陳海鵬，陳晉冬，張 忠，王趁錄，王俊祺，韓 皓，呂鑫升

（1. 東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132012；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力有限公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000；3. 中國(guó)信息通信研究院，北京 100089；4. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林 松原 138000）

0 引言

2021 年，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告，我國(guó)承諾“爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可再生能源將成為未來能源供應(yīng)的主體。然而可再生能源（如風(fēng)能）通常具有較強(qiáng)的不確定性，保留一定比例的化石能源對(duì)于維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要［1］。煤基工業(yè)和燃煤發(fā)電行業(yè)減排二氧化碳是當(dāng)前我國(guó)碳減排的關(guān)鍵［2］，采用碳捕集技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模減排。碳捕集技術(shù)是指收集大型發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳，并用各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中。然而，使用碳捕集設(shè)備在減少燃煤電廠二氧化碳排放的同時(shí)會(huì)降低電廠能量輸出，進(jìn)而導(dǎo)致電廠發(fā)電成本的增加［3］。

以往對(duì)燃燒后碳捕集系統(tǒng)的研究主要為固定運(yùn)行模式，即所有來自發(fā)電設(shè)施的廢氣都被送到碳捕集系統(tǒng)。采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)碳捕集系統(tǒng)中二氧化碳的吸收、解吸和壓縮速率始終保持相等。文獻(xiàn)［4］考慮了虛擬電廠，采用風(fēng)電、光伏和固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠聯(lián)合運(yùn)行方式降低了系統(tǒng)碳排放。文獻(xiàn)［5］將固定運(yùn)行的碳捕集電廠收集的二氧化碳用于電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，將電轉(zhuǎn)氣-碳捕集電廠作為整體系統(tǒng)，提升了碳利用水平。文獻(xiàn)［6］考慮了風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性，建立了風(fēng)電-光熱-碳捕集電廠調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了電力低碳化。采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠可減少系統(tǒng)碳排放量，但捕獲能耗和發(fā)電功率存在耦合關(guān)系，即碳捕集能耗隨著碳捕集電廠發(fā)電功率上升而增加。

帶有溶劑存儲(chǔ)罐燃燒后的碳捕集系統(tǒng)中富溶劑、貧溶劑儲(chǔ)罐能夠儲(chǔ)存溶劑，這樣碳捕集電廠發(fā)電和捕獲可實(shí)現(xiàn)解耦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)捕獲系統(tǒng)的靈活運(yùn)行。靈活的操作模式根據(jù)電力需求的可變性來動(dòng)態(tài)改變電力輸出和捕獲系統(tǒng)能耗以使利潤(rùn)最大化［7］。文獻(xiàn)［8］考慮碳捕集電廠儲(chǔ)液式和分流式相結(jié)合的運(yùn)行模式，分析了儲(chǔ)液式碳捕集電廠運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［9］采用改進(jìn)的碳捕集電廠雙碳量模型，通過虛擬電廠協(xié)調(diào)運(yùn)行使系統(tǒng)更加低碳和經(jīng)濟(jì)。上述文獻(xiàn)雖然考慮了溶劑存儲(chǔ)，但沒有充分考慮碳捕集設(shè)備運(yùn)行能耗帶來的發(fā)電成本損失，并且沒有考慮需求側(cè)資源調(diào)用對(duì)降低系統(tǒng)碳排放、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的作用。

目前對(duì)含碳捕集電廠調(diào)度模型的研究多位于源側(cè)且采用固定運(yùn)行模式，通過碳捕集電廠幫助系統(tǒng)降低碳排放。有關(guān)碳捕集電廠靈活運(yùn)行和負(fù)荷側(cè)資源調(diào)用情況的研究較少。并且碳捕集電廠在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，對(duì)能量損耗造成的損失分析還不充分。綜上，為了減少系統(tǒng)碳排放并降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，本文考慮在火電廠安裝碳捕集設(shè)備配合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行，以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，并考慮了碳捕集設(shè)備運(yùn)行帶來的成本損失，建立了源側(cè)采用靈活捕獲和溶劑存儲(chǔ)運(yùn)行模式的碳捕集電廠、荷側(cè)計(jì)及需求響應(yīng)資源調(diào)用的調(diào)度模型。首先，對(duì)碳捕集電廠捕獲水平靈活運(yùn)行模式和儲(chǔ)液運(yùn)行模式進(jìn)行分析，并對(duì)比了靈活運(yùn)行模式和固定運(yùn)行模式的區(qū)別；其次，闡述了電市場(chǎng)和碳市場(chǎng)的交易機(jī)制和需求響應(yīng)調(diào)用機(jī)制；最后，構(gòu)建了采用靈活運(yùn)行模式的碳捕集電廠并考慮需求響應(yīng)的電力系統(tǒng)調(diào)度模型，通過仿真驗(yàn)證采用本文的調(diào)度模型可以實(shí)現(xiàn)碳排放下降并降低系統(tǒng)總成本。

1 碳捕集電廠運(yùn)行情況分析

為了減少二氧化碳排放，化石燃料發(fā)電廠可以安裝碳捕集設(shè)備。目前捕獲方法主要包括燃燒前捕獲法、富氧燃燒法和燃燒后捕獲法這3 種［10］。其中，燃燒后捕獲法具有原理簡(jiǎn)單、適用性廣等特點(diǎn)，其投資成本較低但碳捕集成本較高。本文考慮的碳捕集電廠采用燃燒后捕獲法。

1.1 碳捕集電廠固定運(yùn)行模式

碳排放總量Qc由相應(yīng)碳捕集電廠的總功率輸出和火電機(jī)組碳排放強(qiáng)度qc決定：

t時(shí)段碳捕集設(shè)備的運(yùn)行能耗可表示為：

式中：γc為捕獲單位二氧化碳所需的能耗；xc為捕獲水平；λt為t時(shí)段的煙氣分流比；Pc，t為碳捕集電廠t時(shí)段總功率輸出。運(yùn)行1 d 的碳排放總量應(yīng)低于某個(gè)閾值，設(shè)置此閾值可以防止火電廠過量排放二氧化碳。碳排放總量與風(fēng)電場(chǎng)和火電廠凈功率輸出之間的平衡通過每日平均碳排放量來表示：

1.2 碳捕集電廠靈活運(yùn)行模式

目前碳捕集電廠普遍面臨碳捕集能耗較高、花費(fèi)較大的問題，為了解決此問題，本文考慮碳捕集電廠的2 種靈活運(yùn)行模式，分別為捕獲水平靈活運(yùn)行模式和溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式。

1.2.1 捕獲水平靈活運(yùn)行模式

捕獲水平靈活運(yùn)行模式是通過在一定時(shí)間間隔根據(jù)當(dāng)時(shí)電網(wǎng)電價(jià)有選擇地降低碳捕集能耗來降低碳捕集成本。碳捕集設(shè)備將一部分富溶劑直接返回洗滌器而不流入氣提塔，這樣可以減少氣提塔處理二氧化碳的能量，增加碳捕集電廠的發(fā)電量，上述過程示意圖見附錄A 圖A1。由于碳捕集設(shè)備需要固定運(yùn)行和維護(hù)，需要設(shè)定一個(gè)最小捕獲值，即捕獲水平不低于40%［12］。

捕獲水平的變化主要遵循24 h期間市場(chǎng)電力成本的變化，在高電力成本時(shí)，捕獲水平降低，而在低電力成本時(shí)，捕獲水平增加。靈活捕獲和固定捕獲方式對(duì)比如圖1所示。

圖1 靈活、固定捕獲方式對(duì)比Fig.1 Comparison of flexible and fixed capture methods

碳捕集能耗成本Fccs用碳捕集設(shè)備的運(yùn)行能耗和運(yùn)行時(shí)段電價(jià)來表示：

式中：μt為t時(shí)段電價(jià)。捕獲水平靈活運(yùn)行模式在新安裝碳捕集設(shè)備的電廠中更有利，因?yàn)闊o需額外投資。捕獲水平降低會(huì)使碳排放總量高于傳統(tǒng)碳捕集電廠，本文考慮采用其他措施來進(jìn)一步降低系統(tǒng)碳排放。

1.2.2 溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式

在溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式中，通過能量時(shí)移可以提高系統(tǒng)靈活性。在高電力需求期間，通過將部分或全部二氧化碳溶劑暫時(shí)儲(chǔ)存在富液罐中，降低能量損失；在低電力需求期間，可以將富液罐中富含二氧化碳的溶液送至氣提塔進(jìn)行處理［13］。t時(shí)段碳捕集電廠處理的二氧化碳量可表示為：

本文考慮的溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式中，儲(chǔ)液罐中的溶液為乙醇胺溶液，二氧化碳可以溶解于乙醇胺溶液中［8］，其計(jì)算表達(dá)式如式（8）所示。

式中：VCAt為t時(shí)段碳捕集電廠儲(chǔ)液罐排出二氧化碳所需溶液體積；MMEA和MCO2分別為乙醇胺和二氧化碳的摩爾質(zhì)量；δ為再生塔解析量；CR為乙醇胺溶液濃度；ρR為乙醇胺溶液密度。

儲(chǔ)液罐中溶液存儲(chǔ)量可由儲(chǔ)液罐排出二氧化碳溶液體積計(jì)算得出，計(jì)算公式可表示為：

式中：Vl，t、Vr，t分別為t時(shí)段貧液罐、富液罐的溶液體積。假設(shè)溶劑存儲(chǔ)和提取過程不同時(shí)進(jìn)行。溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式的實(shí)現(xiàn)通過使用附錄A 圖A2 所示的溶劑存儲(chǔ)罐，使碳捕集能耗發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。

采用溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式存儲(chǔ)的碳捕集電廠在高電力需求期間向電網(wǎng)提供更多電能，儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)二氧化碳，減少捕獲量；在低電力需求期間，碳捕集電廠降低發(fā)電負(fù)荷，儲(chǔ)液罐排出二氧化碳，增加捕獲量。這樣捕獲系統(tǒng)可以相對(duì)獨(dú)立于發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量時(shí)移，提高發(fā)電效率。

1.3 系統(tǒng)棄風(fēng)消納分析

風(fēng)電作為清潔能源，其成本可忽略不計(jì)，充分消納可再生能源可以更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)本文低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。然而風(fēng)電存在反調(diào)峰特性，在夜間負(fù)荷需求較少時(shí)風(fēng)電出力較多，因此會(huì)存在較多棄風(fēng)。采用靈活運(yùn)行的碳捕集電廠可以降低火電機(jī)組最小出力，在一定程度上緩解這部分棄風(fēng)消納。但是由于碳捕集電廠也存在最小出力約束，對(duì)這部分棄風(fēng)的消納并不是十分理想，因此本文考慮通過負(fù)荷側(cè)資源調(diào)用來進(jìn)一步消納棄風(fēng)。

2 電力、碳市場(chǎng)交易機(jī)制

2.1 電交易機(jī)制

傳統(tǒng)的由長(zhǎng)期雙邊合同確定的固定電價(jià)無法體現(xiàn)每日負(fù)荷的波動(dòng)性，本文采用分時(shí)電價(jià)，根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷的波動(dòng)情況確定峰谷平時(shí)段電價(jià)［14］。當(dāng)峰谷時(shí)段電價(jià)差距較大時(shí)，碳捕集電廠采用靈活運(yùn)行方式可以節(jié)約更多成本。

2.2 電價(jià)型需求響應(yīng)

電價(jià)作為影響用戶負(fù)荷使用方式的主要因素，當(dāng)電價(jià)上漲時(shí)負(fù)荷需求呈下降趨勢(shì)。需求響應(yīng)過程是需求側(cè)資源根據(jù)價(jià)格或激勵(lì)等經(jīng)濟(jì)因素作用的過程，根據(jù)不同需求響應(yīng)的特點(diǎn)對(duì)需求響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行描述，是實(shí)現(xiàn)發(fā)用電一體化調(diào)度的基礎(chǔ)。

電價(jià)型需求響應(yīng)基于用戶自愿根據(jù)電價(jià)的高低選擇用電方式，可能會(huì)由于其他因素產(chǎn)生需求響應(yīng)波動(dòng)。在考慮分時(shí)電價(jià)情況下，可以采用彈性系數(shù)［15］表示電價(jià)變化對(duì)負(fù)荷變化的影響，負(fù)荷需求響應(yīng)率的計(jì)算表達(dá)式如式（10）所示。

式中：λΔq，t和λΔc，t分別為t時(shí)段的負(fù)荷需求響應(yīng)率和電價(jià)變化率；ei，j為彈性系數(shù)，其表達(dá)式見式（11）。

式中：Pi為需求響應(yīng)前i時(shí)段負(fù)荷；ΔPi為需求響應(yīng)后i時(shí)段負(fù)荷變化量；μj為需求響應(yīng)前j時(shí)段電價(jià)；Δμj為需求響應(yīng)后j時(shí)段電價(jià)變化量。當(dāng)eij≤0 時(shí)負(fù)荷不發(fā)生轉(zhuǎn)移，當(dāng)eij>0 時(shí)負(fù)荷可以轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段。設(shè)調(diào)度周期為24 h，可將式（10）表示成矩陣形式，如式（12）所示。

2.3 碳交易機(jī)制

碳交易機(jī)制是一種限額交易碳市場(chǎng)的形式，其中政府在各個(gè)行業(yè)分配固定數(shù)量的碳排放許可證，也稱為碳排放信用。由于碳排放量較高而超過其碳排放限額的企業(yè)在碳市場(chǎng)上從碳排放限額過剩的公司購(gòu)買碳排放限額。這種碳交易機(jī)制激勵(lì)企業(yè)減少二氧化碳排放，以最大限度地提高其在碳市場(chǎng)的利潤(rùn)［16］。本文假設(shè)碳交易發(fā)生在1 d 結(jié)束時(shí)且全天的碳價(jià)格π保持不變。碳交易成本Fc可以表示為：

式中：λh為碳排放配額系數(shù)；G為火電機(jī)組總數(shù)；Pgt為t時(shí)段火電機(jī)組g的出力。

碳交易成本表示系統(tǒng)的碳排放在碳市場(chǎng)中的收益或支出，當(dāng)系統(tǒng)碳排放大于碳配額時(shí)，超出部分碳量需要購(gòu)買；當(dāng)系統(tǒng)碳排放小于等于碳配額時(shí)，可向碳市場(chǎng)出售多余碳量。采用碳捕集設(shè)備減少碳排放會(huì)產(chǎn)生較大的捕獲成本，故需考慮碳捕集設(shè)備的高額能耗，本文采用靈活捕獲水平來緩解這些問題。

3 含碳捕集電廠的低碳調(diào)度模型

本文低碳調(diào)度模型通過對(duì)傳統(tǒng)火電廠安裝碳捕集設(shè)備來實(shí)現(xiàn)減排，電源側(cè)由碳捕集電廠、傳統(tǒng)火電廠和風(fēng)電場(chǎng)提供電能，其中碳捕集電廠提供的電能為碳捕集電廠總輸出電能除去碳捕集設(shè)備消耗的電能。負(fù)荷側(cè)通過需求響應(yīng)削峰填谷實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)中引入碳交易成本Fc。同時(shí)考慮碳捕集能耗對(duì)機(jī)組運(yùn)行成本的影響，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如式（14）所示。

式中：fg（·）為火電機(jī)組g的煤耗成本函數(shù)；ugt為t時(shí)段機(jī)組g的啟停計(jì)劃，取值為1 表示啟動(dòng)，取值為0表示停機(jī)；Sgt為t時(shí)段機(jī)組g的開機(jī)費(fèi)用；Fwq為棄風(fēng)懲罰費(fèi)用。

火電機(jī)組煤耗成本函數(shù)fg（·）為機(jī)組出力的二次函數(shù)，其表達(dá)式如式（15）所示。

式中：ag、bg、cg為火電機(jī)組g的燃料費(fèi)用系數(shù)。棄風(fēng)懲罰費(fèi)用Fwq表達(dá)式為：

式中：pwq為棄風(fēng)量；qf為單位棄風(fēng)懲罰費(fèi)用。

3.2 約束條件

火電機(jī)組出力約束為：

火電機(jī)組爬坡約束為：

式中：Rup和Rdn分別為機(jī)組g的上、下爬坡速率。

旋轉(zhuǎn)備用約束為：

式中：Ru，t、Rd，t分別為t時(shí)段系統(tǒng)的上、下旋轉(zhuǎn)備用。

風(fēng)電出力不能超過其預(yù)測(cè)值，風(fēng)機(jī)出力約束為：

式中：pfw，t為t時(shí)段風(fēng)電出力預(yù)測(cè)值。

需求響應(yīng)后，負(fù)荷需求響應(yīng)量的期望值E之和為0。電價(jià)型需求響應(yīng)約束為：

式中：ΔPt為t時(shí)段負(fù)荷需求響應(yīng)量。

假設(shè)每日開始和結(jié)束時(shí)刻儲(chǔ)液罐中體積相等。碳捕集機(jī)組約束為：

3.3 模型求解算法

本文采用改進(jìn)的二元灰狼算法對(duì)所建模型進(jìn)行求解，該算法為受到灰狼捕食獵物活動(dòng)啟發(fā)而開發(fā)的一種優(yōu)化搜索方法，其具有較強(qiáng)的收斂性能、參數(shù)少及易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，己被成功應(yīng)用于車間調(diào)度、參數(shù)優(yōu)化和圖像分類等領(lǐng)域。算法中的狼群由不同種類的狼組成，狼群按照特定的順序分為4 層，以保證狼群的協(xié)調(diào)生活和狩獵?；依撬惴▋?yōu)化過程包含了灰狼的社會(huì)等級(jí)分層、跟蹤、包圍和攻擊獵物等步驟，具體分析見文獻(xiàn)［17］。

機(jī)組組合問題的求解過程中存在較多的二元變量，使用傳統(tǒng)灰狼算法求解存在易陷入局部最優(yōu)和求解速度較慢的問題。本文為了加強(qiáng)算法跳出局部尋優(yōu)的能力，完善動(dòng)態(tài)權(quán)重策略，引入概率擾動(dòng)策略［18］。算法流程圖見附錄A 圖A3，文獻(xiàn)［17-18］證明改進(jìn)的二元灰狼算法可以較好地求解火電機(jī)組組合和電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)設(shè)置

本文采用改進(jìn)的IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在節(jié)點(diǎn)1、2、13 分別接入250 MW 風(fēng)電場(chǎng)，其余節(jié)點(diǎn)發(fā)電廠為火電廠，引入碳捕集電廠時(shí)，將容量最大的火電廠改造成碳捕集電廠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附錄A 圖A4。設(shè)調(diào)度周期為24 h，火電機(jī)組參數(shù)見附錄A 表A1，模型中其余參數(shù)設(shè)置見附錄A 表A2。風(fēng)電場(chǎng)的出力預(yù)測(cè)值及負(fù)荷、電價(jià)預(yù)測(cè)值見附錄A 圖A5。為了充分驗(yàn)證所提模型在降低系統(tǒng)總成本、減少碳排放方面的優(yōu)越性，本文設(shè)置以下4 種模式進(jìn)行對(duì)比分析：模式1，不考慮碳捕集電廠和需求響應(yīng)；模式2，僅考慮需求響應(yīng)；模式3，采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠；模式4，采用捕獲水平和溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式的碳捕集電廠，并考慮電價(jià)型需求響應(yīng)。

4.2 運(yùn)行成本對(duì)比

4種運(yùn)行模式成本對(duì)比情況如表1所示，其中，模式1—4對(duì)應(yīng)的總成本分別為$237545.9、225315.0、203 570.4、176 991.1，棄風(fēng)量分別為832.79、729.00、773.84、560.31 MW。通過對(duì)比4 種運(yùn)行模式的成本可以得出，模式1 不考慮碳捕集電廠和需求響應(yīng)，碳排放量為8 379.5 t，碳排放量超過懲罰限值，需要在碳交易市場(chǎng)購(gòu)買碳額度，并繳納懲罰費(fèi)用，故模式1總成本最高；模式2僅考慮需求響應(yīng)，考慮需求響應(yīng)可以降低火電機(jī)組出力，并能大幅減少火電機(jī)組啟停，碳排放較不考慮需求響應(yīng)也小幅下降，對(duì)比模式1和模式2 可以發(fā)現(xiàn)，考慮需求響應(yīng)使棄風(fēng)量降低了103.79 MW，考慮碳捕集電廠使棄風(fēng)量降低了58.95 MW，這說明需求響應(yīng)降低棄風(fēng)效果更好；模式3 考慮固定運(yùn)行方式碳捕集電廠后，碳排放較模式1 下降了51.3%，由于考慮碳交易市場(chǎng)，總成本較模式1下降了14.3%；模式4 考慮源荷協(xié)調(diào)靈活運(yùn)行，系統(tǒng)總成本較模式3 下降了13.06%，捕獲能耗成本降低5.37%，火電機(jī)組啟停成本在4 種情況中最低，這說明采用靈活運(yùn)行方式優(yōu)化火電機(jī)組運(yùn)行效果最好，模式4碳排放量較模式3下降392.1 t，棄風(fēng)量減少了213.53 MW。綜上，采用模式4的運(yùn)行方式在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和降低碳排放方面具有優(yōu)勢(shì)。

表1 4種運(yùn)行模式成本對(duì)比Table 1 Cost comparison among four operation modes

4.3 調(diào)度情況分析

圖2 為模式3 和模式4 碳捕集能耗的對(duì)比情況。由圖可知，模式3 采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠，二氧化碳捕獲情況和機(jī)組出力相關(guān)，無法擺脫發(fā)電和碳捕集設(shè)備出力的限制。模式4 中電廠考慮了捕獲水平和溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式，使碳捕集設(shè)備出力調(diào)節(jié)范圍變得更大，碳捕集設(shè)備運(yùn)行更加靈活。

圖2 模式3、模式4碳捕集能耗對(duì)比Fig.2 Comparison of carbon capture energy consumption between Mode 3 and Mode 4

圖3 為模式4 中儲(chǔ)液罐的工作情況。綜合分析圖2、3 可知，在時(shí)段1—3，火電機(jī)組出力需求較小，此時(shí)電價(jià)較低，采用捕獲水平和溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式的碳捕集電廠將捕獲水平維持在較高值，儲(chǔ)液罐會(huì)排出含有二氧化碳的富溶劑，使二氧化碳捕獲量增加。在時(shí)段10—12，負(fù)荷為高峰時(shí)期，火電機(jī)組出力需求較高，此時(shí)碳捕集電廠降低捕獲水平，儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)一部分火電機(jī)組發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳在富液罐中，使碳捕集能耗降低。時(shí)段13 為負(fù)荷低谷時(shí)期，此時(shí)靈活捕獲使捕獲水平提高并且儲(chǔ)液罐排出富溶劑進(jìn)一步增加二氧化碳捕獲量。在時(shí)段18—21，負(fù)荷需求增加，但此時(shí)風(fēng)電出力較大，火電機(jī)組無需提供大量電能，儲(chǔ)液罐傾向于增加捕獲力度。綜上，通過靈活捕獲和溶劑存儲(chǔ)相結(jié)合的方式可以使碳捕集電廠的碳捕集能耗和發(fā)電能耗實(shí)現(xiàn)解耦，并且可以增強(qiáng)碳捕集設(shè)備的捕獲能力。

圖3 模式4下儲(chǔ)液罐工作情況Fig.3 Working condition of liquid storage tank under Mode 4

圖4 為靈活捕獲水平變化情況，由圖可知在時(shí)段9—14 及時(shí)段20、21 電價(jià)和捕獲水平均保持在最高狀態(tài)，時(shí)段1—4 及時(shí)段24 電價(jià)和捕獲水平降為最小值。通過觀察圖3、4 可知，捕獲水平靈活運(yùn)行模式和溶劑存儲(chǔ)靈活運(yùn)行模式相互配合，在儲(chǔ)液罐排出二氧化碳溶劑時(shí)捕集水平保持較高狀態(tài)，儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)二氧化碳溶劑時(shí)捕獲水平下降，這樣增加了碳捕集設(shè)備的靈活運(yùn)行能力，證明了碳捕集電廠采用靈活捕獲配合溶劑存儲(chǔ)方案的合理性。不同運(yùn)行模式下火電機(jī)組1 凈出力情況見附錄B 圖B1，由圖可知采用碳捕集設(shè)備后火電廠的出力下限變得更低（常規(guī)機(jī)組為150 MW），這說明夜間風(fēng)電出力較高時(shí)，碳捕集火電廠可以更好地與風(fēng)電資源配合，滿足負(fù)荷需求響應(yīng)。通過模式2 曲線可以看出需求響應(yīng)削峰填谷能使火電廠出力更加平穩(wěn)。

圖4 捕獲水平變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of capture level change

4.4 需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移情況分析

考慮需求響應(yīng)時(shí)需求側(cè)資源轉(zhuǎn)移情況如附錄B圖B2 所示，圖中凈負(fù)荷為負(fù)荷與風(fēng)電出力差值，通過凈負(fù)荷可以更好地對(duì)風(fēng)電受阻情況和火電機(jī)組出力進(jìn)行分析。在時(shí)段1—4，負(fù)荷需求低，凈負(fù)荷出現(xiàn)負(fù)值，會(huì)使風(fēng)電消納困難，考慮需求響應(yīng)后，負(fù)荷在凈負(fù)荷較低的時(shí)段轉(zhuǎn)入，在凈負(fù)荷較高的時(shí)段轉(zhuǎn)出，可以利用更多的風(fēng)電資源。

4 種模式的棄風(fēng)情況如附錄B 圖B3 所示。采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠可以使機(jī)組最小凈出力下降，減少系統(tǒng)棄風(fēng)?？紤]靈活運(yùn)行模式后，在風(fēng)電受阻時(shí)段儲(chǔ)液罐排出含有二氧化碳的富溶劑增大碳捕集設(shè)備出力，可以使碳捕集設(shè)備出力增加更多，使更多的風(fēng)電資源得到利用；考慮需求響應(yīng)后，在時(shí)段1—4 負(fù)荷大量轉(zhuǎn)入，給風(fēng)電提供更多的上網(wǎng)空間。綜上，碳捕集電廠靈活運(yùn)行方式并考慮需求響應(yīng)可以有效緩解夜間棄風(fēng)過高現(xiàn)象。

本文需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移率為5%，實(shí)際情況中需求響應(yīng)的轉(zhuǎn)移率會(huì)發(fā)生變化，附錄B 圖B4 分析了需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移率變化對(duì)系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響。由圖可知，隨著需求響應(yīng)轉(zhuǎn)移率的增加系統(tǒng)碳排放降低。附錄B 圖B5 分析了轉(zhuǎn)移率不同時(shí)碳捕集電廠凈輸出。由圖可知，當(dāng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移率提高時(shí)，碳捕集電廠處于出力峰值時(shí)段的情況明顯少于低轉(zhuǎn)移率時(shí)，這是因?yàn)橥ㄟ^負(fù)荷轉(zhuǎn)移可以將高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)出使碳捕集電廠發(fā)電出力降低，為碳捕集設(shè)備運(yùn)行提供更多的出力空間，這證明了需求響應(yīng)可以有效提高碳捕集電廠運(yùn)行能力，降低系統(tǒng)的碳排放量。

4.5 儲(chǔ)液罐容量分析

利用儲(chǔ)液罐可以實(shí)現(xiàn)捕獲能量時(shí)移，時(shí)移量與儲(chǔ)液罐容量相關(guān)，采用容量較大的儲(chǔ)液罐時(shí)碳捕集能量時(shí)移效果更好，但會(huì)帶來高額的經(jīng)濟(jì)成本。附錄B 圖B6 分析了不同儲(chǔ)液罐容量對(duì)系統(tǒng)總成本和碳排放量的影響。由圖可知，當(dāng)儲(chǔ)液罐容量由3650 m3增加至18250 m3時(shí)，系統(tǒng)碳排放量共下降7%，系統(tǒng)總成本下降了3.2%。系統(tǒng)碳排放降低是因?yàn)樵黾觾?chǔ)液罐容量可以增加碳捕集電廠的發(fā)電需求較低時(shí)的二氧化碳捕獲量?？偝杀鞠陆凳且?yàn)橄到y(tǒng)減少碳排放帶來的收益高于儲(chǔ)液罐容量增加帶來的成本。當(dāng)儲(chǔ)液罐容量由18250 m3增加至25500 m3時(shí)，系統(tǒng)碳排放量下降了3.6%，系統(tǒng)總成本上升了0.5%。當(dāng)儲(chǔ)液罐容量超過25 500 m3時(shí)，系統(tǒng)碳捕集量已接近飽和，儲(chǔ)液罐容量增加帶來的花費(fèi)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)減少碳排放量帶來的收益，因此可以選擇25500 m3作為儲(chǔ)液罐的最佳容量。

4.6 模型普適性驗(yàn)證

由于風(fēng)力發(fā)電的不確定性和相關(guān)性，有必要考慮不同時(shí)刻風(fēng)電出力分布函數(shù)的差異性。本文運(yùn)用Copula 函數(shù)建立多風(fēng)電場(chǎng)時(shí)序聯(lián)合出力模型，對(duì)模型進(jìn)行概率抽樣并拼接生成大量初始場(chǎng)景集，采用K-means 聚類算法進(jìn)行場(chǎng)景縮減生成附錄B 圖B7 所示的風(fēng)電時(shí)序聯(lián)合出力4 個(gè)典型場(chǎng)景［19］。然后使用這4 個(gè)典型場(chǎng)景分別進(jìn)行低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)算，算例分析結(jié)果如附錄B 表B1—B4 所示。通過算例分析可知，不同場(chǎng)景下采用模式4 的運(yùn)行方式在提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和降低碳排放方面均具有優(yōu)勢(shì)，證明了本文調(diào)度模型具有普適性。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了含2 種運(yùn)行模式的碳捕集電廠并計(jì)及需求響應(yīng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，證明了該模型在降低碳排放、減少系統(tǒng)總成本方面的有效性，具體結(jié)論如下。

1）考慮靈活運(yùn)行模式的碳捕集電廠可以使系統(tǒng)總成本較固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠降低了13.06%。碳排放量較采用固定運(yùn)行模式的碳捕集電廠碳排放量降低了392.1 t。這證明了采用靈活運(yùn)行模式的碳捕集電廠在保證低碳的同時(shí)降低了系統(tǒng)總成本。

2）通過靈活捕獲運(yùn)行模式可使捕獲水平下降并減少捕獲能耗，通過溶劑存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)捕獲能耗時(shí)移，2種模式相互配合可增強(qiáng)碳捕集設(shè)備的捕獲能力。

3）通過采用電價(jià)型需求響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷，緩解風(fēng)電消納受阻現(xiàn)象，提高可再生能源利用率。通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移使碳捕集電廠在負(fù)荷高峰時(shí)段減輕發(fā)電壓力，為碳捕集設(shè)備留出更多運(yùn)行空間，從而實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)碳排放。

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