计及碳捕集电厂灵活响应的电...生产调度优化模型设计与仿真_刘岩.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第6期No.62023年3月Mar.2023收稿日期：2021-09-07稿件编号：202109038基金项目：南方电网技改项目（090000GS62191470）作者简介：刘 岩（1988），男，广东深圳人，硕士，高级工程师。研究方向：电网调度自动化管理及自动发电控制系统管理。计及碳捕集电厂灵活响应的电力生产调度优化模型设计与仿真刘 岩1，叶振豪1，张夕佳1，黄红伟2，毛文照2（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100102）摘要：为了充分发挥碳捕集电厂灵活运行的潜力并提升电网新能源的消纳能力，研究了溶液存储型碳捕集电厂的运行调整方式，提出了考虑碳捕集电厂灵活响应的低碳经济调度模型。溶液存储型碳捕集电厂是当前火电碳捕集的主要技术路线，其通过调整贫液罐与富液罐中吸附液的流速和流向，能够在不影响火电厂尾气 CO2吸收的基础上调整电厂对外发电功率的特性。考虑到负荷高峰及低谷时段电网运行需求，设计了激励碳捕集电厂高峰减速捕集、低谷加速捕集的价格机制，并引入了溶液存储型碳捕集电厂运行特性约束。算例结果显示，充分考虑碳捕集电厂灵活调度因素可有效提升碳捕集电厂的调峰能力。关键词：碳捕集电厂；溶液存储型；低碳经济调度；新能源中图分类号：TN99；TM743文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）06-0094-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.06.020Design and simulation of power production scheduling optimization modelconsidering flexible response of carbon capture power plantLIU Yan1，YE Zhenhao1，ZHANG Xijia1，HUANG Hongwei2，MAO Wenzhao2（1.Shenzhen Power Supply Company，Shenzhen 518000，China；2.Beijing QU Creative Technology Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）Abstract:In order to give full play to the potential of flexible operation of carbon capture power plant andimprove the consumption capacity of new energy in power grid，the operation adjustment mode of solutionstorage carbon capture power plant is studied，and a lowcarbon economic dispatching model consideringthe flexible response of carbon capture power plant is proposed.Solution storage carbon capture powerplant is the main technical route of carbon capture in thermal power at present.By adjusting the flow rateand flow direction of adsorbed liquid in lean liquid tank and rich liquid tank，it can adjust thecharacteristics of external power generation power of the power plant without affecting the CO2absorptionof tail gas of thermal power plant.Considering the power grid operation demand in peak and troughperiods，the price mechanism to stimulate the peak deceleration capture and trough acceleration captureof carbon capture power plant is designed，and the operation characteristic constraints of solution storagecarbon capture power plant are introduced.The example results show that fully considering the flexiblescheduling factors of carbon capture power plant can effectively improve the peak shaving capacity ofcarbon capture power plant.Keywords:carbon capture power plant；solution storage；lowcarbon economic dispatch；new energy-94碳捕集电厂本质上是对传统火电厂实施改造，增设碳捕集装置后形成的新型常规能源电厂1-2。文献3-4研究了碳捕集电厂参与低碳经济调度后系统优化目标的转变，从传统的经济调度转向了碳排放与经济协调优化的问题。文献5-6研究了碳捕集电厂灵活调度的特性，构建了考虑能量转移特性的优化调度方法，同时讨论不同时序优化中备用容量的预留合理性问题。文献7研究了碳捕集电厂与电价型需求侧响应互动问题，并提出一种考虑二者互动的综合能源系统低碳经济调度模型。文献8-9研究了新能源及负荷不确定性特征，讨论了考虑不确定性因素影响的含碳捕集电厂协调优化调度方法。文献10-11研究了碳捕集电厂、储能装置、电转气装置的协同问题，并构建面向碳捕集、储能、电气协同的优化调度方法。从上述分析可以看出，当前对碳捕集电厂参与下的低碳经济调度方法研究仍处于起步阶段，且对碳捕集电厂运行特性分析及其与大电网协调互动机制的研究并不充分。该文以溶液存储型碳捕集电厂为对象，研究其灵活调度特性，提出了考虑其灵活调度的大电网低碳经济调度方法。1运行特性与灵活调度模型1.1结构特征碳捕集电厂是在传统火电机组中加装碳捕集装置改造形成的具有 CO2捕集功能的新型电源12-13。火电厂实施碳捕集包括 CO2分离与 CO2压缩两个关键环节。如图1所示，火电厂燃烧发电产生富含CO2的尾气。首先经过吸收塔进行尾气脱碳，产生低碳尾气和吸附液，以当前常用的乙醇胺类吸收法为例，CO2吸收率能够达到 85%95%14，可直接降低火电厂产生的碳排放量。随后 CO2吸附液被送至解析塔，实现 CO2与吸附液的分离，脱碳的吸附液重新返回吸收塔循环利用；而解析产生的 CO2将在压缩器中压缩并进行集中处理，以避免对环境产生直接影响。其中由吸收塔流向解析塔的吸附液 CO2含量较高，通常称为富液；而解析塔流向吸收塔的吸附液CO2含量较低，称为贫液。1.2灵活运行方式碳捕集电厂的灵活调度可通过分流和溶液存储两种方式来实现，从而改变其电-碳特性。分流方式是指通过调整进入 CO2吸收塔的尾气量，改变碳捕集装置运行工况，从而优化整个碳捕集电厂电-碳运行特性的灵活运行方式15。而溶液存储方式则是通过调整吸收塔、解析塔之间的吸附液流速及流向改变 CO2处理效率，从而优化整个碳捕集电厂电-碳运行特性的灵活运行方法16。两种方式相比，溶液存储型碳捕集电厂在灵活调度期间并不会改变实际CO2的排放，即不影响其减排效果且更符合运行要求，具有更广阔的应用前景。如图 2 所示，溶液存储型碳捕集电厂在吸收塔与解析塔之间，增加了富液罐和贫液罐，从而改变CO2的实际处理效率。该方式下，碳捕集电厂具有正常处理、加速处理、减速处理三种运行方式。正常处理方式下，富液罐和贫液罐不参与吸附液循环，吸收塔及解析塔按照实际 CO2排放速率进行捕集；加速处理方式下，富液罐将存储的 CO2富液排向解析塔，贫液罐将主动存储解析塔排出的过量 CO2贫液，通过提升解析塔工作速率，提高 CO2解析处理的效率；减速处理与加速处理方式相反，吸收塔产生的部分富液将流向富液罐短时存储，贫液罐将向吸收塔对应补充吸附液，解析塔处理效率下降，因此整体 CO2处理效率也相应降低。需要指出的是 3种运行方式下，吸收塔对火电厂尾气的吸收效率并未改变，即不影响整个电厂的实际碳排放，而是改变解析塔中CO2解析以及后续压缩效率。图2溶液存储型碳捕集电厂运行方式1.3灵活调度模型碳捕集装置对火电厂而言本质上属于耗电设图1碳捕集框架刘 岩，等计及碳捕集电厂灵活响应的电力生产调度优化模型设计与仿真-95电子设计工程 2023年第6期备，其耗电功率既包括固定部分，也包括与捕集效率相关的部分，可表示为：PGNg,t=PGg,t-PCCg,t（1）PCCg,t=PCCFg+QCCRg,t（2）式中，PGg,t、PGNg,t为火电机组g时段t的发电功率和净发电功率，PCCg,t为该火电机组碳捕集装置耗电功率，PCCFg为该火电机组碳捕集固定功率，QCCRg,t为该时段碳捕集量，为单位捕集能耗。对吸收塔而言，其 CO2吸收速率与火电厂碳排放强度及吸收率有关，可表示为：QCCAg,t=cg,tPGg,tgT（3）式中，QCCAg,t为火电机组g时段t尾气 CO2吸收量，cg,t为该机组时段的碳排放强度，g为吸收塔的吸收效率，T为时段间隔时长。对解析塔和压缩塔，其处理效率应与吸收塔吸收效率及溶液存储器交换效率相匹配，可表示为：QCCRg,t=QCCSg,t+QCCAg,t（4）式中，QCCSg,t为富液罐增排的碳量。当处于减速方式富液罐储存富液时，其取值为负；而处于加速方式向解析塔增排富液时，取值为正。对于富液罐、贫液罐两个溶液存储罐的容量交换速率应满足：保证溶液在其存储能力范围内，且优化时段初始状态的溶液储量相等，以上运行条件可表示为：VSg,t=QCCSg,tMSMCO2（5）VRFg,t=VSg,t+VRFg,t-1（6）VPFg,t=VSg,t+VPFg,t-1（7）0VRFg,tVRF,maxg（8）0VPFg,tVPF,maxg（9）VRFg,0=VRFg,NT（10）VPFg,0=VPFg,NT（11）式中，MS、MCO2分别为吸附液、CO2的摩尔质量，为解析塔的 CO2解析量，、分别为吸附液浓度和密度，VRFg,t、VPFg,t分别为富液罐、贫液罐时段t的容量储量，VRF,maxg、VPF,maxg分别为富液罐、贫液罐的容量限值。式（1）-（11）共同构成了溶液存储型碳捕集电厂灵活调度中所必须满足的约束条件。2低碳经济调度模型2.1设计原理从上述碳捕集电厂运行特性的分析可知，若碳捕集电厂能够响应电网运行指令，在负荷高峰时段采用减速方式；而在低谷时段采用加速方式，则将产生削峰填谷的效果，并有利于促进新能源消纳。但由于碳捕集电厂自身运行状态尚未纳入电网统一调度范畴，传统经济调度并不具备激励碳捕集电厂自发调整其运行方式的能力。为此，该文提出将碳捕集电厂净发电功率、碳捕集耗电功率均纳入优化模型的方式。在高峰时段剔除备用容量中的碳捕集耗电功率影响，促使电厂自发降低其碳捕集效率；而在低谷时段将碳捕集耗电功率视为需求响应并给予补偿，促使电厂主动加大碳捕集效率。需要说明的是，以上高峰、低谷均为考虑新能源发电影响后的等效负荷峰谷区间。而对于高比例新能源接入电网，则必须考虑新能源对传统电力供需的影响。2.2优化目标按照上述思路，文中所提出的低碳经济调度模型以购电成本和新能源损失电量最低为优化目标，可表示为：min|g=1NGt=1NTGgPGNg,tT-g=1NGtTUR(PGg,t-PGNg,t)T+g=1NGtTDD(PGg,t-PGNg,t)T+n=1NNt=1NTLPLn,tT（12）式中，Gg、R、D、L分别为火电机组发电价格、高峰时段备用容量补偿价格、低谷时段需求侧响应补偿价格和新能源损失电量损失价格；NG、NN分别为全网火电机组数与新能源电站数，NT为优化时段数，PLn,t为新能源电站n时段t的损失功率，TU、TD为等效负荷曲线的高峰和低谷时段。2.3约束条件所需要考虑的约束条件主要包括：电力平衡约束、断面运行约束、新能源运行约束、火电机组运行约束与碳捕集特性约束。除了上文所述的碳捕集特性约束外，其他约束条件如下所示：g=1NGPGNg,t+n=1NNPGn,t=b=1NBPFb,t（13）Pminsg=1NGGg,sPGNg,t+n=1NNGn,sPGn,t+b=1NBGb,sPFb,tPmaxs（14）-96PLn,t+PGn,t=PFn,t（15）PGmingPGg,tPGmaxg（16）PCmingPGg,t-PGg,t-1PCmaxg（17）式中，PFb,t为负荷节点b时段t的负荷预测，NB为系统负荷节点数，PGn,t、PFn,t为新能源电站n时段t的发电功率和预测功率，Pmaxs、Pmins分别为运行断面s的传输能力上下限，Gg,s、Gn,s、Gb,s分别为火电机组g、新能源电站n、负荷节点b与运行断面s的功率转移分布因子，PGmaxg、PGming分别为火电机组g的发电能力上下限，PCmaxg、PCming分别为火电机组g爬坡能力上下限。以式（12）为优化目标，综合各种约束条件，即可构建考虑碳捕集电厂灵活调度的低碳经济调度模型。该模型的本质是混合整数规划问题，可采用分支定界法或调用 Cplex 等商用规划软件包求解得到。3算例分析3.1基础数据为了验证所提方法的有效性，该文在 IEEE-30节点系统基础上构造了算例进行仿真计算实验。算例中共有 6处电源，设置为 4处火电厂和 2处新能源电站，总装机为916.1 MW，详细数据如表1所示。表1电源信息节点12581113类型火电火电风电火电风电火电装机容量/MW20015063.7200102.4200选取位于节点 8 的火电作为碳捕集电厂，其相关参数如表2所示。表2碳捕集电厂参数信息名称（单位捕集能耗）/（MWh/t）g（吸收效率）（%）（CO2解析量）/（mol/mol)）（吸附液浓度）（%）（吸附液密度）/（g/mL）数值0.269900.24301.013.2数据分析根据系统负荷与新能源功率预测结果绘制等效负荷曲线，如图3所示。设置高峰时段为10:0012:00，低谷时段为3:005:00。图3等效负荷曲线根据文中所提方法，碳捕集电厂的发电计划，如图 4所示。可以发现高峰时段的碳捕集量低于低谷时段，从而为新能源消纳留出空间。图4碳捕集电厂发电计划3.3对比分析为进一步验证所提方法在促进碳捕集电厂主动参与电网优化调度、降低碳排放以及促进新能源消纳方面的效益，将其与无激励措施进行比较，并得出两种方法的运行差异。所谓无激励措施优化方法，本质上是在该文方法的优化模型基础上，不考虑碳捕集电厂在高峰时段减速处理、低谷时段加速处理所带来的削峰填谷补偿。从表 3 可以看出，所提方法在高峰时段采取减速处理模式，降低自身碳捕集功率，相较无激励措施优化方法，其增加的发电能力最大为 5 MW；当 处 于 低 谷 时 段 时，其 通 过 加 速 处 理 增 加 自 身碳捕集功率，因此避免了深度调峰问题。而无激励措施优化方法，则面临最大 5 MW 的深度调峰需求。表3运行效益对比方法该文方法无激励措施高峰正备用/MW130125最大调峰容量/MW05刘 岩，等计及碳捕集电厂灵活响应的电力生产调度优化模型设计与仿真-97电子设计工程 2023年第6期4结束语该文研究了碳捕集电厂灵活调度模式，提出了基于碳捕集电厂灵活调度的低碳经济调度方法。结果显示，通过引入高峰低谷补偿价格信号，激励碳捕集电厂高峰时段减速处理、低谷时段加速处理，可有效提升系统高峰发电及低谷调峰能力。后续还将进一步针对优化补偿机制进行研究设计，进而更有效地促进碳捕集电厂自发参与电网优化调度。参考文献：1 程耀华,杜尔顺,田旭,等.电力系统中的碳捕集电厂:研究综述及发展新动向J.全球能源互联网,2020(4):339-350.2 魏世杰,樊静丽,杨扬,等.燃煤电厂碳捕集、利用与封存技术和可再生能源储能技术的平准化度电成本比较J.热力发电,2021,50(1):33-42.3 田丰,贾燕冰,任海泉,等.考虑碳捕集系统的综合能源系统“源荷”低碳经济调度J.电网技术,2020,44(9):3346-3355.4 Srikanth R K,Lokesh K P,Bijaya K P,et al.Modelingof carbon capture technology attributes for unitcommitment in emission-constrained environmentJ.IEEE Transactions on Power Systems,2017,32(1):662-671.5 崔杨,曾鹏,王铮,等.考虑碳捕集电厂能量转移特性的弃风消纳多时间尺度调度策略J.中国电机工程学报,2021,41(3):946-961.6 Lou S H,Lu S Y,Wu Y W,et al.Optimizing spinningreserve requirement of power system with carboncaptureplantsJ.IEEETransactionsonPowerSystems,2015,30(2):1056-1063.7 崔杨,曾鹏,王铮,等.计及电价型需求侧响应含碳捕集设备的电-气-热综合能源系统低碳经济调度J.电网技术,2021,45(2):447-461.8 仲悟之,黄思宇,崔杨,等.考虑源荷不确定性的风电-光热-碳捕集虚拟电厂协调优化调度J.电网技术,2020,44(9):3424-3432.9 Li J M,Wen J Y,Han X N.Low-carbon unit 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