含碳捕集的电-气综合能源系统低碳经济调度

余莎，何光层，刘志坚，朱珏佩，杨竣皓

(1.云南电网有限责任公司保山供电局，云南 保山 678000；2.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650504)

在全球变暖问题日趋严重的背景下，“双碳”战略目标的提出对我国乃至全世界绿色、高效、可持续发展具有重要意义[1]，电力行业作为最大的碳排放行业，助力“双碳”目标的落实责无旁贷。电-气综合能源系统以供需互动、综合能源利用率高[2-3]且运行高效的特点在全世界尤其是国外被广泛应用于能源供应系统[4]。综合能源系统作为未来能源转型的发展方向，更应该明确在多能耦合形势下系统能源低污染、高能效的发展目标[5]。

“双碳”背景下，能源体系绿色转型刻不容缓，电力系统能够采取的行之有效的方法除了增加绿色能源的使用率[6]，还有转变生产方式，致力于低碳技术的发展[7-8]。文献[9-10]分析了低碳电力的发展过程中碳捕集的重要地位，表明对于当前低碳电力的可持续发展离不开碳捕集这一关键性的低碳技术；文献[11]综合考虑储液式、分流式2种碳捕集电厂的运行方式，验证综合运行模式下系统的调峰作用以及所提模型的经济环保性；文献[12]构建含碳捕集热电联产机组的虚拟电厂，并聚合风电及电转气装置，实现了碳捕集系统与电转气设备之间的碳循环；文献[13]采用碳排放流模型对碳排放进行跟踪和计算，提出一种基于双边贸易机制和主动需求侧管理的两阶段低碳运营规划模型，以减少碳排放。

“双碳”背景下，可再生能源高比例并网发电的同时，系统的弃风问题也日益严重[14]。为保证新能源能够尽可能全额消纳，文献[15]提出的电转气考虑了电转氢和电转天然气两阶段能量流动，将混合储能系统与微网结合，在风电并网时保证系统的经济性和环保性；文献[16]提出一种削峰填谷模型，验证电转气在消纳新能源、平滑净负荷曲线方面的作用；文献[17]通过设定不同的仿真场景验证了电转气设备消纳风电的能力；文献[18]对电转气设备采取碳交易激励机制，采用改进的逐次线性化方法对模型作线性化处理，验证所提机制对提高电转气运行性能、消纳风电的积极作用。

以上文献虽在“双碳”背景下对综合能源系统进行能量优化和经济调度研究，但对于引入碳捕集系统后，碳捕集系统和电转气设备的灵活运行以及二者联合消纳风电的机制鲜有研究。基于此，本文构建含碳捕集的电-气综合能源系统环境经济调度模型，针对碳捕集和电转气设备，提出一种计及储碳、储氢设备的联合运行模式。首先对含碳捕集的电-气综合能源系统结构进行理论研究，其次在联合运行模式下考虑综合能源系统相关约束，以系统综合运行成本最小为目标建立优化调度模型，最后通过仿真结果进行对比分析，验证所提模型的可行性。

1 含碳捕集的电-气综合能源系统及其运行模式

1.1 含碳捕集的电-气综合能源系统

1.1.1 碳捕集电厂模型

图1为碳捕集电厂的能量流动框图。常规火电机组加装碳捕集系统后即为碳捕集机组。在碳捕集电厂的能量流动过程中，等效输出功率即碳捕集电厂按照一定转换效率通过发电循环输出的电能；净输出功率即扣除用于碳捕集系统运行的能量后，碳捕集电厂最终对外输出的电能[19]。碳捕集系统消耗的捕集能量由机组提供，使得电厂能够上网的净输出小于其额定发电功率[20]。

图1 碳捕集电厂能量流动框图

结合图1所示碳捕集电厂的能量流动框图，碳捕集电厂运行模型表示如下：

(1)

碳捕集电厂在发出等效输出功率的同时将按一定比例产生CO2量Qc：

(2)

综上，碳捕集电厂的净输出功率

(3)

且净输出功率满足出力限制约束

(4)

1.1.2 含碳捕集的电-气综合能源系统结构

含碳捕集的电-气综合能源系统如图2所示。与传统的综合能源系统架构相比，该系统引入碳捕集电厂、储碳设备、储氢设备，不仅能够实现电力网络与天然气网络的双向电气耦合，还可通过碳捕集装置形成碳循环，提高系统的碳减排能力，使该系统兼顾经济性与环保性。下面对本文所提出的计及储碳、储氢设备的联合运行模式进行建模研究。

图2 含碳捕集的电-气综合能源系统

1.2 计及储碳、储氢设备的联合运行模式

单纯的碳捕集系统与电转气设备进行耦合存在一定的缺陷。其一，电-气综合能源系统中电转气设备的甲烷化反应只在弃风时段利用剩余电能消耗CO2合成甲烷[21]，但碳捕集系统捕获CO2可能贯穿于整个调度周期，CO2气体流量供需不平衡造成不必要的成本及气体资源浪费。其二，氢气的用途广泛，与直接参与甲烷化反应相比，将氢气用于电动汽车市场、燃料电池、氢气燃气轮机发电或许能带来更好的经济效益。基于此，本文提出一种计及储碳、储氢设备的联合运行模式，如图3所示。一方面可以降低电转气设备因甲烷化反应购买CO2的成本，另一方面甲烷化反应产生的热量可以用于补偿碳捕集系统因运行产生的运行能耗，进而提高碳捕集电厂的净输出功率。

图3 计及储碳、储氢设备的联合运行模式

在计及储碳、储氢设备的联合运行模式下，储氢设备、储碳设备、电转气设备、氢气燃气轮机以及碳捕集电厂中的碳捕集系统模型分别列写如下。

a)储氢设备模型为：

(5)

另外，甲烷化反应和氢气燃气轮机所需的氢气均来自储氢设备，故氢气流量应满足以下约束：

(6)

b)储碳设备模型可类比于储氢设备，储碳设备在运行过程中任一时刻的储碳量

(7)

相应的储碳设备容量约束，CO2流量的注入量及取出量大小约束，一个调度周期内初始、结束时的CO2容量约束如下：

(8)

储碳设备d的CO2注入量

(9)

c)电转气装置电解制氢反应产生的氢气量

(10)

电转气装置输入功率约束为

(11)

(12)

式中ψH2-CO2、ψH2-CH4分别为氢气与CO2、氢气与甲烷之间的反应系数，取值均为0.25。

同时，因甲烷化反应产生的热能

(13)

式中ψheat为热量回收系数。

d)碳捕集系统运行能耗

(14)

2 含碳捕集的电-气综合能源系统低碳经济调度模型

本文所提含碳捕集的电-气综合能源系统环境经济调度模型以系统运行成本、CO2相关成本以及弃风惩罚成本三者之和的综合成本最小为目标函数，并考虑电力网络约束、天然气网络约束、耦合单元约束及碳捕集系统约束。

2.1 目标函数

含碳捕集的电-气综合能源系统环境经济调度以在联合运行模式下的综合成本最小为优化目标，目标函数为minF，

F=FO+FC+FW.

(15)

式中：FO为系统运行成本；FC为CO2相关成本；FW为弃风惩罚成本。

a)系统运行成本FO包括化石燃料机组运行成本FG、天然气源的产气成本FNω、天然气储气设施的用气成本FNS，即

(16)

b)CO2相关成本FC包括化石燃料机组排放CO2的碳税成本FCT、CO2的传输存储成本FTS、碳捕集机组从空气中捕集CO2的成本FCC，即

(17)

c)弃风惩罚成本是因风电不确定性产生弃风而引发的成本问题，可引入弃风惩罚费用系数对其进行优化处理：

(18)

式中：NW为风电场数；P′w,t为风电场w在t时刻的出力预测值；Pw,t为风电场w在t时刻的实际出力值；Cw为弃风惩罚费用系数。

2.2 约束条件

本文模型包含电力网络、天然气网络、碳捕集系统、电转气设备及联合运行模式中储碳、储氢等设备约束。其中，天然气网络采用其常规稳态模型，电力网络在常规网络模型的基础上对其功率平衡约束、旋转备用约束分别作如下改写：

(19)

(20)

其余约束见第1章详细建模。

3 算例分析

在如图4所示的6母线电网和7节点天然气网络上对本文所提模型进行仿真验证，该模型各部分结构组成见表1。本文模型的求解选择优化软件Gurobi 8.1.1，在MATLAB 2018平台上采用Yalmip建模工具包进行编程求解，计算机环境为Intel 2.90 GHz CPU，8 GB内存。

表1 电-气综合能源系统结构组成

图4 6节点电力系统和7节点天然气系统

3.1 仿真场景设定

基于以上的网络模型，设定以下3种仿真场景进行对比仿真分析：

场景1，典型综合能源系统环境经济调度(基准场景，电、气两网由电转气设备连接)；

场景2，含碳捕集系统的综合能源系统环境经济调度；

场景3，计及储碳、储氢设备的联合运行模式下综合能源系统环境经济调度。

3.2 参数设定

为了验证模型的正确性，系统各参数设定如下：电力负荷、天然气负荷及风电出力预测曲线如图5所示，电力系统相关数据与matpower6节点相同，天然气网络相关数据参考文献[7]。此外，电力网络中系统调度周期内旋转备用需求取值为总负荷的30%；电转气设备允许输入功率的下限取值10 MW、上限取值100 MW；碳捕集系统的维持能耗为固定值，取机组装机容量的0.5%；碳税价格取值20美元/t，传输存储CO2的价格取值5美元/t，从空气中捕获CO2所需的价格成本取值200美元/t。以1 h为时间间隔对1 d(24 h)的电-气综合能源系统进行优化分析。

图5 电力负荷、天然气负荷及风电预测值曲线

3.3 仿真结果分析

本文分别对3种场景下系统风电消纳、碳捕集净输出功率、电转气设备输入功率、模型目标优化等方面的优化结果进行对比分析，验证本文所提模型的意义。

3.3.1 风电消纳情况及分析

3种场景下风电消纳对比如图6所示。由图6可知，场景1虽有电转气设备可消纳一部分风电，但输入电转气设备的功率大小受其上限约束，故在风电出力较多的2—7、20—24时段出现大量弃风，从而使系统的惩罚成本增加。在场景2中，虽加入碳捕集系统使得弃风量减少，但碳捕集系统的运行能耗由其处理的CO2量决定，故3—6时段仍有少量弃风。在场景3中，加入储碳、储氢单元，能够提高碳捕集系统、电转气设备的灵活运行能力，调度周期内可基本实现风电的全消纳。

图6 3种场景下的风电消纳对比

3.3.2 碳捕集机组运行情况分析

3种场景下机组G5出力对比如图7所示。由图7可知，场景2中，由机组本身提供碳捕集系统运行所需的捕集能量，故机组G5在场景2的净输出低于场景1，给风电上网提供了更大的利用空间。在场景3联合运行模式下，碳捕集系统回收利用甲烷化反应释放的热量，减少自身运行能耗，从而使机组G5的净输出功率总体高于场景2。另外，回收的热能未能全补偿碳捕集系统运行能耗，机组自身仍需提供一部分能耗，故机组G5在场景3的净输出总体上仍低于场景1。

图7 3种场景下的机组G5出力对比

3.3.3 电转气设备结合储氢设备的运行情况及分析

3种场景下电转气输入功率对比如图8所示。与场景1相比，场景2、3中加入碳捕集系统可消纳一部分风电，故电转气设备利用的风电相对较少。同时，由于场景3加入储氢设备，实现电转天然气和电转氢气2个过程的解耦，电解反应利用富余电能电解制氢，可基本实现风电的全消纳，故场景3相较于场景2电转气设备的输入功率总体较高。

图8 3种场景下的电转气设备输入功率对比

3种场景下电转气设备合成甲烷产量对比如图9所示。场景1、2中，合成甲烷气体量与电转气设备输入功率成正比关系，二者曲线走向相同。在场景3，发生甲烷化反应合成甲烷的同时还伴随着放热过程，图10所示为9—13、19—22时段甲烷化反应释放的热量，全时段释放的总热量73.66 MW将被碳捕集机组G5全部回收，用于补偿捕集CO2产生的运行能耗。

图9 3种场景下的电转气设备合成甲烷产量对比

图10 场景3下的机组G5碳捕集回收热能

综上分析表明，系统中加入储氢设备能够使电转气设备更加灵活运行，进而使电、气两网间的能量流能够更加灵活地进行耦合。

3.3.4 目标优化结果及分析

一个调度周期内不同场景下CO2相关成本对比见表2。结合图11不同场景下CO2排放量及CO2捕集量可知，场景3中的碳捕集系统由于回收利用甲烷化反应释放的热量，碳捕集机组G5能够捕集的CO2量比场景2中多38.3 m3，因此场景3中的CO2传输存储成本高于场景2。场景1中甲烷化反应所需CO2均从空气中捕集，而场景3中甲烷化反应所需的CO2均能由储碳设备提供，故从空气捕集CO2成本场景1最高，场景3成本为0。

表2 3种场景下的CO2相关成本对比

图11 3种场景下的CO2排放量及机组G5的CO2捕集量

一个调度周期内3种场景下系统各项成本及综合成本见表3。由表3可知，场景2、3电转气设备及碳捕集系统均有利于消纳风电，故弃风惩罚成本均低于场景1。场景3中无论是系统综合成本，还是系统运行成本、CO2相关成本、弃风惩罚成本，均为3种场景下的最优值。因此，本文所提计及储碳、储氢设备的联合运行模式在电-气综合能源系统应用中具有一定的经济性和环保性。

表3 3种场景下的系统综合成本对比

4 结束语

本文在风电消纳和“双碳”背景下，为使电转气设备、碳捕集系统能够更好地发挥消纳风电、降低碳排放的优势，提出一种计及储碳、储氢设备的联合运行模式，并构建含碳捕集的电-气综合能源系统低碳经济调度模型。联合运行模式下，系统基本实现了风电的全额消纳。储碳、储氢设备的加入提高了碳捕集系统、电转气设备运行的灵活性，实现碳循环，优化能量流，使得系统综合运行成本、碳排放量均为最优。在多能耦合的综合能源系统背景下，该模型的提出对系统能够经济、环保地运行具有重要意义。