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    计及碳捕集电厂灵活响应的电力生产调度优化模型设计与仿真

    时间：2023-07-03 12:05:05来源：百花范文网本文已影响人

    刘 岩，叶振豪，张夕佳，黄红伟，毛文照

    （1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518000；
    2.北京清大科越股份有限公司，北京 100102）

    碳捕集电厂本质上是对传统火电厂实施改造，增设碳捕集装置后形成的新型常规能源电厂[1-2]。文献[3-4]研究了碳捕集电厂参与低碳经济调度后系统优化目标的转变，从传统的经济调度转向了碳排放与经济协调优化的问题。文献[5-6]研究了碳捕集电厂灵活调度的特性，构建了考虑能量转移特性的优化调度方法，同时讨论不同时序优化中备用容量的预留合理性问题。文献[7]研究了碳捕集电厂与电价型需求侧响应互动问题，并提出一种考虑二者互动的综合能源系统低碳经济调度模型。文献[8-9]研究了新能源及负荷不确定性特征，讨论了考虑不确定性因素影响的含碳捕集电厂协调优化调度方法。文献[10-11]研究了碳捕集电厂、储能装置、电转气装置的协同问题，并构建面向碳捕集、储能、电气协同的优化调度方法。

    从上述分析可以看出，当前对碳捕集电厂参与下的低碳经济调度方法研究仍处于起步阶段，且对碳捕集电厂运行特性分析及其与大电网协调互动机制的研究并不充分。该文以溶液存储型碳捕集电厂为对象，研究其灵活调度特性，提出了考虑其灵活调度的大电网低碳经济调度方法。

    1.1 结构特征

    碳捕集电厂是在传统火电机组中加装碳捕集装置改造形成的具有CO2捕集功能的新型电源[12-13]。火电厂实施碳捕集包括CO2分离与CO2压缩两个关键环节。如图1 所示，火电厂燃烧发电产生富含CO2的尾气。首先经过吸收塔进行尾气脱碳，产生低碳尾气和吸附液，以当前常用的乙醇胺类吸收法为例，CO2吸收率能够达到85%～95%[14]，可直接降低火电厂产生的碳排放量。随后CO2吸附液被送至解析塔，实现CO2与吸附液的分离，脱碳的吸附液重新返回吸收塔循环利用；
    而解析产生的CO2将在压缩器中压缩并进行集中处理，以避免对环境产生直接影响。其中由吸收塔流向解析塔的吸附液CO2含量较高，通常称为富液；
    而解析塔流向吸收塔的吸附液CO2含量较低，称为贫液。

    图1 碳捕集框架

    1.2 灵活运行方式

    碳捕集电厂的灵活调度可通过分流和溶液存储两种方式来实现，从而改变其电-碳特性。分流方式是指通过调整进入CO2吸收塔的尾气量，改变碳捕集装置运行工况，从而优化整个碳捕集电厂电-碳运行特性的灵活运行方式[15]。而溶液存储方式则是通过调整吸收塔、解析塔之间的吸附液流速及流向改变CO2处理效率，从而优化整个碳捕集电厂电-碳运行特性的灵活运行方法[16]。两种方式相比，溶液存储型碳捕集电厂在灵活调度期间并不会改变实际CO2的排放，即不影响其减排效果且更符合运行要求，具有更广阔的应用前景。

    如图2 所示，溶液存储型碳捕集电厂在吸收塔与解析塔之间，增加了富液罐和贫液罐，从而改变CO2的实际处理效率。该方式下，碳捕集电厂具有正常处理、加速处理、减速处理三种运行方式。正常处理方式下，富液罐和贫液罐不参与吸附液循环，吸收塔及解析塔按照实际CO2排放速率进行捕集；
    加速处理方式下，富液罐将存储的CO2富液排向解析塔，贫液罐将主动存储解析塔排出的过量CO2贫液，通过提升解析塔工作速率，提高CO2解析处理的效率；
    减速处理与加速处理方式相反，吸收塔产生的部分富液将流向富液罐短时存储，贫液罐将向吸收塔对应补充吸附液，解析塔处理效率下降，因此整体CO2处理效率也相应降低。需要指出的是3 种运行方式下，吸收塔对火电厂尾气的吸收效率并未改变，即不影响整个电厂的实际碳排放，而是改变解析塔中CO2解析以及后续压缩效率。

    图2 溶液存储型碳捕集电厂运行方式

    1.3 灵活调度模型

    碳捕集装置对火电厂而言本质上属于耗电设备，其耗电功率既包括固定部分，也包括与捕集效率相关的部分，可表示为：

    对吸收塔而言，其CO2吸收速率与火电厂碳排放强度及吸收率有关，可表示为：

    对解析塔和压缩塔，其处理效率应与吸收塔吸收效率及溶液存储器交换效率相匹配，可表示为：

    对于富液罐、贫液罐两个溶液存储罐的容量交换速率应满足：保证溶液在其存储能力范围内，且优化时段初始状态的溶液储量相等，以上运行条件可表示为：

    2.1 设计原理

    从上述碳捕集电厂运行特性的分析可知，若碳捕集电厂能够响应电网运行指令，在负荷高峰时段采用减速方式；
    而在低谷时段采用加速方式，则将产生削峰填谷的效果，并有利于促进新能源消纳。

    但由于碳捕集电厂自身运行状态尚未纳入电网统一调度范畴，传统经济调度并不具备激励碳捕集电厂自发调整其运行方式的能力。为此，该文提出将碳捕集电厂净发电功率、碳捕集耗电功率均纳入优化模型的方式。在高峰时段剔除备用容量中的碳捕集耗电功率影响，促使电厂自发降低其碳捕集效率；
    而在低谷时段将碳捕集耗电功率视为需求响应并给予补偿，促使电厂主动加大碳捕集效率。

    需要说明的是，以上高峰、低谷均为考虑新能源发电影响后的等效负荷峰谷区间。而对于高比例新能源接入电网，则必须考虑新能源对传统电力供需的影响。

    2.2 优化目标

    按照上述思路，文中所提出的低碳经济调度模型以购电成本和新能源损失电量最低为优化目标，可表示为：

    2.3 约束条件

    所需要考虑的约束条件主要包括：电力平衡约束、断面运行约束、新能源运行约束、火电机组运行约束与碳捕集特性约束。除了上文所述的碳捕集特性约束外，其他约束条件如下所示：

    以式（12）为优化目标，综合各种约束条件，即可构建考虑碳捕集电厂灵活调度的低碳经济调度模型。该模型的本质是混合整数规划问题，可采用分支定界法或调用Cplex 等商用规划软件包求解得到。

    3.1 基础数据

    为了验证所提方法的有效性，该文在IEEE-30节点系统基础上构造了算例进行仿真计算实验。算例中共有6 处电源，设置为4 处火电厂和2 处新能源电站，总装机为916.1 MW，详细数据如表1 所示。

    表1 电源信息

    选取位于节点8 的火电作为碳捕集电厂，其相关参数如表2 所示。

    表2 碳捕集电厂参数信息

    3.2 数据分析

    根据系统负荷与新能源功率预测结果绘制等效负荷曲线，如图3所示。设置高峰时段为10:00～12:00，低谷时段为3:00～5:00。

    图3 等效负荷曲线

    根据文中所提方法，碳捕集电厂的发电计划，如图4 所示。可以发现高峰时段的碳捕集量低于低谷时段，从而为新能源消纳留出空间。

    图4 碳捕集电厂发电计划

    3.3 对比分析

    为进一步验证所提方法在促进碳捕集电厂主动参与电网优化调度、降低碳排放以及促进新能源消纳方面的效益，将其与无激励措施进行比较，并得出两种方法的运行差异。所谓无激励措施优化方法，本质上是在该文方法的优化模型基础上，不考虑碳捕集电厂在高峰时段减速处理、低谷时段加速处理所带来的削峰填谷补偿。

    从表3 可以看出，所提方法在高峰时段采取减速处理模式，降低自身碳捕集功率，相较无激励措施优化方法，其增加的发电能力最大为5 MW；
    当处于低谷时段时，其通过加速处理增加自身碳捕集功率，因此避免了深度调峰问题。而无激励措施优化方法，则面临最大5 MW 的深度调峰需求。

    表3 运行效益对比

    该文研究了碳捕集电厂灵活调度模式，提出了基于碳捕集电厂灵活调度的低碳经济调度方法。结果显示，通过引入高峰低谷补偿价格信号，激励碳捕集电厂高峰时段减速处理、低谷时段加速处理，可有效提升系统高峰发电及低谷调峰能力。后续还将进一步针对优化补偿机制进行研究设计，进而更有效地促进碳捕集电厂自发参与电网优化调度。

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