電力系統多模態低碳電力調度策略分析

覃禹銘， 盧 穎

（貴州電網有限責任公司遵義供電局，貴州遵義563000）

0 引 言

隨著經濟技術的發展和人們生活水平的提高，能源是必不可少的一個環節，大規模的化石能源的利用，在過去很長時間內極大地促進了人們生產和生活的進步，同時化石能源是電力系統的主要燃料，在整個發電系統中的占比很高［1-3］。在化石能源不斷開發和利用過程中會產生大量的污染物以及有害氣體，從而造成嚴重的生態環境問題，不利于社會的可持續發展，環境問題成為制約化石能源開發的重要因素。隨著環境問題越來越突出，能源利用、經濟發展以及環境問題之間的矛盾也越來越明顯，低碳發展已經成為各個行業的重要發展目標，也是國家可持續發展的重要方向［3-7］。電力系統，其在能源中的地位越來越重要，低碳電力的發展也是具有巨大的現實意義，從而減少CO2等溫室氣體的排放，緩解目前嚴重的環境問題［8］。

從目前能源系統的發展來說，化石能源仍然是主要能源形式，火力發電在一定時期內仍占據發電形式的主導地位［9-11］。對于火力發電廠，二氧化碳捕集是實現電力系統低碳發展的很重要技術，通過相應的設備將電廠中的污染氣體進行封存，從而實現溫室氣體的低碳排放。但由于CO2捕集技術的相關設備成本較高，并不是所有的電廠均能配置相關設備，這項技術也并沒有大規模應用，因此需要進行低碳調度技術的研究，通過低碳調度策略實現CO2的排放控制［12-16］。

為了實現系統的經濟運行，在電力系統的優化調度中考慮碳排放和碳捕集的經濟和收益情況，得到了正常模態和附加模態下的電力調度模型，可以實現相應的優化功能，在附加模態中沒有對系統的靜態電壓進行考慮，可以實現系統的經濟運行，但是會存在一定的安全風險，而在附加模態的優化調度中，不僅考慮系統的整體成本，同時將系統的靜態電壓納入了調度模型約束中，從而實現系統的安全穩定運行，在滿足條件的情況下保證系統充分的負荷裕度。

1 碳捕集技術分析

碳捕集技術主要通過一定的技術手段，對排放氣體中的CO2等氣體進行相應的封存，從而減少向大氣中的溫室氣體排放，以達到低碳電力的目的。在碳捕集過程中會消耗較大的能量，捕集到的CO2量越大，消耗的能量越多。在設備運行過程中，假設能量消耗與捕集量成近似線性關系，則在運行過程中的能量消耗為：

式中：Pr為碳捕集過程消耗的總功率；μ為單位時間內捕集單位質量CO2需要的功率；E為捕集的碳質量。

這樣，電廠相關機組的輸出功率為：

式中：Pg為發電機組的總輸出功率；P1為發電廠的設備消耗功率；P0為發電機組的發電功率。

通過上述分析可以得到具備碳捕集電廠的最小出力約束：

式中：Pmin為發電機組的最小出力大小；χ1為單位電量的碳排放系數，kr＿max為最大的碳捕集率。

在目前的碳捕集技術中，燃燒后進行碳捕集是相對常用的方法，不僅可以實現CO2的捕集，還不會改變現有的發電廠程序。對于火力發電廠來說，碳排放強度可表示為：

式中：ke為發電廠的碳排放強度；me為發電廠單位時間的碳排放。

對于發電廠來說，通過碳捕集技術的實施可以大幅減少氣體中的CO2排放量，根據現有的技術可以減少80%以上的碳排放，則碳捕集率為：

式中：kr為發電廠的碳捕集率；mr為單位時間內的發電廠碳捕集。

碳捕集設備中的單位功率中碳捕集大小可表示為：

式中，kr為單位功率中碳捕集大小。

對于發電廠來說，單位時間中其碳排放為：

根據上述的描述可以得到如下的約束關系：

通過前述的關系可以進一步得到：

通過式（10）可以發現電廠中的碳捕集功率約束條件為：

2 碳捕集技術對電價影響分析

對于整個碳捕集設備來說，其主要的費用包括初期設備費、后期運維費、消耗費以及儲存費等。

對于初期設備費來說，可用如下關系式形容：

式中：Bj為碳捕集的初期設備花費；α為單位容量下設備費；N為發電廠的裝機容量；ε為平均發電小時；λ為單位發電量的碳排放。

對于碳捕集設備的后期運維費來說，在電廠中增加了相應的設備，那么這些設備都需要進行相應的運行維護，隨著時間的增加，這些費用會逐步提高，設備的后期運維費用可表示為：

式中：Bw為設備后期的運維費用；δ為第1年的運維費用占碳捕集設備總投資的比例；t為碳捕集設備的使用年限。

碳捕集設備建成之后，還需要進行相應的耗材來支撐運行，相應的消耗花費可表示為：

式中：By為碳捕集設備的消耗花費；ρ為發電所用的燃料單價；χ2為相應的電量消耗的燃料。

對于碳捕集設備來說，相應的CQ2儲存也是很重要的一部分，這部分費用往往需要支付給第3方，由第3方來實現相應的儲存，這部分費用可以表示為：

式中：Bc為碳捕集中的CQ2儲存費用；η為CQ2／t儲存費。

3 低碳電力調度模型

3．1 優化目標

對于傳統的電力系統調度來說，一般通過相應的出力調節以及系統的各種約束條件構建相應的模型，從而達到系統成本最低的調度目標，傳統調度的目標函數為：

式中：T為調度優化的時間段；N為機組數；Pi，t為機組i在t時間內的輸出；Si為發電機組的啟動花費；Ci（Pi，t）為發電成本函數。

對于傳統電力調度來說，其約束條件一般包括功率平衡約束、機組運行約束、正旋轉備用約束、負旋轉備用約束、機組啟停約束以及電網安全約束等，通過各個不同方面的約束條件實現電網的安全穩定以及經濟運行。對于低碳調度來說，整體目標也是需要實現總體的成本目標最低，但是除了要考慮相應的基本約束之外，還要考慮低碳設備的成本以及相應的碳排放性能，實現整個電力系統的環保低碳、經濟節能。

隨著國家以及社會對于低碳電力的要求越來越高，碳排放逐漸成為發電廠成本很重要的一部分，碳排放所承受的代價越來越高。在這種情況下，電力調度的總成本可以包括機組發電的成本、不進行碳捕集的CO2排放成本、碳捕集的收益、發電商的利潤等。在進行相應的碳捕集設備安裝之后，相應的低碳調度函數為：

式中：Ct為電力系統的購電總費用為系統各機組的單位時間段內的發電成本組成的向量；Ce為碳排放的成本；為各發電機組的并網功率向量為各發電機組的廠用電消耗功率向量為碳捕集設備的消耗功率向量；為單位時間內的碳排放強度為單位時間內的單位能耗下碳捕集量。

對于上述的低碳調度模型來說，加入了碳捕集設備的相應收益計算，使得調度模型在整體上更加準確，對于系統的評估更加真實有效。對于發電廠的碳捕集設備來說，其是否具有收益的影響因素很多，國家對于碳排放的收費會影響碳捕集設備的整體收益，同時在上述的模型中的發電成本、碳排放強度、單位能耗下的碳捕捉量等均會影響碳捕集設備的相應收益。當滿足下列條件的時候，碳捕集設備會產生正收益，具體如下：

為了使碳捕集設備產生相應的收益，當碳排放價格高于相應數值的時候，開啟相應的碳捕集設備，這樣可以達到相應的整體收益最佳，具體的開啟碳捕集設備的臨界碳排放價格為：

3.2 約束條件

在確定了相應的調度模型后，需要滿足一定的約束條件，主要包括系統功率約束、機組出力約束、碳捕集運行功率約束、電壓幅值約束、發電機無功約束、靜態電壓穩定約束這幾部分，對于各種約束條件來說前6個約束條件可以看作是系統運行的基本約束，而靜態電壓約束為系統的附加約束，在只考慮系統運行約束時系統為正常模態運行，而考慮靜態電壓約束的時候為附加模態運行，下面分別進行分析。

（1）系統功率約束

式中：L0為起始運行時的節點功率大小；為系統大負荷期間的發電機出力大小；為系統初始時刻的發電機出力大小；b為系統的負荷增長方式；λp為負荷增長的影響因子。

（2）機組出力約束

式中：Pgmax為機組出力的最大值；Pgmin為機組出力的最小值。

（3）碳捕集運行功率約束

（4）電壓幅值約束

式中：Upmin為系統節點電壓的最小值；Up為系統節點電壓數值；Upmax為系統節點電壓的最大值。

（5）發電機無功約束

式中：Qgmin為系統節點無功輸出的最小值，Qg為系統節點的無功輸出數值，Qgmax為系統節點電壓的最大值。

（6）靜態電壓穩定約束。對于電力系統來說，為了更加有效地保證系統電壓的穩定和系統正常的運行，需要約束相應的電壓穩定臨界點功率約束：

式中：下標p為系統負荷高峰時刻，下標0為系統初始時刻，下標c為電壓穩定臨界點；λc為電力系統的負荷裕度，λcb為在系統電壓穩定處的負荷變量。

同時，設定系統的負荷裕度約束為：

式中，λref為負荷裕度最小數值。

4 算例分析

為了對上述的調度模型進行分析和驗證，在IEEE30節點系統上進行相應的算例分析，得到相應的正常模態和附加模態下的優化結果，從而對系統的調度進行分析。整個調度優化系統中，系統的負荷增加按照一定的比例進行，從而達到相應的負荷高峰，設定負荷增長比例為10%，即上式中的λp取值為0．1。為了對系統進行相應的調度優化，設定此時段內的碳排放成本為Ce＝85元／t，而碳捕集設備的最大碳捕集率為0．9。系統中各節點的參數如表1所示。

表1 系統各節點參數

4.1 正常模態優化分析

對于系統正常模態來說，此時在約束條件中不考慮其靜態電壓約束條件，在系統調度模型中，不同的節點處的優化方案如表2所示。

表2 正常模態下系統的調度優化方案

系統中，在正常模態下，不考慮系統的靜態電壓約束的時候，此時段內的節點1的發電成本是最低的，可以發現此時整個系統中的有功出力節點1全部承擔，而其他采集節點的有功功率輸出為0。而對于節點1來說，其碳排放成本的臨界數值為66元／t，因此其小于該時段的碳排放費用，可以產生相應的碳排放收益，此時該節點會開啟相應的碳捕集設備，但是由于節點1的出力較大，因此其碳捕集設備的功率達到了最大數值。在這種出力方式和優化調度方案下，雖然在經濟性上可以達到相應的要求，但是其負荷裕度達到了0．143，可以發現此時距離負荷高峰數值僅僅相差4．3%，隨著負荷的增加，面臨著電壓崩潰的風險，系統并沒有處于最佳運行狀態。

4.2 附加模態優化分析

在系統的調度優化中，加入系統靜態電壓約束條件，這樣就可以實現系統的附加模態運行，這樣在分析計算后就會得到不同的優化方案，從而實現系統的安全穩定運行，防止系統出現相應的風險，發揮低碳調度的優勢和優點。

表3 附加模態下系統的調度優化方案

對于附加模態下來說，通過加入相應的系統靜態電壓約束，各節點的出力發生了相應的變化，而通過上述表格的碳捕集設備臨界成本來說，節點1、3、10滿足相應的碳捕集設備開啟條件，但是為了滿足系統的負荷裕度約束，只開啟了相應的節點1和3中的碳捕集設備，此時情況下，系統的負荷裕度變為1．15，可以發現高峰負荷點時可以具有85%的負荷裕度，保證了系統經濟性的同時，維護系統的安全運行。

5 結 語

對于整個電力系統來說，為了更加低碳運行，滿足系統的可持續發展，在發電設備出加入碳捕集設備成為一種常見的選擇，為了實現系統的經濟運行，需要在電力系統的優化調度中考慮碳排放和碳捕集的經濟和收益情況，本文進行了低碳電力調度分析，得到了正常模態和附加模態下的電力調度模型，可以實現相應的優化功能，在附加模態中沒有對系統的靜態電壓進行考慮，可以實現系統的經濟運行，但是會存在一定的安全風險，而在附加模態的優化調度中，不僅考慮系統的整體成本，同時將系統的靜態電壓納入了調度模型約束中，從而實現系統的安全穩定運行，在滿足條件的情況下保證系統的充分地負荷裕度。