李朝瑞，張愛民，鄧奕星，聞岳龍

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 襄陽供電公司，湖北 襄陽 441100； 2.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

保護環(huán)境，減少二氧化碳的排放，尋找降能減排的清潔型能源，是現(xiàn)代社會面臨的巨大挑戰(zhàn)，電力行業(yè)更是要以節(jié)能減排為己任，改進節(jié)能設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急[1-2]。風(fēng)力發(fā)電以零污染、低成本、技術(shù)可靠的優(yōu)勢，脫穎而出。但風(fēng)力發(fā)電波動很大，有間歇性和強波動性，需要用火電機組進行配合。普通火電機組成本高且配合能力較弱，采用碳采集技術(shù)，可以很好地解決碳排放量問題，成為風(fēng)電機組最合適的匹配方案[3]。在分析儲液式碳采集機組的過程中發(fā)現(xiàn)，儲液式采集機組可以迅速地隨風(fēng)力變化而做出適應(yīng)調(diào)整[4-6]，將再生塔與吸收塔的二氧化碳的量分開處置[7]，建立雙碳量模型，提高了碳采集質(zhì)量。為此，本文研究雙碳量約束下智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能選擇規(guī)劃方法，通過聯(lián)合智能電網(wǎng)實行的日前—實時雙階段的經(jīng)濟型規(guī)劃調(diào)度。在日前調(diào)度的基礎(chǔ)上，研究不同運行模式和不同儲能電池裝置的實時優(yōu)化方案，通過模擬不同的實驗情景，驗證了雙碳量模型的合理性，以及雙階段聯(lián)合運行模式的經(jīng)濟適用性。

1 雙碳量約束下多目標(biāo)分層節(jié)能選擇規(guī)劃

普通的單碳量模型，再生塔、吸收塔的CO2值都被捕集系統(tǒng)處置。應(yīng)安裝溶液存儲器使吸收和再生分離開來，要分開表示的原因是在表示CO2數(shù)量值時安裝前后的數(shù)值不一樣。所以，雙碳量模型在表示時，要先區(qū)分再生塔和吸收塔處置的CO2的量，再建立如下模型：

POPt=wcE2t

(1)

式中，E2t為再生塔正在處理的CO2的量；POPt為運行能耗，且E2t與POPt呈正比關(guān)系。

吸收塔處置的CO2量在無富液存儲器狀態(tài)下，是E1t=λteGPGt，且滿足關(guān)系式E2t=acE1t；有富氧液時此關(guān)系式不成立。PGt為等效發(fā)電出力，λt為捕集系統(tǒng)煙氣分流比，eG為等效發(fā)電的單位處理量，ac為CO2量捕集率。

用關(guān)系式(2)來描述CO2產(chǎn)量EGt、CO2量捕集量ECt、CO2量捕集凈排放量ENt之間的關(guān)系：

ENt=EGt-ECt

(2)

用關(guān)系式(3)來描述貧液存儲器儲量VLt、富液存儲器儲量VRt之間的關(guān)系：

(3)

式中，vL，in，t、vL，out，t分別為t時段流進和流出貧液；vR，in，t、vR，out，t分別為富液存儲器流量，且用式(4)描述它們之間的關(guān)系：

(4)

通過上述方式表達智能電網(wǎng)儲液式碳采集設(shè)備的采集方式，能夠大大提高該設(shè)備的采集質(zhì)量。在該模型的約束下，進行智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能規(guī)劃。

2 智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能規(guī)劃方法

為了高效捕捉電網(wǎng)設(shè)備中風(fēng)電出力的差異，本文用了兩個方向來實現(xiàn)，分別是日前調(diào)度和實時調(diào)度，協(xié)調(diào)優(yōu)化碳采集機組以及風(fēng)電機組。日前調(diào)度方案中用風(fēng)電預(yù)測功率和傳遞信息實數(shù)得出上網(wǎng)總功率，將其作為日前申報出力；實時調(diào)度中，智能電網(wǎng)碳采集機組的凈出力情況依賴于風(fēng)電的實際出力[8-9]，同時為了得到智能電網(wǎng)下次實時調(diào)度值，需要依據(jù)儲能電池均勻?qū)嶋H出力與申報出力誤差。

2.1 碳交易成本建模

通過式(5)描述電網(wǎng)碳交易成本，該成本是通過清潔發(fā)展機制(Clean Development Mechanism，CDM)形成。

(5)

式中，KCDM為交易價格；ΔFi，t為t時段電源i降排后CO2釋放量。

排放貿(mào)易(Emission Trading，ET)產(chǎn)生的交易成本和罰金是普通電網(wǎng)設(shè)備碳交易成本組成部分[10]。若電網(wǎng)設(shè)備排碳量未超額，則可將未超額部分出讓，此時用式(6)表示碳交易成本：

(6)

式中，KET、FMi，t分別為ET交易價格和t時段電網(wǎng)機組i的碳排放額度。

若電網(wǎng)碳排放量超額，式(6)用于描述購買碳排放權(quán)的碳交易成本[11]，則不購買碳排放權(quán)的碳交易成本為：

IC=KFa(Fi，t-FMi，t)

(7)

其中，KFa為超排后的單位罰金。

碳交易成本按購買和不購買碳排放權(quán)分類，分別用式(8)、式(9)表示：

IC=KET(Fi，t-FMi，t) -KCDMΔFi，t

3）整合市政資源，科學(xué)利用土地面積，重視城鄉(xiāng)規(guī)劃工作的有序性，確?；A(chǔ)設(shè)備、生態(tài)區(qū)域占地面積以及布局的合理性；

(8)

IC=KFa(Fi，t-FMi，t) -KCDMΔFi，t

(9)

2.2 日前調(diào)度模型

智能電網(wǎng)的最大凈收益是售電收入中除去碳采集機組燃料交易成本IF和碳交易成本IC，將它看作日前調(diào)度目標(biāo)函數(shù)可用下式表示：

(10)

(11)

式中，kpt為t時段電價；a、b、c分別為燃料成本系數(shù)；PGNt、PWNt分別為碳捕集機組凈發(fā)電出力、部分輸入電網(wǎng)的風(fēng)電功率。

碳采集機組等效發(fā)電出力約束條件：

(12)

式中，PminG為發(fā)電出力的最低值。

碳采集系統(tǒng)煙氣分流比約束條件：

0≤λt≤1

(13)

碳采集系統(tǒng)運行能耗約束條件：

(14)

式中，POPt為運行能耗；PWCt為供給捕集系統(tǒng)的部分風(fēng)電功率。

溶液儲存器儲量約束條件：

(15)

為了使次調(diào)度日更好地運行，調(diào)度日的開始和結(jié)束都要確保溶液存儲器的容量一樣[12]?？捎檬?16)表示：

(16)

碳采集機組爬坡速率約束：

|PGt-PG，t-2|≤ΔPG

(17)

|PCGt+PWCt-PGC，t-1-PWC，t-1|≤ΔPC

(18)

(19)

2.3 實時調(diào)度模型

實時調(diào)度聯(lián)合儲能電池對碳采集機組隨風(fēng)電變化來均衡電網(wǎng)出力差異[13-14]。智能電網(wǎng)設(shè)備的凈收益，是在售電收入中除去機組燃料成本、碳價成本、懲罰成本，實時調(diào)度的最終目標(biāo)就是使凈收益值最大。

2.4 多目標(biāo)分層節(jié)能規(guī)劃流程

綜上所述得到智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能選擇規(guī)劃流程(圖1)。智能電網(wǎng)控制中心根據(jù)長期氣象數(shù)據(jù)測出次日風(fēng)力，提交相應(yīng)的出力申報方案，電網(wǎng)調(diào)度中心確認(rèn)方案是否可行，若可行，則處理方案，安排各機組出力；若不可行，控制中心對出力方案進行修正[15]。

圖1 智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能規(guī)劃流程Fig.1 Multi objective hierarchical energy saving planning flow chart of smart grid

3 實驗分析

為驗證本文雙碳量約束下智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能選擇規(guī)劃方法應(yīng)用效果，模擬聯(lián)合(火電+風(fēng)電)和獨立(火電)2種智能電網(wǎng)運行模式，且各運行模式含4種情景，各情景均采用單碳量和雙碳量2種模型進行規(guī)劃：4種情景分別是日前、實時A、實時B、實時C；這些情景的區(qū)別在于是否安裝電池以及安裝電池的數(shù)量，其中前2個情景都不安裝電池，后2個場景安裝電池的組數(shù)分別是1組和2組。為了測試本文規(guī)劃方法采用雙碳量模型比單碳量模型更具有競爭力，分別統(tǒng)計2種模型規(guī)劃下的智能電網(wǎng)收益成本(表1)。

表1 單、雙碳雙階段電網(wǎng)成本收益比較Tab.1 Cost benefit comparison of single and dual carbon dual phase power grid 萬元

表1數(shù)據(jù)顯示，單碳和雙碳2種模型在對應(yīng)的4個情景中，雖然雙碳模型的售電收入比單碳的售電收入低，但碳收益比單碳模型高30萬元左右，而燃料成本、懲罰成本也都比單碳模型低一些，碳的排放量更是比單碳模型低近一半。在雙碳模型中，實時B和實時C兩種情景中，各個數(shù)據(jù)基本一致，但情景B只用了一組儲能電池，說明雙碳模型中情景B需要的儲能電池更少。而在單碳模型中，需要加入2組儲能電池才能使懲罰成本為0。綜合分析，本文規(guī)劃方法采用的雙碳模型更具有高收益低排放的優(yōu)勢，在選擇規(guī)劃智能電網(wǎng)的方法時，雙碳模型更具有經(jīng)濟性。

分別統(tǒng)計分析聯(lián)合運行模式以及獨立運行模式的成本收益情況，如圖2和圖3所示，進而驗證本文規(guī)劃方法選擇聯(lián)合運行模式比獨立運行模式更具有收益合理性。圖2數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)合運行的模式下，實時B、實時C中收益成本數(shù)據(jù)基本一致，懲罰成本為0，說明聯(lián)合運行模式下，只要一組儲能電池即可。圖3中，比較實時A、實時B、實時C三種情景，說明在獨立運行模式下，需要兩組儲能電池才能使懲罰成本為0。

綜上所述，本文規(guī)劃方法規(guī)劃智能電網(wǎng)時，選擇聯(lián)合運行模式更有提高收益的價值。

分別統(tǒng)計了隨著CDM、ET兩種貿(mào)易交易價格的提高，本文規(guī)劃方法規(guī)劃后的智能電網(wǎng)碳排放量對比(圖4)。

圖2 聯(lián)合運行模式下成本收益Fig.2 Cost benefit diagram under joint operation mode

圖3 獨立運行模式下成本收益Fig.3 Cost benefit diagram under independent operation mode

圖4 碳排放量對比Fig.4 Comparison of carbon emissions

由圖4可得，CDM、ET兩種貿(mào)易價格的不斷上升，本文規(guī)劃方法規(guī)劃后的智能電網(wǎng)碳排放量都明顯下降，將2種貿(mào)易交易價格持續(xù)升高時，鑒于碳采集效率與風(fēng)電出力接近飽和狀態(tài)，致使碳排放量數(shù)據(jù)下降速度降低，趨于緩慢降低狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，本文方法規(guī)劃后可顯著降低CDM、ET兩種貿(mào)易交易價格提高后的電網(wǎng)碳排放量。

以江西省宜春供電公司進行某配電網(wǎng)節(jié)能改造工程，依據(jù)節(jié)能工作所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行2層分類處理。采用典型實例計算以證明方法的可行性。

基于典型配電線路的節(jié)能潛力分析，以某城區(qū)10 kV 配電線路為分析算例，該線路負荷重，線損高，電能質(zhì)量低，具有較大的節(jié)能改造空間。由于某典型局域配網(wǎng)采集到的節(jié)能數(shù)據(jù)只包含各線路和配電變壓器的靜態(tài)數(shù)據(jù)，分析得知該待評估電網(wǎng)為潮流數(shù)據(jù)不完善的電網(wǎng)單元。完成判斷后，建立關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型(表2)。

表2 關(guān)聯(lián)度節(jié)能指標(biāo)模型Tab.2 Energy saving index model of correlation degree %

經(jīng)過關(guān)聯(lián)度計算，各節(jié)能指標(biāo)(x1—x7)與綜合線損率(x0)之間的灰色關(guān)聯(lián)度為(0.547，0.534，0.553，0.657，0.643，0.676，0.764)，選出強關(guān)聯(lián)度的節(jié)能指標(biāo)為絕緣化率、電纜化率、平均功率因數(shù)、線路平均負載率。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃或者工程目標(biāo)數(shù)據(jù)，分別預(yù)設(shè)強關(guān)聯(lián)度的節(jié)能指標(biāo)達到優(yōu)化值的電網(wǎng)線損率，對比線損值和預(yù)測值，可得到該節(jié)能指標(biāo)優(yōu)化下的節(jié)能潛力見表3 。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度計算節(jié)能潛力預(yù)測結(jié)果Tab.3 Prediction results of energy saving potential calculated by grey correlation degree %

由本局域配網(wǎng)的節(jié)能潛力評估結(jié)果可知，采用本文方法的節(jié)能改造方式節(jié)能潛力最大，為 3.21%，其次是提高電纜化率，其節(jié)能潛力為 1.78%，同時提高絕緣化率也有一定的節(jié)能潛力。綜上，在選定配電網(wǎng)節(jié)能改造時，依據(jù)模型分別進行了節(jié)能潛力計算，制定出了數(shù)據(jù)收集不同完整度下的節(jié)能改造方案，依此可完成上級單位制定的電網(wǎng)節(jié)能工作。

4 結(jié)論

本文規(guī)劃方法采用的雙碳量模型，通過日前—實時雙階段聯(lián)合調(diào)控，使得智能電網(wǎng)的收益更高，排碳量更少。

(1)雙碳模型的碳收益比單碳模型的碳收益要高30萬元左右，而實際的燃料成本和懲罰成本都要比單碳模型低，碳排放量更是少了2倍，所以雙碳量模型更具有實際應(yīng)用的意義。

(2)在雙碳模型中，實時B和實時C在各數(shù)值基本一樣的情況下，實時B比實時所配置的儲能電池較少，所以實時B實現(xiàn)了節(jié)能效應(yīng)，經(jīng)濟收益相對更好。

(3)聯(lián)合運行模式下，智能電網(wǎng)的減排效果更好，經(jīng)濟收益也相對較高，平衡風(fēng)電機組的出力偏差所需的儲能電池更少。

(4)隨著碳交易成本升高，碳排放量處于穩(wěn)定減緩狀態(tài)，且碳交易價格對降排有重要作用，因此，恰當(dāng)?shù)卦黾覥DM以及ET貿(mào)易價格成本有助于CO2的減排。

本文提出的雙碳量約束下智能電網(wǎng)多目標(biāo)分層節(jié)能規(guī)劃方法，可以穩(wěn)定地平衡碳采集機組和風(fēng)電機組協(xié)作，具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。在未來的低碳背景下，這一節(jié)能調(diào)度方法具有非常重要的地位。