計及碳捕集電廠靈活響應(yīng)的電力生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型設(shè)計與仿真

劉 巖，葉振豪，張夕佳，黃紅偉，毛文照

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100102）

碳捕集電廠本質(zhì)上是對傳統(tǒng)火電廠實(shí)施改造，增設(shè)碳捕集裝置后形成的新型常規(guī)能源電廠[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]研究了碳捕集電廠參與低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度后系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度轉(zhuǎn)向了碳排放與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)優(yōu)化的問題。文獻(xiàn)[5-6]研究了碳捕集電廠靈活調(diào)度的特性，構(gòu)建了考慮能量轉(zhuǎn)移特性的優(yōu)化調(diào)度方法，同時討論不同時序優(yōu)化中備用容量的預(yù)留合理性問題。文獻(xiàn)[7]研究了碳捕集電廠與電價型需求側(cè)響應(yīng)互動問題，并提出一種考慮二者互動的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[8-9]研究了新能源及負(fù)荷不確定性特征，討論了考慮不確定性因素影響的含碳捕集電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[10-11]研究了碳捕集電廠、儲能裝置、電轉(zhuǎn)氣裝置的協(xié)同問題，并構(gòu)建面向碳捕集、儲能、電氣協(xié)同的優(yōu)化調(diào)度方法。

從上述分析可以看出，當(dāng)前對碳捕集電廠參與下的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法研究仍處于起步階段，且對碳捕集電廠運(yùn)行特性分析及其與大電網(wǎng)協(xié)調(diào)互動機(jī)制的研究并不充分。該文以溶液存儲型碳捕集電廠為對象，研究其靈活調(diào)度特性，提出了考慮其靈活調(diào)度的大電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。

1 運(yùn)行特性與靈活調(diào)度模型

1.1 結(jié)構(gòu)特征

碳捕集電廠是在傳統(tǒng)火電機(jī)組中加裝碳捕集裝置改造形成的具有CO2捕集功能的新型電源[12-13]。火電廠實(shí)施碳捕集包括CO2分離與CO2壓縮兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如圖1 所示，火電廠燃燒發(fā)電產(chǎn)生富含CO2的尾氣。首先經(jīng)過吸收塔進(jìn)行尾氣脫碳，產(chǎn)生低碳尾氣和吸附液，以當(dāng)前常用的乙醇胺類吸收法為例，CO2吸收率能夠達(dá)到85%～95%[14]，可直接降低火電廠產(chǎn)生的碳排放量。隨后CO2吸附液被送至解析塔，實(shí)現(xiàn)CO2與吸附液的分離，脫碳的吸附液重新返回吸收塔循環(huán)利用；而解析產(chǎn)生的CO2將在壓縮器中壓縮并進(jìn)行集中處理，以避免對環(huán)境產(chǎn)生直接影響。其中由吸收塔流向解析塔的吸附液CO2含量較高，通常稱為富液；而解析塔流向吸收塔的吸附液CO2含量較低，稱為貧液。

圖1 碳捕集框架

1.2 靈活運(yùn)行方式

碳捕集電廠的靈活調(diào)度可通過分流和溶液存儲兩種方式來實(shí)現(xiàn)，從而改變其電-碳特性。分流方式是指通過調(diào)整進(jìn)入CO2吸收塔的尾氣量，改變碳捕集裝置運(yùn)行工況，從而優(yōu)化整個碳捕集電廠電-碳運(yùn)行特性的靈活運(yùn)行方式[15]。而溶液存儲方式則是通過調(diào)整吸收塔、解析塔之間的吸附液流速及流向改變CO2處理效率，從而優(yōu)化整個碳捕集電廠電-碳運(yùn)行特性的靈活運(yùn)行方法[16]。兩種方式相比，溶液存儲型碳捕集電廠在靈活調(diào)度期間并不會改變實(shí)際CO2的排放，即不影響其減排效果且更符合運(yùn)行要求，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

如圖2 所示，溶液存儲型碳捕集電廠在吸收塔與解析塔之間，增加了富液罐和貧液罐，從而改變CO2的實(shí)際處理效率。該方式下，碳捕集電廠具有正常處理、加速處理、減速處理三種運(yùn)行方式。正常處理方式下，富液罐和貧液罐不參與吸附液循環(huán)，吸收塔及解析塔按照實(shí)際CO2排放速率進(jìn)行捕集；加速處理方式下，富液罐將存儲的CO2富液排向解析塔，貧液罐將主動存儲解析塔排出的過量CO2貧液，通過提升解析塔工作速率，提高CO2解析處理的效率；減速處理與加速處理方式相反，吸收塔產(chǎn)生的部分富液將流向富液罐短時存儲，貧液罐將向吸收塔對應(yīng)補(bǔ)充吸附液，解析塔處理效率下降，因此整體CO2處理效率也相應(yīng)降低。需要指出的是3 種運(yùn)行方式下，吸收塔對火電廠尾氣的吸收效率并未改變，即不影響整個電廠的實(shí)際碳排放，而是改變解析塔中CO2解析以及后續(xù)壓縮效率。

圖2 溶液存儲型碳捕集電廠運(yùn)行方式

1.3 靈活調(diào)度模型

碳捕集裝置對火電廠而言本質(zhì)上屬于耗電設(shè)備，其耗電功率既包括固定部分，也包括與捕集效率相關(guān)的部分，可表示為：

對吸收塔而言，其CO2吸收速率與火電廠碳排放強(qiáng)度及吸收率有關(guān)，可表示為：

對解析塔和壓縮塔，其處理效率應(yīng)與吸收塔吸收效率及溶液存儲器交換效率相匹配，可表示為：

對于富液罐、貧液罐兩個溶液存儲罐的容量交換速率應(yīng)滿足：保證溶液在其存儲能力范圍內(nèi)，且優(yōu)化時段初始狀態(tài)的溶液儲量相等，以上運(yùn)行條件可表示為：

2 低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1 設(shè)計原理

從上述碳捕集電廠運(yùn)行特性的分析可知，若碳捕集電廠能夠響應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行指令，在負(fù)荷高峰時段采用減速方式；而在低谷時段采用加速方式，則將產(chǎn)生削峰填谷的效果，并有利于促進(jìn)新能源消納。

但由于碳捕集電廠自身運(yùn)行狀態(tài)尚未納入電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度范疇，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度并不具備激勵碳捕集電廠自發(fā)調(diào)整其運(yùn)行方式的能力。為此，該文提出將碳捕集電廠凈發(fā)電功率、碳捕集耗電功率均納入優(yōu)化模型的方式。在高峰時段剔除備用容量中的碳捕集耗電功率影響，促使電廠自發(fā)降低其碳捕集效率；而在低谷時段將碳捕集耗電功率視為需求響應(yīng)并給予補(bǔ)償，促使電廠主動加大碳捕集效率。

需要說明的是，以上高峰、低谷均為考慮新能源發(fā)電影響后的等效負(fù)荷峰谷區(qū)間。而對于高比例新能源接入電網(wǎng)，則必須考慮新能源對傳統(tǒng)電力供需的影響。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

按照上述思路，文中所提出的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型以購電成本和新能源損失電量最低為優(yōu)化目標(biāo)，可表示為：

2.3 約束條件

所需要考慮的約束條件主要包括：電力平衡約束、斷面運(yùn)行約束、新能源運(yùn)行約束、火電機(jī)組運(yùn)行約束與碳捕集特性約束。除了上文所述的碳捕集特性約束外，其他約束條件如下所示：

以式（12）為優(yōu)化目標(biāo)，綜合各種約束條件，即可構(gòu)建考慮碳捕集電廠靈活調(diào)度的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。該模型的本質(zhì)是混合整數(shù)規(guī)劃問題，可采用分支定界法或調(diào)用Cplex 等商用規(guī)劃軟件包求解得到。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，該文在IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)造了算例進(jìn)行仿真計算實(shí)驗(yàn)。算例中共有6 處電源，設(shè)置為4 處火電廠和2 處新能源電站，總裝機(jī)為916.1 MW，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電源信息

選取位于節(jié)點(diǎn)8 的火電作為碳捕集電廠，其相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 碳捕集電廠參數(shù)信息

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷與新能源功率預(yù)測結(jié)果繪制等效負(fù)荷曲線，如圖3所示。設(shè)置高峰時段為10:00～12:00，低谷時段為3:00～5:00。

圖3 等效負(fù)荷曲線

根據(jù)文中所提方法，碳捕集電廠的發(fā)電計劃，如圖4 所示。可以發(fā)現(xiàn)高峰時段的碳捕集量低于低谷時段，從而為新能源消納留出空間。

圖4 碳捕集電廠發(fā)電計劃

3.3 對比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法在促進(jìn)碳捕集電廠主動參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、降低碳排放以及促進(jìn)新能源消納方面的效益，將其與無激勵措施進(jìn)行比較，并得出兩種方法的運(yùn)行差異。所謂無激勵措施優(yōu)化方法，本質(zhì)上是在該文方法的優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，不考慮碳捕集電廠在高峰時段減速處理、低谷時段加速處理所帶來的削峰填谷補(bǔ)償。

從表3 可以看出，所提方法在高峰時段采取減速處理模式，降低自身碳捕集功率，相較無激勵措施優(yōu)化方法，其增加的發(fā)電能力最大為5 MW；當(dāng)處于低谷時段時，其通過加速處理增加自身碳捕集功率，因此避免了深度調(diào)峰問題。而無激勵措施優(yōu)化方法，則面臨最大5 MW 的深度調(diào)峰需求。

表3 運(yùn)行效益對比

4 結(jié)束語

該文研究了碳捕集電廠靈活調(diào)度模式，提出了基于碳捕集電廠靈活調(diào)度的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。結(jié)果顯示，通過引入高峰低谷補(bǔ)償價格信號，激勵碳捕集電廠高峰時段減速處理、低谷時段加速處理，可有效提升系統(tǒng)高峰發(fā)電及低谷調(diào)峰能力。后續(xù)還將進(jìn)一步針對優(yōu)化補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行研究設(shè)計，進(jìn)而更有效地促進(jìn)碳捕集電廠自發(fā)參與電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度。