韓 麗 王 沖 于曉嬌 喻洪波 王曉靜

考慮風(fēng)電爬坡靈活調(diào)節(jié)的碳捕集電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

韓 麗 王 沖 于曉嬌 喻洪波 王曉靜

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 徐州 221116）

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，風(fēng)電等可再生能源的使用是減少碳排放的根本途徑，而碳捕集電廠是降低碳排放的直接手段。但風(fēng)電具有與生俱來(lái)的波動(dòng)性，風(fēng)電的驟升驟降會(huì)影響碳捕集電廠“電碳耦合”特性，從而對(duì)碳捕集效果帶來(lái)不利影響。而儲(chǔ)液罐通過增減自身溶液量可近似地存儲(chǔ)釋放能量，為解決上述問題提供了可能。該文首先搭建碳捕集電廠數(shù)學(xué)模型，分析儲(chǔ)液罐通過增減溶液量帶來(lái)的儲(chǔ)放能量與碳捕集設(shè)備能耗之間的關(guān)聯(lián)，研究?jī)?chǔ)液罐的雙向調(diào)節(jié)能力；然后，提出上爬坡碳超前補(bǔ)償和下爬坡碳滯后補(bǔ)償調(diào)度策略，雙向調(diào)節(jié)儲(chǔ)液罐使碳捕集電廠電碳解耦；接著，構(gòu)建跟隨風(fēng)電爬坡進(jìn)行調(diào)節(jié)的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；最后，對(duì)含碳捕集電廠、高碳電廠和風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，證明所提方法的有效性。

碳減排 風(fēng)電爬坡 碳捕集電廠 碳補(bǔ)償

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，風(fēng)電等可再生能源的充分利用是減少燃煤、降低碳排放的根本途徑，而碳捕集（Carbon Capture System, CCS）電廠是降低碳排放的直接手段[1]。受大自然影響，風(fēng)、光等新能源有很強(qiáng)的隨機(jī)性與波動(dòng)性，很容易發(fā)生風(fēng)電爬坡等不利事件。風(fēng)電爬坡事件發(fā)生時(shí)，引發(fā)的功率驟升驟降非常不利于充分利用新能源[2-3]。碳捕集設(shè)備因其快速響應(yīng)風(fēng)電波動(dòng)的能力，被稱作風(fēng)電的理想適配電源，在促進(jìn)二氧化碳減排、新能源消納方面有著重要的作用[4]。因此，當(dāng)風(fēng)電爬坡事件發(fā)生時(shí)，考慮利用碳捕集設(shè)備來(lái)解決相關(guān)問題，不僅可以降低碳排放量，同時(shí)能提高風(fēng)電爬坡時(shí)風(fēng)電的利用率。

目前通過碳捕集電廠來(lái)推動(dòng)碳減排、消納新能源成為研究基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5-6]建立碳捕集電廠的綜合靈活運(yùn)行模式來(lái)降低碳排放；文獻(xiàn)[7]將碳捕集設(shè)備和太陽(yáng)能發(fā)熱裝置結(jié)合來(lái)推動(dòng)碳減排、消納太陽(yáng)能；文獻(xiàn)[8-9]在碳捕集電廠基礎(chǔ)上引入了熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)消納風(fēng)能，利用碳捕集設(shè)備以吸收二氧化碳；文獻(xiàn)[10]改進(jìn)傳統(tǒng)單碳約束為雙碳量約束下的碳捕集電廠配合，更好地參與碳減排；文獻(xiàn)[11-12]通過將碳捕集電廠與核電廠聯(lián)合，碳捕集電廠主要用于吸收二氧化碳和消納部分棄風(fēng)；文獻(xiàn)[13]采用分時(shí)能源電價(jià)來(lái)影響荷側(cè)，同時(shí)碳捕集電廠參與碳減排；文獻(xiàn)[14]采用階梯型碳交易機(jī)制來(lái)影響荷側(cè)，同時(shí)與碳捕集電廠進(jìn)行源荷低碳互補(bǔ)以促進(jìn)碳減排、消納風(fēng)電。文獻(xiàn)[15]考慮富氧燃燒技術(shù)下的碳捕集電廠，通過碳捕集電廠與光熱電站之間的余熱利用和氧氣回收促進(jìn)碳減排。上述研究主要搭建包括分流運(yùn)行方式和儲(chǔ)液運(yùn)行方式的碳捕集電廠的綜合靈活運(yùn)行模式，利用碳捕集電廠降低碳排放，但并沒有考慮風(fēng)電爬坡事件發(fā)生時(shí)碳捕集電廠的運(yùn)行狀態(tài)。

為了更好地提高新能源利用率，了解風(fēng)電爬坡等天氣下碳捕集電廠如何高效運(yùn)行非常有必要。文獻(xiàn)[16]指出，碳捕集電廠提高機(jī)組靈活性時(shí)以犧牲捕碳強(qiáng)度為代價(jià)，碳捕集效率會(huì)下降。因此風(fēng)電爬坡帶來(lái)的功率驟升驟降必然會(huì)影響碳捕集電廠“電碳耦合”特性。風(fēng)電爬坡事件時(shí)碳捕集電廠如何高效運(yùn)行成為技術(shù)難點(diǎn)。

隨著研究進(jìn)一步深入，重點(diǎn)對(duì)于碳捕集電廠的綜合靈活運(yùn)行模式中儲(chǔ)液罐的相關(guān)特性進(jìn)行深入研究。首先，儲(chǔ)液罐的存儲(chǔ)能力可以在一定程度上增大碳捕集電廠的備用容量。文獻(xiàn)[17]運(yùn)用碳捕集電廠的綜合靈活運(yùn)行模式將捕獲能耗等同于系統(tǒng)儲(chǔ)備容量，分擔(dān)高碳火電機(jī)組的儲(chǔ)備壓力。文獻(xiàn)[18]搭建了基于階梯碳交易的電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas, P2G）-CCS虛擬碳捕集電廠模型，利用碳捕集設(shè)備儲(chǔ)液罐提供更大系統(tǒng)儲(chǔ)備容量來(lái)消納部分風(fēng)電。文獻(xiàn)[19]考慮源-荷多時(shí)間尺度優(yōu)化碳捕集電廠旋轉(zhuǎn)備用，利用碳捕集設(shè)備提供了更大的系統(tǒng)儲(chǔ)備容量，在了解儲(chǔ)液罐提升系統(tǒng)儲(chǔ)備容量的基礎(chǔ)上，研究?jī)?chǔ)液罐溶液量在不同時(shí)間段內(nèi)的存儲(chǔ)釋放，深入挖掘其能量時(shí)移特性。文獻(xiàn)[20]主要構(gòu)建了碳捕集電廠與P2G聯(lián)合運(yùn)行的綜合能源系統(tǒng)，通過儲(chǔ)液罐進(jìn)行能量時(shí)移，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。文獻(xiàn)[21]運(yùn)用碳捕集電廠的綜合靈活運(yùn)行模式將峰值負(fù)荷碳排放量大的常規(guī)火電機(jī)組的輸出轉(zhuǎn)移到低負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。上述文獻(xiàn)中，并沒有考慮風(fēng)電爬坡事件發(fā)生時(shí)碳捕集電廠的運(yùn)行狀態(tài)，但碳捕集電廠能量時(shí)移的特性不僅可以實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，對(duì)于緩解風(fēng)電爬坡事件帶來(lái)的調(diào)度壓力也有明顯優(yōu)勢(shì)。因此碳捕集電廠綜合靈活運(yùn)行模式下儲(chǔ)液罐的能量時(shí)移特性，為解決風(fēng)電爬坡時(shí)碳捕集電廠的運(yùn)行問題提供了可能。

綜上所述，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，為了解決風(fēng)電爬坡事件發(fā)生時(shí)存在的碳捕集電廠運(yùn)行問題，對(duì)儲(chǔ)液罐進(jìn)行調(diào)度策略研究。提出碳捕集電廠新型調(diào)度策略以降低風(fēng)電爬坡帶來(lái)的碳減排影響，同時(shí)有效改善風(fēng)電爬坡帶來(lái)的棄風(fēng)和切負(fù)荷現(xiàn)象。首先，搭建碳捕集電廠數(shù)學(xué)模型，分析儲(chǔ)液罐通過增減溶液量帶來(lái)的解析塔能耗增減與碳捕集設(shè)備能耗之間的關(guān)聯(lián)，研究?jī)?chǔ)液罐的雙向調(diào)節(jié)能力；然后，提出上爬坡碳超前補(bǔ)償和下爬坡碳滯后補(bǔ)償調(diào)度策略，雙向調(diào)節(jié)儲(chǔ)液罐使碳捕集電廠電碳解耦；最后，構(gòu)建跟隨風(fēng)電爬坡進(jìn)行調(diào)節(jié)的碳捕集電廠低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

1 碳捕集電廠原理及其雙向調(diào)節(jié)能力

1.1 碳捕集電廠技術(shù)原理

圖1 含碳捕集電廠的能源系統(tǒng)

當(dāng)火電廠燃燒燃料之后釋放二氧化碳，排放的二氧化碳經(jīng)過煙氣旁路，一部分流入吸收塔，與吸收溶液充分接觸后被吸收，得到富含二氧化碳的富液，另一部分排放到大氣中。經(jīng)吸收塔吸收的二氧化碳跟隨富液流入解析塔進(jìn)行解析捕捉，捕捉后解析塔將含二氧化碳溶液較少的貧液流回吸收塔以進(jìn)行之后的吸收工作。此捕捉過程為煙氣分流式碳捕集過程[24]。

綜合性靈活運(yùn)行模式是在分流式碳捕集設(shè)備的基礎(chǔ)上加裝儲(chǔ)液罐。儲(chǔ)液罐可以使吸收塔的吸收過程和解析塔的解析過程近似解耦，通過靈活調(diào)節(jié)同一時(shí)間流入儲(chǔ)液罐的富液速率和流出儲(chǔ)液罐的富液速率，使吸收塔和解析塔處理的二氧化碳溶液量不同，從而使被捕捉二氧化碳量的調(diào)節(jié)更加靈活。如圖1所示，儲(chǔ)液罐通過改變解析塔溶液量大小靈活地改變了解析塔耗能。這種在煙氣分流碳捕集裝置的基礎(chǔ)上同時(shí)引入儲(chǔ)液罐來(lái)靈活調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式叫做碳捕集設(shè)備綜合靈活運(yùn)行模式[25]。

1.2 碳捕集電廠數(shù)學(xué)模型

對(duì)于傳統(tǒng)火電廠來(lái)說，改變機(jī)組凈出力可能需要改變鍋爐等設(shè)備的出力情況，對(duì)系統(tǒng)的影響較大。而對(duì)于碳捕集電廠綜合靈活運(yùn)行模式來(lái)說，可以通過調(diào)節(jié)煙氣分流比和儲(chǔ)液罐流入流出速率對(duì)機(jī)組凈出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。碳捕集電廠具體數(shù)學(xué)模型為

儲(chǔ)液罐主要通過有機(jī)胺[26]來(lái)捕集二氧化碳，本文采用一乙醇胺（MEA）這種傳統(tǒng)的醇胺溶液來(lái)捕集二氧化碳。而二氧化碳以化合物形式存在于醇胺溶液中，需要考慮二氧化碳質(zhì)量與醇胺溶液體積的關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)[5]可得具體關(guān)系式為

1.3 碳捕集設(shè)備的儲(chǔ)能特性及雙向調(diào)節(jié)能力

2 基于碳補(bǔ)償法的風(fēng)電爬坡事件協(xié)調(diào)調(diào)度策略

2.1 碳捕集電廠靈活跟隨風(fēng)電波動(dòng)

本文對(duì)于風(fēng)電上爬坡與風(fēng)電下爬坡采用了不同的調(diào)度策略，在滿足碳捕集電廠低碳特性的同時(shí)降低風(fēng)電爬坡帶來(lái)的影響。針對(duì)風(fēng)電上爬坡采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”，利用儲(chǔ)液罐提前儲(chǔ)存“能量”來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)電上爬坡可能產(chǎn)生的大量富余風(fēng)電；針對(duì)風(fēng)電下爬坡采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”，利用儲(chǔ)液罐延時(shí)滯后釋放“能量”來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)電下爬坡可能產(chǎn)生的風(fēng)電功率不足問題。

2.2 上爬坡碳超前補(bǔ)償法

對(duì)于未加裝儲(chǔ)液罐的傳統(tǒng)碳捕集電廠來(lái)說，其跟隨風(fēng)電波動(dòng)調(diào)節(jié)能力是有限制的。以上爬坡為例，火電廠的出力情況與碳捕集設(shè)備消耗溶液量如圖2所示。

圖2 風(fēng)電上爬坡設(shè)備出力情況

如圖2所示的風(fēng)電上爬坡段，風(fēng)電功率在短時(shí)間內(nèi)驟升，系統(tǒng)為平抑波動(dòng)下爬坡調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的總下爬坡率為

此時(shí)的火電廠下爬坡率已經(jīng)達(dá)到最大，并且碳捕集設(shè)備也在一定程度上進(jìn)行了額外的碳捕捉以緩解此處的風(fēng)電上爬坡。但是很明顯系統(tǒng)下爬坡調(diào)節(jié)并不能夠完全消除風(fēng)電上爬坡帶來(lái)的影響。在風(fēng)電上爬坡階段，碳捕集設(shè)備相當(dāng)于額外的電負(fù)荷對(duì)過高的風(fēng)電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

而對(duì)于碳捕集設(shè)備引入的儲(chǔ)液罐來(lái)說，靈活的調(diào)用其容量可以對(duì)碳捕集機(jī)組凈出力產(chǎn)生一定的影響，從而平抑風(fēng)電爬坡帶來(lái)的影響，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)碳捕集水平的降低。因此針對(duì)風(fēng)電上爬坡，本文提出了“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”，在滿足碳捕集水平的同時(shí)緩解風(fēng)電上爬坡帶來(lái)的影響。

根據(jù)式（4）和圖2可以得出，此時(shí)系統(tǒng)的下爬坡率比傳統(tǒng)火電廠下爬坡率要更大。因此對(duì)于風(fēng)電上爬坡調(diào)度策略下的儲(chǔ)液罐動(dòng)作進(jìn)行建模分析，具體如下。

該方法在滿足碳捕集能力的基礎(chǔ)上，為碳捕集電廠提供額外的爬坡調(diào)節(jié)功率，并不需要增加高昂的儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)節(jié)，既滿足了平抑風(fēng)電波動(dòng)的需求又降低了調(diào)度總成本和碳排量。

2.3 下爬坡碳滯后補(bǔ)償法

針對(duì)風(fēng)電下爬坡，本文提出了“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”來(lái)對(duì)風(fēng)電下爬坡進(jìn)行平抑。以下爬坡為例，火電廠的出力情況與碳捕集設(shè)備消耗溶液量如圖3所示。

圖3 風(fēng)電下爬坡設(shè)備出力情況

根據(jù)式（6）可以得出，此時(shí)系統(tǒng)的上爬坡率比傳統(tǒng)火電廠上爬坡率更大，可以更好地應(yīng)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)。因此對(duì)于風(fēng)電下爬坡調(diào)度策略下的儲(chǔ)液罐動(dòng)作進(jìn)行建模分析，具體如下。

綜上所述，為應(yīng)對(duì)風(fēng)電上爬坡事件，儲(chǔ)液罐提前預(yù)留富液量進(jìn)行調(diào)節(jié)；而為了應(yīng)對(duì)風(fēng)電下爬坡事件，儲(chǔ)液罐滯后對(duì)富液量的處理。通過儲(chǔ)液罐的靈活調(diào)用，在一定程度上降低系統(tǒng)碳排量，且緩解風(fēng)電爬坡可能帶來(lái)的影響。

3 應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡的低碳碳捕集電廠調(diào)度模型

本文模型在降低碳排放的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)電爬坡采取對(duì)應(yīng)的調(diào)度策略，在降低碳排量的前提下一定程度上減小棄風(fēng)和切負(fù)荷。本文搭建的碳捕集模型采用分流式捕集和儲(chǔ)液式捕集共同參與的綜合靈活運(yùn)行方式。具體調(diào)度策略如圖4所示。

圖4 應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡的碳捕集電廠調(diào)度策略

由于本文應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡采取的調(diào)度策略更加充分地利用了風(fēng)能，提高了能源利用率，因此整體的碳捕集電廠碳排量會(huì)減少。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文低碳經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)以系統(tǒng)總成本最低為目標(biāo)，成本函數(shù)主要包括火電廠運(yùn)行成本、棄風(fēng)懲罰成本、切負(fù)荷懲罰成本、碳交易成本及碳捕集設(shè)備折舊成本。

3.2 約束條件

1）綜合靈活運(yùn)行模式下應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡的碳捕集電廠約束

儲(chǔ)液罐的儲(chǔ)液量變化會(huì)對(duì)碳捕集電廠凈出力產(chǎn)生較大影響，本文在傳統(tǒng)靈活運(yùn)行模式碳捕集設(shè)備儲(chǔ)液罐動(dòng)作的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，碳捕集電廠功率約束及碳平衡容量約束見式（1）和式（2）。針對(duì)不同的爬坡情況引入不同的爬坡策略。對(duì)于風(fēng)電上爬坡采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于風(fēng)電下爬坡采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得儲(chǔ)液罐可以在滿足碳捕集強(qiáng)度的同時(shí)調(diào)節(jié)由于風(fēng)電爬坡帶來(lái)的棄風(fēng)及切負(fù)荷等不利影響，具體約束為

2）棄風(fēng)切負(fù)荷約束

3）電網(wǎng)約束

電網(wǎng)約束主要包括火電廠出力上下限約束、風(fēng)電出力上下限約束、負(fù)荷上下限約束、火電出力爬坡約束以及旋轉(zhuǎn)備用約束，此類約束為傳統(tǒng)電網(wǎng)約束，此處不再過多贅述，具體約束參見文獻(xiàn)[31-32]。

4 算例分析

本文采用10個(gè)火電機(jī)組和1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成的系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。G1、G2火電廠加裝碳捕集設(shè)備改造成碳捕集電廠，其他8個(gè)火電廠為普通高碳電廠，風(fēng)電場(chǎng)為600 MW風(fēng)電場(chǎng)。為了更高效地分析風(fēng)電上爬坡與風(fēng)電下爬坡對(duì)于系統(tǒng)的影響，本文選取兩種不同的典型日分別對(duì)風(fēng)電上、下爬坡進(jìn)行針對(duì)性研究。圖5中分別為典型日1風(fēng)電出力曲線、典型日2風(fēng)電出力曲線和日負(fù)荷曲線。

圖5 風(fēng)電與用戶負(fù)荷日功率曲線

根據(jù)圖5可知，在典型日1的8～11 h發(fā)生了較為嚴(yán)重的風(fēng)電驟升，此時(shí)負(fù)荷需求變化不太明顯，因此發(fā)生了較大的風(fēng)電上爬坡事件；在典型日2的17～19 h發(fā)生了較為嚴(yán)重的風(fēng)電驟降，此時(shí)負(fù)荷需求較大且調(diào)節(jié)爬坡程度無(wú)法較好跟隨，因此發(fā)生了較大的風(fēng)電下爬坡事件。

根據(jù)不同典型日、是否對(duì)風(fēng)電爬坡進(jìn)行調(diào)節(jié)劃分為如下四種情況進(jìn)行算例分析。

Case1：在典型日1，碳捕集電廠采用綜合靈活調(diào)用模式，在滿足低碳要求下應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡產(chǎn)生的棄風(fēng)和切負(fù)荷。

Case2：在典型日1，碳捕集電廠采用綜合靈活調(diào)用模式，且儲(chǔ)液罐對(duì)于風(fēng)電爬坡事件進(jìn)行上爬坡碳超前補(bǔ)償和下爬坡碳滯后補(bǔ)償，在滿足低碳要求下應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡造成的棄風(fēng)和切負(fù)荷。

Case3：在典型日2，碳捕集電廠采用綜合靈活調(diào)用模式，在滿足低碳要求下應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡產(chǎn)生的棄風(fēng)和切負(fù)荷。

Case4：在典型日2，碳捕集電廠采用綜合靈活調(diào)用模式，且儲(chǔ)液罐對(duì)于風(fēng)電爬坡事件進(jìn)行上爬坡碳超前補(bǔ)償和下爬坡碳滯后補(bǔ)償，在滿足低碳要求下應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡造成的棄風(fēng)和切負(fù)荷。

由于典型日1風(fēng)電上爬坡現(xiàn)象明顯，上爬坡時(shí)棄風(fēng)現(xiàn)象明顯，因此本文主要對(duì)典型日1風(fēng)電上爬坡時(shí)產(chǎn)生的棄風(fēng)現(xiàn)象進(jìn)行研究；由于典型日2風(fēng)電下爬坡現(xiàn)象明顯，下爬坡時(shí)產(chǎn)生了切負(fù)荷，因此本文主要對(duì)典型日2風(fēng)電下爬坡時(shí)產(chǎn)生的切負(fù)荷現(xiàn)象進(jìn)行研究。

4.1 上爬坡碳超前補(bǔ)償調(diào)度策略

典型日1風(fēng)電調(diào)度值對(duì)比如圖6所示。在典型日1期間，8～11 h（圖6虛線框時(shí)段）發(fā)生風(fēng)電上爬坡事件時(shí)，系統(tǒng)采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”應(yīng)對(duì)風(fēng)電功率驟升可能帶來(lái)的棄風(fēng)影響，具體調(diào)度結(jié)果如圖6所示。

圖6 典型日1風(fēng)電調(diào)度值對(duì)比

為了更加清晰地看出上爬坡碳超前補(bǔ)償調(diào)度策略對(duì)于風(fēng)電上爬坡引起的棄風(fēng)量變化，對(duì)8～11 h的風(fēng)電上爬坡調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析，具體調(diào)度結(jié)果對(duì)比如圖7所示、典型日1 Case 1與Case 2的儲(chǔ)液罐溶液量差值圖8所示。

圖7 典型日1風(fēng)電上爬坡時(shí)刻調(diào)度值對(duì)比

從圖7和圖8可以看出，在=8 h時(shí)開始，出現(xiàn)了很明顯的風(fēng)電功率驟升。同時(shí)可以看出，在8～11 h期間，發(fā)生了很大的棄風(fēng)事件，在這段時(shí)間里產(chǎn)生了約82.442 6 MW的棄風(fēng)量，不利于系統(tǒng)的新能源消納。

圖8 典型日1 Case 1與Case 2的儲(chǔ)液罐溶液量差值

為了彌補(bǔ)短時(shí)間內(nèi)風(fēng)電驟升可能帶來(lái)的棄風(fēng)影響，從=8 h開始至=11 h，儲(chǔ)液罐溶液量明顯大幅減少，使得此時(shí)解析二氧化碳量增多，從而降低碳捕集電廠凈出力，使得更多風(fēng)電并網(wǎng)，減小此時(shí)的棄風(fēng)量。從圖7中可以看出，=8 h時(shí)未調(diào)節(jié)時(shí)富液容量與微調(diào)時(shí)富液溶液量較為接近，是因?yàn)樵?8 h時(shí)前需要提前對(duì)富液溶液量進(jìn)行調(diào)度，預(yù)留了39.56 m3的富液容量，其中=9 h時(shí)儲(chǔ)液罐溶液量變化了25.64 m3，=10 h時(shí)儲(chǔ)液罐溶液量變化了17.9 m3，=11 h時(shí)儲(chǔ)液罐溶液量變化了8.25 m3，而到=11 h時(shí)兩種調(diào)節(jié)方式的溶液量差距越來(lái)越大，起到了對(duì)棄風(fēng)的有效補(bǔ)償。并且因?yàn)樵陲L(fēng)電上爬坡時(shí)段消耗的富液量需提前調(diào)度得以預(yù)留，從而使得系統(tǒng)碳排放趨近于平衡。此調(diào)度過程為“上爬坡碳超前補(bǔ)償調(diào)度方式”。雖然在典型日1期間，13～16 h時(shí)發(fā)生了風(fēng)電下爬坡事件，但是由于此時(shí)并不是用電負(fù)荷高峰時(shí)刻，所以系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)此時(shí)的下爬坡影響，不會(huì)產(chǎn)生過多的切負(fù)荷，所以對(duì)此處的下爬坡切負(fù)荷不作過多分析。

經(jīng)過“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，儲(chǔ)液罐容量變化，在滿足碳捕集強(qiáng)度的前提下對(duì)風(fēng)電上爬坡時(shí)產(chǎn)生的棄風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)計(jì)算得知，調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)在8～11 h時(shí)產(chǎn)生的棄風(fēng)量為56.419 2 MW，棄風(fēng)量降低了26.023 4 MW，對(duì)提高風(fēng)電利用率、減少風(fēng)電棄風(fēng)起到了積極作用。

4.2 下爬坡碳滯后補(bǔ)償調(diào)度策略

典型日2風(fēng)電調(diào)度值對(duì)比如圖9，在典型日2期間，在17～19 h（圖9虛線框時(shí)段）發(fā)生了風(fēng)電下爬坡事件，系統(tǒng)采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”應(yīng)對(duì)由于風(fēng)電功率驟然下降可能產(chǎn)生的切負(fù)荷影響，具體調(diào)度結(jié)果如圖9所示。

圖9 典型日2風(fēng)電調(diào)度值對(duì)比

為了更加清晰地看出下爬坡碳滯后補(bǔ)償調(diào)度策略對(duì)于風(fēng)電下爬坡引起的切負(fù)荷量變化，對(duì)17～ 19 h的風(fēng)電下爬坡負(fù)荷調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析，具體調(diào)度結(jié)果對(duì)比如圖10所示，儲(chǔ)液罐溶液量差值如圖11所示。

如圖10和圖11所示，從=17 h時(shí)開始，風(fēng)電功率發(fā)生了明顯的下爬坡。同時(shí)可以看出，在17～19 h期間發(fā)生了較大的切負(fù)荷事件，產(chǎn)生了約162.608 6 MW的切負(fù)荷，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的不良影響。

圖10 典型日2風(fēng)電下爬坡時(shí)刻調(diào)度值對(duì)比

為了彌補(bǔ)短時(shí)間內(nèi)風(fēng)電驟降所帶來(lái)的切負(fù)荷影響，從=17 h時(shí)刻開始，儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)富液量增多，使得碳捕集系統(tǒng)解析二氧化碳量降低，減小碳捕集能耗，提高機(jī)組的凈出力水平，從而減小此時(shí)段內(nèi)的切負(fù)荷量。在17～19 h時(shí)，儲(chǔ)液罐溶液量變化為20.73 m3，而臨時(shí)存儲(chǔ)在儲(chǔ)液罐中的富液在負(fù)荷壓力減小后緩慢排出，=21 h和=22 h時(shí)刻緩慢排出溶液量44.42 m3。如圖10所示，在接近19 h的時(shí)候，微調(diào)時(shí)的富液容量曲線漸漸向未調(diào)節(jié)時(shí)的富液容量曲線靠近，是由于此時(shí)風(fēng)電功率變化變緩，未發(fā)生明顯的風(fēng)電功率驟降，以此時(shí)儲(chǔ)液罐不再為降低切負(fù)荷量進(jìn)行調(diào)度調(diào)節(jié)。從此時(shí)開始將前面暫存的富液進(jìn)行排放，使系統(tǒng)碳排放趨于平衡。此調(diào)度過程為“下爬坡碳滯后補(bǔ)償”。

經(jīng)過“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度后，儲(chǔ)液罐動(dòng)作，在不改變碳捕集強(qiáng)度的前提下對(duì)風(fēng)電下爬坡時(shí)的切負(fù)荷量進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”調(diào)節(jié)后，17～19 h時(shí)刻的切負(fù)荷總量為126.098 1 MW，切負(fù)荷量降低了36.510 5 MW，對(duì)提高電廠安全性產(chǎn)生了積極作用。

4.3 多場(chǎng)景調(diào)度結(jié)果分析

各場(chǎng)景下的具體調(diào)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，從成本、碳排放量、棄風(fēng)量及切負(fù)荷量等多個(gè)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比。

表1 多場(chǎng)景系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果

Tab.1 Multi-scenario system scheduling result table

由表1可知，本文調(diào)度策略在不影響碳捕集電廠碳排量的前提下，有效應(yīng)對(duì)了風(fēng)電爬坡帶來(lái)的棄風(fēng)和切負(fù)荷。在典型日1，風(fēng)電上爬坡時(shí)發(fā)生了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象，Case 2與Case 1相比，碳排量同時(shí)降低了5.89 t ；棄風(fēng)量降低了26.94 MW，降低了約31.96%，；火電廠出力成本下降了589.72 $。由此可得出，采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償”調(diào)度策略可在減小碳排放、降低電廠出力成本的前提下，有效消納棄風(fēng)，提高新能源利用率。

在典型日2，風(fēng)電下爬坡時(shí)發(fā)生了較為嚴(yán)重的切負(fù)荷現(xiàn)象，Case 4較Case 3，碳排量降低了1.71 t；切負(fù)荷量降低了12 MW，降低了約7.15%；火電廠出力成本下降了236.04 $，總成本下降了171.49 $?？梢缘贸?，采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償”調(diào)度策略可在減小碳排放、降低火電廠出力成本的前提下，有效減小切負(fù)荷，降低切負(fù)荷對(duì)于系統(tǒng)的損害。

從上述四個(gè)場(chǎng)景中總成本、碳排放量、棄風(fēng)量和切負(fù)荷量的對(duì)比可以看出，本文采取的調(diào)度策略，在降低系統(tǒng)成本、減小系統(tǒng)碳排放的同時(shí)，也可有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)電爬坡事件。

4.4 火電廠爬坡功率變化分析

風(fēng)電爬坡時(shí)在容易帶來(lái)?xiàng)夛L(fēng)的同時(shí)還會(huì)給傳統(tǒng)火電廠帶來(lái)較重的爬坡任務(wù)。傳統(tǒng)火電廠改造為碳捕集電廠和火電廠與電化學(xué)儲(chǔ)能耦合有相似之處，通過引進(jìn)響應(yīng)速度更快更靈活的儲(chǔ)能技術(shù)解決傳統(tǒng)火電廠的爬坡壓力。本文通過碳捕集電廠也實(shí)現(xiàn)了機(jī)組爬坡率的提升，傳統(tǒng)火電廠改造成碳捕集電廠后，爬坡率由原來(lái)的200 MW/h升高為317 MW/h，火電廠總爬坡率由原來(lái)的992 MW/h提升至1 226 MW/h。因此電網(wǎng)整體爬坡率的提升不僅可更快速地響應(yīng)風(fēng)電爬坡事件，同時(shí)可以使碳捕集電廠分擔(dān)傳統(tǒng)火電廠的爬坡任務(wù)。為更清晰地分析電廠出力變化，采用不同的負(fù)荷曲線和風(fēng)電功率進(jìn)行研究，日負(fù)荷曲線和風(fēng)電功率曲線如圖12所示。圖13和圖14分別對(duì)碳捕集電廠和傳統(tǒng)火電廠不同調(diào)度策略下的出力情況進(jìn)行對(duì)比。

圖12 日負(fù)荷與風(fēng)電功率曲線

圖13 碳捕集電廠出力對(duì)比

圖14 傳統(tǒng)火電廠出力對(duì)比

由圖13和圖14可以看出，在應(yīng)對(duì)風(fēng)電上爬坡事件時(shí)，若采用本文調(diào)度策略，碳捕集電廠可以提供較大的下爬坡功率，此時(shí)傳統(tǒng)火電廠需提供的下爬坡功率非常小。因此在本文調(diào)度策略下傳統(tǒng)火電廠的下爬坡功率并沒有受到影響，碳捕集電廠通過儲(chǔ)液罐溶液量變化承擔(dān)了更多的爬坡任務(wù)。

從電網(wǎng)整體來(lái)看，碳捕集電廠可有效提升整體爬坡能力，同時(shí)將傳統(tǒng)火電廠的部分爬坡任務(wù)轉(zhuǎn)移到更加靈活的碳捕集電廠中，此時(shí)碳捕集電廠承擔(dān)了更多的爬坡任務(wù)，可更快速地對(duì)風(fēng)電爬坡事件進(jìn)行調(diào)度。

5 結(jié)論

風(fēng)電作為一種豐富且常見的新能源對(duì)于減少碳排放量有著重要的意義。對(duì)于碳捕集電廠，如何保證碳排放水平穩(wěn)定并提高風(fēng)電并網(wǎng)比例是響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)、發(fā)展可清潔再生能源的重要課題。而碳捕集電廠在有效地減小碳排放的同時(shí)可以很好地跟隨風(fēng)電波動(dòng)。本文構(gòu)建了綜合靈活運(yùn)行模式下跟隨風(fēng)電爬坡進(jìn)行調(diào)節(jié)的碳捕集電廠低碳經(jīng)濟(jì)安全調(diào)度模型，在滿足碳捕集電廠低碳特性的前提下對(duì)風(fēng)電爬坡時(shí)可能產(chǎn)生的棄風(fēng)和切負(fù)荷現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體結(jié)論如下：

1）在電力系統(tǒng)調(diào)度中，采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”調(diào)度策略應(yīng)對(duì)風(fēng)電上爬坡所產(chǎn)生的棄風(fēng)影響有顯著效果。采用“上爬坡碳超前補(bǔ)償法”調(diào)度策略的碳捕集電廠相較于普通碳捕集電廠，碳排量降低了0.086%，碳捕集電廠燃料成本降低了0.1%，風(fēng)電上爬坡階段的棄風(fēng)率下降了31.57%，顯示出調(diào)度策略可以在保證經(jīng)濟(jì)性和低碳性的前提下，有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)電上爬坡帶來(lái)的局部時(shí)刻棄風(fēng)量增大現(xiàn)象。

2）在電力系統(tǒng)調(diào)度中，采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”調(diào)度策略對(duì)于應(yīng)對(duì)風(fēng)電下爬坡所產(chǎn)生的切負(fù)荷影響有顯著效果。采用“下爬坡碳滯后補(bǔ)償法”調(diào)度策略的碳捕集電廠相較于普通碳捕集電廠，碳排量降低了0.025%，碳捕集電廠燃料成本降低了0.042%，風(fēng)電下爬坡階段的切負(fù)荷率下降了22.45%，顯示出調(diào)度策略可以在保證經(jīng)濟(jì)性和低碳性的前提下，有效地應(yīng)對(duì)風(fēng)電下爬坡帶來(lái)的局部時(shí)段切負(fù)荷量增大現(xiàn)象。

總體來(lái)看，本文采取的調(diào)度策略不僅降低了系統(tǒng)的碳排放量，還可可緩解由風(fēng)電爬坡帶來(lái)的不利影響，降低系統(tǒng)調(diào)度總成本以及火電廠燃煤成本，減小環(huán)境污染，在保證經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的前提下，可以進(jìn)一步提高風(fēng)能利用率，減小風(fēng)電爬坡帶來(lái)的不利影響。

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Low-Carbon and Economic Dispatch Considering the Carbon Capture Power Plants with Flexible Adjustment of Wind Power Ramp

Han Li Wang Chong Yu Xiaojiao Yu Hongbo Wang Xiaojing

（School of Electrical Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221116 China）

With the continuous progress of economy and society, the greenhouse effect problem has been increasingly emerging. In order to achieve the "dual-carbon" goal, the use of renewable energy such as wind power is the fundamental way to reduce carbon emissions, and carbon capturing is a direct method to reduce carbon emissions. Carbon capture power plants are well suited to wind power because carbon capture power plants have fast response speed. However, wind power has inherent volatility, and the sudden rise and fall of wind power will affect electric-carbon coordinated performances of carbon capture power plants. The energy can be stored and released by increasing or decreasing the solution volume in the liquid storage tank of the carbon capture equipment. The ability of energy shifting is called the internal energy time shift characteristics, which provides a way to solve the above problems.

This paper solves the dispatch problem of wind power ramp through the flexible call of liquid storage tanks in carbon capture plants. Firstly, a mathematical model of carbon capture power plants is constructed. The correlation between the storage and release energy brought by the increase and decrease of the solution volume of the liquid storage tank and the energy consumption of the carbon capture equipment is analyzed. Then the bidirectional regulation ability of the liquid storage tank is studied. Secondly, the up-hill carbon advance compensation and down-hill carbon lag compensation dispatch strategies are proposed, and the liquid storage tank is adjusted in both directions to achieve electricity-carbon decoupling of the carbon capture power plant. Before wind power ramp up, by using the up-hill carbon advance compensation dispatch strategy, the desorption of solution is reduced and the solution is stored in the liquid storage tank. When wind power ramp events occur, the solution stored in the liquid storage tank can be desorbed to increase the carbon capture energy consumption. As a result, the net output of carbon capture plants is reduced to match the wind power ramp up. The wind curtailment problem is decreased by using the up-hill carbon advance compensation dispatch strategy. When wind power ramp down, by using the down-hill carbon lag compensation dispatch strategy the desorption of solution volume is reduced and the solution is stored in the liquid storage tank to decrease the carbon capture energy consumption. As a result, the net output of carbon capture plants is increased to match the wind power ramp down. The load cutting problems can be decreased by using the down-hill carbon lag compensation dispatch strategy. After wind power ramp down, the stored solution in the liquid storage tank is lagging desorbed by carbon capture power plants. Finally, a low-carbon economic dispatch model that deals with wind power ramp is constructed and the power systems consisting of carbon capture power plants, high-carbon power plants and a wind farm are simulated to prove the effectiveness of the proposed dispatch strategy.

The simulation results show that the carbon capture power plant using the up-hill and down-hill dispatch strategy can better reduce wind power curtailment and load shedding caused by wind power ramp. From the analysis of the calculation examples, the wind power curtailment rate decreases 31.57% and the load shedding rate decreases 22.45%. When wind power ramp events occur, carbon capture power plants using the dispatch strategy can fully utilize wind power and reduce carbon emissions and costs, and can provide faster and more flexible climbing adjustment capability to undertake climbing tasks.

Carbon emission reduction, wind power ramp, carbon capture power plants, carbon offset

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230188

TM734

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62076243）和徐州市科技項(xiàng)目（KC22343）資助。

2023-02-21

2023-06-19

韓 麗 女，1977年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電技術(shù)及電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度等。E-mail：dannyli717@163.com（通信作者）

王 沖 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度。E-mail：1445182429@qq.com

（編輯 赫 蕾）