CN114169727A - 一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法 - Google Patents
一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明根据多能流综合能源系统中存在运行效率和碳排放问题，设计了一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，将碳捕集和电转气协同技术和碳交易机制引入能源系统模型中，以此降低系统综合运行成本和碳排放。首先根据电、热、天然气能源系统的运行方法和特点，构建了适合电、热、天然气能源紧密耦合的综合能源系统调度模型，其模型中包含了碳捕集设备、电转气设备、热电联产设备、能源供应设备等设备，并构建了碳交易模型；其次，以能源系统运行综合成本最低为目标，建立了多能流综合能源系统优化调度模型；最后，通过场景算例仿真验证了所提方法能够合理提升能源系统运行效率，减少碳排放，具有较好的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，属于综合能源系统经济调度领域。
背景技术
随着全球经济的高速发展，能源的需求在不断扩大，这导致了传统的化石能源过度开发利用，带来严峻的环境问题。像煤炭和石油这类传统的化石能源的过度开采容易损坏地质结构，对生态环境造成严重影响。并且通过以煤为代表的传统化石能源的燃烧产生电能量的同时会制造大量的污染物，极易造成严重的大气污染。能源造成的这些严峻问题给人们正常生活带来了极大挑战，因此能源问题已经在全世界范围都受到广泛关注。
如何实现碳中和和实现可在生能源的合理利用是目前急需研究的工作。目前能源互联网技术不断成熟，综合能源技术被有关专家提出，综合能源系统可以实现多种能源的紧密耦合，不同能源之间协调高效利用可以提升能源系统对可再生能源的消纳，变相减少了传统发电机组的发电，也就减少了相应的环境污染。能源之间的互补，可以提升能源系统的稳定性和安全性，有助于能源技术的持续发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑碳捕集和电转气协同约束条件，考虑综合能源系统中各机组运行特性的约束条件，考虑综合能源系统综合运行成本最优，降低系统运维成本的综合能源系统低碳调度方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，包括以下步骤：
步骤1，根据综合能源系统的实际运行情况建立综合能源系统优化运行模型，包括燃气轮机、火电机组、热电联产机组、碳捕集设备、电转气设备、电热锅炉和风电机组等设备；
步骤2，建立碳捕集和电转气设备协同运行机制，并构建碳交易机制模型；
步骤3，将步骤2中建立的碳捕集和电转气设备协同运行机制参与碳交易机制模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中，以综合运行成本最低为目标，得到多能流综合能源系统优化调度结果。
所述的步骤1中，建立综合能源系统运行优化模型的过程为：
1)建立综合能源系统运行优化模型中的综合运行成本模型，其中，能源系统购能成本模型如下：
式(1)中，CHA,u、CHB,u、CHD,u为综合能源系统中第u台火电机组的相关煤耗成本系数；CGAS,c为第c个天然气源的成本系数；QG,c,t为第c个天然气源的出气量；λG为电转气外购碳的成本系数，
为电转气外购碳量。系统购能成本中第一部分是火电发电机组的购能成本；第二部分是天然气系统中天然气源的出力成本；第三部分是电转气的购碳的原料成本。系统购能成本表达式中不包括燃气发电机组、热电联产机组和电转气的购能成本，因为其购能成本已经在天然气系统和电力系统中体现。
综合能源系统的运维费用的具体表达如下：
式中：
Pt CHP、Pt C、Pt EB分别为能源系统中火电机组、燃气机组、电转气设备、热电联产设备、碳捕集设备、电锅炉的电功率，YT,u、YG,a、YP、YC、YB、YE分别为其运维成本系数。
系统的碳交易费用的表达式如下：
式中：Ehvt、Egst、Ecst分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备实际碳排放；Eht、Egt、Ect分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备的碳排放额度；K表示为碳交易价格。
系统的碳存储费用的具体表达如下：
式中：μCF为碳存储设备存储CO2的成本系数，
为储碳装置在时段t碳存储量。
系统的弃风惩罚费用表达式如下所示：
式中：
为第e台风电机组在时段t的可用出力；
为第e台风电机组在时段t的实际出力；LQ为系统的风电未消纳的惩罚费用系数。
2)建立综合能源系统优化运行模型中各机组的运行约束，其中电能平衡方程可表示为：
式中：
分别表示为火电机组、燃气发电机组、热电联产设备、核电机组、水电机组、风电机组、电锅炉设备、电转气设备与电力系统的关联矩阵；Pt N、Pt W、Pl分别为核电机组、水电机组的电功率和环网支路功率；Hml为电力系统中线路与节点的关联矩阵；
为电力系统中m节点时段t的负荷。
电力网络支路传输功率约束可表示为：
式中：Pj,t为电力网络中支路j时段t的传输功率，
为电力网络中支路j的功率传输的最大值。
多能流综合能源模型中含有火电机组、核电机组、水电机组、风电机组、燃气机组、热电联产设备，其出力约束可表示为：
式中：
表示火电机组出力的上下限度；
为燃气发电机组出力的上下限度；
为核电机组出力的上下限度；
为水电机组出力的上下限度；
为风电机组出力的上下限度；
为热电联产设备出力的上下限度。
火电机组和燃气机组的爬坡约束如(9)所示：
式中：
分别为火电机组上、下爬坡的最大值；
分别为燃气发电机组上、下爬坡的最大值。
火电机组的启停时间约束如(10)所示。
式中：ui,t为机组启停状态变量，当其为1时机组正在运行，为0时机组停机状态。
热力网络约束可表示为：
SCHPHt CHP+SEBHt EB+LhHl,t-Ht D＝0 (11)
式中：SCHP、SEB分别为热力网络中热电联产设备、电锅炉与热力系统的关联矩阵；Lh为热力管道与热力系统的关联矩阵；Ht CHP、Ht EB、Hl,t、Ht D分别表示为热电联产设备热出力、电锅炉热出力、热力网络支路热出力和热力负荷。式(11)表示了整个热力系统的能量守恒，本发明的热力系统并没有考虑热力传输的延时和损耗特性。
热力网节点温度应满足其自身物理约束，其约束如(12)所示。
式中：
为供水温度的上下限；
为回水温度的上下限。
天然气网络约束如下：
式中：DG、DEG、Dg、Dc、Dl分别为天然气网络中气源、电转气设备、燃气发电机组、热电联产设备、天然气负荷与天然气系统的关联矩阵；
为天然气源的出气量；
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；Fkn,t天然气管道在时段t所输送的天然气的量；
为燃气机组消耗的天然气的量；
为热电联产设备消耗的天然气的量；
为天然气负荷；Lg为天然气管道和天然气系统的关联矩阵。式(13)表示的是天然气系统的能量守恒。
天然气网络节点压强约束如(14)所示。
式中：
分别为天然气网络节点压强的最大值与最小值。
天然气源出气约束如下：
式中：
分别为天然气气源出气量的最大值与最小值。
电转气运行约束如下：
式中：
表示电转气消耗电功率的上下限值。
电锅炉运行约束如下：
式中：
表示电锅炉设备制热所需消耗电功率的上下限值。
所述的步骤2中，建立碳捕集与电转气协同运行机制参与碳交易模型的具体过程为：
1)对传统的火电厂进行相应改造，加入碳捕集设备，对电厂产生的碳排放进行捕集，其数学模型如下：
式中：Pu,t为碳捕集设备在时段t电出力；
为时段t碳捕集设备捕获的碳量；γu,t为碳捕集设备的效率；δT为火电厂的单位碳排放强度；βu为碳捕集设备捕获单位所消耗电功率；Py,u为碳捕集设备的能耗；Pj,u为改造后电厂的净电出力；
考虑到电转气运行的时段和碳捕集设备捕碳量不对等问题，在系统中加入储碳装置，以此保障电转气运行时的碳需求，其数学模型构建如下：
式中：
为储碳装置在时段t碳存储量；
为储碳装置在时段t碳输出量；εs为储碳损耗系数；
为储碳装置存储量的最小、最大值。
2)建立电转气设备的反应原理如下所示：
CO2+4H2→CH4+2H2O (21)
电转气技术可以灵活将电能转换为天然气，不但加强综合能源系统中能量网络的紧密耦合，而且可以提升风电的消纳空间。电转气技术的实质是能量的转换，其是将电能转换成化学能。电转气技术主要是包含电转氢技术和氢转天然气技术两个部分，整个电转气系统的能量转换效率一般可达到55％～75％。
电转气系统模型如下所示：
式中：
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；
为第j台电转气设备的转换效率；
为第j台电转气设备在时段t所消耗的电功率；Lg为天然气的热值；
为第j台电转气设备在时段t所需要的碳量；
为电转气设备进行能量转换需要碳的系数。
所述的步骤3中，将步骤2中建立的碳捕集与电转气协同运行机制和碳交易模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中建立以最低综合运行成本为目标的低碳经济调度模型如式(23)所示：
minC＝CGN+CYW+CCJ+CCS+CQF (23)
式中：CGN是综合能源系统运行的购能费用；CYW是系统设备运维费用；CCJ是碳交易费用；CCS是碳存储费用；CQF是综合能源系统的弃风惩罚费用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明构建了一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，将碳捕集设备和电转气设备协同运行，并参与碳交易市场进行交易，构建了能源系统低碳经济调度模型，本发明能够解决的问题是：1、含电锅炉的综合能源系统可以通过电锅炉设备解耦系统中热电联产机组“热电联产”中以热定电的运行关系，实现电、热负荷的灵活调节和变换，满足系统负荷的需求；2、通过对所提调度方法进行场景分析对比，得出该方法可有效提升系统对清洁能源的消纳空间，可有效提高系统经济效益，减少碳排放，对于推动节能减排和新能源未来发展具有重要意义。
附图说明
图1是综合能源系统配置图；
图2是电、热、气负荷预测曲线图；
图3是综合能源系统内电能优化平衡状态示意图；
图4是综合能源系统内热能优化平衡状态示意图；
图5是综合能源系统内气能优化平衡状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
本发明提出一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，包括以下步骤：
步骤1，根据综合能源系统的实际运行情况建立综合能源系统优化运行模型，包括燃气轮机、火电机组、热电联产机组、碳捕集设备、电转气设备、电热锅炉和风电机组等设备；
步骤2，建立碳捕集和电转气设备协同运行机制，并构建碳交易机制模型；
步骤3，将步骤2中建立的碳捕集和电转气设备协同运行机制参与碳交易机制模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中，以综合运行成本最低为目标，得到多能流综合能源系统优化调度结果。
所述的步骤1中，建立综合能源系统运行优化模型的过程为：
1)建立综合能源系统运行优化模型中的综合运行成本模型，其中，能源系统购能成本模型如下：
式(1)中，CHA,u、CHB,u、CHD,u为综合能源系统中第u台火电机组的相关煤耗成本系数；CGAS,c为第c个天然气源的成本系数；QG,c,t为第c个天然气源的出气量；λG为电转气外购碳的成本系数，
为电转气外购碳量。系统购能成本中第一部分是火电发电机组的购能成本；第二部分是天然气系统中天然气源的出力成本；第三部分是电转气的购碳的原料成本。系统购能成本表达式中不包括燃气发电机组、热电联产机组和电转气的购能成本，因为其购能成本已经在天然气系统和电力系统中体现。
综合能源系统的运维费用的具体表达如下：
式中：
Pt CHP、Pt C、Pt EB分别为能源系统中火电机组、燃气机组、电转气设备、热电联产设备、碳捕集设备、电锅炉的电功率，YT,u、YG,a、YP、YC、YB、YE分别为其运维成本系数。
系统的碳交易费用的表达式如下：
式中：Ehvt、Egst、Ecst分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备实际碳排放；Eht、Egt、Ect分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备的碳排放额度；K表示为碳交易价格。
系统的碳存储费用的具体表达如下：
式中：μCF为碳存储设备存储CO2的成本系数，
为储碳装置在时段t碳存储量。
系统的弃风惩罚费用表达式如下所示：
式中：
为第e台风电机组在时段t的可用出力；
为第e台风电机组在时段t的实际出力；LQ为系统的风电未消纳的惩罚费用系数。
2)建立综合能源系统优化运行模型中各机组的运行约束，其中电能平衡方程可表示为：
式中：
分别表示为火电机组、燃气发电机组、热电联产设备、核电机组、水电机组、风电机组、电锅炉设备、电转气设备与电力系统的关联矩阵；Pt N、Pt W、Pl分别为核电机组、水电机组的电功率和环网支路功率；Hml为电力系统中线路与节点的关联矩阵；
为电力系统中m节点时段t的负荷。
电力网络支路传输功率约束可表示为：
式中：Pj,t为电力网络中支路j时段t的传输功率，
为电力网络中支路j的功率传输的最大值。
多能流综合能源模型中含有火电机组、核电机组、水电机组、风电机组、燃气机组、热电联产设备，其出力约束可表示为：
式中：
表示火电机组出力的上下限度；
为燃气发电机组出力的上下限度；
为核电机组出力的上下限度；
为水电机组出力的上下限度；
为风电机组出力的上下限度；
为热电联产设备出力的上下限度。
火电机组和燃气机组的爬坡约束如(9)所示：
式中：
分别为火电机组上、下爬坡的最大值；
分别为燃气发电机组上、下爬坡的最大值。
火电机组的启停时间约束如(10)所示。
式中：ui,t为机组启停状态变量，当其为1时机组正在运行，为0时机组停机状态。
热力网络约束可表示为：
SCHPHt CHP+SEBHt EB+LhHl,t-Ht D＝0 (11)
式中：SCHP、SEB分别为热力网络中热电联产设备、电锅炉与热力系统的关联矩阵；Lh为热力管道与热力系统的关联矩阵；Ht CHP、Ht EB、Hl,t、Ht D分别表示为热电联产设备热出力、电锅炉热出力、热力网络支路热出力和热力负荷。式(11)表示了整个热力系统的能量守恒，本发明的热力系统并没有考虑热力传输的延时和损耗特性。
热力网节点温度应满足其自身物理约束，其约束如(12)所示。
式中：
为供水温度的上下限；
为回水温度的上下限。
天然气网络约束如下：
式中：DG、DEG、Dg、Dc、Dl分别为天然气网络中气源、电转气设备、燃气发电机组、热电联产设备、天然气负荷与天然气系统的关联矩阵；
为天然气源的出气量；
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；Fkn,t天然气管道在时段t所输送的天然气的量；
为燃气机组消耗的天然气的量；
为热电联产设备消耗的天然气的量；
为天然气负荷；Lg为天然气管道和天然气系统的关联矩阵。式(13)表示的是天然气系统的能量守恒。
天然气网络节点压强约束如(14)所示。
式中：
分别为天然气网络节点压强的最大值与最小值。
天然气源出气约束如下：
式中：
分别为天然气气源出气量的最大值与最小值。
电转气运行约束如下：
式中：
表示电转气消耗电功率的上下限值。
电锅炉运行约束如下：
式中：
表示电锅炉设备制热所需消耗电功率的上下限值。
所述的步骤2中，建立碳捕集与电转气协同运行机制参与碳交易模型的具体过程为：
1)对传统的火电厂进行相应改造，加入碳捕集设备，对电厂产生的碳排放进行捕集，其数学模型如下：
式中：Pu,t为碳捕集设备在时段t电出力；
为时段t碳捕集设备捕获的碳量；γu,t为碳捕集设备的效率；Py,u为碳捕集设备的能耗；δT为火电厂的单位碳排放强度；βu为碳捕集设备捕获单位所消耗电功率；Py,u为碳捕集设备的能耗；Pj,u为改造后电厂的净电出力；
考虑到电转气运行的时段和碳捕集设备捕碳量不对等问题，在系统中加入储碳装置，以此保障电转气运行时的碳需求，其数学模型构建如下：
式中：
为储碳装置在时段t碳存储量；
为储碳装置在时段t碳输出量；εs为储碳损耗系数；
为储碳装置存储量的最小、最大值。
2)建立电转气设备的反应原理如下所示：
CO2+4H2→CH4+2H2O (21)
电转气技术可以灵活将电能转换为天然气，不但加强综合能源系统中能量网络的紧密耦合，而且可以提升风电的消纳空间。电转气技术的实质是能量的转换，其是将电能转换成化学能。电转气技术主要是包含电转氢技术和氢转天然气技术两个部分，整个电转气系统的能量转换效率一般可达到55％～75％。
电转气系统模型如下所示：
式中：
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；
为第j台电转气设备的转换效率；
为第j台电转气设备在时段t所消耗的电功率；Lg为天然气的热值；
为第j台电转气设备在时段t所需要的碳量；
为电转气设备进行能量转换需要碳的系数。
所述的步骤3中，将步骤2中建立的碳捕集与电转气协同运行机制和碳交易模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中建立以最低综合运行成本为目标的低碳经济调度模型如式(23)所示：
minC＝CGN+CYW+CCJ+CCS+CQF (23)
式中：CGN是综合能源系统运行的购能费用；CYW是系统设备运维费用；CCJ是碳交易费用；CCS是碳存储费用；CQF是综合能源系统的弃风惩罚费用。
选某取区域含可再生能源发电的园区综合能源系统作为仿真对象，如图1所示，其耦合了电力系统、热力系统、天然气系统，是大型能源系统，其具体配置由修改后的39节点电网系统、6节点热网系统和20节点天然气系统耦合构成。本算例中采用修改后的39节点电力系统，其发电机组节点设为系统节点中30-39节点。其中30节点的机组设为热电联产设备，与热力系统的1节点相连接，其消耗的天然气来自天然气系统的3节点，热电联产设备电力出力上限为300MW。系统中31节点设置为核电机组，其装机容量达到1000MW。系统中的32、35、37节点连接3个风电场，风电的弃风惩罚成本设定为100元/(MW·H)。系统中33、39节点机组设置成火电机组，其中33节点的火电机组改造为碳捕集电厂，其装机容量为800MW。系统中的34、36节点的机组设为燃气机组，分别与天然气系统的13、14节点相连接。为了有效减少天然气网络的拥堵，电转气设备的电能输入端直接与电力系统的32、35、37节点相连接，其气能输出端与天然气网络的5、13、14节点相连接。电转气设备出力上限设为300MW。系统中38节点设置为水电机组，其装机容量达250MW。39节点电力系统的网络基础数据参数来自MATPOWER中的基础数据。系统的碳存储的成本系数为30元/t，碳交易价格为120元/t。热力系统是6节点热力系统，其热源是热电联产设备和电锅炉设备。电锅炉的电热转换效率为0.9，其热出力最大值设为50MW。能源系统的20节点天然气系统是在比利时20节点气网基础上进行了修改，该系统包括了6个天然气气源和9个气负荷。
为了验证考虑碳捕集和电转气协同运行情况下多能流综合能源低碳优化运行的优越性和经济性，设置下面三种场景：
场景1：不考虑碳捕集和电转气的运行，系统目标要求总成本最小；
场景2：考虑电转气的运行，不考虑碳捕集，系统目标要求总成本最小；
场景3：考虑碳捕集和电转气协同运行，系统目标要求总成本最小。
在场景3的运行中，能源系统考虑了碳捕集和电转气协同的运行，其运行结果如图2-图5所示。在系统运行的1～8时段，电力负荷较小，风电出力较大，火电机组运行成本相对燃气机组较低，优先出力，燃气机组未出力，碳捕集设备运行，由于此时火电机组出力较小，其耗能相对较小；在9～22时段电负荷较大，火电机组达到满发，碳捕集设备能耗此时较高，燃气机组出力保障电力供应，电锅炉机组关闭；在23～24时段电力负荷减小，燃气发电机组关闭，电锅炉此时制热成本较低，便又将电能转化为热能。场景3中无弃风。场景3中系统的热负荷需求由电锅炉设备和热电联产设备供应；系统的气负荷需求、燃气机组的天然气需求和热电联产的天然气需求由常规气源和电转气设备供应。在运行1～6时段电力负荷需求较小，风电出力充沛，电转气设备运行进行能量装换，为风电提供消纳空间，后运行成本较高，便处于停机状态。
表1各场景运行结果
从表1中可以得出场景3中系统的总成本达到18203.0万元，风电全部消纳。场景3中系统总成本比场景1减少了146.1万元，并且碳交易成本相比减少了151.3万元。场景1中实际碳排放实际为33364t，场景3中为21381t，减少了11983t。通过对比分析表明了所提优化方法不仅可以减少能源系统的综合运行成本，而且还可以减少系统对环境所产生的碳排放。能源系统引入碳捕集和电转气协同技术后，能量系统电、热、气能量之间耦合更加紧密，系统调节更加灵活。电转气设备将无法消纳的风电部分转换为天然气，并通过管道输送到天然气网络中，减少了天然气气源的出气量，提升了风电的消纳空间。将碳捕集和电转气协同优化运行，捕集的碳资源可以用于电转气的原料，可有效减少系统的碳排放，从碳交易中获得收益。从运行结果中可以看出多能流优化后能源转换很合理，能源利用比较高效、可靠。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据综合能源系统的实际运行情况建立综合能源系统优化运行模型，包括燃气轮机、火电机组、热电联产机组、碳捕集设备、电转气设备、电热锅炉和风电机组；
步骤2，建立碳捕集和电转气设备协同运行机制，并构建碳交易机制模型；
步骤3，将步骤2中建立的碳捕集和电转气设备协同运行机制参与碳交易机制模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中，以综合运行成本最低为目标，得到多能流综合能源系统优化调度结果。
2.根据权利要求1所述的一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，其特征在于，步骤1所述的能源系统优化运行模型构建过程，具体过程为：
1)建立综合能源系统运行优化模型中的综合运行成本模型，其中，能源系统购能成本模型如下：
式(1)中，CHA,u、CHB,u、CHD,u为综合能源系统中第u台火电机组的相关煤耗成本系数，
为火电机组的电功率；CGAS,c为第c个天然气源的成本系数，QG,c,t为第c个天然气源的出气量；λG为电转气外购碳的成本系数，
为电转气外购碳量；系统购能成本中第一部分是火电发电机组的购能成本；第二部分是天然气系统中天然气源的出力成本；第三部分是电转气的购碳的原料成本；
综合能源系统的运维费用的具体表达如下：
式中：
分别为能源系统中火电机组、燃气机组、电转气设备、热电联产设备、碳捕集设备、电锅炉的电功率，YT,u、YG,a、YP、YC、YB、YE分别为其运维成本系数；
系统的碳交易费用的表达式如下：
式中：Ehvt、Egst、Ecst分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备实际碳排放；Eht、Egt、Ect分别表示为火电机组、燃气机组和热电联产设备的碳排放额度；K表示为碳交易价格；
系统的碳存储费用的具体表达如下：
式中：μCF为碳存储设备存储CO2的成本系数，
为储碳装置在时段t碳存储量；
系统的弃风惩罚费用表达式如下所示：
式中：
为第e台风电机组在时段t的可用出力，
为第e台风电机组在时段t的实际出力；LQ为系统的风电未消纳的惩罚费用系数；
2)建立综合能源系统优化运行模型中各机组的运行约束，其中电能平衡方程可表示为：
式中：
分别表示为火电机组、燃气发电机组、热电联产设备、核电机组、水电机组、风电机组、电锅炉设备、电转气设备与电力系统的关联矩阵；
Pl分别为核电机组、水电机组的电功率和环网支路功率；Hml为电力系统中线路与节点的关联矩阵；
为电力系统中m节点时段t的负荷；
电力网络支路传输功率约束可表示为：
式中：Pj,t为电力网络中支路j时段t的传输功率，
为电力网络中支路j的功率传输的最大值；
多能流综合能源模型中含有火电机组、核电机组、水电机组、风电机组、燃气机组、热电联产设备，其出力约束可表示为：
式中：
表示火电机组出力的上下限度；
为燃气发电机组出力的上下限度；
为核电机组出力的上下限度；
为水电机组出力的上下限度；
为风电机组出力的上下限度；
为热电联产设备出力的上下限度；
火电机组和燃气机组的爬坡约束如(9)所示：
式中：
分别为火电机组上、下爬坡的最大值；
分别为燃气发电机组上、下爬坡的最大值；
火电机组的启停时间约束如(10)所示：
式中：ui,t为机组启停状态变量，当其为1时机组正在运行，为0时机组停机状态；
热力网络约束可表示为：
式中：SCHP、SEB分别为热力网络中热电联产设备、电锅炉与热力系统的关联矩阵；Lh为热力管道与热力系统的关联矩阵；
Hl,t、
分别表示为热电联产设备热出力、电锅炉热出力、热力网络支路热出力和热力负荷；式(11)表示了整个热力系统的能量守恒；
热力网节点温度应满足其自身物理约束，其约束如(12)所示：
式中：
为供水温度的上下限；
为回水温度的上下限；
天然气网络约束如下：
式中：DG、DEG、Dg、Dc、Dl分别为天然气网络中气源、电转气设备、燃气发电机组、热电联产设备、天然气负荷与天然气系统的关联矩阵；
为天然气源的出气量；
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；Fkn,t天然气管道在时段t所输送的天然气的量；
为燃气机组消耗的天然气的量；
为热电联产设备消耗的天然气的量；
为天然气负荷；Lg为天然气管道和天然气系统的关联矩阵；式(13)表示的是天然气系统的能量守恒；
天然气网络节点压强约束如(14)所示：
式中：
分别为天然气网络节点压强的最大值与最小值；
天然气源出气约束如下：
式中：
分别为天然气气源出气量的最大值与最小值；
电转气运行约束如下：
式中：
表示电转气消耗电功率的上下限值；
电锅炉运行约束如下：
式中：
表示电锅炉设备制热所需消耗电功率的上下限值。
3.根据权利要求1所述的一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，其特征在于，所述的步骤2中，建立碳捕集与电转气协同运行机制参与碳交易模型的具体过程为：
1)对传统的火电厂进行相应改造，加入碳捕集设备，对电厂产生的碳排放进行捕集，其数学模型如下：
式中：Pu,t为碳捕集设备在时段t电出力；
为时段t碳捕集设备捕获的碳量；γu,t为碳捕集设备的效率；δT为火电厂的单位碳排放强度；βu为碳捕集设备捕获单位所消耗电功率；Py,u为碳捕集设备的能耗；Pj,u为改造后电厂的净电出力；
在系统中加入储碳装置，以此保障电转气运行时的碳需求，其数学模型构建如下：
式中：
为储碳装置在时段t碳存储量；
为储碳装置在时段t碳输出量；εs为储碳损耗系数；
为储碳装置存储量的最小、最大值；
2)建立电转气设备的反应原理如下所示：
CO2+4H2→CH4+2H2O (21)
电转气系统模型如下所示：
式中：
为第j台电转气设备在时段t所产生的天然气的量；
为第j台电转气设备的转换效率；
为第j台电转气设备在时段t所消耗的电功率；Lg为天然气的热值；
为第j台电转气设备在时段t所需要的碳量；
为电转气设备进行能量转换需要碳的系数。
4.根据权利要求1所述的一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法，其特征在于，所述的步骤3中，将步骤2中建立的碳捕集与电转气协同运行机制和碳交易模型加入至步骤1中建立的综合能源系统优化运行模型中建立以最低综合运行成本为目标的低碳经济调度模型如式(23)所示：
minC＝CGN+CYW+CCJ+CCS+CQF (23)
式中：CGN是综合能源系统运行的购能费用；CYW是系统设备运维费用；CCJ是碳交易费用；CCS是碳存储费用；CQF是综合能源系统的弃风惩罚费用。
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| CN202111442755.3A CN114169727A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种考虑碳捕集和电转气协同的多能流综合能源低碳调度方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114977279A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-08-30 | 国网上海市电力公司 | 一种风-碳捕集-电转气联合的发电系统中长期机组组合运行方法 |
| CN115310651A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-11-08 | 中国矿业大学 | 基于物质流-能量流协同的煤矿能源系统低碳运行方法 |
| CN115859686A (zh) * | 2023-02-07 | 2023-03-28 | 山东科技大学 | 考虑扩展碳排放流的综合能源系统低碳调度方法及系统 |
| CN117216963A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-12 | 河海大学 | 一种含碳-氢利用的综合能源系统运行方法 |
| CN117291315A (zh) * | 2023-11-24 | 2023-12-26 | 湖南大学 | 一种碳循环利用的电-气-热多能联供网络协同运行方法 |
-
2021
- 2021-11-30 CN CN202111442755.3A patent/CN114169727A/zh active Pending
Cited By (8)
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|---|---|---|---|---|
| CN114977279A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-08-30 | 国网上海市电力公司 | 一种风-碳捕集-电转气联合的发电系统中长期机组组合运行方法 |
| CN115310651A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-11-08 | 中国矿业大学 | 基于物质流-能量流协同的煤矿能源系统低碳运行方法 |
| CN115859686A (zh) * | 2023-02-07 | 2023-03-28 | 山东科技大学 | 考虑扩展碳排放流的综合能源系统低碳调度方法及系统 |
| CN115859686B (zh) * | 2023-02-07 | 2023-05-09 | 山东科技大学 | 考虑扩展碳排放流的综合能源系统低碳调度方法及系统 |
| CN117216963A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-12 | 河海大学 | 一种含碳-氢利用的综合能源系统运行方法 |
| CN117216963B (zh) * | 2023-08-30 | 2024-04-30 | 河海大学 | 一种含碳-氢利用的综合能源系统运行方法 |
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