考虑碳捕集技术的虚拟电厂热电联合优化_赵泽明.pdf

第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 4考虑碳捕集技术的虚拟电厂热电联合优化赵泽明,刘 敏(贵州大学电气工程学院,贵州省 贵阳市5 5 0 0 2 5)摘要:碳捕集技术作为电力系统低碳转型的关键技术,应用到热电联合系统可降低虚拟电厂的碳排放。为此,提出将碳捕集技术应用至虚拟电厂热电联合优化的技术路线,以促使其低碳经济运行。一方面,依托阶梯碳交易机制、需求响应和电 热之间的互转,以减少虚拟电厂热电联合运行的碳排放;另一方面,以虚拟电厂运行成本最小为目标,综合考虑负荷调节潜力、新能源出力上限等虚拟电厂内部约束,以及电 热 碳互转的物理约束,以提高虚拟电厂运行经济性。基于某园区实况运行数据,围绕是否配置碳捕集技术和需求响应来设计对照场景,验证了所提虚拟电厂热电联合优化模型具有一定的现实可用性和鲁棒性。关键词:虚拟电厂;碳捕集技术;热电联合优化;低碳经济;需求响应;碳交易机制中图分类号:T K0 1;TM7 1 文献标志码:AC o m b i n e dH e a t a n dP o w e rO p t i m i z a t i o nf o rV i r t u a lP o w e rP l a n t sC o n s i d e r i n gC a r b o nC a p t u r eT e c h n o l o g i e sZ HAOZ e m i n g,L I U M i n(S c h o o l o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,G u i z h o uU n i v e r s i t y,G u i y a n g5 5 0 0 2 5,G u i z h o uP r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:A sak e yt e c h n o l o g yf o rl o wc a r b o nt r a n s f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e m,c a r b o nc a p t u r et e c h n o l o g ya p p l i e dt oc o m b i n e dh e a ta n dp o w e rs y s t e mc a nr e d u c ec a r b o ne m i s s i o n so fv i r t u a lp o w e rp l a n t s.T ot h i se n d,at e c h n i c a l r o u t e t h a t a p p l i e sc a r b o nc a p t u r e t e c h n o l o g y t o t h ec o m b i n e dh e a t a n dp o w e ro p t i m i z a t i o no f v i r t u a l p o w e rp l a n t s i sp r o p o s e dt op r o m o t e t h e i r l o wc a r b o ne c o n o m i co p e r a t i o n.O nt h eo n eh a n d,i t r e l i e so nt h e l a d d e rc a r b o nt r a d i n gm e c h a n i s m,d e m a n dr e s p o n s ea n dp o w e r-h e a t i n t e r c o n v e r s i o nt or e d u c et h ec a r b o ne m i s s i o n so fc o m b i n e dh e a t a n dp o w e ro p e r a t i o no f t h ev i r t u a lp o w e rp l a n t;O nt h eo t h e rh a n d,i ta i m st om i n i m i z et h eo p e r a t i n gc o s to ft h ev i r t u a l p o w e rp l a n t,t a k i n g i n t oa c c o u n t t h e i n t e r n a l c o n s t r a i n t so f t h e v i r t u a l p o w e r p l a n t s u c ha s l o a d r e g u l a t i o np o t e n t i a l a n dt h eu p p e rl i m i to fn e w e n e r g yo u t p u t,a s w e l la st h ep h y s i c a lc o n s t r a i n t so fp o w e r-h e a t-c a r b o ni n t e r c o n v e r s i o nt o i m p r o v e t h eo p e r a t i n ge c o n o m yo f t h ev i r t u a l p o w e rp l a n t.B a s e do n t h ea c t u a l o p e r a t i n gd a t ao f ap a r k,ac o n t r o l s c e n a r i o i sd e s i g n e da r o u n dw h e t h e rt oc o n f i g u r ec a r b o nc a p t u r et e c h n o l o g ya n dd e m a n dr e s p o n s e,a n dt h ep r o p o s e dv i r t u a l p o w e rp l a n t c o m b i n e dh e a t a n dp o w e r o p t i m i z a t i o nm o d e l i sv e r i f i e d t oh a v e c e r t a i nr e a l i s t i ca v a i l a b i l i t ya n dr o b u s t n e s s.K E Y WO R D S:v i r t u a l p o w e rp l a n t;c a r b o nc a p t u r e t e c h n o l o g y;c o m b i n e dh e a t a n dp o w e ro p t i m i z a t i o n;l o wc a r b o ne c o n o m y;d e m a n dr e s p o n s e;c a r b o nt r a d i n gm e c h a n i s m基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑2 0 2 1 一般4 0 9)P r o j e c ts u p p o r t e d b y S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y P r o g r a m o fG u i z h o uP r o v i n c e(Q i a n k e h eS u p p o r t2 0 2 1G e n e r a l 4 0 9)0 引言 化石能源短缺、生态环境恶化等问题日益严重,促进了可再生能源(r e n e w a b l ee n e r g y,R G)快速发展。以R G为主的电能供应结构是实现电力系统低碳绿色转型的关键1,但R G固有的波动性和间歇性极大降低了电力系统可靠性2,且以天然气为热电联合(c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r,CH P)机组特有的“以热定电”的工作模式将进一步增加系统的调峰难度,加剧R G的消纳难度3。作为R G的有效载体,虚拟电厂(v i r t u a lp o w e rp l a n t,V P P)通过协调CH P机组、R G等各类可调资源形成局部地区热电联合优化,在提高系统经济性的同时也能降低自身碳排放,具有广泛的应用前景4-6。目前,已有许多关于V P P热电联合优化方向的V o l.8N o.1赵泽明,等:考虑碳捕集技术的虚拟电厂热电联合优化3 1 研究。首先,改进源侧设备优化机组组合是提高系统经济性的重要途经7。文献8 在热电联合系统中引入 了 有 机 朗 肯 循 环(o r g a n i cR a n k i n ec y c l e,O R C),通过O R C可将多余热能转化为电能,O R C与CH P机组的耦合特性提高了源侧设备的调节能力。文献9-1 0 通过电转气技术将多余电能转化为天然气,也可减少电力系统的弃风弃光,提高R G的消纳能力。其次,随着信息通信、云计算等技术的快速发展,V P P可进一步挖掘潜在的灵活性资源,如用户侧需求响应(d e m a n dr e s p o n s e,D R)通过挖掘源侧设备的灵活性,并结合荷侧D R实现源荷灵活响应,可进一步提高R G的消纳能力1 1。文献1 2通过综合D R以及带有O R C设备的CH P机组实现了综合能源系统的源荷灵活响应,在促进R G消纳的同时提高了综合能源系统的经济性。但随着“双碳”目标的提出,以CH P机组为基荷的V P P虽然在工作时促进了R G的消纳,但同时也会产生大量碳排放。针对上述现象,部分学者提出可通过碳交易市场引导碳排放来实现低碳经济1 3。文献1 4 提出了一种考虑碳市场价格风险的综合能源地毯优化调度模型,并通过仿真证明了所提模型可捕捉碳市场波动风险,提高了R G的消纳,降低了系统的总运行成本。通过碳交易市场虽然实现了碳排放在时间上的转移,降低了碳排放成本,但实际碳排放的总量并没有改变。也有学者认为通过改造火电厂,增加碳捕集与封存(c a r b o nc a p t u r ea n ds t o r a g e,C C S)技术是实现系统低碳的重要途径1 5-1 6。文献1 7 将传统的C C S设备改造成由分流式与储液式结合的综合灵活运行模式,通过碳交易市场将碳排放转移至碳价低谷交易,可降低系统碳排放成本。然而,C C S技术虽然可吸收火电机组碳排放,但C C S技术投资成本昂贵,且传统分流式C C S技术由于其C O2脱附和吸收再生过程需要消耗大量的能源,导致火电机组的实际输出功率显著降低,因此难以同时兼顾系统低碳和经济性。为此,本文提出将一定范围内的CH P机组、R G、储能及各类负荷等分布式资源组合成V P P,并建立考虑新型碳捕集技术的V P P热电联合优化模型。首先,针对V P P热电联产机组产生的碳排放,设计一种R G与传统碳捕集相结合的新型碳捕集技术,在降低碳排放的同时促进R G的消纳。同时,为进一步降低碳排放,引入阶梯式碳交易和源 荷灵活响应机制以实现V P P低碳经济运行。其次,基于源侧设备耦合特性和负荷侧D R特性,提出一种源 荷灵活响应机制,并设计用户综合满意度指标来衡量用户D R能力。最后,采用C P L E X对V P P低碳经济优化模型求解。1 VPP 热电联合框架如图1所示,V P P热电联合系统由CH P、R G、碳捕集、储能、负荷模块及碳交易市场组成,各部分之间通过配电网及热力管道实现物理层面的联系。此