煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)及低碳運(yùn)行優(yōu)化研究

穆云飛 ，吳志軍 ，郭浩辰 ，賈宏杰 ，王成山

（1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；2. 天津市智慧能源與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072；3. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

一、前言

為了抑制全球氣溫升高、應(yīng)對(duì)全球氣候變化，世界各國(guó)在控制和減少溫室氣體排放方面采取積極行動(dòng)，我國(guó)也正式提出了碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標(biāo)。然而，受制于以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)，我國(guó)碳減排壓力極大[1,2]。富煤、貧油、少氣是現(xiàn)實(shí)國(guó)情，在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)較難改變，煤炭在能源安全中仍然發(fā)揮著兜底保障作用[3]。受“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，未來(lái)煤炭行業(yè)的發(fā)展將由“擴(kuò)能保供、滿足居民用煤”逐步轉(zhuǎn)向“高質(zhì)量地開(kāi)發(fā)利用煤炭、滿足居民美好生活需求”，有序降低煤炭能源消耗、加快煤炭開(kāi)發(fā)利用的低碳化進(jìn)程成為重要趨勢(shì)。

在煤炭的開(kāi)采、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換、利用的全生命周期內(nèi)，開(kāi)采是產(chǎn)生碳排放的重要環(huán)節(jié)。盡管煤炭開(kāi)采過(guò)程的碳排放僅占煤炭全生命周期碳排放的10%[4]，但作為工業(yè)過(guò)程所消耗的能源是相當(dāng)可觀的。2020 年我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程用能碳排放量為2.57×108t，自2010年起噸煤電耗碳排放不斷增長(zhǎng)[5]。為此，需要高度重視煤炭開(kāi)采過(guò)程的低碳化。《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》（2016 年）[6]提出，因地制宜推廣充填開(kāi)采、保水開(kāi)采、煤與瓦斯共采、矸石不升井等綠色開(kāi)采技術(shù)。《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見(jiàn)》（2022 年）[7]要求，建立煤礦綠色發(fā)展長(zhǎng)效機(jī)制，開(kāi)展煤礦資源綜合利用及礦區(qū)生態(tài)治理與修復(fù)，支持煤礦充填開(kāi)采技術(shù)推廣應(yīng)用。整體上，煤礦區(qū)綠色低碳發(fā)展成為極具現(xiàn)實(shí)意義的技術(shù)與應(yīng)用課題。

行業(yè)機(jī)構(gòu)、專家學(xué)者就煤礦區(qū)綠色低碳發(fā)展開(kāi)展了前瞻研究，如構(gòu)建煤礦“減碳”有機(jī)體系、提出煤礦低碳運(yùn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化模式[8]，支持煤炭與其他能源深度耦合發(fā)展、形成煤炭清潔利用新模式[9]，明確煤及共伴生資源精準(zhǔn)協(xié)同開(kāi)發(fā)、煤炭清潔高效利用、碳中和科學(xué)發(fā)展等創(chuàng)新方向[10]。雖然已有研究關(guān)注到煤礦區(qū)多能源共采、多能耦合發(fā)展的低碳潛力，但理論支撐不顯充分、具體方案有待深化，制約了煤礦區(qū)新能源和伴生能源整合利用的推進(jìn)程度。綜合能源微網(wǎng)作為一種智慧型能源綜合利用的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，能夠支持實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)電、冷、熱、氣等能源的高效集成，可為解決上述問(wèn)題提供新的解決方案。

本文結(jié)合煤炭行業(yè)發(fā)展背景、煤礦區(qū)綠色低碳發(fā)展需求，將綜合能源微網(wǎng)技術(shù)拓展應(yīng)用到煤礦區(qū)，提出煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)并分析發(fā)展要素，建立煤礦區(qū)的物質(zhì)流 - 能量流 - 碳流樞紐（MECH）模型，開(kāi)展煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同低碳運(yùn)行優(yōu)化，形成綜合能源微網(wǎng)視角下煤礦區(qū)低碳化轉(zhuǎn)型發(fā)展建議。

二、煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的發(fā)展背景

（一）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)應(yīng)用的基本需求

當(dāng)前，煤礦區(qū)綠色低碳發(fā)展尚處起步階段，相關(guān)研究和應(yīng)用存在一些問(wèn)題。一是各類能源孤立地進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。我國(guó)煤礦單位產(chǎn)值能耗偏高，而礦井瓦斯、礦井余熱等伴生能源未能得到充分利用，如煤礦瓦斯的綜合利用率僅為38.2%，大量的瓦斯直接被排空[11]。實(shí)際上，煤礦區(qū)可獲取的能源種類多樣，如風(fēng)、光等新能源，煤層氣，礦井涌水等；但因礦區(qū)各單位的隸屬關(guān)系及性質(zhì)不同，難以從系統(tǒng)角度統(tǒng)籌多種能源的開(kāi)發(fā)與利用[12]，致使能源多為孤立開(kāi)發(fā)利用，帶來(lái)了能源綜合利用率低、用能碳排放強(qiáng)度高的情況。二是物質(zhì)流、能量流、碳流的耦合關(guān)系復(fù)雜。隨著煤礦區(qū)內(nèi)綜合能源微網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜和多元，電、冷、熱等能量流與瓦斯、礦井涌水等物質(zhì)流高度耦合，加之不同能量流、物質(zhì)流的碳排放特性差異明顯，產(chǎn)生了極為復(fù)雜的物質(zhì)流、能量流、碳流耦合關(guān)系。煤礦區(qū)內(nèi)多能源綜合利用與碳減排的協(xié)同互濟(jì)，成為未來(lái)煤礦區(qū)實(shí)現(xiàn)低碳運(yùn)行的瓶頸環(huán)節(jié)。

綜合能源微網(wǎng)明顯改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)單一電力潮流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集成連接在配電網(wǎng)下的分布式新能源、儲(chǔ)能與負(fù)荷，進(jìn)而開(kāi)展整體設(shè)計(jì)與協(xié)同運(yùn)行，將顯著增強(qiáng)配電網(wǎng)與用戶的能量互動(dòng)性，最大化地促進(jìn)新能源就地消納。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（2022 年）提出，發(fā)展以消納新能源為主的智能微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的兼容互補(bǔ)[13]。過(guò)去20 年，在“973計(jì)劃”“863計(jì)劃”“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等項(xiàng)目的支持下，微網(wǎng)技術(shù)研究與工程應(yīng)用取得重大突破[14]。然而，我國(guó)煤礦區(qū)的的微網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用水平不高，煤礦能源的供給仍然依賴外部電網(wǎng)的電力和煤炭的燃燒發(fā)電，導(dǎo)致煤礦區(qū)大量的風(fēng)、光、熱、氣等綜合能源未能得到有效利用。

（二）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)條件

發(fā)揮煤礦區(qū)所具有的天然資源優(yōu)勢(shì)，由綜合能源微網(wǎng)集成連接風(fēng)、光、水、熱、氣等能源資源，將促進(jìn)多種能源高效利用并為多類型負(fù)荷可靠供能，從而充分發(fā)揮煤礦區(qū)綜合能源的節(jié)能減碳潛力，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)保效益。

1. 風(fēng)、光等新能源

我國(guó)太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富，具有明顯的地區(qū)差異性。太陽(yáng)能具有西部地區(qū)多于中東部地區(qū)，高原、少雨干燥地區(qū)多，平原、多雨高濕地區(qū)少的分布特點(diǎn)[15]。風(fēng)能在東北地區(qū)東部、內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部、新疆維吾爾自治區(qū)北部和東部、甘肅省西部和北部、青藏高原等區(qū)域最為密集。基于2022年我國(guó)太陽(yáng)能、風(fēng)能分布以及煤礦分布情況分析，我國(guó)大部分煤礦聚集區(qū)都具有較豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源[16]。這就為構(gòu)建煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)清潔用能確定了能源基礎(chǔ)。

2. 煤礦區(qū)伴生能源

一是煤礦瓦斯。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，常產(chǎn)生大量的煤礦瓦斯。我國(guó)深埋在2000 m 及以上的瓦斯氣體資源約為8×1012m3，幾乎與陸地上常規(guī)天然氣的資源總量相當(dāng)[17]。對(duì)煤礦瓦斯加以利用，為煤礦區(qū)供電和供熱，具有充足的資源條件。瓦斯中的主要成分CH4是強(qiáng)溫室氣體，具有較CO2更為顯著的增溫效益。我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中的CH4排放量約占全國(guó)總排放量的40%[18]，開(kāi)展CH4清潔利用可發(fā)揮顯著的減排潛力。

二是礦井涌水。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，大量的礦井涌水從礦井底部水倉(cāng)涌至地面，攜帶著豐富的熱能。在深度為1 km 的礦井中，礦井涌水的溫度通常為45～65 ℃，部分地區(qū)的涌水溫度超過(guò)70 ℃[19]。相比來(lái)自自然含水層的取水，礦井采礦產(chǎn)生的巖石和地下水之間具有更大的熱交換面積，加之礦井的滲透性良好，利于大量產(chǎn)生帶熱能的地下水。

三是空氣熱。為了確保礦井生產(chǎn)安全，必須對(duì)礦井進(jìn)行通風(fēng)，通風(fēng)量基本保持恒定。受地?zé)嶙饔煤螅V井回風(fēng)中蘊(yùn)藏著大量的空氣熱。通常，煤礦深度每增加30 m，回風(fēng)溫度就會(huì)升高1 ℃[20]；礦井回風(fēng)的熱資源具有溫度恒定的優(yōu)點(diǎn)，是較為穩(wěn)定的余熱資源，可滿足煤礦區(qū)用熱需求，具有很高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

三、煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)及其要素

（一）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)

本研究從煤礦區(qū)新能源和伴生能源綜合利用角度出發(fā)，提出了煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)（見(jiàn)圖1），這一架構(gòu)涵蓋了能源供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、需求等環(huán)節(jié)。其中，電能供應(yīng)包括電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏發(fā)電，熱能供應(yīng)包括瓦斯、空氣熱、礦井涌水，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包括光伏機(jī)組（PV）、風(fēng)電機(jī)組（WT）、瓦斯蓄熱氧化裝置（VOD）、空氣源熱泵（ASHP）、水源熱泵（WSHP）、電制冷（EC）、吸收式制冷（AC），能源存儲(chǔ)設(shè)備包括電儲(chǔ)能（ES）、熱儲(chǔ)能（TS），能源需求包括電、冷、熱等類型的負(fù)荷。

圖1 煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)

煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)相比傳統(tǒng)的供能模式具有三方面的新特征。① 集成高效。集成了風(fēng)、光等新能源以及瓦斯、地下水熱、空氣熱等伴生能源，可實(shí)現(xiàn)多種形式能源之間的互補(bǔ)協(xié)同，在滿足多元化用能需求的同時(shí)提高能源綜合利用率。② 靈活可調(diào)。多能互補(bǔ)特性和儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱等儲(chǔ)能裝置賦予了其靈活可調(diào)能力，構(gòu)成了穩(wěn)定、清潔、高效的供能系統(tǒng)，可滿足電、冷、熱等多種用能需求。從電網(wǎng)的角度看，等效于電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，又是功率可調(diào)、具有模塊化特征的整體單元。③ 低碳環(huán)保。在煤礦區(qū)生產(chǎn)和生活負(fù)荷得到滿足的前提下，優(yōu)先利用環(huán)保性更高的新能源和伴生能源，切實(shí)降低對(duì)煤炭發(fā)電和電網(wǎng)供電的依賴，從而減少煤礦區(qū)的用能碳排放量。

（二）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)要素分析

煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)集成了新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、能量?jī)?yōu)化調(diào)度等方面的技術(shù)要素，用于協(xié)調(diào)特性各異的多種能源，實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)同互補(bǔ)，進(jìn)而提高煤礦區(qū)能源綜合利用水平。

1. 新能源發(fā)電

煤礦區(qū)的煤炭開(kāi)采不可避免地造成區(qū)域性土地塌陷。我國(guó)23個(gè)省份的151個(gè)縣市，采煤沉陷區(qū)的總面積超過(guò)3×107畝（1 畝≈666.7 m2）[21]。在采煤沉陷區(qū)發(fā)展風(fēng)電、光伏發(fā)電，可有效利用被破壞的閑置土地，改善煤礦區(qū)能源結(jié)構(gòu)以降低碳排放量。部分地區(qū)結(jié)合當(dāng)?shù)夭擅撼料輩^(qū)現(xiàn)狀、系統(tǒng)調(diào)節(jié)消納能力等情況，推動(dòng)在采煤沉陷區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電[22]，已有多處“風(fēng)電光伏+采煤沉陷區(qū)治理”項(xiàng)目開(kāi)始運(yùn)行（見(jiàn)表1）。

2. 儲(chǔ)能

與傳統(tǒng)微網(wǎng)相比，煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)在面臨風(fēng)、光等新能源出力波動(dòng)的不確定性以外，還面臨因礦井環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備檢修等因素干擾而帶來(lái)的能源和生產(chǎn)用能不確定性。在煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)中，需要提高生產(chǎn)用能負(fù)荷與新能源、伴生能源的匹配度，降低煤礦區(qū)多重不確定性對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的不利影響。也要注意到，煤礦區(qū)對(duì)井筒保溫、井下制冷、礦井供電等類型的能源有著獨(dú)特而剛性的需求，安全性要求最高，可調(diào)節(jié)的柔性負(fù)荷較少。為此，在不改變用能需求的前提下，利用儲(chǔ)能技術(shù)平移負(fù)荷，可促進(jìn)新能源和伴生能源的利用與消納，維持系統(tǒng)能源供需平衡，保障供能質(zhì)量，降低對(duì)電網(wǎng)供電的依賴。

現(xiàn)有的煤礦區(qū)儲(chǔ)能技術(shù)，除鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等電化學(xué)儲(chǔ)能[27]，顯熱、潛熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱等儲(chǔ)熱 / 儲(chǔ)冷形式[28]之外，還包括結(jié)合煤礦區(qū)地質(zhì)特征發(fā)展起來(lái)的礦井儲(chǔ)能，如煤礦區(qū)抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能。抽水蓄能是煤礦區(qū)常用的物理儲(chǔ)能方式，具有使用壽命長(zhǎng)、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。煤礦區(qū)抽水蓄能技術(shù)發(fā)展條件相對(duì)明確，涌現(xiàn)出了煤礦地下水庫(kù)、礦井水循環(huán)利用與抽水蓄能發(fā)電一體化等技術(shù)構(gòu)想[29]。壓縮空氣儲(chǔ)能主要采用煤礦區(qū)可再生能源或電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力，對(duì)采空區(qū)空氣進(jìn)行壓縮，隨后在用電高峰時(shí)釋放高壓空氣發(fā)電，為廢棄煤礦地下空間的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用創(chuàng)造了需求。廢棄煤礦地下儲(chǔ)能庫(kù)建設(shè)、地下儲(chǔ)能庫(kù)密封性及穩(wěn)定性特征、廢棄煤礦地下空間壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)施挑戰(zhàn)等獲得了深入研究[30]。

3. 伴生能源利用

近年來(lái)，煤礦區(qū)的瓦斯、地下涌水、空氣熱等伴生能源利用課題受到較多關(guān)注。受不同瓦斯開(kāi)發(fā)方式及開(kāi)發(fā)階段的影響，煤礦瓦斯?jié)舛确植挤秶^廣，需要針對(duì)性開(kāi)展利用[31]。我國(guó)初步形成了瓦斯全濃度利用技術(shù)體系，如濃度＞30%的瓦斯用于深冷液化提純，濃度為8%～30%的瓦斯用于發(fā)電，濃度＜8%的瓦斯用于蓄熱氧化[32]。瓦斯深冷液化提純基于瓦斯氣體成分在不同氣壓條件下的沸點(diǎn)差異性，在低溫低壓條件下分離出CH4與其他氮氧化物[33]。瓦斯發(fā)電指將濃度為8%～30%的瓦斯經(jīng)穩(wěn)濃脫水處理后送入發(fā)電機(jī)進(jìn)行燃燒發(fā)電[34]。瓦斯蓄熱氧化指將濃度＜8%的瓦斯經(jīng)混配穩(wěn)濃處理后送入蓄熱氧化裝置產(chǎn)生熱能[35]，逐漸成為處理極低濃度瓦斯的主流技術(shù)形式。

在煤礦區(qū)空氣熱和涌水熱利用方面，主要采用熱泵將礦井回風(fēng)、井下涌水中的低熱源轉(zhuǎn)換為可利用的高位熱能，以此實(shí)現(xiàn)其余熱再利用。對(duì)于礦井回風(fēng)空氣熱，可采用空氣源熱泵提取乏風(fēng)中的空氣熱；根據(jù)回風(fēng)是否直接引入熱泵，將空氣源熱泵取熱分為直蒸式、間蒸式2 種[36]。對(duì)于礦井涌水熱，可采用水源熱泵消耗電能，將水中的低位熱能吸收并轉(zhuǎn)化為高位熱能，相應(yīng)處理是目前煤礦區(qū)低溫余熱利用的最有效形式[37]。

4. 多能耦合轉(zhuǎn)換

煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)中，源端不同能源資源之間具有時(shí)空分布的顯著差異性。通過(guò)多能耦合轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、電、熱、氣等資源的協(xié)同，由此增強(qiáng)煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力。

以煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)為例，風(fēng)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)購(gòu)電等，既可為電負(fù)荷提供電能，也可通過(guò)EC 轉(zhuǎn)化為冷能供冷負(fù)荷使用；瓦斯蓄熱氧化產(chǎn)生的熱能以及涌水熱、空氣熱，既可為熱負(fù)荷供熱，也可通過(guò)AC 轉(zhuǎn)化為冷能供冷負(fù)荷使用。多能耦合轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)中多種異質(zhì)能源之間的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，更好滿足多元化用能需求，提高能源綜合利用效率。

5. 能量?jī)?yōu)化調(diào)度

能量?jī)?yōu)化調(diào)度指根據(jù)分布式電源出力預(yù)測(cè)、微網(wǎng)用能需求等數(shù)據(jù)，按照特定的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件來(lái)制定微網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)度策略；通過(guò)對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷的靈活調(diào)度，實(shí)現(xiàn)綜合能源微網(wǎng)在特定目標(biāo)下的優(yōu)化運(yùn)行。綜合能源微網(wǎng)的能量?jī)?yōu)化調(diào)度旨在充分挖掘不同能源之間的互補(bǔ)替代性，以多種能源互補(bǔ)協(xié)同來(lái)提高能源綜合利用效率，這與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中各類能源相互獨(dú)立運(yùn)行存在顯著區(qū)別。拓展微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)靈活調(diào)度風(fēng)、光、地下涌水、空氣熱、瓦斯等能源，增強(qiáng)煤礦區(qū)的能源供需平衡能力。

針對(duì)煤礦區(qū)能量?jī)?yōu)化調(diào)度的研究已有開(kāi)展。根據(jù)煤礦資源稟賦及地質(zhì)特征，將電轉(zhuǎn)氣與瓦斯存儲(chǔ)利用相結(jié)合，構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣 - 瓦斯摻混的煤礦多資源循環(huán)利用架構(gòu)；面向以煤炭伴生資源為主的不確定性波動(dòng)，提出了基于信息間隙決策理論的系統(tǒng)魯棒調(diào)度策略，用于電轉(zhuǎn)氣煤礦多能互補(bǔ)研究[38]。構(gòu)建了基于光 - 儲(chǔ) - 氣 - 廢棄礦井抽蓄的多能耦合礦山多能互補(bǔ)系統(tǒng)，發(fā)展了考慮總運(yùn)行成本、棄光量最小化的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)[39]。然而，厘清煤礦區(qū)多能源與碳排放的耦合機(jī)理、發(fā)揮碳能協(xié)同潛力等研究仍待深化。

四、煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同低碳運(yùn)行優(yōu)化

本研究面向煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同狀態(tài)下低碳運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用需求，考慮克服已有研究中的薄弱環(huán)節(jié)，在能源樞紐（EH）模型[40]的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一建模煤礦區(qū)的物質(zhì)流、能量流、碳流，構(gòu)建了煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)MECH模型，以更深刻描述物質(zhì)流、能量流、碳流的復(fù)雜耦合關(guān)系。

（一）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)MECH模型

對(duì)于煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)（見(jiàn)圖1），MECH模型涵蓋物質(zhì)流、能量流、碳流，其中物質(zhì)流包括瓦斯、空氣熱、礦井涌水，能量流包括電能、熱能，碳流包括風(fēng)電和光伏發(fā)電機(jī)組碳排放、各耦合設(shè)備碳排放、源自電網(wǎng)購(gòu)電的碳排放。MECH模型表示如下：

式（1）中，Dk為耦合設(shè)備k的能流輸出，k=1，2，…，m分別代表VOD、ASHP、WSHP、EC、AC；Rk為耦合設(shè)備k的全生命周期碳排放系數(shù)；Ck為Dk對(duì)應(yīng)的碳排放量；“。”為Hadamard乘子，表示兩個(gè)相同維度的向量對(duì)應(yīng)元素相乘。各個(gè)耦合設(shè)備數(shù)學(xué)模型，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[41]。

由耦合設(shè)備數(shù)學(xué)模型、EH 模型，可得耦合設(shè)備能流輸出D與系統(tǒng)能量流及物質(zhì)流輸入的關(guān)系：

式（2）中，G為物質(zhì)流及能流輸入向量；S為各設(shè)備能流輸出與系統(tǒng)物質(zhì)流及能流輸入關(guān)系的耦合矩陣；Ei表示輸入系統(tǒng)的能量流，i=1，2，…，a；Mi表示輸入系統(tǒng)的物質(zhì)流，i=a+1，…，a+b；Ski表示耦合設(shè)備k輸出與第i個(gè)物質(zhì)流或能流輸入的耦合系數(shù)。

（二）基于MECH 的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型

利用MECH模型可得煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)物質(zhì)流或能流變化引起的碳流變化規(guī)律，據(jù)此構(gòu)建節(jié)能降碳協(xié)同的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型：

式（3）中，fp、fm、fb、fc分別為購(gòu)電成本、設(shè)備維護(hù)成本、設(shè)備折舊成本、碳排放成本；T為總時(shí)段數(shù)，Δt為間隔時(shí)間；ce，t為t時(shí)刻的電價(jià)；為t時(shí)刻的購(gòu)電功率；μk、μPV、μWT、μES、μTS分別為設(shè)備k、PV、WT、ES、TS 的單位功率維護(hù)成本；Dk，t、分別為t時(shí)刻設(shè)備k、PV、WT、ES、TS 的實(shí)際出力；ωk、ωPV、ωWT、ωES、ωTS分別為設(shè)備k、PV、WT、ES、TS 的折舊成本系數(shù)；λc為碳排放成本系數(shù)；CCO2為系統(tǒng)碳排放總量。式（4）中，Re、RPV、RWT、RES、RHS分別為電網(wǎng)購(gòu)電、PV、WT、ES、TS 的全生命周期碳排放系數(shù)；Ck，t為t時(shí)刻耦合設(shè)備k的碳排放量。

式（1）～（4）中，設(shè)備的碳排放系數(shù)均是根據(jù)其全生命周期碳排放折算的單位功率碳排放系數(shù)。將各個(gè)設(shè)備的生命周期劃分為設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)輸、建設(shè)、運(yùn)行、退役等環(huán)節(jié)，分別核算各環(huán)節(jié)的碳排放量，累加可得全生命周期的碳排放[42]，最終將各個(gè)設(shè)備的全生命周期碳排放總量與總發(fā)電量或耗電量的比值作為其單位功率碳排放系數(shù)。各個(gè)設(shè)備的全生命周期碳排放系數(shù)核算方式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[43]。

優(yōu)化約束條件包括MECH等式約束（即式（1）和（2））、電冷熱平衡約束、設(shè)備功率約束、ES約束、TS 約束等[44]。構(gòu)建的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型屬于線性優(yōu)化問(wèn)題，故可采用單純形法進(jìn)行求解[45]，相應(yīng)算法流程圖如圖2所示。

圖2 煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同低碳運(yùn)行優(yōu)化流程圖

（三）煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化模型應(yīng)用結(jié)果分析

針對(duì)典型的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)，完成了基于MECH的碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化分析。在系統(tǒng)設(shè)定中，電負(fù)荷需求包括采煤工作面、掘進(jìn)工作面、辦公及生活區(qū)等處的用電；熱負(fù)荷主要有工業(yè)廠房采暖、行政建筑采暖、浴室等低品位熱能需求。采用鋰離子電池儲(chǔ)能、顯熱存儲(chǔ)等技術(shù)方案[46]。系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的周期為1 d，即總時(shí)段T=24 h，間隔時(shí)間Δt=1 h。在煤礦區(qū)的電冷熱負(fù)荷、風(fēng)電、光伏發(fā)電、伴生能源預(yù)測(cè)方面，對(duì)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景縮減，得到典型日?qǐng)鼍皵?shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）[44]。各設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、全生命周期碳排放系數(shù)，分時(shí)電價(jià)，其他參數(shù)等詳見(jiàn)文獻(xiàn)[43,44]。

圖3 煤礦區(qū)電冷熱負(fù)荷、風(fēng)電、光伏、伴生能源預(yù)測(cè)值

為了驗(yàn)證可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能裝置在煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化中的作用，設(shè)置了多種場(chǎng)景（見(jiàn)表2）。不同場(chǎng)景下煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的購(gòu)電成本、維護(hù)成本、碳排放量如表3所示。對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2 可見(jiàn)，安裝PV 降低了1730.62 元的運(yùn)行成本、2871.97 kg的碳排放量。對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景3可見(jiàn)，安裝WT降低了1040.48元的運(yùn)行成本、2343.4 kg的碳排放量。對(duì)比場(chǎng)景1 和場(chǎng)景4 可見(jiàn)，同時(shí)安裝PV和WT，可降低2806.06元的運(yùn)行成本、5720.23 kg的碳排放量；相應(yīng)收益大于分別安裝PV和WT，表明同時(shí)安裝PV 和WT 具有協(xié)同增效作用。對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景5～7可見(jiàn)，安裝ES、HS也可降低運(yùn)行成本和碳排放量，同時(shí)安裝ES和HS也具有協(xié)同增效作用。

表2 煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行的場(chǎng)景設(shè)置

表3 各場(chǎng)景下煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的運(yùn)行成本和碳排放量

為進(jìn)一步體現(xiàn)PV、WT、儲(chǔ)能裝置對(duì)煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行策略的影響，對(duì)比了場(chǎng)景1 和場(chǎng)景4下系統(tǒng)的電能供需情況（見(jiàn)圖4）。場(chǎng)景1中00:00—06:00、20:00—24:00 時(shí)段，系統(tǒng)主要采用WT 供能，在不足以滿足負(fù)荷用電需求時(shí)輔以電網(wǎng)購(gòu)電；在07:00—19:00時(shí)段，利用WT、PV互補(bǔ)可完全滿足系統(tǒng)的用電需求，無(wú)需再向電網(wǎng)購(gòu)電；電儲(chǔ)能在PV的出力高峰期（08:00—13:00）充電，在新能源出力不足時(shí)段（19:00—24:00）放電，以提高光伏消納能力。而場(chǎng)景4 中，系統(tǒng)用電全部依賴于電網(wǎng)，僅靠電儲(chǔ)能在電價(jià)低谷時(shí)段（00:00—07:00）充電，并在電價(jià)較高時(shí)段（12:00—14:00）放電，可一定程度上輔助降低購(gòu)電成本。

圖4 場(chǎng)景1和場(chǎng)景4下系統(tǒng)電能供需情況對(duì)比

通過(guò)MECH模型得到場(chǎng)景1下各個(gè)設(shè)備的碳排放情況如圖5所示，可見(jiàn)煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的碳排放主要源自電網(wǎng)購(gòu)電。當(dāng)08:00 電負(fù)荷開(kāi)始增長(zhǎng)時(shí)，購(gòu)電碳排放量下降，這是因?yàn)镻V 出力增加，系統(tǒng)以低碳排放的光伏發(fā)電代替了高碳排放的電網(wǎng)供電，降低了系統(tǒng)的碳排放量。WSHP碳排放量自08:00 開(kāi)始增長(zhǎng)，而VOD、ASHP 的每小時(shí)碳排放量幾乎保持不變。這是因?yàn)椋?dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，盡管VOD、WSHP、ASHP 都可為負(fù)荷供熱，但是系統(tǒng)優(yōu)先選擇碳排放較低的WSHP出力，以盡可能減少因負(fù)荷增長(zhǎng)帶來(lái)的碳排放。因此，優(yōu)化煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程，可充分考慮各個(gè)設(shè)備的碳能耦合關(guān)系，獲得低碳經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行成效。

圖5 由MECH模型得到的場(chǎng)景1下各設(shè)備碳排放量

五、結(jié)語(yǔ)

本文提出了煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)架構(gòu)，構(gòu)建了煤礦區(qū)MECH模型，發(fā)展了煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同低碳運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)并據(jù)此完成典型煤礦區(qū)應(yīng)用分析。研究發(fā)現(xiàn)，將煤礦區(qū)的風(fēng)、光、瓦斯、空氣熱、涌水熱等資源進(jìn)行整合利用，能夠充分發(fā)揮各類能源形式的資源優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多能互補(bǔ)協(xié)同來(lái)降低煤礦區(qū)的電網(wǎng)購(gòu)電量與用電碳排放量；儲(chǔ)能裝置與風(fēng)電、光伏發(fā)電相結(jié)合，進(jìn)一步提高供能與負(fù)荷需求的匹配度，促進(jìn)更高程度的新能源消納。

煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的MECH模型是對(duì)煤礦區(qū)物質(zhì)流、能量流、碳流之間復(fù)雜耦合關(guān)系的良好表征，得到的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)物質(zhì)流或能流變化引起的碳流變化，為煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化提供了模型支撐。發(fā)展的煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同低碳運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)，是發(fā)揮煤礦區(qū)碳能協(xié)同作用的直接依托，兼顧各個(gè)設(shè)備的能效與碳排放特性以進(jìn)行能源梯級(jí)利用，切實(shí)提升煤礦區(qū)用能的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。基于發(fā)展背景、架構(gòu)與要素、低碳運(yùn)行優(yōu)化等方面的研究梳理，提出我國(guó)煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)的發(fā)展建議如下。

一是加強(qiáng)煤礦區(qū)新能源與伴生能源的整合利用，加快構(gòu)建煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)。以電網(wǎng)供電為主的煤礦區(qū)傳統(tǒng)供能模式與發(fā)展趨勢(shì)不相適應(yīng)，需要挖掘煤礦區(qū)綜合能源資源稟賦，構(gòu)建煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)。能源整合利用不是多種能源及用能過(guò)程的簡(jiǎn)單組合與疊加，而是重在能源替代、能源轉(zhuǎn)化品位對(duì)口互補(bǔ)，引入蓄熱氧化裝置、多類型熱泵、電制冷等耦合設(shè)備，在系統(tǒng)層面上進(jìn)行不同品位能源的綜合互補(bǔ)利用，促進(jìn)礦區(qū)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化革新。在保障用能需求的前提下，盡快實(shí)現(xiàn)新能源、伴生能源對(duì)常規(guī)能源的替代，最大限度地節(jié)約常規(guī)能源。

二是綜合考慮煤礦區(qū)的物質(zhì)流、能量流、碳流，規(guī)模化應(yīng)用煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)碳能協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)。在煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化過(guò)程中，宜綜合考慮電、冷、熱等能量流，瓦斯、涌水、乏風(fēng)等物質(zhì)流，兼顧設(shè)備能效、碳排放特性來(lái)制定經(jīng)濟(jì)且低碳的微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略，以技術(shù)能力升級(jí)推動(dòng)碳能協(xié)同格局下煤礦區(qū)的低碳化轉(zhuǎn)型。

三是發(fā)揮多類型儲(chǔ)能在煤礦區(qū)綜合能源微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化中的關(guān)鍵作用。科學(xué)測(cè)算煤礦區(qū)的風(fēng)、光能源和伴生能源規(guī)模，合理配備多類型的儲(chǔ)能裝置，支撐“風(fēng)光氣熱儲(chǔ)”互補(bǔ)聯(lián)動(dòng)；在提高新能源和伴生能源消納能力的同時(shí)，直接減少電網(wǎng)購(gòu)電的數(shù)量。探索應(yīng)用礦井蓄熱儲(chǔ)能、礦井壓縮空氣儲(chǔ)能等煤礦區(qū)新型儲(chǔ)能方式，充分利用煤礦區(qū)豐富的物理空間，規(guī)模化構(gòu)建儲(chǔ)能能力，合理降低化學(xué)儲(chǔ)能相關(guān)的投資規(guī)模。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:September 22, 2023;Revised date:October 18, 2023

Corresponding author:Mu Yunfei is a professor from the School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University. His major research fields include integrated energy system operation and planning.E-mail: yunfeimu@tju.edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Research on Scientific System and Strategic Path for Carbon Neutral Development of China’s Coal Industry” (2022-XBZD-09); National Natural Science Foundation of China project (52222704)