考慮碳捕集電廠削峰填谷特性的低碳經濟調度

［摘 要］ 針對傳統固定式的高捕集能耗和風光反調峰問題，儲液式碳捕集電廠制定新的調度策略來提高系統低碳經濟特性。首先，對比固定式和儲液式的運行機理，針對負荷峰谷時段各調度資源特性挖掘儲液式存在的削峰填谷特性；然后，構建以兼顧運行成本、棄風量和碳排放的系統綜合成本最低為目標的含溶液存儲模型與碳交易機制的低碳經濟調度模型，采用改進的粒子群優化算法對模型求解；最后，通過仿真算例對比，含儲液式碳捕集電廠的系統碳排放量降低了3.8%，綜合成本降低了5.9%，同時棄風成本降低了65.4%，驗證了所提調度策略的優越性。

［關鍵詞］ 碳達峰； 火電； 碳捕集； 削峰填谷； 碳交易

［中圖分類號］ TM172 ［文獻標識碼］ A

為應對能源危機與溫室效應，實現“雙碳”目標，大力發展以風電為代表的新能源成為電力系統低碳轉型的重要手段[1]。但新能源裝機容量增速過快，若系統靈活性資源不足，其間歇性和不確定性的特點將引發嚴重的棄風棄光問題[2]。此外，在未來相當一段時間內，為確保電力系統保供電大局及安全平穩轉型，火電機組在電力系統中仍然發揮著重要作用，其存在的高碳排和調峰能力不足問題也亟需解決。碳捕集利用與封存（CCUS）技術的出現為解決上述問題提供了新的思路[4]。

火電向下調峰能力不足是導致棄風棄光的主要原因之一，通過在常規火電廠安裝碳捕集系統改造為碳捕集電廠（carbon capture power plant， CCPP）使得火電直接低碳化的同時擴大調度運行范圍[4]，部分提高新能源消納能力。但因碳捕集系統高能耗的現實問題，不同發電調度方式所帶來的CO2排放量的變化將直接影響電力系統運行的總體成本；引入固定式CCPP后，其碳捕集能耗與火電出力耦合的特性將造成高峰負荷時段嚴重的出力和備用壓力[5]；引進儲液裝置使得碳捕集系統能夠迅速響應動態變化的需求和新能源出力，使得火電具備更廣的調度運行區間[6]。在實際運行中，為確保電力系統在滿足電力需求的同時能獲得最佳效益，引入碳排放交易機制[7]平衡成本和低碳水平。

本文針對固定式CCPP和逐年增大的負荷峰谷差之間的矛盾，引入儲液式CCPP，充分激活儲液式與風電配合的調度靈活性，通過挖掘其在負荷峰谷時段的削峰填谷特性研究對消納棄風的合理性，構建低碳經濟調度模型，對比分析三種場景下的系統新能源消納以及低碳經濟調度結果，為CCPP推廣應用后的調度運行提供參考。

1 CCPP特性對比分析

圖1為典型燃燒后固定式和儲液式CCPP的CO2捕集流程[8]，其中EC，t、EX，t和EZ，t分別為火電機組在t時段發電產生、吸收塔和再生塔處理的CO2量；其中儲液CCPP加裝了富/貧液存儲器，EinF，t和EoutF，t為富液存儲器t時段流入和流出的CO2量；EinP，t和EoutP，t對應貧液存儲器CO2流量。

碳捕集裝置利用部分出力和發電側抽取的熱蒸汽對排放的CO2捕集壓縮，碳捕集系統所需能耗大致分為固定能耗PB，t（結構變化引起，為固定值）和運行能耗PR，t[9]，CCPP機組在t時段凈出力：

為對其運行優勢直觀分析，由上述分析結果構建固定式與儲液式CCPP的凈負荷（假設零棄風后剩余負荷）典型峰谷時段調度特性對比分析，顯示儲液式CCPP相對固定式存在良好的“削峰填谷”特性（圖2）。

“填谷”特性：在凈負荷需求低谷時段，常規火電機組因最小技術出力限制，可能造成系統出現嚴重的棄風。固定式因碳捕集能耗的存在降低了火電機組的凈出力下限，但捕集能耗和當前狀態下等效出力耦合，“填谷”能力不足造成系統仍可能面臨嚴重的棄風。儲液式CCPP因儲液裝置的存在，對碳捕集能耗的時移作用使火電機組具備更低的凈出力下限，時移的部分捕集能耗由高峰時段高碳機組出力替換為低谷時段額外消納的風電出力，提高了風電的消納能力，“填谷”作用明顯。

“削峰”特性：凈負荷需求高峰時段系統供需平衡緊張，對于固定式CCPP，此時較高的碳捕集水平導致機組出力壓力激增，出現額外的出力和旋轉備用需求，影響系統的經濟性；而儲液式CCPP因儲液裝置的存在不僅可保持碳捕集水平不變，通過轉移碳捕集能耗至低谷時段，相對固定式極大的緩解了出力壓力，“削峰”作用明顯。

2 計及儲液式CCPP削峰填谷的調度模型

計及儲液式CCPP削峰填谷的調度模型考慮儲液式CCPP的削峰填谷效益，根據實際電力系統調度情況，考慮引入碳交易機制，在滿足各調度資源的技術約束前提下，以綜合系統運行成本、碳排放成本和棄風成本最小為目標構建調度模型。

2.1 調度模型

2.1.1 目標函數

式中：f為日調度綜合成本；CK為火電開停機成本、CY為火電煤耗成本、CQ為棄風成本；CT為碳排放成本。

式中：gi為火電機組i啟停成本；xi，t、yi，t分別為火電機組t時段啟停狀態，取1或0。σY為單位煤耗成本；zi，t為機組i運行狀態變量，取1或0；ai、bi和ci為火電機組i的耗煤特性常系數；αw為單位棄風成本；PW，t和[AKP-]W，t為風電t時段預測和上網量；碳交易價格為δT。為充分發揮CCPP的作用，引入碳排放交易規則，δT為碳交易價格；λD為火電廠碳排放配額系數。

2.1.2 約束條件

1）功率平衡約束

2）火電機組出力約束

3 算例分析

3.1 算例條件

為驗證模型有效性， 本文采用 IEEE-30 [7]" 節點系統進行仿真， 節點11接入300 MW風電廠， 其余節點為火電廠； 若引入 CCPP， 則其中裝機容量最大的火電廠改造為 CCPP； 火電機組參數見表1； 碳捕集設備參數： γB和δB取0.9， λB取0.296 MWh/t，VF，max和VP，max取6×104 m3，VF，0和VP，0取3×104 m3，PB取5 MW，PR，max取100 MW；其他參數：σY取100 $/t，αw取20 $/MWh，λD取0.7 t/MWh，δT取14 $/t。為驗證儲液式CCPP存在的削峰填谷效益，設置3種運行場景進行對比分析：1）不含CCPP的電力系統；2）含固[LL]定式CCPP的電力系統；3）含儲液式CCPP的電力系統。

3.2 調度結果分析

各場景下仿真調度結果對比見表2，場景1～3總運行成本分別為337 634.4 $、296 511.95 $和278 927.99 $，碳排量分別為11 021.13 t、6468.28 t和6219.51 t，棄風量分別為754.20 MW、547.71 MW和189.70 MW；通過3種場景下各指標結果對比可知，相對于不含CCPP的場景1，場景2因碳捕集裝置的存在使得碳排放量下降了41.31%，碳排放量低于碳排放配額，場景2下碳排放收益使得總成本較場景1下降12.18%；場景3在引入儲液式CCPP后，負荷低谷時段棄風量相對場景2減少358.01 MW，同時火電煤耗成本減少5902.29 $，碳排放成本降低1121.47 $，開停機成本也相對降低3400 $，說明采用儲液式可優化機組運行特性。綜上，采用場景3的調度運行方式在促進新能源消納、降低碳排放和提高系統經濟特性方面最優。

圖4為各場景調度計劃，在負荷低谷時段23：00-次日5：00時，因場景2下碳捕集能耗與火電出力耦合造成棄風量仍然很高，而儲液裝置的引入帶來的“填谷”效益提高了低谷時段的碳捕集能耗，此段轉移的能耗相對場景2由高碳火電提供替換為原來的棄風量提供，提高新能源消納能力的同時減小火電出力占比，有利于系統實現更優的低碳經濟目標。

由圖5中各場景下火電機組等效出力對比可知，因碳捕集能耗的存在，在負荷高峰時段，場景2相對場景1增加了火電出力需求，使得高峰時段的出力和備用壓力明顯增加；場景3因能耗轉移能力在保持碳捕集水平不變的同時，轉移高峰時段的碳捕集能耗，極大的降低了出力需求，“削峰”作用明顯。

圖6為場景3溶液存儲器儲量變化，在負荷低谷時段0：00-4：00時，出力需求較低的同時風電出力較大，此時溶液存儲器排出含CO2的富液溶劑，增大碳捕集能耗。9：00-12：00時為負荷需求高峰期，此時溶液存儲器存儲部分火電機組產生的CO2，降低碳捕集能耗，緩解火電出力壓力。13：00-18：00時負荷需求相對高峰時段有明顯緩解，此時，為負荷高峰18：00-21：00時段緩解出力壓力傾向于增加部分碳捕集能耗。

4 結論

本文考慮儲液式CCPP削峰填谷特性的低碳經濟調度策略，得到如下結論：

含儲液式CCPP總運行成本相對固定式CCPP降低了5.9%，碳排量減少了248.78 t，說明儲液式CCPP可有效提高系統低碳經濟特性。通過負荷峰谷時段儲液式CCPP的能耗時移研究，其具備的削峰填谷特性能有效促進新能源消納的同時緩解火電機組的出力和備用壓力，所提調度策略可為“雙碳”目標快速實現提供可行解。后續將深入研究電價和碳價變化下，固定捕獲水平的儲液式CCPP存在的調度缺陷以及解決方案，進一步提高系統的調度靈活性。

［ 參 考 文 獻 ］

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Low-Carbon Economic Dispatch Considering Peak Shaving and ValleyFilling Characteristics of Carbon Capture Power Plants

LUO Jie1，HUANG Wentao1，HE Zhongwei2

（1 Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy，Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China; 2 State Grid Enshi Power Supply Company， Enshi 445000， China）

Abstract： In the context of the current large-scale thermal power generation， carbon capture power plants have become one of the best choices to quickly achieve the \"dual carbon\" goal. Due to the high energy consumption of traditional fixed type capture and the problem of wind solar anti-peak shaving， the introduction of liquid storage carbon capture power plants is considered to develop a new dispatch strategy to improve the low-carbon economic characteristics of the system. First， the operation mechanism of the fixed type and the liquid storage type are compared， and the peak shaving and valley filling characteristics of the liquid storage type are explored according to the characteristics of each dispatching resource during the load peak and valley period; then， a comprehensive system that takes into account operating costs， abandoned air volume and carbon emissions is constructed. Finally， through the simulation example comparison， the system carbon emissions of the reservoir containing carbon capture power plant are reduced by 3.8%， the comprehensive cost is reduced by 5.9%， and the curtailment cost is reduced by 65.4%， which verifies the superiority of the proposed scheduling strategy.

Keywords： carbon peaking; thermal power; carbon capture; peak cutting and valley filling; carbon trading

［責任編校： 張巖芳］

［收稿日期］ 2022-07-27

［基金項目］ 湖北工業大學博士基金（BSQD2019013）

［第一作者］ 羅 杰（1998-），男，湖北十堰人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。

［通信作者］ 黃文濤（1984-），男，湖北武漢人，湖北工業大學高級工程師，研究方向為電力系統運行與控制。