融合柔性负荷和碳交易机制的矿山综合能源系统运行优化_张勇.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.35 No.4Apr.2023融合柔性负荷和碳交易机制的矿山综合能源系统运行优化张勇1，范斯达1，高海荣2，胡荷娟1，孙晓燕1，巩敦卫1（1.中国矿业大学信息与控制工程学院，徐州 221116；2.山东交通职业学院交通工程系，潍坊 261000）摘要：为提高矿山伴生能源的利用效率，促进风电消纳和降低碳排放量，构建一种融合电热柔性负荷和碳交易机制的矿山综合能源系统经济运行优化模型。首先，综合考虑煤层气、乏风和矿井涌水等矿山伴生能源，给出矿山综合能源系统的基本架构；其次，揭示电/热柔性负荷对矿山综合能源系统优化运行的影响，建立电/热柔性的负荷模型；接着，将碳惩罚成本引入到系统运行优化中，以总运行成本最小为目标，构建矿山综合能源系统的低碳经济运行优化模型。仿真结果表明，所提模型能够兼顾系统的低碳性和经济性，提高风电利用率。关键词：矿山综合能源系统；矿山伴生能源；柔性负荷；碳交易；优化调度中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）04-0148-11DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001100Operation Optimization of Coal Mine Integrated Energy System Integrating Flexible Loadand Carbon Trading MechanismZHANG Yong1，FAN Sida1，GAO Hairong2，HU Hejuan1，SUN Xiaoyan1，GONG Dunwei1（1.School of Information and Control Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou221116，China；2.Department of Traffic Engineering，Shandong Transport Vocational College，Weifang261000，China）Abstract:To improve the utilization efficiency of coal mine associated energy，promote the wind power consumptionand reduce carbon emissions，an economic operation optimization model of coal mine integrated energy system（CMIES）integrating electric/thermal flexible load and carbon trading mechanism is constructed.First，the basic framework of CMIES is given by comprehensively considering the coal mine associated energy such as coal seam gas，ventilation air methane and underground wastewater.Second，the influence of electric/thermal flexible load on the optimal operation of CMIES is revealed，and the load model of electric/thermal flexibility is given.Third，with the introduction ofcarbon penalty cost into the system operation optimization，the low-carbon economic operation optimization model ofCMIES is established with the objective of minimizing the total operation cost.Simulation results verify the effectivenessof the proposed model in ensuring the low-carbon performance and economy of the system and improving the utilizationrate of wind power.Keywords:coal mine integrated energy system（CMIES）；coal mine associated energy；flexible load；carbon trading；optimal scheduling随着经济和社会的快速发展，能源需求持续增长，能源危机与环境恶化等问题也日益严峻1。以多能互联、互通、互济为特征的综合能源系统IES（integrated energy system），通过协调优化调度其内部各种能源的生产与转换形式2，可以极大提高传统能源的利用效率，促进可再生能源消纳，是实现节能低碳的重要载体之一。现有的区域综合能源系统大多考虑整体经济成本，很少考虑由碳排放带来的额外环境成本。为了减少碳排放，碳交易机制可同时提高系统的经济性和环保性3。文献4建立了含废物处理的电-热-气综合能源系统，提出了一种基于碳交易机制的系统低碳经济运行策略。文献5将阶梯式碳交易引入到区域综合能源系统经济调度模型，证明了阶梯式碳交易机制对碳排量的抑制作用。文献6运用生命周期法分析并求得了不同能源链转化过程中的碳排放系数，成功将碳交易机制融入到系统评价指标中。这些成果为IES低碳建模和碳排放计量提收稿日期：2022-06-13；修回日期：2022-08-30网络出版时间：2022-09-17 13：29：12基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFE0199000）；国家自然科学基金资助项目（62133015）张勇等：融合柔性负荷和碳交易机制的矿山综合能源系统运行优化张勇等：融合柔性负荷和碳交易机制的矿山综合能源系统运行优化149第 35 卷供了多种有效方法，但它们均未考虑负荷侧灵活性对系统优化运行的影响。柔性负荷调度作为调节电力系统需求侧用能性为的重要手段，广受关注。文献7考虑用户侧柔性负荷的可平移、可转移、可削减等特性，以总成本最小为目标，建立了供需日前优化调度模型。文献8对基本能源枢纽进行拓展，成功将需求侧的电、热、气等柔性负荷纳入了需求侧响应。针对能源供需双侧同时存在耦合的情况，文献9构建了一种园区IES运行架构，建立了考虑冷热电需求耦合响应特性的IDR模型。然而，上述研究大多针对工业用户综合能源系统，面向矿山综合能源系统的相关研究很少。与煤炭开采有关的矿山是一个特殊的综合能源系统，它不仅有一般综合能源系统具有的多能耦合特性，而且还蕴含了丰富的伴生能源10，如乏风、矿井涌水11和煤层气12等。合理利用这些伴生能源对降低碳排放、提高能源效率都具有巨大的帮助。在煤炭的开采和生产过程中，粗放的能源利用及管理方式会导致大量的温室气体（如二氧化碳和甲烷等）排向大气，阻碍双碳目标顺利进行13。目前对于煤矿伴生能源的回收利用，已经有了一些研究成果。针对煤矿乏风中存在大量低浓度瓦斯的情况，文献14研究的蓄热换向流反应器能够处理低浓度瓦斯（甲烷体积分数在1.2%以下），其产生的热量以高温烟气的形式进行供热或发电。文献15指出，井下煤层气可直接通过燃气轮机、燃气锅炉、燃气内燃发电机组来发电或制热。文献16根据水源热泵的热量交换原理，在冬季利用矿井涌水将汲取的热量传送到周围楼宇中。这些方法为矿山伴生能源的使用提供了新思路，但其成果并未涉及矿山综合能源系统的运行调度问题。综上可见，虽然目前对于综合能源系统优化运行已有很多研究成果，但是这些方法仅对一般性综合能源系统进行分析与研究，所建模型与方法难以直接应用在含伴生能源的矿山综合能源系统CMIES（coal mine integrated energy system）。尽管也有少数学者探讨了矿山伴生能源的使用问题，但其成果并未涉及CMIES的运行调度问题。鉴于此，充分融合电热柔性负荷和碳交易机制，研究矿山综合能源系统的低碳经济运行优化模型。与已有工作相比，本文主要贡献如下：引入电热柔性负荷，建立含柔性负荷的矿山综合能源系统基本架构，在保证经济性的同时，可以提高系统对新能源尤其是风能的消纳能力；引入碳交易机制，建立矿山综合能源系统的低碳经济运行优化模型，可以极大提高矿山伴生能源的利用效率，促进风电消纳并降低碳排放量。1矿山综合能源系统基本架构本文构建一种包含伴生能源的矿山综合能源系统基本架构，如图1所示。与典型的园区系统相似，该系统主要包括能源供应、转换、储存和需求等4个环节。电力供应包括电网、风力发电、光伏发电和煤层气发电；热源包括天然气、乏风VAM（ventilation air methane）、地下废水等煤矿伴生能源，其中天然气的主要功能是补充煤层气；能量转换设备包括热电联产机组 CHP（combined heat and power）、燃气锅炉GB（gas boiler）、乏风蓄热氧化装置VOD（VAM oxidation device）、水 源 热 泵 WSHP（watersource heat pump）、电制冷机EC（electric chiller）和吸收式制冷机AC（absorption chiller）等。在能量转换过程中，采用吸收式制冷机和电制冷机进行供冷，通过能量的梯级利用机制提高能量的利用效率；CHP机组中燃气轮机GT（gas turbine）通过燃烧煤层气来提供电力，同时热回收装置能够回收机组产生的高温烟气中的能量，用以供给冷热负荷。当这部分回收的热量出现短缺时，可以通过燃气锅炉燃烧天然气补充系统热能缺额。此外，系统还配备了储电ES（electricity storage）设备及蓄热设备HS（heat storage）。负荷侧集成了电、热、冷负荷的多种能源需求形式，包含不可控的基础负荷和可控的柔性负荷。图 1考虑伴生能源的 CMIES 基本架构Fig.1Basic framework of CMIES considering associatedenergy柔性电负荷柔性热负荷电制冷机电储吸收式制冷机热回收装置燃气轮机燃气锅炉乏风蓄热氧化水源热泵热储可再生能源矿山生活区电负荷矿山生活区冷负荷矿山生活区热负荷矿山工作区电负荷矿山工作区冷负荷矿山工作区热负荷电网煤层气天然气乏风矿井水热电联产电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报150第 4 期与典型的区域综合能源系统相比，矿山综合能源系统具有以下特点：煤矿开采过程中产生的伴生能源可以转化为电或热能，避免能量的浪费。我国中西部矿区风能和太阳能资源储量丰富，将其直接供给矿山生产生活负荷能够促进可再生能源就地消纳。矿山综合能源系统需要考虑生产负荷和生活负荷对不同类型能源的独特需求。矿山井筒保温、井下冷却、矿山供电等对能源安全性要求高，很难实施调度优化。本文仅考虑生活区的各类柔性负荷。2含电热柔性负荷的 CMIES 模型在CMIES中，按负荷参与需求响应的方式，将生活区的用户负荷分为不可控的刚性负荷和可控的柔性负荷。在满足系统基础刚性负荷的前提下，柔性负荷主要用于调控系统总体负荷曲线，改善系统总体用能水平。根据调度方式的不同，可将柔性负荷分为可削减负荷与可转移负荷。基于此，任一电热负荷均可表示为Pk,load(t)=P0k,load(t)+Pcutk,load(t)+Ptrank,load(t)（1）式中：k为负荷类型，ke,h，e、h分别代表电和热；Pk,loa