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        多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)碳排放及可靠性分析

        2022-08-25 02:31:12瑞,李星,高
        潔凈煤技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)可靠性裝機(jī)出力

        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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)別的時(shí)間尺度下對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)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(píng)估方法

        2.1 電力系統(tǒng)碳排放評(píng)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(duì)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(píng)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(píng)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(chǎng)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(duì)不同機(jī)組影響基本一致,為簡化可靠性評(píng)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(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)及光伏電站可靠性模型,基于RTS-79測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)系統(tǒng)可靠性的提升效果降低;對(duì)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。

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