考虑碳捕集电厂综合灵活运行下的含P2G 和光热电站虚拟电厂优化调度

2022-04-08廖跃洪陈洁杨彦飞阿热帕提艾尼瓦尔

电力建设 2022年4期

廖跃洪，陈洁，杨彦飞，阿热帕提·艾尼瓦尔

(新疆大学电气工程学院,乌鲁木齐市 830000)

0 引言

为实现我国2030 年碳达峰和2060 年碳中和“双碳目标”,清洁能源建设和碳捕集与封存技术(carbon capture and storage,CCS)发展迫在眉睫,是解决化石能源枯竭和温室效应等问题的重要举措[1],近年来,碳捕集与封存技术和分布式能源(combined distributed energy resources,CDER)大力发展[2]。CCS 技术是当前实现“双碳目标”最有效的技术之一。目前,碳捕集电厂运行方式主要有分流运行灵活运行方法(包括烟气分流和富液分流)、溶液存储式灵活运行方式2 种类型[3],两种灵活运行方式组合即为碳捕集电厂综合灵活运行方式[4]。通过改变碳捕集能耗,进一步增加碳捕集出力范围、促进消纳风电和降低碳排放。碳捕集电厂常与P2G 技术相结合,文献[5-7]构建了碳捕集电厂-电转气(carbon capture power plant-power to gas,CCPP-P2G)系统框架,利用碳捕集电厂捕集的CO2作为P2G 设备的碳原料,降低虚拟电厂(virtual power plant,VPP)碳封存成本、P2G 成本和弃风成本,而CCPP-P2G 系统中碳捕集系统再生塔CO2处理量和吸收塔中吸收CO2量未解耦[8],即碳捕集电厂烟气分流方式,但未考虑碳捕集机组储液式灵活运行和综合灵活运行方式。目前VPP 中碳捕集电厂运行方式大多采用烟气分流方式,极少研究碳捕集电厂3 种灵活运行方式下各聚合单元协调优化进行对比分析。

另一方面,含储热光热(concentrating solar power,CSP)电站是具有快速灵活调节能力的清洁可再生能源[9],具有接近零碳排放、常规煤电机组相媲美的调节特性和较高的能源利用效率[10]。其次,光热电站还能提供调峰容量,典型日负荷具有早晚两高峰特性,通过CSP 电站储热装置将中午的热功率转移至晚高峰出力,提高了电力系统的灵活性[11]。

CDER 具有容量小、数量大、布局分散等特点,使得单机接入成本高,给电力系统安全稳定运行带来了许多技术难题,而VPP 为解决这一难题提供了新思路,VPP 是指通过先进的控制、计量、通信等技术聚合不同类型的CDER,并通过更高层的软件架构实现CDER 间协调优化运行,促进资源合理优化配置和利用[12-13]。

综上所述,本文在现有的研究基础上,建立碳捕集电厂综合灵活运行下含P2G 和光热电站虚拟电厂优化调度模型,对比分析碳捕集电厂3 种运行方式下VPP 电厂经济性,由于所构建的模型为混合整数线性规划,因此运用商用求解器Cplex 对模型进行求解,算例验证模型的可行性和优越性。

1 VPP 结构及聚合单元模型

本文VPP 由碳捕集电厂、低碳能源(风电、CSP)和P2G 构成,参与天然气市场、碳交易市场和电力市场。虚拟电厂结构如图1 所示。

图1 虚拟电厂结构Fig.1 Structure of a virtual power plant

1.1 碳捕集机组数学模型

碳捕集电厂分流方式、综合灵活运行方式原理图分别如图2、3 所示。

图2 碳捕集烟气分流运行Fig.2 Split operation of carbon capture flue gas

图3 碳捕集电厂综合灵活运行Fig.3 Comprehensive and flexible operation of carbon capture power plants

烟气分流方式通过烟气旁路系统控制烟气进入吸收塔比例,其余部分直接排放到大气中。富液分流方式通过控制富液分流阀使一定比例的富液不进入再生塔,直接返回吸收塔。分流运行方式中吸收塔和再生塔处理的CO2量相等,综合灵活运行方式中吸收塔与再生塔中间增加贫、富液存储器,吸收塔和再生塔处理的CO2量可以保持不再相等,该方式下既能实现能量时移又能适应电力系统的调峰特性和最大限度碳减排。碳捕集电厂各种运行方式原理详见文献[4],其数学模型如下。

在VPP 中,碳捕集电厂等效出力由碳捕集净出力和碳捕集能耗组成,碳捕集能耗由固定的能耗和运行能耗组成[14]:

式中:为t时刻碳捕集机组等效出力;为t时刻碳捕集设备能耗;为t时刻碳捕集机组固定能耗;为t时刻碳捕集机组运行能耗。

碳捕集电厂产生的CO2通过烟气分流装置,一部分进入碳捕集装置,另一部分直接排放到大气中。进入碳捕集设备的CO2由于碳捕集效率问题,又有少量CO2排放到大气中,这两部分CO2为碳捕集机组的净碳排放量。在负荷低谷时,CO2直接进入再生塔处理,在负荷高峰时,CO2通过储液罐存储,负荷低谷时再处理储液罐中的CO2,以此实现“能量转移”和“碳转移”。碳捕集捕获的CO2部分作为P2G的原料,其余的利用碳封存技术封存。碳捕集机组CO2的数学模型如下[15]:

式中:为碳捕集机组t时刻总产碳量;qg为单位电量产生的CO2;为t时刻碳捕集机组等效出力;为碳捕集机组t时刻碳净排放量;δc为烟气分流比;βc为碳捕集效率;为t时刻进入吸收塔的CO2;为t时刻再生塔处理的CO2;为t时刻由吸收塔直接进入再生塔处理的CO2;为t时刻流出储液罐的CO2;ωc为处理单位CO2能耗。

1.2 P2G 模型

目前电转气技术一般用于消纳弃风弃光,利用弃风弃光电量电解水生成氢气,该过程为电转氢过程,氢气和二氧化碳发生还原反应生成甲烷,称为甲烷化过程。虚拟电厂中含有碳捕集设备,因此本文中P2G 中的全部CO2原料均由碳捕电厂提供。数学模型如下[16]:

式中:为t时段电转气消耗的二氧化碳量;为单位功率消耗的二氧化碳量;为电转气的效率;为t时段电转气功率;为t时段生成气体体积;Hg为天然气热值,取39 MJ/m3。

1.3 光热电站及其数学模型

光热电站类型分为抛物槽式、塔式、蝶式和菲涅尔式4 类,其主要区别在于集热装置不同。在蓄能上,槽式和菲涅尔式光热电站在蓄能上有限制,塔式和蝶式分别通过储热罐和蓄电池蓄能。目前槽式和塔式光热电站已实现商业化,蝶式光热电站处于开始商业化阶段,菲涅尔光热电站还处于试验阶段。在转化效率上,蝶式转化效率最高为25%～46%,其次是塔式,转化效率为20%～35%,槽式和菲涅尔式最低,均在15%以下。综上所述,塔式光热电站技术较为成熟且具有较高转化效率和明显的经济性[17],因此,本文选取塔式含储热光热电站。结构原理如图4所示。

图4 光热电站工作原理Fig.4 Working principle of CSP station

塔式光热电站通过定日镜将光能汇聚至塔顶的接收器,接收器温度升高加热导热流体,导热流体将热量传递到发电单元产生蒸汽驱动汽轮机发电。同时,冗余的热量流入储热罐,控制储热罐充放实现热量的分时利用,从而实现出力平移,具有极佳的调度能力和调峰特性。其数学模型包括集热装置吸收的热功率、储热罐容量变化和CSP 电站出力热功率由集热装置直接供热和储热罐供热,如式(5)所示[18]:

式中:为塔式光热电站t时段集热装置收集的热功率;ηg-r为CSP 电站光、热能量转化效率;S为定日镜面积;Dt为太阳光在时段t的平均直接辐射量;为集热装置热量直接用于发电的热功率;为流入储热罐的热功率;为t时段储热装置存储的热量;ηnoss为储热装置自耗散系数;为t时段储热罐释放的热量;为t时段光热电站出力;ηr-d为光热电站热电转化效率。

1.4 碳交易模型

现行碳交易初始配额无偿分配主要有两种:祖父法和基准法。祖父法是指根据分配参与人(企业)的历史碳排放水平,根据该参与人近几年碳排放实际量的平均值为其分配免费碳排放额。基准法主要依据参与人的发电量或用电量为基准对碳初始配额进行分配。祖父法分配方式简单易行,但对已采取减排措施的参与人在祖父法分配方式下只能获取较少的无偿分配额,在一定程度上减少了减排参与人的碳交易收入,抑制了参与人减排的积极性且缺乏一定的公平性[19]。基准法不同于祖父法对碳排放配额一次性分配,而是根据参与人计划发电量或用电量进行初步发放,再根据实际发电量或用电量采取多退少补的原则进行份额分配核对,避免了参与人用电波动较大导致的分配不均[20]。因此,本文采用基准法进行碳配额分配,碳排放数学模型如下[13]:

式中:为t时段碳捕集电厂的碳排放配额;ε为单位电量的碳排放基准额度;为t时段碳交易市场碳收益额度;κC为碳交易市场碳交易价格。

2 VPP 优化调度模型

2.1 目标函数

本文的目标函数如式(7)所示:

式中:fvpp为虚拟电厂净成本;f1为虚拟电厂各聚合单元运行成本;f2为虚拟电厂中其他成本;f3为虚拟电厂收益。

1)虚拟电厂中各聚合单元成本包括碳捕集机组成本、CSP 成本、P2G 成本和风电成本。其数学表达式如下:

式中:a、b、c为碳捕集电厂燃料成本系数;κj-f,r、κj-disc,r分别为集热装置直接供热单位热功率成本和储热罐供热单位热功率成本;κpg为单位电转气功率运行成本;κw为单位风功率运行成本;为t时段风电出力。

2)虚拟电厂中的其他成本包括碳封存成本和弃风成本。其数学表达式如下:

式中:κcs为封存单位CO2成本;κwa为单位风功率弃风成本;为t时段弃风功率。

3)虚拟电厂中收益包括碳捕集电厂在碳交易市场出售碳配额收益、CSP 电站环境效益和售气收益。其数学表达式如下:

式中:κeb为单位CSP 功率环境效益系数;κg为单位气体体积价格。

2.2 约束条件

1)功率平衡约束。

式中:为t时段的电负荷;为t时段风电出力。

2)碳捕集电厂约束条件[21]。

3)P2G 运行约束。

4)CSP 电站及储热罐约束[22]。

CSP 约束包括出力上下限约束、爬坡约束,储热罐中包括容量上下限约束、充放功率约束和一天内始末容量相等约束。

3 模型线性化处理

碳捕集机组煤耗成本采用的是二次函数,因此我们可以对原模型进行线性化处理。将煤耗函数分为一段线性化,线性化处理模型如下:

式中:Kl,t表示t时段分段线性化后煤耗函数各段斜率;C0表示机组最小运行出力时的煤耗成本;pl,t表示机组分段出力。

4 算例分析

4.1 系统参数

为验证本文所提模型,文中VPP 由1 台碳捕集电厂、1 台光热电站、风电和电转气设备共同聚合而成,碳捕集电厂和电转气参数见文献[14]、光热电站参数见文献[15-16]。风电成本为120 元/(MW·h),P2G 设备运行成本为100 元/(MW·h),碳封存成本30 元/(MW·h),碳交易价格为120 元/(MW·h),天然气交易价格为3 元/m3。风功率、日负荷和太阳辐射指数曲线如图5 所示。运用Matlab软件中YALMIP 工具包中的商用求解器Cplex 对本文模型进行优化计算。

图5 风功率、日负荷和太阳辐射指数Fig.5 Wind power,daily load and solar radiation index

4.2 场景设置及调度分析

为对比P2G与3 种运行方式下对VPP 运行成本的影响,共设置在每种运行方式下含和不含P2G的6种场景:

场景1:烟气分流灵活方式下不计及P2G;

场景2:烟气分流灵活方式下计及P2G;

场景3:储液灵活运行方式下不计及P2G;

场景4:储液灵活运行方式下计及P2G;

场景5:综合灵活运行方式下不计及P2G;

场景6:综合灵活运行方式下计及P2G。

根据所设置的6 种场景,优化得出各聚合单元的收益和成本对比、调度情况对比结果分别如表1、2所示。

表1 收益和成本结果对比Table 1 Comparison of benefits and cost results 万元

表2 调度情况结果对比Table 2 Comparison of scheduling results

综合对比分析可知:

1)碳捕集电厂烟气分流灵活、储液式灵活和综合灵活3 种运行方式下含P2G 较不含P2G的VPP 净成本分别降低2.74 万、3.32 万和2.51 万元。其原因有3方面:a)弃风成本下降。3 种灵活运行方式下弃风量分别降低252.32、305.50 和229.50 MW,弃风成本分别降低1.35 万、1.59 万和1.06 万元。b)P2G的碳原料使得烟气分流和储液式碳封存量分别下降30.4、36.0 t,碳封存成本分别降低1 000、1 400 元,综合灵活运行方式下碳封存量增加了3.2 t,碳封存成本增加了1 000 元,但CO2净排放量下降21.3 t,在碳交易收益中增加了3 100 元。c)在天然气市场获利。3 种灵活运行方式在天然气市场分别获利4.68 万、5.68 万和4.34万元。综上分析:碳捕集电厂3 种灵活运行方式下含P2G 较不含P2G 均提升了VPP 经济效益。

2)在场景1、3、5 对比分析中可以得出:综合灵活运行方式较烟气分流和储液分流两种灵活运行方式VPP 净成本分别降低2.53 万和5.26 万元。其原因在于:场景1 中碳捕集设备不含储液罐,无法将负荷高峰期CO2转移至负荷低谷期进行捕集,因此碳交易收益场景1 较场景5 下降2.44 万元。场景3 中碳捕集设备因为无法分流,在负荷高峰期增大碳捕集设备能耗,使碳捕集成本增加22.3 万元,碳封存成本增加了14.32 万元,尽管碳交易市场收益较场景5 增加33.36 万元,但仍小于碳捕集电厂燃料成本和碳封存成本之和。另一方面,场景5 较场景1 和场景3 净出力分别降低321.8、193.7 MW,弃风电量分别降低136.6 和67.1 MW,因此,综合灵活运行方式较其他两种灵活运行方式具有更大的调峰深度,给风电让出更大的上网空间,使弃风成本分别降低6.04 和2.97万元。场景2、4、6 对比分析同上,由表1 可以看出,场景6 中经济效益最优。综上所述:综合灵活运行方式优于其他两种灵活运行方式。

限于篇幅,本文主要对场景6 即综合灵活运行方式下含P2G的VPP 优化调度进行分析,其他情况不再赘述。碳捕集设备中贫富液罐存储量、富液罐CO2流入量、流出量以及CO2排放量和处理量分别如图6—7 所示,两种运行方式下烟气分流如图8 所示,CSP 出力、集热装置收集热功率、储热罐充放热功率如图9 所示。弃风电量和各机组承担电负荷功率如图10 所示。

图6 储液罐总储液量及富液罐CO2流入、流出量Fig.6 Total liquid storage volume of the liquid storage tank and the CO2 inflow and outflow volume of the rich liquid tank

图7 CO2排放量和捕集量Fig.7 CO2 emissions and capture

图8 两种运行方式下碳捕集烟气分流比Fig.8 Split ratio of carbon capture flue gas in two operating modes

图9 CSP 出力、集热功率和储热罐充放功率Fig.9 CSP power,heat collection power and heat storage tank charging power

图10 弃风电量和各机组承担电负荷功率Fig.10 Waste air power and the electrical load power borne by each unit

由图6 可知,富液罐在01:00—08:00 和21:00—24:00 时段负荷谷时放出CO2(富液罐储液量下降、贫液罐储液量上升)来增大碳捕集设备能耗,降低碳捕集电厂净出力,降低碳捕集机组最小出力技术,给风电上网预留更充足的空间。在09:00—20:00 时段负荷峰时储存CO2(富液罐储液量上升、贫液罐储液量下降)来减小碳捕集设备损耗,以避免碳捕集能耗与负荷发生冲突,体现了碳捕集电厂灵活运行方式下“削峰填谷”和“能量时移”特性。

由图7 和8 可知,01:00—08:00 和22:00—24:00时段碳排放量接近于0,该时段处理了火电机组全部产碳量和储液罐转移的全部CO2量。08:00—22:00时段,VPP 电厂中CO2净排放量全部集中在该时段。由两种运行方式下烟气分流比和CO2捕集量可知,在烟气分流方式下,烟气分流比为0,该时段CO2全部排放到大气中。综合灵活运行方式下,烟气分流比为0.26,即该时段火电机组产碳量的26%进入储液罐,进一步降低了VPP 总碳排放量。

由图9 可知,光热电站出力曲线与光伏发电曲线不同,在没有太阳辐射晚高峰18:00—21:00 时段仍有出力,是由于CSP 电站配有大容量储热罐,将光照充足的热量存储用于晚高峰出力,提高了电力系统的灵活性。由此可以看出,CSP 电站使VPP 具有良好调峰特性和可调度性。

由图10 可知,弃风主要集中在01:00—07:00 时段,是由于风电具有反调峰特性和常规机组最小出力下限约束,此时,P2G 消纳了大部分的弃风电量,作为可转移负荷的碳捕集设备转移到此时段,也进一步提高了风电消纳能力,缓解了新能源出力和负荷出力不匹配的矛盾和实现“削峰填谷”作用。