摘 要：針對(duì)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多能耦合和零碳運(yùn)行問題，提出一種考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。首先，分析園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，建立考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的電、熱、冷、氣多能耦合的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型；其次，綜合核算園區(qū)生態(tài)碳匯、能源生產(chǎn)碳源等，提出適用于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的零碳指標(biāo)，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)建立零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后基于不考慮碳中和約束、考慮碳中和約束及考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合運(yùn)行的3種場(chǎng)景，結(jié)合分時(shí)電價(jià)并采用改進(jìn)粒子群算法對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行求解。結(jié)果驗(yàn)證了所提模型和方法的有效性，考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣聯(lián)合運(yùn)行的方式可提高清潔能源的消納率、降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的碳中和。

關(guān)鍵詞：可再生能源；碳捕集；優(yōu)化調(diào)度；綜合能源系統(tǒng)；電轉(zhuǎn)氣；碳中和

中圖分類號(hào)：TK01" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在目前的能源互聯(lián)網(wǎng)大背景下，發(fā)展綜合能源系統(tǒng)是解決現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的環(huán)境污染問題、能耗問題、地區(qū)新能源消納問題的有效方法。綜合能源系統(tǒng)是在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行等環(huán)節(jié)中，通過有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后形成的綜合能源生產(chǎn)、供應(yīng)和銷售為一體的系統(tǒng)［1］。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能提供給用戶多種能源產(chǎn)品，同時(shí)通過多能互補(bǔ)和梯級(jí)用能的能源利用方式，可有效減少環(huán)境污染、提高用能效率，有助于雙碳目標(biāo)下中國(guó)碳減排事業(yè)的發(fā)展［2］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)綜合能源系統(tǒng)多能耦合優(yōu)化調(diào)度的問題已進(jìn)行大量研究。文獻(xiàn)［3］構(gòu)建了含多種能源子系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，以初期建設(shè)投資和系統(tǒng)運(yùn)維總成本最低為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化調(diào)度模型，考慮子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行和耦合調(diào)度的不同場(chǎng)景分別進(jìn)行求解，驗(yàn)證了園區(qū)系統(tǒng)多能耦合運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的提升；文獻(xiàn)［4］以運(yùn)維和環(huán)境成本最低為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化調(diào)度模型，利用改進(jìn)粒子群算法對(duì)其求解，結(jié)果表明該模型能同時(shí)兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性；文獻(xiàn)［5］針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量管理和優(yōu)化運(yùn)行問題，提出非線性規(guī)劃成本最小化的優(yōu)化運(yùn)行模型，分析了系統(tǒng)的能量管理和優(yōu)化運(yùn)行與負(fù)載條件和能源成本之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［6］在實(shí)時(shí)電價(jià)理論指導(dǎo)下，提出一種啟發(fā)式微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度方法，采用Pareto尋優(yōu)路徑非支配排序遺傳算法進(jìn)行求解，該策略能提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［7］分析了柔性負(fù)荷的特性，以運(yùn)行總成本最低為目標(biāo)建立綜合能源系統(tǒng)供需協(xié)調(diào)日前優(yōu)化調(diào)度模型，該模型能提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，減少負(fù)荷的峰谷差；文獻(xiàn)［8］結(jié)合新疆地區(qū)的能源資源特點(diǎn)，構(gòu)建了含生物質(zhì)能的綜合能源系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化配置，從能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)4個(gè)方面分析了生物質(zhì)能的綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)［9］考慮熱能動(dòng)態(tài)平衡提出一種含氫儲(chǔ)能的熱電聯(lián)供優(yōu)化模型，該模型可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電的消納水平；文獻(xiàn)［10］針對(duì)風(fēng)-光-氫多主體能源系統(tǒng)，考慮不同主體間的電能交易建立基于納什談判理論的風(fēng)、光、氫多主體運(yùn)行模型，不同主體之間協(xié)作運(yùn)行，可有效提高各主體以及合作聯(lián)盟效益；文獻(xiàn)［11］考慮冷、熱、電負(fù)荷以及新能源的實(shí)時(shí)特性，提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的綜合能源系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度方法，可通過動(dòng)態(tài)調(diào)整模型對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

在雙碳背景下，應(yīng)考慮減少綜合能源系統(tǒng)碳排放量實(shí)現(xiàn)低碳或零碳運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)電力系統(tǒng)和綜合能源系統(tǒng)的低碳減排已進(jìn)行許多研究并取得相應(yīng)的成果。文獻(xiàn)［12］考慮階梯式碳交易和綜合需求響應(yīng)提出一種園區(qū)多能耦合聯(lián)供系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，能同時(shí)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的低碳指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)［13］考慮系統(tǒng)不同配置、不同運(yùn)行策略以及季節(jié)和日內(nèi)時(shí)序變化的影響，構(gòu)建了一種碳捕集和電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）聯(lián)合運(yùn)行的園區(qū)級(jí)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，在規(guī)劃年限總成本相近的情況下該模型能減少碳排放量；文獻(xiàn)［14］構(gòu)建了考慮碳捕集的含冷、熱、電、氣負(fù)荷的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型，利用全生命周期評(píng)價(jià)的方法分析了園區(qū)溫室氣體的排放并對(duì)碳足跡進(jìn)行核算，以運(yùn)維成本最低為目標(biāo)建立經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，可在系統(tǒng)低碳運(yùn)行的同時(shí)降低成本；文獻(xiàn)［15］引入P2G技術(shù)，提出一種階梯式碳交易與綠證交易機(jī)制相結(jié)合的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，該方法能提高可再生能源的消納率以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少系統(tǒng)的碳排放；文獻(xiàn)［16］提出設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園近零碳評(píng)價(jià)體系、碳排放核算方法和基于柔性負(fù)荷的源荷雙向低碳運(yùn)行方法，該方法可有效降低農(nóng)業(yè)園區(qū)的碳排放量；文獻(xiàn)［17］提出一種面向農(nóng)業(yè)綜合能源系統(tǒng)碳循環(huán)的核算方法以及計(jì)及農(nóng)業(yè)柔性負(fù)荷及碳交易的農(nóng)業(yè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略，該策略能降低園區(qū)日運(yùn)行成本并實(shí)現(xiàn)園區(qū)全年零碳運(yùn)行；文獻(xiàn)［18］構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度下的能源功率模型和低碳優(yōu)化調(diào)度模型，以經(jīng)濟(jì)效益和減碳效果為兩種優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，該模型可在滿足碳減排要求的前提下對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行決策優(yōu)選；文獻(xiàn)［19］構(gòu)建了光熱、光伏、風(fēng)電聯(lián)合優(yōu)化模型，提出一種針對(duì)含碳捕集、利用與封存（carbon capture， utilization and storage，CCUS）的零碳電力系統(tǒng)概率經(jīng)濟(jì)和充分性的評(píng)價(jià)方法；文獻(xiàn)［20］采用光熱電站作為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提出一種綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化運(yùn)行方法，該方法可兼顧良好的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性同時(shí)滿足多種負(fù)荷需求；文獻(xiàn)［21］提出結(jié)合非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能的零碳排放微能源互聯(lián)網(wǎng)模型，該模型可降低運(yùn)營(yíng)成本，減少系統(tǒng)棄風(fēng)。

綜上，現(xiàn)有研究成果中，對(duì)電、熱、冷、氣多能耦合的綜合能源系統(tǒng)零碳運(yùn)行研究較少。為此，本文提出一種考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。通過分析園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的電、熱、冷、氣多能耦合的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型；以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，建立優(yōu)化調(diào)度模型；基于不考慮碳中和約束、考慮碳中和約束和考慮CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行的3種場(chǎng)景，采用改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果驗(yàn)證了所提模型和方法的有效性。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為所研究的考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，研究對(duì)象僅考慮有功功率情形。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)通過發(fā)、輸、變、用等環(huán)節(jié)的發(fā)展和融合，可實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合利用，能同時(shí)滿足用戶側(cè)的多種能源需求，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電的集中供應(yīng)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)的核心多能耦合系統(tǒng)，包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)；此外系統(tǒng)還包括電制冷機(jī)、電鍋爐、熱泵和儲(chǔ)能設(shè)備等裝置。園區(qū)系統(tǒng)與外部能源網(wǎng)絡(luò)相連接，電、氣可分別從上級(jí)電網(wǎng)、氣網(wǎng)購(gòu)入；園區(qū)采用光伏和風(fēng)電滿足系統(tǒng)中的部分能源供給。

系統(tǒng)引入CCUS技術(shù)，通過碳捕裝置捕獲設(shè)備生產(chǎn)過程的CO2；利用P2G裝置，通過電解槽電解水生成H2和O2，通過甲烷反應(yīng)器利用H2與CO2生成甲烷，然后將甲烷輸送到天然氣管道，有效降低溫室氣體排放。

1.1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

1.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)

系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī)作為熱電聯(lián)供機(jī)組，其數(shù)學(xué)模型為：

[PGTt=αGTGGTt] （1）

[HGTt=βGTGGTt] （2）

式中：[GGTt]、[PGTt]、[HGTt]——燃?xì)廨啓C(jī)[t]時(shí)段的輸入能量功率輸出電功率和輸出熱功率，[kW]；[αGT]、[βGT]燃?xì)廨啓C(jī)的電輸出效率和熱輸出效率。

1.1.2 余熱鍋爐

燃?xì)廨啓C(jī)通過將天然氣輸入氣缸進(jìn)行加熱燃燒推動(dòng)機(jī)械做功，做功后排出的高溫氣體溫度一般能保持在約400 ℃，所以使用余熱鍋爐對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的余熱進(jìn)一步處理產(chǎn)生用戶所需的熱能。其數(shù)學(xué)模型為：

[HWHBt=ηWHBHGTt] （3）

式中：[HWHBt]——余熱鍋爐[t]時(shí)段的熱輸出功率，[kW]；[ηWHB]——余熱鍋爐的余熱回收系數(shù)。

1.1.3 吸收式制冷機(jī)

系統(tǒng)采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)作為吸收制冷部分。不考慮能效系數(shù)隨外界條件的變化，其數(shù)學(xué)模型為：

[CARt=δCOPARHARt] （4）

式中：[HARt]、[CARt]——吸收式制冷機(jī)[t]時(shí)段的熱輸入功率和冷輸出功率，[kW]；[δCOPAR]——吸收式制冷機(jī)的能效系數(shù)。

1.2 電制冷機(jī)

與吸收式制冷機(jī)類似，其模型為：

[CERt=δCOPERPERt] （5）

式中：[PERt]、[CERt]——電制冷機(jī)[t]時(shí)段的電輸入功率和冷輸出功率，[kW]；[δCOPER]——電制冷機(jī)的能效系數(shù)。

1.3 電鍋爐

電鍋爐通過電阻或電磁感應(yīng)將鍋爐內(nèi)的水或有機(jī)載體加熱到一定溫度和壓力后向外輸出熱能。其數(shù)學(xué)模型為：

[HEBt=ηEBPEBt] （6）

式中：[PEBt]、[HEBt]——電鍋爐[t]時(shí)段的電輸入功率和熱輸出功率，[kW]；[ηEB]——電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 空氣源熱泵

園區(qū)在秋冬季需大量的能源對(duì)溫室大棚供熱，采用一種環(huán)境友好型節(jié)能制熱設(shè)備可有效降低碳排放。熱泵消耗電能來提供熱能，環(huán)保且能量損耗較少。園區(qū)系統(tǒng)采用空氣源熱泵供熱。其數(shù)學(xué)模型為：

[HHPt=ηHPPHPt] （7）

式中：[PHPt]、[HHPt]——空氣源熱泵[t]時(shí)段的電輸入功率和熱輸出功率，[kW]；[ηHP]——空氣源熱泵的電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.5 CCUS-P2G系統(tǒng)

碳捕集裝置捕獲設(shè)備出力過程中產(chǎn)生CO2，P2G裝置消耗電能產(chǎn)生H2，H2和CO2經(jīng)過甲烷化反應(yīng)生成甲烷輸送到天然氣網(wǎng)。圖2為CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行框圖。

碳捕集裝置運(yùn)行過程中消耗電能，捕獲的CO2可提供給P2G裝置就地利用，減少了系統(tǒng)外購(gòu)CO2以及CO2封存、運(yùn)輸?shù)某杀?。其?shù)學(xué)模型為：

[GCCt=kCCPCCt] （8）

式中：[GCCt]——碳捕集裝置[t]時(shí)段捕獲CO2的速率，[kg/h]；[kCC]——碳捕集裝置捕集的CO2量與消耗的電功率的比例系數(shù)，[kg/kW]；[PCCt]——碳捕集裝置[t]時(shí)段的電輸入功率，[kW]。

P2G作為零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的核心部分，是連接電-氫-氣3種能源系統(tǒng)的關(guān)鍵。其數(shù)學(xué)模型為：

[GCP2Gt=αP2GPP2Gt] （9）

[GMP2Gt=βP2GPP2GtkLHV] （10）

式中：[GCP2Gt]——P2G設(shè)備[t]時(shí)段所需的CO2量，[kg]；[αP2G]——P2G設(shè)備產(chǎn)生CO2量與消耗的電功率的比例系數(shù)，[kg/kW]；[PP2Gt]——P2G設(shè)備[t]時(shí)段的電輸入功率，[kW]；[GMP2Gt]——P2G設(shè)備設(shè)備產(chǎn)出天然氣的速率，[m3/h]；[βP2G]——電氣轉(zhuǎn)換系數(shù)；[kLHV]——天然氣熱值，9.86 [kWh/m3]。

1.6 儲(chǔ)能設(shè)備

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能設(shè)備可在合理的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與靈活性。

[EEESt+Δt=EEESt1-kLΔt+Pchat-PdistΔt]

（11）

式中：[EEESt]——儲(chǔ)能設(shè)備[t]時(shí)段儲(chǔ)存的電量，[kWh]；[Pchat]、[Pdist]——[t]時(shí)段儲(chǔ)能充放電功率，[kW]；[kL]——儲(chǔ)能的自耗能率。

2 園區(qū)綜合能源優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本最低，即：

[F=minf1+f2+f3] （12）

式中：[F]——系統(tǒng)總成本；[f1]——系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維成本；[f2]——可再生能源發(fā)電成本；[f3]——系統(tǒng)購(gòu)能成本。

[f1=t=1TcnPnt] （13）

[f2=t=1TcPVPPVt+cWPWt] （14）

[f3=t=1TcEtPgridt+cGtGgridt] （15）

式中：[T]——調(diào)度周期，24 h；[Pnt]——[t]時(shí)段第n臺(tái)設(shè)備的出力值，[kW]；[cn]——第n臺(tái)設(shè)備的運(yùn)維成本系數(shù)；[PPVt]——光伏發(fā)電功率，[kW]；[PWt]——風(fēng)力發(fā)電功率，[kW]；[cPV]——光伏發(fā)電成本系數(shù)：[cW]——風(fēng)力發(fā)電成本系數(shù)；[Pgridt]——[t]時(shí)段系統(tǒng)和電網(wǎng)的交互功率，[kW]；[Ggridt]——[t]時(shí)段系統(tǒng)和天然氣網(wǎng)的交互量；[cEt]——[t]時(shí)段系統(tǒng)的購(gòu)電價(jià)格；[cGt]——[t]時(shí)段系統(tǒng)的購(gòu)氣價(jià)格。

2.2 約束條件

2.2.1 電平衡約束

[Pgridt+PPVt+PWt+PGTt=PLt+PERt+PEBt+" " " " PHPt+PCCt+PP2Gt+Pchat-Pdist] （16）

式中：[PLt]——[t]時(shí)段用戶的電負(fù)荷需求量，[kW]。

2.2.2 熱平衡約束

[HWHBt+HEBt+HHPt=HLt+HARt] （17）

式中：[HLt]——[t]時(shí)段用戶的熱負(fù)荷需求量，[kW]。

2.2.3 冷平衡約束

[CARt+CERt=CLt] （18）

式中：[CLt]——[t]時(shí)段用戶的冷負(fù)荷需求量，[kW]。

2.2.4 氣平衡約束

[GGridt+GMP2Gt=GGTt] （19）

2.2.5 儲(chǔ)能約束

[0≤Pchat≤Pmaxcha] （20）

[0≤Pdist≤Pmaxdis] （21）

[δminSOCEES≤δSOCt≤δmaxSOCEES] （22）

[δSOC0=δSOCT] （23）

式中：[Pmaxcha]、[Pmaxdis]——儲(chǔ)能設(shè)備的充、放電最大功率，[kW]；[δminSOCEES]、[δmaxSOCEES]——儲(chǔ)能設(shè)備的最小、最大荷電狀態(tài)；[δSOCt]——[t]時(shí)段儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)；[δSOC0]——調(diào)度周期開始時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)；[δSOCT]——調(diào)度周期最后時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)。

2.2.6 設(shè)備出力上下限約束

[Pminn≤Pnt≤Pmaxn] （24）

式中：[Pminn]、[Pmaxn]——第n臺(tái)設(shè)備的出力最小值，[kW]。

2.2.7 可再生能源出力約束

[0≤PPVt≤PmaxPV] （25）

[0≤PWt≤PmaxW] （26）

2.2.8 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)交互功率約束

[0≤PWt≤PmaxW] （27）

2.2.9 碳中和約束

[t=1Tε1Pgridt+ε2PGTt-CCC-Cgp≤0] （28）

式中：[ε1]——系統(tǒng)和電網(wǎng)購(gòu)電的碳排放當(dāng)量因子，[kg/kWh]；[ε2]——燃?xì)廨啓C(jī)的碳排放系數(shù)，[kg/kWh]；[CCC]——周期內(nèi)碳捕集裝置捕獲的CO2量，[kg]；[Cgp]——周期內(nèi)園區(qū)綠色植物光合作用的CO2吸收量，[kg]。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證所提零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略及模型的合理性，以西北某農(nóng)業(yè)園區(qū)作為仿真研究對(duì)象，該農(nóng)業(yè)園區(qū)占地面積213440 m2。計(jì)算過程數(shù)值設(shè)置如表1所示，購(gòu)電電價(jià)按每日負(fù)荷變化分為高峰、平時(shí)和低谷，具體分時(shí)電價(jià)見表1；購(gòu)氣價(jià)格為2.46元[/m]；園區(qū)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表2；西北區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子為0.6671 [kg/kWh]。

對(duì)園區(qū)24 h內(nèi)可再生能源最大出力和冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，繪制光伏、風(fēng)電發(fā)電預(yù)測(cè)曲線和負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，如圖3、圖4所示。

為驗(yàn)證考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型和方法的有效性，選取以下3種方式作為調(diào)度場(chǎng)景：

1）園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中碳捕集裝置不捕獲燃?xì)廨啓C(jī)出力過程中生產(chǎn)的CO2且不考慮外部購(gòu)買CO2；P2G裝置不生產(chǎn)甲烷；不考慮碳中和約束以園區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)。

2）園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中碳捕集裝置捕獲燃?xì)廨啓C(jī)出力過程中生產(chǎn)的CO2；不考慮P2G裝置；考慮碳中和約束以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)。

3）園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中碳捕集裝置捕獲燃?xì)廨啓C(jī)出力過程中生產(chǎn)的CO2；P2G裝置消耗電能產(chǎn)生H2，H2和CO2經(jīng)過甲烷化反應(yīng)生成甲烷輸送到天然氣網(wǎng)；考慮碳中和約束以園區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo)。

針對(duì)以上3種場(chǎng)景，利用粒子群算法分別進(jìn)行求解，種群數(shù)設(shè)置為100，迭代1000次。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

表3為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果。場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行成本為1.84萬元，考慮園區(qū)生態(tài)碳匯，系統(tǒng)日碳排放量為11.73 t；相對(duì)于僅考慮園區(qū)綠植光合碳減排的場(chǎng)景1，場(chǎng)景2考慮了CCUS，系統(tǒng)運(yùn)行成本約增加了18.48%，但實(shí)現(xiàn)了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的零碳運(yùn)行；場(chǎng)景3考慮CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行，相對(duì)于場(chǎng)景2，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行成本減少了8.26%，且能實(shí)現(xiàn)園區(qū)碳中和。

表4為系統(tǒng)可再生能源消納率。場(chǎng)景3的消納率高于場(chǎng)景1與場(chǎng)景2，這是由于P2G裝置為新能源的消納提供了途徑，同時(shí)天然氣的購(gòu)買量得到減少，從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。P2G裝置消耗電能產(chǎn)生H2，H2和CO2經(jīng)過甲烷化反應(yīng)生成甲烷輸送到天然氣網(wǎng)，從而降低了天然氣的外部購(gòu)買，實(shí)現(xiàn)了碳減排的目標(biāo)。

系統(tǒng)輸出的電功率主要來源于光伏、風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)和電網(wǎng)購(gòu)電；消耗電功率的主要是本地負(fù)荷、電鍋爐、空氣源熱泵、電制冷機(jī)、碳捕集裝置和P2G裝置；儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能的緩存。在系統(tǒng)多能流耦合運(yùn)行的方式下，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為用戶供電，不足的電量由電網(wǎng)購(gòu)入。圖5分別為3種場(chǎng)景下的電網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果。在3種場(chǎng)景下，燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電綜合成本高于分時(shí)電價(jià)時(shí)減少出力，在發(fā)電綜合成本低于分時(shí)電價(jià)時(shí)增加出力，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；在電價(jià)高峰和平時(shí)段時(shí)，園區(qū)能通過提高購(gòu)氣量降低外部購(gòu)電量從而降低系統(tǒng)的總

成本。場(chǎng)景3考慮CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行，在可再生能源發(fā)電較多的時(shí)段，天然氣購(gòu)入量減少，對(duì)應(yīng)了相應(yīng)設(shè)備的出力情況。儲(chǔ)能設(shè)備既可進(jìn)行充電也可進(jìn)行放電，在發(fā)電量充足時(shí)充電至最大荷載，在發(fā)電量不足時(shí)放電，在合理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，可減少由可再生能源發(fā)電和負(fù)荷帶來的不確定性與波動(dòng)性的影響，有效提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

系統(tǒng)輸出的熱功率主要來源于余熱鍋爐、電鍋爐和空氣源熱泵，消耗熱功率的主要是吸收式制冷機(jī)和用戶。圖6分別為3種場(chǎng)景下的熱網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果。在熱量需求較大時(shí)，余熱鍋爐回收燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的余熱進(jìn)一步處理產(chǎn)生的熱能不足，電鍋爐和空氣源熱泵負(fù)責(zé)補(bǔ)充系統(tǒng)需要的熱量。

系統(tǒng)輸出的冷功率主要來源于吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)，消耗冷功率的主要是本地負(fù)荷。圖17分別為3種場(chǎng)景下的冷網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果。在供冷系統(tǒng)中，吸收式制冷機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)需要的冷功率，電制冷機(jī)負(fù)責(zé)平衡冷負(fù)荷的供給，當(dāng)供冷量滿足冷負(fù)荷需求時(shí)，電制冷機(jī)不參與供冷；當(dāng)吸收式制冷機(jī)供冷量不足時(shí)，電制冷機(jī)負(fù)責(zé)供應(yīng)不足的冷功率需求。

綜合核算園區(qū)碳排放，場(chǎng)景1園區(qū)碳排放量為11.73 t，碳減排主要為綠植光合吸收；場(chǎng)景2碳減排主要為CCUS和綠植光合吸收，優(yōu)化后園區(qū)能實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行；場(chǎng)景3采用CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行，優(yōu)化后熱電聯(lián)供機(jī)組燃?xì)猱a(chǎn)生的CO2總量降低，在系統(tǒng)零碳運(yùn)行基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，有效減少了棄風(fēng)棄光。

4 結(jié) 論

針對(duì)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多能耦合和零碳運(yùn)行問題，本文提出一種考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的零碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略?；诓豢紤]碳中和約束、考慮碳中和約束和考慮CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行的3種場(chǎng)景，結(jié)合分時(shí)電價(jià)對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行求解，得出如下主要結(jié)論：

1）園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能流耦合運(yùn)行以合理的組合方式和系統(tǒng)外部能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2）考慮碳捕集和電轉(zhuǎn)氣的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)在零碳約束下運(yùn)行，綜合核算碳減排和生態(tài)碳匯的情況，能實(shí)現(xiàn)碳中和。

3）CCUS-P2G聯(lián)合運(yùn)行可降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高清潔能源的消納率，合理地調(diào)整園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能源供給。

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ZERO-CARBON ECONOMIC DISPATCH OF PARK INTEGRATED ENERGY SYSTEM CONSIDERING CARBON CAPTURE AND POWER TO GAS

Liu Sixian1，Ding Kun2，Dong Haiying1

（1. Department of New Energy and Power Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China；

2. State Grid Gansu Electric Power Company， Lanzhou 730031， China）

Abstract：Aiming at problems of multi-energy coupling and zero-carbon operation of park integrated energy systems， this paper proposes a zero-carbon economic dispatch strategy of integrated energy system of the park considering carbon capture and power-to-gas. Firstly， we analyze the architecture of the park integrated energy system to establish a comprehensive model that takes into account carbon capture and P2G coupled with electricity， heat， cooling and gas. Secondly， we conduct a comprehensive calculation of the park's ecological carbon sinks， energy production carbon sources， and other related factors. Zero-carbon indicators were proposed for the system， and an economic dispatch model was developed to maximize its economic benefits. Finally， based on three scenarios： economic dispatch ignoring carbon neutrality constraints， economic dispatch considering carbon neutrality constraints and economic dispatch considering CCUS-P2G joint operation， The improved particle swarm algorithm is used to solve the model combining time-of-use electricity prices. The results verify the effectiveness of the model and method proposed in this paper. Economic dispatch considering CCUS-P2G joint operation can improve clean energy absorption rates， reduce operating costs of the system， and achieve carbon neutrality in the park.

Keywords：renewable energy resources； carbon capture； optimization； integrated energy system； power-to-gas； carbon neutrality