余莎,何光層,劉志堅(jiān),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(wèn)題日趨嚴(yán)重的背景下,“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出對(duì)我國(guó)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(biāo)的落實(shí)責(zé)無(wú)旁貸。電-氣綜合能源系統(tǒng)以供需互動(dòng)、綜合能源利用率高[2-3]且運(yùn)行高效的特點(diǎn)在全世界尤其是國(guó)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(lái)能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向,更應(yīng)該明確在多能耦合形勢(shì)下系統(tǒng)能源低污染、高能效的發(fā)展目標(biāo)[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(xiàn)[9-10]分析了低碳電力的發(fā)展過(guò)程中碳捕集的重要地位,表明對(duì)于當(dāng)前低碳電力的可持續(xù)發(fā)展離不開(kāi)碳捕集這一關(guān)鍵性的低碳技術(shù);文獻(xiàn)[11]綜合考慮儲(chǔ)液式、分流式2種碳捕集電廠的運(yùn)行方式,驗(yàn)證綜合運(yùn)行模式下系統(tǒng)的調(diào)峰作用以及所提模型的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性;文獻(xiàn)[12]構(gòu)建含碳捕集熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的虛擬電廠,并聚合風(fēng)電及電轉(zhuǎn)氣裝置,實(shí)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(xiàn)[13]采用碳排放流模型對(duì)碳排放進(jìn)行跟蹤和計(jì)算,提出一種基于雙邊貿(mào)易機(jī)制和主動(dòng)需求側(cè)管理的兩階段低碳運(yùn)營(yíng)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(shí),系統(tǒng)的棄風(fēng)問(wèn)題也日益嚴(yán)重[14]。為保證新能源能夠盡可能全額消納,文獻(xiàn)[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(dòng),將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與微網(wǎng)結(jié)合,在風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性;文獻(xiàn)[16]提出一種削峰填谷模型,驗(yàn)證電轉(zhuǎn)氣在消納新能源、平滑凈負(fù)荷曲線方面的作用;文獻(xiàn)[17]通過(guò)設(shè)定不同的仿真場(chǎng)景驗(yàn)證了電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消納風(fēng)電的能力;文獻(xiàn)[18]對(duì)電轉(zhuǎn)氣設(shè)備采取碳交易激勵(lì)機(jī)制,采用改進(jìn)的逐次線性化方法對(duì)模型作線性化處理,驗(yàn)證所提機(jī)制對(duì)提高電轉(zhuǎn)氣運(yùn)行性能、消納風(fēng)電的積極作用。
以上文獻(xiàn)雖在“雙碳”背景下對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化和經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究,但對(duì)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(yùn)行以及二者聯(lián)合消納風(fēng)電的機(jī)制鮮有研究。基于此,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(jì)調(diào)度模型,針對(duì)碳捕集和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備,提出一種計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行模式。首先對(duì)含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論研究,其次在聯(lián)合運(yùn)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(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立優(yōu)化調(diào)度模型,最后通過(guò)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證所提模型的可行性。
1.1.1 碳捕集電廠模型
圖1為碳捕集電廠的能量流動(dòng)框圖。常規(guī)火電機(jī)組加裝碳捕集系統(tǒng)后即為碳捕集機(jī)組。在碳捕集電廠的能量流動(dòng)過(guò)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(guò)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(yùn)行的能量后,碳捕集電廠最終對(duì)外輸出的電能[19]。碳捕集系統(tǒng)消耗的捕集能量由機(jī)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(dòng)框圖
結(jié)合圖1所示碳捕集電廠的能量流動(dòng)框圖,碳捕集電廠運(yùn)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(shí)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(chǔ)碳設(shè)備、儲(chǔ)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(guò)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(jì)性與環(huán)保性。下面對(duì)本文所提出的計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行模式進(jìn)行建模研究。
圖2 含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)
單純的碳捕集系統(tǒng)與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進(jìn)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(shí)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(gè)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(fèi)。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(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)、燃料電池、氫氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電或許能帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益?;诖?,本文提出一種計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)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(gòu)買(mǎi)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(bǔ)償碳捕集系統(tǒng)因運(yùn)行產(chǎn)生的運(yùn)行能耗,進(jìn)而提高碳捕集電廠的凈輸出功率。
圖3 計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行模式
在計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行模式下,儲(chǔ)氫設(shè)備、儲(chǔ)碳設(shè)備、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、氫氣燃?xì)廨啓C(jī)以及碳捕集電廠中的碳捕集系統(tǒng)模型分別列寫(xiě)如下。
a)儲(chǔ)氫設(shè)備模型為:
(5)
另外,甲烷化反應(yīng)和氫氣燃?xì)廨啓C(jī)所需的氫氣均來(lái)自?xún)?chǔ)氫設(shè)備,故氫氣流量應(yīng)滿足以下約束:
(6)
b)儲(chǔ)碳設(shè)備模型可類(lèi)比于儲(chǔ)氫設(shè)備,儲(chǔ)碳設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中任一時(shí)刻的儲(chǔ)碳量
(7)
相應(yīng)的儲(chǔ)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(gè)調(diào)度周期內(nèi)初始、結(jié)束時(shí)的CO2容量約束如下:
(8)
儲(chǔ)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(shí),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(yùn)行能耗
(14)
本文所提含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以系統(tǒng)運(yùn)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(biāo)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。
含碳捕集的電-氣綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度以在聯(lián)合運(yùn)行模式下的綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo),目標(biāo)函數(shù)為minF,
F=FO+FC+FW.
(15)
式中:FO為系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行成本FO包括化石燃料機(jī)組運(yùn)行成本FG、天然氣源的產(chǎn)氣成本FNω、天然氣儲(chǔ)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(jī)組排放CO2的碳稅成本FCT、CO2的傳輸存儲(chǔ)成本FTS、碳捕集機(jī)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(wèn)題,可引入棄風(fēng)懲罰費(fèi)用系數(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理:
(18)
式中:NW為風(fēng)電場(chǎng)數(shù);P′w,t為風(fēng)電場(chǎng)w在t時(shí)刻的出力預(yù)測(cè)值;Pw,t為風(fēng)電場(chǎng)w在t時(shí)刻的實(shí)際出力值;Cw為棄風(fēng)懲罰費(fèi)用系數(shù)。
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(yùn)行模式中儲(chǔ)碳、儲(chǔ)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(duì)其功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束分別作如下改寫(xiě):
(19)
(20)
其余約束見(jiàn)第1章詳細(xì)建模。
在如圖4所示的6母線電網(wǎng)和7節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)上對(duì)本文所提模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,該模型各部分結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)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(tái)上采用Yalmip建模工具包進(jìn)行編程求解,計(jì)算機(jī)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(diǎn)電力系統(tǒng)和7節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)
基于以上的網(wǎng)絡(luò)模型,設(shè)定以下3種仿真場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比仿真分析:
場(chǎng)景1,典型綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度(基準(zhǔn)場(chǎng)景,電、氣兩網(wǎng)由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備連接);
場(chǎng)景2,含碳捕集系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度;
場(chǎng)景3,計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行模式下綜合能源系統(tǒng)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度。
為了驗(yàn)證模型的正確性,系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)定如下:電力負(fù)荷、天然氣負(fù)荷及風(fēng)電出力預(yù)測(cè)曲線如圖5所示,電力系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)與matpower6節(jié)點(diǎn)相同,天然氣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[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(fù)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(jī)組裝機(jī)容量的0.5%;碳稅價(jià)格取值20美元/t,傳輸存儲(chǔ)CO2的價(jià)格取值5美元/t,從空氣中捕獲CO2所需的價(jià)格成本取值200美元/t。以1 h為時(shí)間間隔對(duì)1 d(24 h)的電-氣綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。
圖5 電力負(fù)荷、天然氣負(fù)荷及風(fēng)電預(yù)測(cè)值曲線
本文分別對(duì)3種場(chǎng)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(biāo)優(yōu)化等方面的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)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(chǎng)景下風(fēng)電消納對(duì)比如圖6所示。由圖6可知,場(chǎng)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(shí)段出現(xiàn)大量棄風(fēng),從而使系統(tǒng)的懲罰成本增加。在場(chǎng)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(yùn)行能耗由其處理的CO2量決定,故3—6時(shí)段仍有少量棄風(fēng)。在場(chǎng)景3中,加入儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫單元,能夠提高碳捕集系統(tǒng)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的靈活運(yùn)行能力,調(diào)度周期內(nèi)可基本實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的全消納。
圖6 3種場(chǎng)景下的風(fēng)電消納對(duì)比
3.3.2 碳捕集機(jī)組運(yùn)行情況分析
3種場(chǎng)景下機(jī)組G5出力對(duì)比如圖7所示。由圖7可知,場(chǎng)景2中,由機(jī)組本身提供碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行所需的捕集能量,故機(jī)組G5在場(chǎng)景2的凈輸出低于場(chǎng)景1,給風(fēng)電上網(wǎng)提供了更大的利用空間。在場(chǎng)景3聯(lián)合運(yùn)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(yùn)行能耗,從而使機(jī)組G5的凈輸出功率總體高于場(chǎng)景2。另外,回收的熱能未能全補(bǔ)償碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行能耗,機(jī)組自身仍需提供一部分能耗,故機(jī)組G5在場(chǎng)景3的凈輸出總體上仍低于場(chǎng)景1。
圖7 3種場(chǎng)景下的機(jī)組G5出力對(duì)比
3.3.3 電轉(zhuǎn)氣設(shè)備結(jié)合儲(chǔ)氫設(shè)備的運(yùn)行情況及分析
3種場(chǎng)景下電轉(zhuǎn)氣輸入功率對(duì)比如圖8所示。與場(chǎng)景1相比,場(chǎng)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(duì)較少。同時(shí),由于場(chǎng)景3加入儲(chǔ)氫設(shè)備,實(shí)現(xiàn)電轉(zhuǎn)天然氣和電轉(zhuǎn)氫氣2個(gè)過(guò)程的解耦,電解反應(yīng)利用富余電能電解制氫,可基本實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的全消納,故場(chǎng)景3相較于場(chǎng)景2電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的輸入功率總體較高。
圖8 3種場(chǎng)景下的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備輸入功率對(duì)比
3種場(chǎng)景下電轉(zhuǎn)氣設(shè)備合成甲烷產(chǎn)量對(duì)比如圖9所示。場(chǎng)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(chǎng)景3,發(fā)生甲烷化反應(yīng)合成甲烷的同時(shí)還伴隨著放熱過(guò)程,圖10所示為9—13、19—22時(shí)段甲烷化反應(yīng)釋放的熱量,全時(shí)段釋放的總熱量73.66 MW將被碳捕集機(jī)組G5全部回收,用于補(bǔ)償捕集CO2產(chǎn)生的運(yùn)行能耗。
圖9 3種場(chǎng)景下的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備合成甲烷產(chǎn)量對(duì)比
圖10 場(chǎng)景3下的機(jī)組G5碳捕集回收熱能
綜上分析表明,系統(tǒng)中加入儲(chǔ)氫設(shè)備能夠使電轉(zhuǎn)氣設(shè)備更加靈活運(yùn)行,進(jìn)而使電、氣兩網(wǎng)間的能量流能夠更加靈活地進(jìn)行耦合。
3.3.4 目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果及分析
一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)不同場(chǎng)景下CO2相關(guān)成本對(duì)比見(jiàn)表2。結(jié)合圖11不同場(chǎng)景下CO2排放量及CO2捕集量可知,場(chǎng)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(jī)組G5能夠捕集的CO2量比場(chǎng)景2中多38.3 m3,因此場(chǎng)景3中的CO2傳輸存儲(chǔ)成本高于場(chǎng)景2。場(chǎng)景1中甲烷化反應(yīng)所需CO2均從空氣中捕集,而場(chǎng)景3中甲烷化反應(yīng)所需的CO2均能由儲(chǔ)碳設(shè)備提供,故從空氣捕集CO2成本場(chǎng)景1最高,場(chǎng)景3成本為0。
表2 3種場(chǎng)景下的CO2相關(guān)成本對(duì)比
圖11 3種場(chǎng)景下的CO2排放量及機(jī)組G5的CO2捕集量
一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)3種場(chǎng)景下系統(tǒng)各項(xiàng)成本及綜合成本見(jiàn)表3。由表3可知,場(chǎng)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(chǎng)景1。場(chǎng)景3中無(wú)論是系統(tǒng)綜合成本,還是系統(tǒng)運(yùn)行成本、CO2相關(guān)成本、棄風(fēng)懲罰成本,均為3種場(chǎng)景下的最優(yōu)值。因此,本文所提計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)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(jì)性和環(huán)保性。
表3 3種場(chǎng)景下的系統(tǒng)綜合成本對(duì)比
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(shì),提出一種計(jì)及儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)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(jì)調(diào)度模型。聯(lián)合運(yùn)行模式下,系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的全額消納。儲(chǔ)碳、儲(chǔ)氫設(shè)備的加入提高了碳捕集系統(tǒng)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備運(yùn)行的靈活性,實(shí)現(xiàn)碳循環(huán),優(yōu)化能量流,使得系統(tǒng)綜合運(yùn)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(duì)系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地運(yùn)行具有重要意義。