計及碳捕集電廠靈活響應的電力生產調度優化模型設計與仿真

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）

碳捕集電廠本質上是對傳統火電廠實施改造，增設碳捕集裝置后形成的新型常規能源電廠[1-2]。文獻[3-4]研究了碳捕集電廠參與低碳經濟調度后系統優化目標的轉變，從傳統的經濟調度轉向了碳排放與經濟協調優化的問題。文獻[5-6]研究了碳捕集電廠靈活調度的特性，構建了考慮能量轉移特性的優化調度方法，同時討論不同時序優化中備用容量的預留合理性問題。文獻[7]研究了碳捕集電廠與電價型需求側響應互動問題，并提出一種考慮二者互動的綜合能源系統低碳經濟調度模型。文獻[8-9]研究了新能源及負荷不確定性特征，討論了考慮不確定性因素影響的含碳捕集電廠協調優化調度方法。文獻[10-11]研究了碳捕集電廠、儲能裝置、電轉氣裝置的協同問題，并構建面向碳捕集、儲能、電氣協同的優化調度方法。

從上述分析可以看出，當前對碳捕集電廠參與下的低碳經濟調度方法研究仍處于起步階段，且對碳捕集電廠運行特性分析及其與大電網協調互動機制的研究并不充分。該文以溶液存儲型碳捕集電廠為對象，研究其靈活調度特性，提出了考慮其靈活調度的大電網低碳經濟調度方法。

1 運行特性與靈活調度模型

1.1 結構特征

碳捕集電廠是在傳統火電機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]。火電廠實施碳捕集包括CO2分離與CO2壓縮兩個關鍵環節。如圖1 所示，火電廠燃燒發電產生富含CO2的尾氣。首先經過吸收塔進行尾氣脫碳，產生低碳尾氣和吸附液，以當前常用的乙醇胺類吸收法為例，CO2吸收率能夠達到85%～95%[14]，可直接降低火電廠產生的碳排放量。隨后CO2吸附液被送至解析塔，實現CO2與吸附液的分離，脫碳的吸附液重新返回吸收塔循環利用；而解析產生的CO2將在壓縮器中壓縮并進行集中處理，以避免對環境產生直接影響。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 靈活運行方式

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

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，吸收塔及解析塔按照實際CO2排放速率進行捕集；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補充吸附液，解析塔處理效率下降，因此整體CO2處理效率也相應降低。需要指出的是3 種運行方式下，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際碳排放，而是改變解析塔中CO2解析以及后續壓縮效率。

圖2 溶液存儲型碳捕集電廠運行方式

1.3 靈活調度模型

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

對吸收塔而言，其CO2吸收速率與火電廠碳排放強度及吸收率有關，可表示為：

對解析塔和壓縮塔，其處理效率應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滿足：保證溶液在其存儲能力范圍內，且優化時段初始狀態的溶液儲量相等，以上運行條件可表示為：

2 低碳經濟調度模型

2.1 設計原理

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

但由于碳捕集電廠自身運行狀態尚未納入電網統一調度范疇，傳統經濟調度并不具備激勵碳捕集電廠自發調整其運行方式的能力。為此，該文提出將碳捕集電廠凈發電功率、碳捕集耗電功率均納入優化模型的方式。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并給予補償，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電影響后的等效負荷峰谷區間。而對于高比例新能源接入電網，則必須考慮新能源對傳統電力供需的影響。

2.2 優化目標

按照上述思路，文中所提出的低碳經濟調度模型以購電成本和新能源損失電量最低為優化目標，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、斷面運行約束、新能源運行約束、火電機組運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）為優化目標，綜合各種約束條件，即可構建考慮碳捕集電廠靈活調度的低碳經濟調度模型。該模型的本質是混合整數規劃問題，可采用分支定界法或調用Cplex 等商用規劃軟件包求解得到。

3 算例分析

3.1 基礎數據

為了驗證所提方法的有效性，該文在IEEE-30節點系統基礎上構造了算例進行仿真計算實驗。算例中共有6 處電源，設置為4 處火電廠和2 處新能源電站，總裝機為916.1 MW，詳細數據如表1 所示。

表1 電源信息

選取位于節點8 的火電作為碳捕集電廠，其相關參數如表2 所示。

表2 碳捕集電廠參數信息

3.2 數據分析

根據系統負荷與新能源功率預測結果繪制等效負荷曲線，如圖3所示。設置高峰時段為10:00～12:00，低谷時段為3:00～5:00。

圖3 等效負荷曲線

根據文中所提方法，碳捕集電廠的發電計劃，如圖4 所示。可以發現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 碳捕集電廠發電計劃

3.3 對比分析

為進一步驗證所提方法在促進碳捕集電廠主動參與電網優化調度、降低碳排放以及促進新能源消納方面的效益，將其與無激勵措施進行比較，并得出兩種方法的運行差異。所謂無激勵措施優化方法，本質上是在該文方法的優化模型基礎上，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，相較無激勵措施優化方法，其增加的發電能力最大為5 MW；當處于低谷時段時，其通過加速處理增加自身碳捕集功率，因此避免了深度調峰問題。而無激勵措施優化方法，則面臨最大5 MW 的深度調峰需求。

表3 運行效益對比

4 結束語

該文研究了碳捕集電廠靈活調度模式，提出了基于碳捕集電廠靈活調度的低碳經濟調度方法。結果顯示，通過引入高峰低谷補償價格信號，激勵碳捕集電廠高峰時段減速處理、低谷時段加速處理，可有效提升系統高峰發電及低谷調峰能力。后續還將進一步針對優化補償機制進行研究設計，進而更有效地促進碳捕集電廠自發參與電網優化調度。