉(zhuǎn)換效率；QXn抽蓄電站庫容準(zhǔn)許變化量。

7）上、下備用約束為：

式中：Ru為上備用容量；Rd為下備用容量。

8）直流潮流約束為：

4 算例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)

本文采用IEEE-39 節(jié)點系統(tǒng)進行仿真計算。算例模型的求解過程通過Matlab 的Yalmip 工具包調(diào)用Gurobi 求解器進行求解。算例系統(tǒng)包含4 臺火電機組，3 臺風(fēng)電機組，3 臺水電機組和2 臺抽水蓄能機組；核電機組的容量為800 MW，出力保持不變。調(diào)度的時間粒度為8 h，周期為30 d，共90 個時段。圖4 為算例使用的IEEE-39 節(jié)點系統(tǒng)圖。其中，W，G，H，P 分別代表風(fēng)電、火電、水電和抽水蓄能機組。

圖4 IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)圖Fig.4 IEEE-39 node system

風(fēng)電機組的預(yù)測出力情況如圖5 所示。

圖5 風(fēng)電機組出力Fig.5 Output of wind turbine

4.2 算例結(jié)果對比分析

首先，在不考慮碳處理設(shè)備的情況下對機組進行優(yōu)化，得到各機組出力和碳排放，計算出系統(tǒng)各支路的潮流，并結(jié)合碳排放流理論計算出各支路的碳排放流，在此基礎(chǔ)上進一步計算系統(tǒng)各節(jié)點的節(jié)點碳勢指標(biāo)；其次，根據(jù)計算所得的節(jié)點碳勢指標(biāo)，在高節(jié)點碳勢區(qū)域的火力發(fā)電機節(jié)點設(shè)置碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，得到相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果和節(jié)點碳勢；最后，針對不同情景，驗證本文所提的系統(tǒng)模型在低碳減排和風(fēng)電消納方面的有效性。

1）未設(shè)置碳處理設(shè)備節(jié)點碳勢計算。

未設(shè)置碳處理設(shè)備時各機組的碳排放強度為：

取某時段的機組出力數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)潮流和碳排放流，經(jīng)過碳流理論計算得到與機組節(jié)點相鄰的節(jié)點碳勢，表1 為計算得到的節(jié)點碳勢結(jié)果。

表1 節(jié)點碳勢計算結(jié)果1Table 1 Results 1 of nodal carbon intensity kg CO2（/kWh）

由表1 可知，25 節(jié)點，6 節(jié)點，20 節(jié)點相對23節(jié)點碳勢較高，因此選擇在31，34，37 節(jié)點的火電機組設(shè)置碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備。

2）設(shè)置碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備節(jié)點碳勢計算。

設(shè)置碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備后，火電機組的碳排放強度也相應(yīng)降低，此時各機組的碳排放強度向量為:

得到的節(jié)點碳勢結(jié)果如表2 所示：

表2 節(jié)點碳勢計算結(jié)果2Table 2 Results 2 of nodal carbon intensity kg CO2（/kWh）

由表2 可知，加入碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備后，與火電機組節(jié)點相鄰的高碳節(jié)點碳勢顯著降低。由于碳捕集和電轉(zhuǎn)氣增加了系統(tǒng)能耗，火電機組的等效出力增加，因此23 節(jié)點的節(jié)點碳勢升高。

3）機組優(yōu)化結(jié)果對比。

算例對比了3 種情景下的結(jié)果。（1）情景1：未加入碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備；（2）情景2：在3 個高碳勢節(jié)點僅加入電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，并與風(fēng)電聯(lián)合；（3）情景3：在3 個高碳勢節(jié)點加入碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備，并且考慮碳捕集、電轉(zhuǎn)氣、風(fēng)電聯(lián)合。

圖6 和圖7 為3 種情景下火電機組的出力和碳排放情況。由于系統(tǒng)設(shè)置了3 個碳處理設(shè)備，因此每個情景只展示3 臺火電機組的情況。

圖6 火電機組出力Fig.6 Output of thermal power unit

圖7 火電機組碳排放Fig.7 Carbon emissions of thermal power unit

從圖6 可知，情景2 由于需要給電轉(zhuǎn)氣設(shè)備提供功率，火電機組出力相對情景1 增加；情景3 也因需要為系統(tǒng)碳捕集和電轉(zhuǎn)氣能耗提供功率，因而火電機組的出力相對情景1 增加。通過圖7 中3種情景的碳排放量對比可知，情景2 由于火電機組的出力增加且未設(shè)置碳捕集設(shè)備因而碳排放量相對于情景1 和情景3 增加；情景3 中火電機組1，2，3 加入了碳捕集設(shè)備，碳排放量相對于情景1、情景2 中的火電機組1，2，3 顯著降低。

圖8 為3 種情景的水電和抽蓄機組出力對比。

圖8 水電和抽蓄機組出力Fig.8 Output of hydropower and pumped storage station

由圖8 可知，3 種情景下的水電都起到調(diào)峰的作用；抽水蓄能機組都起到削峰填谷的作用，并可以減少火電機組的備用容量，使系統(tǒng)更具有經(jīng)濟性。情景2 和情景3 由于系統(tǒng)中增加了電轉(zhuǎn)氣負(fù)荷，使水電和抽水蓄能發(fā)電的出力較情景1 有所增加。

圖9 為情景3 的風(fēng)電功率情況圖。

圖9 情景3風(fēng)電功率Fig.9 Wind power of scenario 3

由圖9 可知，碳捕集和電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)可以消納大量的風(fēng)電。通過與風(fēng)電的聯(lián)合，協(xié)調(diào)風(fēng)電對碳捕集和電轉(zhuǎn)氣運行能耗的供給量和上網(wǎng)功率，可以靈活應(yīng)對風(fēng)電的波動性，降低預(yù)測誤差對實際運行時的影響，同時提高能源利用率。情景2 雖然可以通過電轉(zhuǎn)氣消納風(fēng)電，但由于會導(dǎo)致系統(tǒng)碳排放量增加與情景3 比略顯不足。

3 種情景下的各成本和碳排放總量等結(jié)果分析如表3 所示。

表3 3種情景比較Table 3 Comparison of three scenarios

從表3 可知，情景2 總碳排放量比情景1 增加了48 861.97 t，比情景3 增加了77 268.67 t，碳交易成本較情景1 和較情景3 比較高。由于情景2 可以通過電轉(zhuǎn)氣制取天然氣獲得收益且沒有棄風(fēng)，因而綜合成本低于情景1。情景3 電轉(zhuǎn)氣所需的碳源僅來自于捕獲的CO2，而情景2 電轉(zhuǎn)氣所需要的碳源通過向碳市場購買，相對情景3 碳源更充足，轉(zhuǎn)換的天然氣更多，因而電轉(zhuǎn)氣收益較高。情景3 的碳排放量最低，當(dāng)碳排放低于碳分配額時，在碳市場中出售的碳排放額也可以降低碳交易成本，使得情景3 的碳交易成本也明顯減少。情景3 的綜合成本較情景1 和情景2 分別降低了8 941.57 萬元、6 297.11 萬元，在實現(xiàn)風(fēng)電消納和系統(tǒng)低碳性的同時保持了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

本文提出了風(fēng)-碳捕集-電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合的新型中長期調(diào)度方式，在碳交易機制下通過碳捕集和電轉(zhuǎn)氣達到低碳減排和提高能源利用率的要求，并通過算例驗證了模型的有效性，所得結(jié)論如下：

1）通過碳排放流理論可以對系統(tǒng)對系統(tǒng)中不同節(jié)點的碳排放分布和強度進行定量評估，從而有針對性對系統(tǒng)中的高碳勢區(qū)域進行優(yōu)化和改善。

2）碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的加入可以降低系統(tǒng)CO2的排放量，從而使得系統(tǒng)高碳節(jié)點的碳勢降低，同時提高能源利用率，降低系統(tǒng)的綜合運行成本。

3）通過碳捕集、電轉(zhuǎn)氣與風(fēng)電的聯(lián)合運行，可以跟隨風(fēng)電出力，有效抑制風(fēng)電的波動性，協(xié)調(diào)系統(tǒng)其他機組的出力計劃可以在中長期尺度上實現(xiàn)風(fēng)電的全消納和靈活調(diào)度，提高系統(tǒng)運行效益。