楊建賓，謝麗蓉，宋新甫，李進衛(wèi)，章攀釗，卞一帆

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047；2.國網(wǎng)新疆經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊 830011；3.烏魯木齊市達坂城海為支油風電有限公司，新疆烏魯木齊 830039）

0 引言

“雙碳”背景下妥善解決新能源和傳統(tǒng)火電之間的矛盾，合理實現(xiàn)不同能源之間的相互耦合具有重要意義。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（Regional Integrated Energy System，RIES）作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體，在提高能源利用率、節(jié)能減排方面具有顯著作用[1]。

碳捕集（Carbon Capture and Storage，CCS）技術(shù)為傳統(tǒng)火電低碳運行提供了技術(shù)保障，其中燃燒后捕集技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強的特點得到廣泛應(yīng)用[2]。碳捕集機組較火電機組在負荷跟蹤及調(diào)峰等方面更具優(yōu)勢[3-4]，目前協(xié)調(diào)CCS 能耗與機組產(chǎn)能的關(guān)系是CCS 技術(shù)發(fā)展過程中的關(guān)鍵一環(huán)[5]。文獻[6]通過煙氣分流與儲液裝置的協(xié)同作用實現(xiàn)了煙氣處理與產(chǎn)能的解耦。文獻[7-8]考慮可再生能源與火電機組的聯(lián)合運行模式，在實現(xiàn)系統(tǒng)低碳運行的同時提高了可再生能源利用率。文獻[9]指出在含CCS 的多源協(xié)調(diào)模型中考慮源荷不確定性有助于提升系統(tǒng)經(jīng)濟性。CCS 技術(shù)在有效降低火電機組碳排放量的同時產(chǎn)生了高昂的碳封存（Carbon Sequestration，CS）和運輸成本，在碳捕集電廠（Carbon Capture Power Plant，CCPP）中引入電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）設(shè)備可平衡二者間的矛盾[10-12]。文獻[10]建立CCS 與P2G 聯(lián)合的循環(huán)運行系統(tǒng)，實現(xiàn)了二氧化碳的循環(huán)利用。文獻[11]指出CCPPP2G 聯(lián)合運行在提高風電消納能力方面具有顯著作用。文獻[12]在綜合能源系統(tǒng)中引入CCS 與P2G有助于減少系統(tǒng)碳交易成本，提升系統(tǒng)經(jīng)濟性。文獻[10-12]雖然對CCS 裝置和P2G 的運行機理進行了研究，但未充分挖掘可再生能源供能方式和滲透率對CCS 的影響，且對不同CCS-P2G 協(xié)調(diào)優(yōu)化運行模式下系統(tǒng)的運行機理也有待進一步深入分析。

綜上所述，本文針對傳統(tǒng)CCPP 存在的強電碳耦合問題，提出基于可再生能源的CCS-P2G 協(xié)同運行方法。研究的創(chuàng)新點在于根據(jù)CCS 裝置供能來源的不同分別對CCPP 出力進行刻畫，并構(gòu)建計及源荷不確定性的CCS-P2G 優(yōu)化調(diào)度模型。利用改進的綜合能源節(jié)點系統(tǒng)對系統(tǒng)的經(jīng)濟性、低碳性及綜合評估指標進行分析，算例分析結(jié)果驗證了所提系統(tǒng)的有效性。

1 碳捕集-電轉(zhuǎn)氣低碳綜合能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文構(gòu)建了含CCPP、光熱電站（Concentrating Solar Power Plant，CSPP）、P2G 設(shè)備的碳捕集-電轉(zhuǎn)氣低碳綜合能源系統(tǒng)（CCS-P2G-Low Carbon Integrated Energy System，CCS-P2G-LCIES）。為重點分析CCS 裝置與供能途徑的關(guān)系，設(shè)定所有火電機組為CCS 機組。在CCS-P2G-LCIES 中，風電機組、CCPP是系統(tǒng)的核心供電部分，燃氣輪機（Gas Turbine，GT）和CSPP 是傳統(tǒng)的輔助供電設(shè)備。通過電網(wǎng)購電的方式以保障系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，為緩解CCPP 的CCS 能耗與產(chǎn)能之間的矛盾，采用可再生能源為CCS 供電。增設(shè)P2G 單元用于降低CCPP 內(nèi)部的CS 及運輸成本，且P2G 的供電全部由風電場和CSPP 承擔。GT 和燃氣鍋爐（Gas Boiler，GB）作為熱源供給熱負荷，儲熱裝置（Heat Storage Tank，HST）作為輔助設(shè)備保障供熱的穩(wěn)定性，電制冷機協(xié)助吸收式制冷機進行供冷。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備出力模型

系統(tǒng)設(shè)備包括靈活綜合運行模式下的CCPP，CSPP，P2G 等常規(guī)機組。其中靈活綜合運行模式下的CCPP 包含煙氣分流、儲液裝置2 部分，其在實現(xiàn)CCS 與產(chǎn)能的解耦方面有一定作用。CCPP 主要模型詳見文獻[4]，按照CCS 供能來源的不同，可分為CCPP 供能、可再生能源供能和可再生能源+CCPP供能3 類。

1.2.1 CCPP供能模型

CCPP 機組總出力由CCS 功率、固定功率和電廠凈發(fā)電功率組成，其供能模型為：

1.2.2 可再生能源供能模型

CCS 功率全部由可再生能源提供，CCPP 承擔基荷，完全實現(xiàn)了CCS 和CCPP 之間的解耦，其供能模型為：

1.2.3 可再生能源+CCPP供能模型

可再生能源參與協(xié)同CCPP 機組進行CCS 有助于增大CCPP 的出力空間，增加機組的調(diào)峰靈活性，其供能模型為：

常規(guī)機組中，氣井、風電機組、常規(guī)火電機組以及GT，GB，HST，P2G 等設(shè)備建模可參見文獻[13-14]，CSPP 設(shè)備建模參見文獻[15]。

1.3 源荷場景生成

本文以新疆供暖季（10 月15 日—次年4 月15 日）的源荷數(shù)據(jù)為對象進行分析，利用蒙特卡洛抽樣和同步回代法進行場景生成。

1.3.1 風光出力相關(guān)性

考慮同一區(qū)域臨近風光電場出力相關(guān)性可以保證優(yōu)化調(diào)度的合理性[16]，由于核密度估計采用歷史數(shù)據(jù)對風光出力的概率分布進行擬合，具有更高的精準度[17]，因此本文采用自適應(yīng)帶寬的核密度估計。Copula 函數(shù)理論在多元隨機變量的聯(lián)合分布函數(shù)和其邊緣分布函數(shù)之間建立聯(lián)系可對變量的相關(guān)性進行描述[18]，本文選擇Frank-Copula 函數(shù)表征風光出力的相關(guān)性。Frank-Copula 函數(shù)f的表達式為：

1.3.2 負荷自相關(guān)性

在綜合能源系統(tǒng)中，負荷的隨機性服從正態(tài)分布，其概率分布函數(shù)的表達式為：

為保證負荷典型場景選取的合理性，根據(jù)各負荷概率密度函數(shù)，利用蒙特卡洛方法進行場景生成并計算不同季節(jié)的時序自相關(guān)矩陣[19]，最后對時序自相關(guān)性矩陣進行Cholesky 分解[20]，消除隨機抽樣產(chǎn)生的時序自相關(guān)性影響。

2 CCS-P2G-LCIES優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標函數(shù)及成本

本文所提的基于源荷不確定性的CCS-P2GLCIES 優(yōu)化調(diào)度模型以系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)為目標，其目標函數(shù)F為：

式中：U為場景總數(shù)；φu為各完備場景的概率；Fdev,u，F(xiàn)car,u，F(xiàn)IDR,u，F(xiàn)buy,u，F(xiàn)pun,u分別為場景u下系統(tǒng)設(shè)備運維成本、階梯碳交易成本、需求響應(yīng)成本、購能成本和懲罰成本。

1）運維成本Fdev,u為：

式中：T為運行周期總時長，本文調(diào)度周期為24 h；分別為場景u下τ時刻風電機組運行功率、風電機組供給P2G 的功率、CSP 運行功率、GB 運行功率、P2G 單元運行功率、吸收式冷機運行功率、第k臺GT 運行功率、第j臺電制冷機運行功率；μW，μCSP，μGB，μP2G，μGT，μAb，μE_C分別為風電機組、吸收式制冷機、電制冷機以及CSPP，GB，P2G，GT 單元的運行成本系數(shù)。

2）階梯碳交易成本Fcar,u：

本文采用免費配額的階梯碳交易成本模型，假設(shè)電網(wǎng)購電全部來自火電機組，具體模型可參照文獻[21]。

3）激勵型需求響應(yīng)成本FIDR,u為：

4）購能成本Fbuy,u為：

5）懲罰成本Fpun,u為：

2.2 約束條件及線性化處理

1）需求響應(yīng)約束為：

2）電力功率平衡約束為：

其中，S的取值為1。

3）熱/冷系統(tǒng)功率平衡約束為：

其中，式（13）、式（14）中S的取值分別為2，4。

4）天然氣平衡約束為：

其中，S的取值為3。

5）電/熱/冷/氣節(jié)點潮流約束：

關(guān)于電、熱、天然氣潮流相關(guān)模型較成熟，文中不再贅述，具體建?？蓞⒄瘴墨I[22-23]。

6）CCS 電廠儲液裝置約束：

關(guān)于CCPP 儲液裝置約束的研究已相較完備，具體可參照文獻[6]。

本文所提方法中共有2 處需要進行線性化處理，分別為：（1）式（1）涉及煙氣分流比和CCPP 發(fā)電總功率的乘積項，需先轉(zhuǎn)化為平方和的形式再利用分段線性化處理，具體方法可參考文獻[21]；（2）式（9）中CCS 機組煤耗成本涉及平方項，可直接利用分段線性化進行處理。

2.3 模型求解及評價

本文利用MATLAB2018b 環(huán)境以CCS-P2GLCIES 總成本最小為目標，通過Yalmip 工具箱調(diào)用CPLEX 進行優(yōu)化計算。CCS-P2G-LCIES 優(yōu)化調(diào)度模型求解流程如圖1 所示，其中m為運行模式，本文共劃分6 種運行模式。

圖1 CCS-P2G-LCIES優(yōu)化調(diào)度模型求解流程Fig.1 Solving procedure for CCS-P2G-LCIES optimal scheduling model

由圖1 可知，在CCS-P2G-LCIES 優(yōu)化調(diào)度過程中，利用源荷歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建完備典型場景，以能源價格、設(shè)備參數(shù)、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮設(shè)備運行約束、潮流約束、能量平衡約束，求解出系統(tǒng)總成本最小時的設(shè)備出力及網(wǎng)絡(luò)潮流。每種源荷數(shù)據(jù)（風、光、電、熱、氣、冷）通過場景生成的方式分別產(chǎn)生5 個典型場景及其對應(yīng)的概率，按照每種源荷典型場景的概率對5 種場景進行排序并編號，并將各類源荷場景編號相同的場景劃歸為1 組。當各運行模式m下的所有典型完備場景均求解出最優(yōu)值后，求解流程結(jié)束。

為全面客觀的分析CCS-P2G-LCIES，依據(jù)求解結(jié)果采用綜合能效、設(shè)備利用率、清潔能源利用率3個指標對系統(tǒng)進行評價，相關(guān)模型詳見文獻[24]。在此基礎(chǔ)上，本文采用網(wǎng)絡(luò)分析法-變異系數(shù)法的組合權(quán)重模型解決指標之間交叉影響導致權(quán)重計算失準的問題。

3 算例分析

3.1 算例介紹

本文采用改進的IEEE 39 節(jié)點測試系統(tǒng)、20 節(jié)點天然氣系統(tǒng)[23]、44 節(jié)點熱力系統(tǒng)[25]進行仿真。綜合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Integrated energy system topology

由圖2 可知，電力節(jié)點為黃色區(qū)域的數(shù)字1-39，熱網(wǎng)節(jié)點為紅色區(qū)域的數(shù)字1-44，氣網(wǎng)節(jié)點為藍色區(qū)域的數(shù)字1-20。2 臺電制冷機、1 座風電場、上級電網(wǎng)、1 座CSPP 分別接在電力節(jié)點18，30，33，39上，3 臺CCPP 機組分別接在電力節(jié)點31，34，35上，2 臺GT 分別接在電力節(jié)點36 和38 上，2 臺GB分別接在熱網(wǎng)節(jié)點22 和44 上，氣網(wǎng)節(jié)點1，2，5，8，13，14 為天然氣氣井，氣網(wǎng)節(jié)點12 上配置的P2G 設(shè)備同時對應(yīng)電力系統(tǒng)節(jié)點1。CCPP 中經(jīng)CCS 得到的部分CO2供給P2G 設(shè)備，用于制取天然氣。在仿真過程中，系統(tǒng)各節(jié)點的負荷大小按照參考文獻[23]，[25]中的節(jié)點負荷比例進行分配。

綜合能源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)中CCPP 機組相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 CCPP機組相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of units in CCPP

由表1 可知，對比CCPP 機組1—3 的相關(guān)參數(shù)，機組1 的碳排放強度最小，在運行構(gòu)成中可優(yōu)先安排其出力；機組2 最大出力值最高，可以降低用電高峰的電能外購壓力；機組3 最小出力值最低，在用電低谷時段可以更好地響應(yīng)負荷需求。由于機組煤耗成本主要受二次項系數(shù)和常數(shù)項的影響，在不考慮碳排放成本時應(yīng)優(yōu)先選擇機組2 和機組3 供電。

當?shù)氐姆鍟r電價為1.025 元/kWh（9:00—1:00；19:00—24:00）；谷時電價為0.25 元/kWh（1:00—8:00；15:00—16:00）；平段電價為0.75 元/kWh（12:00—13:00；17:00—18:00）。源荷典型場景如圖3 所示。

圖3 源荷典型場景Fig.3 Typical source-load scenarios

圖3 中，圖例括號中的數(shù)字為源荷各典型場景的對應(yīng)概率，縱坐標單位均為歸一化量值。

圖3（a）中的風電出力集中在1:00—7:00 和21:00—24:00，與圖3（c）中電負荷趨勢相反，表現(xiàn)出了風電的反調(diào)峰特性。圖3（b）中光伏出力主要集中在12:00—16:00，與實際光伏出力時段吻合。圖3（d）中熱負荷與圖3（f）中冷負荷在趨勢上呈負相關(guān)性，較好的展現(xiàn)出了熱、冷負荷的需求特點。由于系統(tǒng)中的天然氣主要用于供暖和供電，圖3（e）中1:00—4:00 和用電高峰時段天然氣需求量較大。綜上，典型場景能較好展現(xiàn)源荷特征，與實際情況較為符合，表明典型場景選取具有合理性。

3.2 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果及指標分析

算例以新疆某區(qū)域的典型風光和負荷為基礎(chǔ)，不同場景經(jīng)濟性最優(yōu)為目標進行優(yōu)化。為驗證所提CCS-P2G-LCIES 的有效性，本文劃分了6 種運行模式：（1）風電機組、火電機組聯(lián)合為CCS 裝置供能；（2）風電機組、CSPP、火電機組聯(lián)合為CCS 裝置供能[5]；（3）風電機組為P2G 設(shè)備供能，火電機組為CCS 裝置供能[9]；（4）風電機組、CSPP 為P2G 設(shè)備供能，火電機組為CCS 裝置供能；（5）風電機組分別為P2G 設(shè)備、CCS 裝置供能；（6）風電機組、CSPP 同時為P2G 設(shè)備、CCS 裝置供能，即本文所提CCS-P2GLCIES 所對應(yīng)的考慮源荷相關(guān)性的運行模式。

3.2.1 優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

在不考慮用戶側(cè)需求響應(yīng)的前提下，對比分析不同場景下的調(diào)度結(jié)果，從經(jīng)濟性、低碳性等角度驗證本文所提CCS-P2G-LCIES 的優(yōu)勢，6 種運行模式下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如表2 所示。

表2 6種運行模式下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 2 Optimization scheduling results of six operating modes 元

由表2 知，運行模式2 中的CSPP 為CCPP 的CCS 設(shè)備供能，減弱了CCPP 的電碳耦合強度，在降碳的同時保證了CCPP 的供電能力，從而減少了系統(tǒng)的購電量，與運行模式1 相比，系統(tǒng)總成本下降37.1%，碳交易成本減少92.7%，驗證了可再生能源在碳減排過程中的積極意義；運行模式3 在CCPP增設(shè)P2G 單元并利用風電制取甲烷，有效緩解了運行模式1 購氣、CS、運輸?shù)瘸杀靖叩膯栴}；運行模式4 中CSPP 參與P2G 的供能，P2G 的運行可行域被拓寬，較運行模式3 可進一步降低系統(tǒng)碳排放；與運行模式1，2 相比，運行模式5，6 中CCPP 不承擔為CCS 設(shè)備供能的作用，CCS 功率完全由風電、CSPP 提供，有效降低了CCPP 機組的燃料成本。綜合對比6 種運行模式可知，提高系統(tǒng)可再生能源占比、引入P2G 單元、利用可再生能源代替CCPP 機組進行CCS 是實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟、低碳運行的重要舉措。

3.2.2 綜合評估指標分析

通過計算可得6 種運行模式的綜合評估指標如表3 所示。

表3 綜合評估指標Table 3 Comprehensive evaluation indexes for six operating modes

由表3 可知，運行模式1 中的CCPP 存在強電碳耦合且不考慮用戶需求響應(yīng)的作用，降低了系統(tǒng)的綜合能效；與運行模式1 相比，運行模式6 在綜合能效方面的優(yōu)勢相對突出；由于沒有考慮CSPP的棄光懲罰，運行模式5，6 的光熱出力相對較少，進而降低了系統(tǒng)的清潔能源利用率。綜上，運行模式6 擁有更好的發(fā)展前景。

3.3 風光及負荷相關(guān)性分析

為驗證考慮風光和負荷相關(guān)性場景生成的合理性，在運行模式6 的基礎(chǔ)上根據(jù)是否考慮考慮風光和負荷相關(guān)性再劃分出3 組對照運行模式：運行模式7，僅考慮風光相關(guān)性；運行模式8，僅考慮負荷相關(guān)性；運行模式9，不考慮源、荷相關(guān)性。為探究源荷相關(guān)性對系統(tǒng)運行的影響，分別從經(jīng)濟性及清潔能源利用率的角度進行分析。4種運行模式下，源荷相關(guān)性與系統(tǒng)經(jīng)濟性指標如表4 所示。

表4 源荷相關(guān)性與系統(tǒng)經(jīng)濟性指標Table 4 Indicators for source-load correlation and system economy

由表4 可知，運行模式7 在運行模式9 的基礎(chǔ)上考慮了風光相關(guān)性，提高了清潔能源利用率，明顯降低了棄風量。對比運行模式7，8，9 可知，單獨考慮源荷任意1 側(cè)的相關(guān)性均可提升系統(tǒng)經(jīng)濟性，但考慮源側(cè)相關(guān)性更有益于降低系統(tǒng)碳排放量，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。綜上，考慮系統(tǒng)源、荷之間的相關(guān)性關(guān)系有助于提高系統(tǒng)對可再生能源的消納能力，降低系統(tǒng)運行成本。

3.4 可再生能源滲透率對系統(tǒng)的影響

可再生能源滲透率是可再生能源裝機容量與系統(tǒng)最大負荷的比值[26]。為探究可再生能源滲透率對系統(tǒng)運行的影響，本文在可再生能源滲透率為10%～80%的區(qū)間內(nèi)以5%的滲透率為步長對6 種運行模式下的系統(tǒng)進行分析?？稍偕茉礉B透率與系統(tǒng)總成本關(guān)系如圖4 所示。

圖4 可再生能源滲透率與系統(tǒng)總成本關(guān)系Fig.4 Relationship between renewable energy penetration and total system cost

由圖4 可知，與運行模式2—4 不同，運行模式1，5，6 對可再生能源滲透率區(qū)間有限制，其可行區(qū)間分別為是[30%，80%]和[20%，80%]。隨著可再生能源滲透率的增加運行模式1—4 下系統(tǒng)CCPP 機組燃料成本、碳交易成本等成本快速減少。當滲透率超過50%時系統(tǒng)總成本緩步下降；當可再生能源滲透率小于60%時，運行模式5，6 的總成本受系統(tǒng)購能成本影響，下降趨勢緩慢。

3.5 煙氣分流比下限對系統(tǒng)影響

為驗證不同煙氣分流比下限對系統(tǒng)運行的影響，在0～0.65 的煙氣分流比下限區(qū)間內(nèi)以0.05 為步長對6 種運行模式的運行狀況進行分析。煙氣分流比下限與供碳量關(guān)系如圖5 所示。

圖5 煙氣分流比下限與供碳量關(guān)系Fig.5 Relationship between lower limit of flue gas split ratio and carbon supply

由圖5 可知，隨著煙氣分流比下限的提高，運行模式1 下儲液裝置和煙氣供給的二氧化碳量同時增長，儲液裝置起主導作用；運行模式2—4 下來自煙氣的二氧化碳量逐步增加，并占據(jù)主導；運行模式5，6 下二氧化碳主要源自儲液裝置。綜上，運行模式5，6 有效地實現(xiàn)了CCS 與煙氣的解耦，體現(xiàn)了CCS 的靈活性。

3.6 用戶側(cè)需求響應(yīng)對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響

用戶側(cè)需求響應(yīng)與系統(tǒng)經(jīng)濟性關(guān)系如圖6 所示。

圖6 用戶側(cè)需求響應(yīng)與系統(tǒng)經(jīng)濟性關(guān)系Fig.6 Relationship between user side demand response and system economy

由圖6 可知，在需求響應(yīng)的作用下用戶側(cè)通過負荷轉(zhuǎn)移、負荷代替、負荷削減等方式主動參與負荷調(diào)節(jié)，在實現(xiàn)負荷削峰填谷的同時提高了可再生能源利用率。需求響應(yīng)過程中CCS 的出力空間增加，購能需求下降，提高了系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性和低碳性，驗證了需求響應(yīng)在CCS-P2G-LCIES 中的積極作用。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)碳捕集電廠存在的強電碳耦合問題，建立CCS-P2G-LCIES。通過對比6 種運行模式下系統(tǒng)的運行狀況，驗證了本文所提模型的有效性。主要結(jié)論如下：

1）可再生能源取代CCPP 機組供給CCS，有助于實現(xiàn)CCS 與CCPP 產(chǎn)能之間解耦，拓寬系統(tǒng)對煙氣分流比下限的適應(yīng)范圍，提升系統(tǒng)經(jīng)濟性。

2）利用可再生能源進行CCS 對系統(tǒng)可再生能源滲透率的要求較高，但當滲透率超過60%后會影響系統(tǒng)經(jīng)濟性。