計及碳捕集與需求響應的綜合能源系統優化調度

邢曉敏,劉 洋,郭長星,趙 輝

(1. 東北電力大學,吉林 吉林 132012;2. 國網吉林省電力有限公司松原市城郊供電分公司,吉林 松原 138000;3. 國網東北分部太平灣發電廠,遼寧 丹東 118000)

0 引言

能源危機、溫室效應問題日益突出,促使世界能源生產結構發生改革。為實現可持續發展,傳統能源與清潔能源相結合的綜合能源系統(integrated energy system,IES)得以快速發展[1]。

碳捕集與封存技術(carbon capture and storage,CCS)對實現系統低碳化具有重要意義[2]。電轉氣(power to gas,P2G)技術配合碳捕集系統可解決自身合成天然氣需要的碳源問題,在提高系統低碳經濟運行方面具有巨大的潛力。文獻[3]建立P2G聯合CCS協調優化模型,研究了系統的經濟運行問題;文獻[4]分析P2G-CCS聯合運行的能量流關系,研究耦合模型對減少系統碳排放的影響。在P2G運行期間,除去使用與損耗,其甲烷化反應所放出的大部分熱量理論上可以輸入熱網[5]。目前,在P2G與CCS協調運行時針對P2G回收熱的利用問題尚未得到充分關注。同時,針對能源再利用問題,國內外已有文獻提出廢物供能[6]與綜合能源系統相融合,將廢物處理過程的產物加入多能互補利用環節以實現最大化保護環境。

上述文獻主要考慮了從源側進行優化,隨著綜合需求響應(integrated demand response,IDR)的發展,源荷協同的低碳經濟調度逐漸受到關注[7]。通過IDR實現源荷互動,從荷側進一步提升綜合能源運行性能,是實現綜合能源系統低碳經濟調度切實可行的調節手段[8]。文獻[9]引入電價型需求響應,驗證了需求響應配合碳捕集設備對系統減少碳排放量并提高經濟效益的有效性;文獻[10]基于綜合需求響應和低碳運行機制,構建低碳經濟調度模型。但在含碳捕集的IES中對于需求響應的研究多為僅考慮單一負荷或兩種耦合的形式,鮮有同時涉及電、氣、熱三類負荷間的協調與轉換。

綜上,本文在現有研究成果的基礎上,提出了含P2G-CCS和廢物處理設備的電-氣-熱綜合能源系統聯合低碳運行模式,并建立了考慮負荷轉移與負荷替代的綜合需求響應模型。以系統綜合運行成本最低為目標函數,建立綜合能源系統低碳經濟調度模型,并引入階梯型碳交易機制。通過算例對不同運行場景進行仿真對比,分析了需求響應類型及碳交易參數對低碳經濟調度的影響。

1 電-氣-熱綜合能源系統模型

1.1 綜合能源系統基本結構

本文構建的綜合能源系統結構見圖1。由風機、燃煤機組和熱電聯產(combined heat and power, CHP)機組供電;由CHP機組、電鍋爐、P2G熱回收和儲熱設備供熱;由氣源、儲氣設備和垃圾處理單元供氣;CCS系統通過儲碳設備向P2G提供原料。負荷側引入計及負荷轉移與負荷替代的綜合需求響應。

圖1 電-氣-熱綜合能源系統結構

1.2 綜合能源系統聯合運行模式

P2G在運行期間所需的CO2由碳捕集系統提供,構成P2G-CCS耦合模型,并計及P2G甲烷化過程中的放熱反應,將其熱回收注入熱網。將CCS-P2G、燃煤機組、CHP機組、廢物處理系統和風電聯合運行。CCS系統由燃煤機組及CHP機組捕獲CO2,其能耗由燃煤機組、CHP機組及風電共同提供。同時采用電鍋爐進行能量轉換,通過電熱轉換配合CHP機組供熱。利用熱解氣化技術通過熱解爐進行垃圾處理,且產生的可燃氣體協同P2G為系統供氣。

2 IES綜合需求響應模型

2.1 綜合需求響應

隨著IES的發展,傳統電力需求響應拓展為綜合需求響應。根據能源價格與用能種類,綜合需求響應定義為同種能源依據不同時段能源價格進行橫向時間上的負荷轉移,以及多種形式能源依據同一時間的用能價格進行縱向的用能替代。

2.2 綜合需求響應模型

IDR響應后負荷模型為:

LN,t=LN0,t+ΔLN1,t+ΔLN2,t

(1)

式中:LN,t為響應后t時刻負荷量;LN0,t為響應前t時刻負荷量;ΔLN1,t、ΔLN2,t分別為t時刻參與IDR的可轉移負荷變化量和可替代負荷變化量。

本文首先建立基于電價的電負荷需求響應模型,并類比電負荷對氣、熱負荷進行IDR建模?？赊D移負荷變化量ΔLN1,t為:

(2)

式中:EN為能源價格彈性矩陣;LNt為t時刻參與IDR的負荷量;pNt,ΔpNt分別為能源原價格和價格的變化量。

可替代負荷取決于各能源價格之間的相對關系,通過對比分時能源價格,可以選擇不同形式的能源進行切換,為用戶提供相同的用能需求,實現電、氣負荷與電、熱負荷的替代。負荷替代模型為:

ΔLN2,t=-φN′·LN′,t

(3)

式中:φN′為負荷替代系數;LN′,t為t時刻參與替代的負荷量。

3 IES源-荷低碳經濟調度模型

3.1 階梯型碳交易機制

系統碳排放分配額度(以下簡稱配額)主要來自燃煤機組和CHP機組。

碳排放配額模型為:

(4)

式中:EC為系統碳排放配額;PCHP,t、PG,t分別為t時刻CHP機組、燃煤機組出力;HCHP,t為t時刻CHP機組熱出力;γG、γCHP為燃煤機組和CHP機組單位電能的配額。

本文提出的實際碳排放模型為:

(5)

式中:QN為系統實際碳排放量;eG、eCHP分別為燃煤機組、CHP機組的碳排放強度;QCCS,t為t時刻碳捕集系統CO2捕集量。

階梯型碳交易模型為:

EIES=QN-EC

(6)

式中:EIES為系統碳排放權交易額。

為更加嚴格約束碳排放量,本文采用階梯型碳交易機制。

(7)

式中:IC為碳交易成本;λ為碳交易基價;α為價格增長幅度;L為區間長度;δ為補償系數。

3.2 目標函數

本文以系統綜合運行成本最低為優化目標。目標函數模型為:

F=min(CBUY+CWA+CW+IC-CPF)

(8)

式中:CBUY為機組購能成本;CWA為棄風懲罰成本;CW為系統運行維護成本;CPF為垃圾處理單元收益費用。

購能成本為:

CBUY=CF+CCHP+CP2G

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:CF為燃料成本;CCHP為CHP機組的購氣成本;CP2G為P2G的運行成本和原料成本;a、b、c為燃料成本系數;λCHP為CHP機組單位購氣價格;Vsource,t為t時刻CHP機組購氣量;λP2G為P2G運行成本系數;PP2G,t為P2G在t時刻出力;λCO2為單位CO2價格;VCO2,buy為P2G二氧化碳購買量。

其三，突出群眾的廣泛參與。隨著“文革”式的政治運動退出歷史舞臺，運動式治理開始逐漸成為我國社會治理活動中的常態現象。運動式治理的動員對象雖主要是體制內的領導干部，但在宣傳上則必須突出群眾的廣泛參與[9]。因為只有突出群眾的廣泛參與，營造出干部、群眾齊心協力的景象，才能更好地體現運動的合法性。

棄風懲罰成本CWA為:

(13)

式中:λWA為單位棄風懲罰成本系數;PWA,t為風電機組在t時刻棄風量。

運行維護成本CW為:

(14)

式中:λW為風電機組維護成本系數;PW,t為t時刻風電機組出力。

垃圾處理補貼收益CPF為:

(15)

式中:λPF為熱解爐處理垃圾獲得的單位收益;GPF,t為t時刻熱解爐處理垃圾量。

3.3 約束條件

功率平衡約束為:

(16)

式中:PWN,t、PCHP_P,t、PGN,t分別為t時刻風電機組、CHP機組、燃煤機組上網功率;VCHP,t為t時刻CHP機組耗氣量;HEB,t為t時刻電鍋爐產熱功率;PPF-in,t為t時刻熱解爐能耗;VPF,t為t時刻垃圾處理產生天然氣量;PEL,t、HHL,t、GGL,t分別為t時刻電、熱、氣負荷;VP2G,t為P2G在t時刻生成的天然氣量。HP2G,t為P2G在t時刻回收熱能;PESC,t、PESD,t分別為電儲能設備在t時刻的充、放電功率;HESC,t、HESD,t分別為熱儲能設備在t時刻的充、放電功率;GESC,t、GESD,t分別為氣儲能設備在t時刻的充、放電功率。

(17)

式中:MES,t、MES,t-1分別為t和t-1時刻儲碳設備的儲碳量;θCO2為儲碳損耗系數;MESC,t為t時刻儲碳量;MESD,t為t時刻CO2輸出量;MES,min、MES,max分別為儲碳設備的最小、最大儲碳量。

燃煤機組出力及爬坡約束為:

(18)

式中:PG,min、PG,max分別為燃煤機組出力下、上限;ΔPG,min、ΔPG,max分別為爬坡下、上限。

CHP機組出力及爬坡約束為:

(19)

式中:PCHP,min、PCHP,max分別為CHP機組電出力下、上限;HCHP,min、HCHP,max分別為CHP機組熱出力下、上限;ΔPCP,min、ΔPCP,max分別為CHP機組出力爬坡下、上限。

電鍋爐約束為:

(20)

式中:PEB,t為電鍋爐t時刻耗電功率;PEB,min、PEB,max分別為電鍋爐耗電功率下、上限;HEB,min、HEB,max分別為電鍋爐產熱功率下、上限。

本文對電氣熱儲能設備進行統一建模,儲能設備約束為:

(21)

式中:PESC,n,t、PESD,n,t分別為第n種儲能設備在t時刻的充、放電功率;PESC,n,max、PESD,n,max分別為第n種儲能設備單次充、放電最大功率;BESC,n,t、BESD,n,t均為二進制變量;Sn(1)、Sn(T)分別為第n種儲能設備始末時段容量;Sn,t為第n種儲能設備在t時刻的容量;Sn,min、Sn,max分別為第n種儲能設備容量的下、上限;ηESC,n、ηESD,n分別為第n種儲能設備的充、放電效率。

4 算例分析

4.1 算例描述

為驗證本文所提模型的有效性,設置算例進行驗證。該系統包含燃煤機組、CHP機組、CCS機組、P2G設備、垃圾熱解爐、電鍋爐各1臺。各負荷與風電出力預測曲線見圖2、圖3;各分時能源價格參考文獻[11] ;各設備運行參數參考文獻[12-13] 。

圖2 電、氣、熱負荷曲線

圖3 風電出力預測曲線

4.2 優化結果分析

為分析源荷兩側協調調度的影響,設置4種方案。碳交易基本參數設置:基價為213元/t,價格增長幅度為20%,區間長度為100 t,補償系數為0.2。

方案1:不考慮CCS和IDR。

方案2:只考慮IDR。

方案3:只考慮CCS。

方案4:同時考慮CCS和IDR。

4種方案的優化結果見表1。

表1不同方案運行結果 單位:萬元

以方案1為比較基準,由于方案1沒有采取一定的優化調度手段,因此總成本最高。

方案2為僅從荷側進行優化調度,總成本降低了15.08%。但由于沒有裝設CCS,無法捕集CO2,低碳效果差。同時P2G運行須單獨購買CO2,無法獲得碳交易的收益。由于僅有P2G和電鍋爐消納棄風,且受到出力限制影響,不能完全消納,因此會產生棄風量。

方案3為僅從源側進行優化調度,總成本降低了42.04%?？紤]CCS后,捕集CO2并提供給P2G,使P2G有充足的碳源,節省原料成本,同時會獲得碳交易收益。

方案4同時考慮CCS和IDR進行優化調度,總成本降低了46.07%,優化調度結果見圖4—圖6。

圖4 電負荷優化調度結果

圖5 熱負荷優化調度結果

圖6 氣負荷優化調度結果

方案2與方案3證明了考慮源、荷兩側分別進行優化可提升系統經濟性,但方案4源-荷協同優化經濟效果更加明顯。

在00:00—07:00時段,風電出力較大,除配合CHP機組滿足電負荷需求外,會有大量剩余風電,此時通過電鍋爐和P2G進行能量轉移,生成熱負荷和氣負荷以消納此時段大部分棄電量。

在08:00—10:00時段,風電出力呈下降趨勢,為滿足供電需求,須增加燃煤機組出力,同時由于電鍋爐轉移的熱負荷減少,而CHP機組出力受到熱出力約束限制,因此需要儲熱裝置配合放熱來緩解供能壓力。

在11:00—14:00時段,熱負荷需求先減少后增加,CHP機組熱出力相應先減少后增多,因此電出力也相應變化。

在15:00—17:00時段,風電出力增多,考慮到燃煤機組碳排放量大,因此首選碳排放量較低的熱電聯產機組協調風電出力,足以滿足負荷需求。

在18:00—23:00時段,夜晚風電高發,風電出力配合CHP機組足以滿足電負荷需求,同時提供給碳捕集能耗以應對風力波動。在18:00—19:00時段,電、熱負荷需求較大,電鍋爐轉移熱量有限,需儲熱裝置配合放熱。

4.3 綜合需求響應影響

為進一步探究綜合需求響應對系統經濟性的影響,設置2種方案對比4.2節中方案3和方案4參與不同需求響應時的結果。

方案5:僅電負荷參與常規的需求響應。

方案6:電、氣、熱負荷都參與價格型需求響應。

4種方案的優化結果見圖7。

圖7 不同需求響應類型優化結果

由圖7可知,實施需求響應可有效降低系統運行成本,與方案3相比,方案5由于僅改善了電負荷曲線,總成本降低了3.5%;方案6依據分時能源價格,分別對電、氣、熱負荷曲線進行優化,進行負荷轉移,總成本降低了4.7%;而方案4引入IDR,總成本降低了6.9%。

參與綜合需求響應前后的電、氣、熱負荷變化見圖8。仿真結果表明了電負荷削峰填谷的變化趨勢,表現為在低谷期增加用能,在高峰期減少用能。氣、熱負荷的變化主要是因為參與了負荷替代,以能源價格為依托受電熱、電氣的耦合影響所致。

圖8 參與綜合需求響應前后的電、氣、熱負荷變化

需求響應具有平抑負荷曲線的能力,為分析參與類型對負荷波動的影響,對比方案3、方案4、方案5的電負荷方差見表2。電負荷方差是指相鄰時間的電負荷差的平方,用以表示負荷的波動性。

表2 不同需求響應類型負荷波動

由表2可知,與方案3相比,方案4、方案5的電負荷方差分別減小了47.09%和26.89%,可見通過引導用戶參加需求響應,對負荷曲線進行削峰填谷后,能有效平抑負荷波動。方案4更表明了參與IDR,可以在負荷轉移的基礎上,通過能源種類間的替代進行靈活調整,更大限度地優化負荷曲線輪廓。

4.4 碳交易參數影響

碳交易各參數相當于優化目標的權重,因此,參數的變化會對系統運行產生影響。

碳價對碳排放量與總成本的影響見圖9。碳排放量隨著碳價的增加逐漸減少,在210元后逐漸趨于平穩,因為隨著碳價的增加,通過減少碳排放量可以增加更多的碳排放權售出,以此獲得收益,從而系統的總成本也逐漸減少。

圖9 碳價對碳排放量與總成本的影響

補償系數對碳排放量與總成本的影響見圖10。當碳排放配額與實際排放量差值越大,對補償系數越敏感,售出的碳排放權越多,則系統獲得的碳交易收益越大,總成本越小。當補償系數大于0.4時,系統各機組出力趨于穩定,因此碳排放量也趨于穩定,但是總成本會隨著補償系數的增加繼續減少。

圖10 補償系數對碳排放量與總成本的影響

5 結論

本文為兼顧系統低碳性與經濟性,提出了考慮需求響應的綜合能源系統低碳經濟調度模型,并以此為基礎,設置不同場景進行分析。結果表明:

1) 同時考慮源側與荷側進行優化可有效提升系統的低碳經濟性;

2) 引入計及負荷轉移與負荷替代的綜合需求響應,可以明顯優化系統負荷曲線,改善負荷波動;

3) 引入階梯型碳交易機制可以更好地約束碳排放量,碳交易參數對系統的碳排放量和成本都有明顯影響,碳價與補償系數的配合可以增加碳交易收益,以此減少系統的總成本。