电力系统多模态低碳电力调度策略分析

覃禹铭， 卢 颖

（贵州电网有限责任公司遵义供电局，贵州遵义563000）

0 引 言

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，能源是必不可少的一个环节，大规模的化石能源的利用，在过去很长时间内极大地促进了人们生产和生活的进步，同时化石能源是电力系统的主要燃料，在整个发电系统中的占比很高［1-3］。在化石能源不断开发和利用过程中会产生大量的污染物以及有害气体，从而造成严重的生态环境问题，不利于社会的可持续发展，环境问题成为制约化石能源开发的重要因素。随着环境问题越来越突出，能源利用、经济发展以及环境问题之间的矛盾也越来越明显，低碳发展已经成为各个行业的重要发展目标，也是国家可持续发展的重要方向［3-7］。电力系统，其在能源中的地位越来越重要，低碳电力的发展也是具有巨大的现实意义，从而减少CO2等温室气体的排放，缓解目前严重的环境问题［8］。

从目前能源系统的发展来说，化石能源仍然是主要能源形式，火力发电在一定时期内仍占据发电形式的主导地位［9-11］。对于火力发电厂，二氧化碳捕集是实现电力系统低碳发展的很重要技术，通过相应的设备将电厂中的污染气体进行封存，从而实现温室气体的低碳排放。但由于CO2捕集技术的相关设备成本较高，并不是所有的电厂均能配置相关设备，这项技术也并没有大规模应用，因此需要进行低碳调度技术的研究，通过低碳调度策略实现CO2的排放控制［12-16］。

为了实现系统的经济运行，在电力系统的优化调度中考虑碳排放和碳捕集的经济和收益情况，得到了正常模态和附加模态下的电力调度模型，可以实现相应的优化功能，在附加模态中没有对系统的静态电压进行考虑，可以实现系统的经济运行，但是会存在一定的安全风险，而在附加模态的优化调度中，不仅考虑系统的整体成本，同时将系统的静态电压纳入了调度模型约束中，从而实现系统的安全稳定运行，在满足条件的情况下保证系统充分的负荷裕度。

1 碳捕集技术分析

碳捕集技术主要通过一定的技术手段，对排放气体中的CO2等气体进行相应的封存，从而减少向大气中的温室气体排放，以达到低碳电力的目的。在碳捕集过程中会消耗较大的能量，捕集到的CO2量越大，消耗的能量越多。在设备运行过程中，假设能量消耗与捕集量成近似线性关系，则在运行过程中的能量消耗为：

式中：Pr为碳捕集过程消耗的总功率；μ为单位时间内捕集单位质量CO2需要的功率；E为捕集的碳质量。

这样，电厂相关机组的输出功率为：

式中：Pg为发电机组的总输出功率；P1为发电厂的设备消耗功率；P0为发电机组的发电功率。

通过上述分析可以得到具备碳捕集电厂的最小出力约束：

式中：Pmin为发电机组的最小出力大小；χ1为单位电量的碳排放系数，kr＿max为最大的碳捕集率。

在目前的碳捕集技术中，燃烧后进行碳捕集是相对常用的方法，不仅可以实现CO2的捕集，还不会改变现有的发电厂程序。对于火力发电厂来说，碳排放强度可表示为：

式中：ke为发电厂的碳排放强度；me为发电厂单位时间的碳排放。

对于发电厂来说，通过碳捕集技术的实施可以大幅减少气体中的CO2排放量，根据现有的技术可以减少80%以上的碳排放，则碳捕集率为：

式中：kr为发电厂的碳捕集率；mr为单位时间内的发电厂碳捕集。

碳捕集设备中的单位功率中碳捕集大小可表示为：

式中，kr为单位功率中碳捕集大小。

对于发电厂来说，单位时间中其碳排放为：

根据上述的描述可以得到如下的约束关系：

通过前述的关系可以进一步得到：

通过式（10）可以发现电厂中的碳捕集功率约束条件为：

2 碳捕集技术对电价影响分析

对于整个碳捕集设备来说，其主要的费用包括初期设备费、后期运维费、消耗费以及储存费等。

对于初期设备费来说，可用如下关系式形容：

式中：Bj为碳捕集的初期设备花费；α为单位容量下设备费；N为发电厂的装机容量；ε为平均发电小时；λ为单位发电量的碳排放。

对于碳捕集设备的后期运维费来说，在电厂中增加了相应的设备，那么这些设备都需要进行相应的运行维护，随着时间的增加，这些费用会逐步提高，设备的后期运维费用可表示为：

式中：Bw为设备后期的运维费用；δ为第1年的运维费用占碳捕集设备总投资的比例；t为碳捕集设备的使用年限。

碳捕集设备建成之后，还需要进行相应的耗材来支撑运行，相应的消耗花费可表示为：

式中：By为碳捕集设备的消耗花费；ρ为发电所用的燃料单价；χ2为相应的电量消耗的燃料。

对于碳捕集设备来说，相应的CQ2储存也是很重要的一部分，这部分费用往往需要支付给第3方，由第3方来实现相应的储存，这部分费用可以表示为：

式中：Bc为碳捕集中的CQ2储存费用；η为CQ2／t储存费。

3 低碳电力调度模型

3．1 优化目标

对于传统的电力系统调度来说，一般通过相应的出力调节以及系统的各种约束条件构建相应的模型，从而达到系统成本最低的调度目标，传统调度的目标函数为：

式中：T为调度优化的时间段；N为机组数；Pi，t为机组i在t时间内的输出；Si为发电机组的启动花费；Ci（Pi，t）为发电成本函数。

对于传统电力调度来说，其约束条件一般包括功率平衡约束、机组运行约束、正旋转备用约束、负旋转备用约束、机组启停约束以及电网安全约束等，通过各个不同方面的约束条件实现电网的安全稳定以及经济运行。对于低碳调度来说，整体目标也是需要实现总体的成本目标最低，但是除了要考虑相应的基本约束之外，还要考虑低碳设备的成本以及相应的碳排放性能，实现整个电力系统的环保低碳、经济节能。

随着国家以及社会对于低碳电力的要求越来越高，碳排放逐渐成为发电厂成本很重要的一部分，碳排放所承受的代价越来越高。在这种情况下，电力调度的总成本可以包括机组发电的成本、不进行碳捕集的CO2排放成本、碳捕集的收益、发电商的利润等。在进行相应的碳捕集设备安装之后，相应的低碳调度函数为：

式中：Ct为电力系统的购电总费用为系统各机组的单位时间段内的发电成本组成的向量；Ce为碳排放的成本；为各发电机组的并网功率向量为各发电机组的厂用电消耗功率向量为碳捕集设备的消耗功率向量；为单位时间内的碳排放强度为单位时间内的单位能耗下碳捕集量。

对于上述的低碳调度模型来说，加入了碳捕集设备的相应收益计算，使得调度模型在整体上更加准确，对于系统的评估更加真实有效。对于发电厂的碳捕集设备来说，其是否具有收益的影响因素很多，国家对于碳排放的收费会影响碳捕集设备的整体收益，同时在上述的模型中的发电成本、碳排放强度、单位能耗下的碳捕捉量等均会影响碳捕集设备的相应收益。当满足下列条件的时候，碳捕集设备会产生正收益，具体如下：

为了使碳捕集设备产生相应的收益，当碳排放价格高于相应数值的时候，开启相应的碳捕集设备，这样可以达到相应的整体收益最佳，具体的开启碳捕集设备的临界碳排放价格为：

3.2 约束条件

在确定了相应的调度模型后，需要满足一定的约束条件，主要包括系统功率约束、机组出力约束、碳捕集运行功率约束、电压幅值约束、发电机无功约束、静态电压稳定约束这几部分，对于各种约束条件来说前6个约束条件可以看作是系统运行的基本约束，而静态电压约束为系统的附加约束，在只考虑系统运行约束时系统为正常模态运行，而考虑静态电压约束的时候为附加模态运行，下面分别进行分析。

（1）系统功率约束

式中：L0为起始运行时的节点功率大小；为系统大负荷期间的发电机出力大小；为系统初始时刻的发电机出力大小；b为系统的负荷增长方式；λp为负荷增长的影响因子。

（2）机组出力约束

式中：Pgmax为机组出力的最大值；Pgmin为机组出力的最小值。

（3）碳捕集运行功率约束

（4）电压幅值约束

式中：Upmin为系统节点电压的最小值；Up为系统节点电压数值；Upmax为系统节点电压的最大值。

（5）发电机无功约束

式中：Qgmin为系统节点无功输出的最小值，Qg为系统节点的无功输出数值，Qgmax为系统节点电压的最大值。

（6）静态电压稳定约束。对于电力系统来说，为了更加有效地保证系统电压的稳定和系统正常的运行，需要约束相应的电压稳定临界点功率约束：

式中：下标p为系统负荷高峰时刻，下标0为系统初始时刻，下标c为电压稳定临界点；λc为电力系统的负荷裕度，λcb为在系统电压稳定处的负荷变量。

同时，设定系统的负荷裕度约束为：

式中，λref为负荷裕度最小数值。

4 算例分析

为了对上述的调度模型进行分析和验证，在IEEE30节点系统上进行相应的算例分析，得到相应的正常模态和附加模态下的优化结果，从而对系统的调度进行分析。整个调度优化系统中，系统的负荷增加按照一定的比例进行，从而达到相应的负荷高峰，设定负荷增长比例为10%，即上式中的λp取值为0．1。为了对系统进行相应的调度优化，设定此时段内的碳排放成本为Ce＝85元／t，而碳捕集设备的最大碳捕集率为0．9。系统中各节点的参数如表1所示。

表1 系统各节点参数

4.1 正常模态优化分析

对于系统正常模态来说，此时在约束条件中不考虑其静态电压约束条件，在系统调度模型中，不同的节点处的优化方案如表2所示。

表2 正常模态下系统的调度优化方案

系统中，在正常模态下，不考虑系统的静态电压约束的时候，此时段内的节点1的发电成本是最低的，可以发现此时整个系统中的有功出力节点1全部承担，而其他采集节点的有功功率输出为0。而对于节点1来说，其碳排放成本的临界数值为66元／t，因此其小于该时段的碳排放费用，可以产生相应的碳排放收益，此时该节点会开启相应的碳捕集设备，但是由于节点1的出力较大，因此其碳捕集设备的功率达到了最大数值。在这种出力方式和优化调度方案下，虽然在经济性上可以达到相应的要求，但是其负荷裕度达到了0．143，可以发现此时距离负荷高峰数值仅仅相差4．3%，随着负荷的增加，面临着电压崩溃的风险，系统并没有处于最佳运行状态。

4.2 附加模态优化分析

在系统的调度优化中，加入系统静态电压约束条件，这样就可以实现系统的附加模态运行，这样在分析计算后就会得到不同的优化方案，从而实现系统的安全稳定运行，防止系统出现相应的风险，发挥低碳调度的优势和优点。

表3 附加模态下系统的调度优化方案

对于附加模态下来说，通过加入相应的系统静态电压约束，各节点的出力发生了相应的变化，而通过上述表格的碳捕集设备临界成本来说，节点1、3、10满足相应的碳捕集设备开启条件，但是为了满足系统的负荷裕度约束，只开启了相应的节点1和3中的碳捕集设备，此时情况下，系统的负荷裕度变为1．15，可以发现高峰负荷点时可以具有85%的负荷裕度，保证了系统经济性的同时，维护系统的安全运行。

5 结 语

对于整个电力系统来说，为了更加低碳运行，满足系统的可持续发展，在发电设备出加入碳捕集设备成为一种常见的选择，为了实现系统的经济运行，需要在电力系统的优化调度中考虑碳排放和碳捕集的经济和收益情况，本文进行了低碳电力调度分析，得到了正常模态和附加模态下的电力调度模型，可以实现相应的优化功能，在附加模态中没有对系统的静态电压进行考虑，可以实现系统的经济运行，但是会存在一定的安全风险，而在附加模态的优化调度中，不仅考虑系统的整体成本，同时将系统的静态电压纳入了调度模型约束中，从而实现系统的安全稳定运行，在满足条件的情况下保证系统的充分地负荷裕度。