多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)碳排放及可靠性分析

董 瑞，李 星，高 林

(1.華北電力大學(xué) 吳仲華學(xué)院，北京 102206；2.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；3.華電重工股份有限公司，北京 100160)

0 引 言

為應(yīng)對全球變暖，極端天氣等氣候問題，我國在聯(lián)合國氣候大會(huì)上承諾CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這對全球碳達(dá)峰與碳中和至關(guān)重要。由于我國富煤缺油少氣的資源稟賦，高碳排放的煤電是我國目前主要發(fā)電方式，2020年，我國電力行業(yè)碳排放為42.5億t[1]，是我國CO2排放最大的行業(yè)。

為達(dá)到“雙碳”目標(biāo)要求，我國必須改變現(xiàn)有能源利用方式，加速向綠色低碳能源轉(zhuǎn)型，近年來我國火電裝機(jī)量占比逐年下降，2020年我國火電裝機(jī)量占總裝機(jī)量的56.82%，相較2015年降低了11.6個(gè)百分點(diǎn)。而光伏與風(fēng)電由于成本下降及政策原因，其應(yīng)用近年來呈爆發(fā)式增長，2020年新增裝機(jī)容量分別達(dá)到了4 820萬與7 167萬kW，占新增裝機(jī)容量的25.25%和37.55%[2]。大規(guī)模可再生能源的接入有效降低了CO2排放，但同時(shí)由于可再生能源出力的波動(dòng)性與不確定性，電力系統(tǒng)的可靠性受到挑戰(zhàn)。

唐浩等[3]針對風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，以成本為約束條件，以更低的CO2排放強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)，搭建了計(jì)算模型并對其進(jìn)行了容量配置優(yōu)化。王曉蘭等[4]建立了小型風(fēng)光蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將投資成本、系統(tǒng)可靠性及資源利用率作為優(yōu)化目標(biāo)，通過遺傳算法得到了系統(tǒng)的優(yōu)化資源配置方案；姜書鵬等[5]對風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)建立了容量配置優(yōu)化模型，以系統(tǒng)最大經(jīng)濟(jì)收益作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)技術(shù)評價(jià)指標(biāo)，對影響容量配置的主要影響因素進(jìn)行分析討論。李健華等[6]對風(fēng)光或聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量配置進(jìn)行研究，考慮了出力隨機(jī)性、水電出力季節(jié)性特點(diǎn)和現(xiàn)貨價(jià)格等因素對發(fā)電系統(tǒng)容量配置的影響，并給出了合適的配置規(guī)劃方法。

筆者選擇系統(tǒng)可靠性和碳排放強(qiáng)度作為約束條件，通過接入儲(chǔ)能及碳捕集設(shè)備，統(tǒng)一不同可再生能源裝機(jī)比例系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度與可靠性指標(biāo)，并對比不同系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，碳捕集和儲(chǔ)能可有效降低系統(tǒng)碳排放并提高系統(tǒng)的可靠性，在滿足碳排放及可靠性約束目標(biāo)時(shí)，可再生能源比例60%左右的裝機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)定

1.1 能源基地參數(shù)

以某風(fēng)-光-火-儲(chǔ)的能源基地為例，風(fēng)電光伏等低碳清潔能源可以有效降低系統(tǒng)CO2排放，火電及儲(chǔ)能具有良好的調(diào)峰性能，能夠在小時(shí)級別的時(shí)間尺度下對多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以補(bǔ)償光伏風(fēng)電出力的隨機(jī)性[6]，改善系統(tǒng)總出力曲線的平滑程度。該能源基地示意如圖1所示，該能源基地的發(fā)電系統(tǒng)由超超臨界燃煤空冷機(jī)組、陸上風(fēng)電機(jī)組以及光伏電站共同組成，并接入了CO2捕集及儲(chǔ)能設(shè)備。

圖1 能源基地示意Fig.1 Schematic of the energy base

在保證能源基地總裝機(jī)容量不變的情況下，不同可再生能源裝機(jī)比例的風(fēng)-光-火裝機(jī)容量見表1。該能源基地的技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 能源基地裝機(jī)容量方案Table 1 Installed capacity plan of energy base

表2 能源基地技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of energy base

續(xù)表

光伏及風(fēng)電的全年出力概率分布[13-14]如圖2所示，不同技術(shù)成本見表3。

圖2 光伏及風(fēng)電的出力概率分布[13-14]Fig.2 Output probability distribution of photovoltaic and wind power[13-14]

表3 各種能源的發(fā)電成本[15-17]Table 3 Cost of electricity for various energy sources[15-17]

1.2 碳排放和可靠性約束

1.2.1 碳排放約束

2020年，我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放強(qiáng)度比2005年下降48.4%，超額完成承諾的40%～45%的目標(biāo)，并于當(dāng)年舉行的氣候雄心峰會(huì)上再次承諾，2030年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放將比2005年下降65%以上。電力行業(yè)的碳減排需要長時(shí)間的結(jié)構(gòu)調(diào)整與技術(shù)突破，不同時(shí)期會(huì)有不同的碳排放指標(biāo)要求。本文分別以300、100、0 g/kWh碳排放指標(biāo)作為系統(tǒng)的碳排放目標(biāo)約束。

1.2.2 可靠性約束

隨著可再生能源裝機(jī)比例提高，系統(tǒng)CO2排放量更低，然而受到氣象條件的影響，光伏及風(fēng)電的出力具有波動(dòng)性及隨機(jī)性，大規(guī)模接入會(huì)增加電力系統(tǒng)運(yùn)行的波動(dòng)。接入儲(chǔ)能時(shí)，可以平抑這種輸出波動(dòng)，并作為應(yīng)急電源減少停電概率。為定量描述不同電力系統(tǒng)的可靠性，需要對電力系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評估。目前我國新能源裝機(jī)比例為43.5%，本文以40%可再生能源裝機(jī)容量時(shí)的可靠性指標(biāo)作為更高比例可再生能源裝機(jī)比例系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)約束。

2 評估方法

2.1 電力系統(tǒng)碳排放評估方法

碳中和概念本質(zhì)上是碳源與碳匯的平衡關(guān)系，根據(jù)高林等[18]對電力系統(tǒng)碳中和特性的研究，建立電力系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度公式，具體為

(1)

式中，Ic為電力系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度，表示電力系統(tǒng)產(chǎn)出單位發(fā)電量所排放的CO2量，kg/kWh；EN為電力系統(tǒng)CO2凈排放量，kg；ηi為不同發(fā)電技術(shù)的供電效率；Fiηi為電力系統(tǒng)的總發(fā)電量，kWh；R為無量綱參數(shù)，表示該電力系統(tǒng)的輸入能源中含碳能源含碳量占系統(tǒng)總輸入碳量的比例；K為碳回收率，為電力系統(tǒng)內(nèi)碳源排放的CO2中被系統(tǒng)內(nèi)碳匯吸收的比例；F為消耗燃料總能量，取決于燃料消耗量與燃料熱值，kJ；C為單位燃料能量的含碳量，取決于燃料種類，kg/kJ(以碳計(jì))；下標(biāo)C、CN和CF分別為含碳、碳中性和零碳能源，其中含碳能源主要指化石能源，碳中性能源主要指生物質(zhì)燃料，零碳能源主要指可再生能源。

2.2 電力系統(tǒng)可靠性評估方法

本文采用傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)期望缺供電量TEENS來量化評估該多能源系統(tǒng)的可靠性[19]。

期望缺供電量TEENS為系統(tǒng)在給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)因發(fā)電容量短缺造成的缺供電量的期望值，具體為

(2)

式中，N為仿真過程中所有電力不足狀態(tài)的集合；ti為電力不足狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，h；Ci為電力不足狀態(tài)的缺電量，kWh；T為總仿真時(shí)間，h。

光伏電站和風(fēng)電場的可靠性模型通常由出力模型和運(yùn)行狀態(tài)模型2部分組成[20]：

P′(t)=P(t)α(t)，

(3)

式中，P′(t)為t時(shí)刻修正后的出力；P(t)為t時(shí)刻機(jī)組的出力；α(t)為t時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)系數(shù)。

由于機(jī)組之間距離較近，氣象條件的改變對不同機(jī)組影響基本一致，為簡化可靠性評估流程，將整個(gè)光伏電站出力假設(shè)為一臺(tái)光伏機(jī)組出力。

可靠性評估的蒙特卡洛模擬法通過計(jì)算機(jī)生成多個(gè)隨機(jī)數(shù)，重復(fù)模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，最終統(tǒng)計(jì)得到可靠性指標(biāo)，抽樣次數(shù)越多，樣本均值越趨近系統(tǒng)期望，從而得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。通過對風(fēng)光出力模型進(jìn)行抽樣，得到風(fēng)光出力序列。

狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法是序貫蒙特卡洛模擬法中最常用的方法，通過循環(huán)抽樣設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和故障時(shí)間模擬系統(tǒng)運(yùn)行，直到仿真年限為止。對于故障率、修復(fù)率均為常數(shù)的兩狀態(tài)模型來說，其運(yùn)行時(shí)間和停運(yùn)時(shí)間均服從指數(shù)分布，狀態(tài)持續(xù)時(shí)間抽樣法的步驟[21]為：

1)假定各設(shè)備的初始狀態(tài)均為正常狀態(tài)。

2)抽樣每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)設(shè)備為正常狀態(tài)時(shí)，使用式(4)抽樣元件的無故障工作時(shí)間TTF；當(dāng)設(shè)備為故障狀態(tài)時(shí)，使用式(5)抽樣元件的故障修復(fù)時(shí)間TTR：

(4)

(5)

式中，U1、U2為[0,1]的隨機(jī)數(shù)；λ1為故障率，次/a；λ2為修復(fù)率，次/a。

3)對單個(gè)風(fēng)機(jī)和光伏系統(tǒng)持續(xù)抽樣，直到狀態(tài)序列長度滿足仿真時(shí)限要求。

4)將單個(gè)風(fēng)機(jī)和光伏的運(yùn)行狀態(tài)序列圖進(jìn)行組合，得到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)序列圖，對每個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算可靠性指標(biāo)。

3 算例分析

3.1 技術(shù)路徑

火電是我國目前主要的發(fā)電方式，其中99%的碳排放來自化石能源燃燒過程[22]，通過安裝CO2捕集設(shè)備，對火電廠煙氣內(nèi)CO2進(jìn)行捕集封存，可以有效降低能源系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度，目前主流電廠CO2捕集技術(shù)包括燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒[23]。相較于風(fēng)電光伏等可再生能源，火電出力更加穩(wěn)定，高比例的火電可以有效保障電力系統(tǒng)的可靠性，通過高比例火電裝機(jī)和碳捕集的技術(shù)路線可以使電力系統(tǒng)滿足碳排放及可靠性目標(biāo)約束。

可再生能源的發(fā)電過程無CO2排放，提高可再生能源的比例，替代火電等化石能源，可以降低能源系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度。然而可再生能源如風(fēng)電光伏等易受到天氣狀況影響，系統(tǒng)出力不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致系統(tǒng)出力不能滿足用戶需求。通過儲(chǔ)能裝置的“削峰填谷”作用，可提高電網(wǎng)對可再生能源的接納能力，緩解負(fù)荷高峰期的缺電狀況，有效保障電力系統(tǒng)的可靠性，所以高比例可再生能源裝機(jī)和儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)路線可以使電力系統(tǒng)滿足碳排放及可靠性目標(biāo)約束。

生物質(zhì)作為可再生能源，其燃燒過程中雖然會(huì)產(chǎn)生CO2排放，但由于生長過程可以吸收CO2，從生物質(zhì)能源的全生命周期考慮，生物質(zhì)能源發(fā)電不排放CO2。采用生物質(zhì)發(fā)電并接入CO2捕集設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)CO2負(fù)排放，且由于利用方式與火電類似，系統(tǒng)出力穩(wěn)定，可以保障電力系統(tǒng)的可靠性，所以生物質(zhì)和碳捕集技術(shù)路線可以使電力系統(tǒng)滿足碳排放及可靠性目標(biāo)約束。

3.2 可靠性分析

3.2.1 可靠性特性分析

根據(jù)上述風(fēng)電場及光伏電站可靠性模型，基于RTS-79測試系統(tǒng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)可靠性分析[24]，系統(tǒng)總裝機(jī)容量為5 000 MW，全年用戶最高負(fù)荷為4 185 MW，抽樣次數(shù)為10 000次。不同比例可再生能源裝機(jī)時(shí)的可靠性指標(biāo)如圖3所示。

圖3 可再生裝機(jī)比例與可靠性的關(guān)系Fig.3 Relationship between proportion of renewable installed capacity and reliability

由圖3可知，隨著可再生能源比例增加，可靠性指標(biāo)逐漸升高，系統(tǒng)可靠性不斷降低，且隨著可再生能源比例增加，期望缺供電量上升速度加快。儲(chǔ)能通過自身調(diào)峰作用，在能源系統(tǒng)出力不能滿足負(fù)荷需求時(shí)放電，可有效提高系統(tǒng)可靠性，可再生能源裝機(jī)比例為60%時(shí)，接入不同輸出功率儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)的可靠性指標(biāo)如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能輸出功率與可靠性的關(guān)系Fig.4 Relationship between energy storage output power and reliability

由圖4可知，隨儲(chǔ)能輸出功率的增加，該系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)下降，電力系統(tǒng)的可靠性增加。但可靠性指標(biāo)下降速度降低，說明隨儲(chǔ)能設(shè)備功率增加，相同輸出功率的儲(chǔ)能設(shè)備對系統(tǒng)可靠性的提升效果降低。

3.2.2 可靠性約束分析

以40%可再生能源裝機(jī)比例的可靠性指標(biāo)作為系統(tǒng)約束，以25 MW儲(chǔ)能輸出功率為單位，分析不同可再生能源裝機(jī)比例的系統(tǒng)滿足可靠性指標(biāo)要求所需的儲(chǔ)能輸出功率。不同可再生能源裝機(jī)比例系統(tǒng)及一定儲(chǔ)能輸出功率時(shí)的可靠性指標(biāo)見表4。

表4 滿足可靠性約束的儲(chǔ)能輸出功率Table 4 Energy storage output power satisfying reliability constraints

高比例可再生能源裝機(jī)系統(tǒng)在接入一定輸出功率的儲(chǔ)能后，系統(tǒng)均可滿足可靠性指標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)一。該能源基地中可再生能源裝機(jī)比例每升高20%，需接入850～875 MW輸出功率的儲(chǔ)能，以保證系統(tǒng)的可靠性。

3.3 碳排放分析

3.3.1 碳排放特性分析

為研究不同裝機(jī)比例及技術(shù)路線對碳排放強(qiáng)度的影響，基于所建立的模型，得到不同技術(shù)路線及不同可再生能源裝機(jī)比例時(shí)的系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 不同技術(shù)路線的碳排放強(qiáng)度Fig.5 Carbon emission intensity of different technology routes

由圖5可知，隨著可再生能源裝機(jī)比例提高，火電發(fā)電量占比降低，碳排放強(qiáng)度降低。在接入碳捕集設(shè)備后，系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度大幅降低，且采用20%生物質(zhì)摻燒后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)碳排放。

3.3.2 碳排放約束分析

通過碳捕集和采用生物質(zhì)燃料的方式可以降低能源系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度，在滿足碳排放約束目標(biāo)時(shí)，不同可再生能源裝機(jī)占比可采用的CO2捕集率及生物質(zhì)熱值占比見表5。

表5 滿足碳排放約束的碳捕集率及生物質(zhì)比例Table 5 Carbon capture rate and biomass proportion to meet carbon emission constraints

由表5可知，碳排放約束目標(biāo)為300 g/kWh時(shí)，可再生能源裝機(jī)比例需達(dá)80%左右，而更低的可再生能源裝機(jī)比例則需進(jìn)行CO2捕集。碳排放約束目標(biāo)為100 g/kWh時(shí)，則需要更高比例的可再生能源裝機(jī)或更高的CO2捕集率。而要達(dá)到零碳排放時(shí)，則需將可再生能源裝機(jī)比例增至100%或采用一定比例生物質(zhì)燃料并通過碳捕集的方式完成。

3.4 不同路徑的經(jīng)濟(jì)分析

通過上述分析，儲(chǔ)能設(shè)備的接入可以有效提高系統(tǒng)可靠性，而碳捕集設(shè)備可以降低系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度。以40%可再生能源裝機(jī)比例系統(tǒng)的期望缺供電量TEENS作為可靠性約束目標(biāo)，分析在300、100和0 g/kWh碳排放約束目標(biāo)下的發(fā)電成本。在不同可再生能源裝機(jī)比例下，系統(tǒng)滿足可靠性和碳排放約束目標(biāo)時(shí)的發(fā)電成本見表6，可知在滿足可靠性及碳排放約束時(shí)，60%可再生能源裝機(jī)比例系統(tǒng)的發(fā)電成本最低。而隨著碳排放約束目標(biāo)的降低，發(fā)電成本不斷升高。

表6 可靠性及碳排放約束下的發(fā)電成本Table 6 System costs to meet reliability and carbon emission constraints

4 結(jié) 論

1)碳捕集和高比例火電裝機(jī)、提高可再生能源裝機(jī)、生物質(zhì)和碳捕集3種技術(shù)路線均可降低碳排放并滿足系統(tǒng)可靠性要求，但碳捕集和高比例火電裝機(jī)的技術(shù)路線無法實(shí)現(xiàn)零碳排放，提高可再生能源裝機(jī)的路線可以實(shí)現(xiàn)零碳排放但會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，需接入大量儲(chǔ)能設(shè)備；生物質(zhì)和碳捕集的技術(shù)路線在一定生物質(zhì)比例時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零碳排放，繼續(xù)提高生物質(zhì)比例可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。

2)儲(chǔ)能可有效提高系統(tǒng)可靠性，但隨著儲(chǔ)能輸出功率的增加，相同輸出功率的儲(chǔ)能設(shè)備對系統(tǒng)可靠性的提升效果降低；對于總裝機(jī)5 000 MW的系統(tǒng)，可再生能源裝機(jī)比例每升高20%，需接入功率850～875 MW的儲(chǔ)能，保證系統(tǒng)滿足可靠性指標(biāo)的要求。

3)隨著碳排放要求提高，系統(tǒng)發(fā)電成本不斷升高。在系統(tǒng)可靠性及碳排放約束目標(biāo)一致的情況下，60%可再生能源裝機(jī)比例的能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最高。