CN118564315B - 考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优化调度方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电气工程相关技术领域，其公开了一种考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优化调度方法，电力系统包括碳捕集火电系统、可再生能源系统和电锅炉、储热装置，碳捕集火电系统具有低压缸零出力改造结构、小背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构，优化调度方法包括：构建优化调度模型并进行求解，输出调度的最优决策，优化调度模型包括目标函数和约束条件，约束条件包括电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束，电热耦合约束表示碳捕集火电总功率与碳捕集解吸耗汽位于电热可行域中。以上调度方法，能够精准反映碳捕集电热耦合关系以提升调度可行性，辅助设备与碳捕集火电的两种结构设计可提升电力系统调度的灵活性。

Description

考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优 化调度方法
技术领域
本申请属于电气工程相关技术领域，更具体地，涉及一种考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优化调度方法。
背景技术
火电在保障以新能源为主体的新型电力系统安全稳定运行方面发挥着不可替代的作用，传统火电的转型是兼顾能源安全与低碳发展的最佳策略。碳捕集与封存技术是实现火电转型的关键一环，燃烧后碳捕集因技术成熟、改造易行，极具应用潜力。而作为理论基础，碳捕集火电运行数学建模的精确性将直接影响电力系统调度运行结果的准确性。
碳捕集分为吸收、解吸、压缩三个环节，吸收与压缩消耗电能，而解吸需从发电机组蒸汽循环中抽汽，消耗大量热量。然而，在较低发电功率下，能够用于解吸的抽汽流量受到限制，相应的碳捕集水平也受物理限制，此即碳捕集火电的电热耦合关系。
一方面，现有研究通常忽视了碳捕集电热耦合的限制，这将会恶化电力系统调度结果的准确性与可行性，另一方面，碳捕集火电因为存在电热耦合关系，所以其运行灵活性较低，亟需研究适用于碳捕集火电的灵活性提升方案。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本申请提供了一种考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优化调度方法，其目的在于提高电力系统优化调度的准确性和灵活性。
为实现上述目的，按照本申请的一个方面，提供了一种电力系统优化调度方法，所述电力系统包括碳捕集火电系统、可再生能源系统和辅助设备，所述碳捕集火电系统包括火电发电系统和碳捕集系统，所述辅助设备包括电锅炉、储热装置，所述电锅炉用于消耗所述火电发电系统的部分电能以产生蒸汽，所述碳捕集系统具有由背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构，所述抽汽结构用于从所述火电发电系统中直接抽取蒸汽且所述并联抽汽结构中的背压汽轮机与减压阀的抽汽比例可调，所述火电发电系统具有低压缸零出力改造结构以使所述抽汽结构最大化抽取蒸汽，所述电锅炉的蒸汽和所述抽汽结构的蒸汽汇合后或者一部分流向所述储热装置进行热量存储，或者和所述储热装置输出的蒸汽汇合并提供给所述碳捕集系统进行碳解吸；
所述优化调度方法包括：构建优化调度模型并进行求解，输出调度的最优决策，所述优化调度模型包括目标函数和约束条件，其中：
所述目标函数为使电力系统的总成本最低；
所述约束条件包括电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束；
所述电功率守恒约束表示所述碳捕集火电系统的总发电功率等于所述抽汽结构减压阀节流作用等效消耗的电功率、可利用电功率与所有电锅炉消耗的电功率之和，所述可利用电功率为所述碳捕集火电并网净输出电功率、所述碳捕集系统吸收和压缩消耗的电功率之和；
所述蒸汽守恒约束表示所述碳捕集系统的解吸耗汽量等于所述抽汽结构的抽汽量、所述电锅炉的供汽量和所述储热装置的等效供汽量之和；
所述电热耦合约束表示所述碳捕集火电系统的电热运行点位于考虑电热耦合的电热可行域中，所述电热运行点由所述可利用电功率和所述碳捕集系统获取到的蒸汽量所确定。
在其中一些实施例中，
所述电功率守恒约束表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，为碳捕集火电系统i并联抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t等效消耗的电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t的可利用电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t供给与其联合运行的电锅炉j的电功率，Neb为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉的数量。
在其中一些实施例中，
所述蒸汽守恒约束表示为：
式中，Gi,t为碳捕集火电系统i抽汽结构在时刻t的抽汽量，Gi′,t为碳捕集火电系统i中的碳捕集系统在时刻t的解吸耗汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉j在时刻t的供汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置q在时刻t的等效供汽量，Nhs为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置的数量。
在其中一些实施例中，
所述电热耦合约束表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，分别为碳捕集火电系统i在区域ABC1D的顶点k1处的可利用电功率与碳捕集系统获取到的蒸汽量，分别为碳捕集火电系统i在线段C2D2的端点k2处的可利用电功率与碳捕集系统获取到的蒸汽量，和分别为待决策的系数，系数和满足约束：
式中，SLPzero均为二进制变量，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在区域ABC1D内，则取1，取0，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在线段C2D2上，则取1，取0，若碳捕集火电系统i停机，则取0，反之取1，SLPzero为碳捕集火电系统i是否采用了低压缸零出力改造的表征变量，若采用了低压缸零出力改造时SLPzero为1，反之为0；
其中，区域ABC1D∪C2D2为碳捕集火电系统i采用低压缸零出力改造但是未引入辅助设备和并联抽汽结构时的考虑电热耦合的可行域。
在其中一些实施例中，
所述约束还包括火电发电系统的爬坡约束、最小开机时间约束、最小停机时间约束、电力系统功率平衡约束、电锅炉运行约束、储热装置运行约束、碳捕集系统运行约束、可再生能源并网功率约束。
在其中一些实施例中，
所述目标函数表示为：
式中，f为总成本，分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的燃料成本；分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的启停成本；为捕集二氧化碳运输与封存的成本；CC为碳交易成本；为弃风惩罚成本；为弃光惩罚成本。
在其中一些实施例中，
并联抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t的等效消耗电功率满足：
式中，Sthrottle为抽汽结构是否采用背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构的表征变量，若采用联抽汽结构时Sthrottle为1，若只采用汽轮机时为0，Gi,t为碳捕集火电系统i的抽汽结构在时刻t的抽汽量，ηLDST为单位蒸汽量下背压式汽轮机的发电量。
按照本申请的另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的方法的步骤。
按照本申请的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法的步骤。
按照本申请的再一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被处理器执行时实现如上任一项所述的方法的步骤。
总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，本申请提供的电力系统优化调度方法主要具有以下有益效果：
1.本申请提供的电力系统优化调度方法，其在传统电力系统的基础上增加了电锅炉和储热装置，电锅炉用于消耗火电发电系统的部分电能以产生蒸汽，电锅炉的蒸汽和抽汽结构的蒸汽汇合后或者一部分流向储热装置进行热量存储，或者和储热装置输出的蒸汽汇合并提供给碳捕集系统进行碳解吸，由于电锅炉和储热装置与碳捕集火电联合运行能够扩展等效电热运行可行域，实现一定程度的电热解耦，因此，使得电力系统的调度灵活性更强。
2.本申请提供的电力系统优化调度方法，通过建立优化调度模型并进行求解，输出调度的最优决策，在所建立的优化调度模型中，构建了电功率和蒸汽的相关约束，包括电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束，以上约束考虑了碳捕集火电的电热耦合关系，使得模型更加准确，提高了电力系统优化调度的可行性。
附图说明
图1是一实施例中的电力系统的结构示意图；
图2是一实施例中的碳捕集系统的结构示意图；
图3是一实施例中的背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构示意图；
图4是一实施例中的针对传统电力系统考虑碳捕集电热耦合所确定的可行域与不考虑电热耦合的可行域对比图；
图5是一实施例中的针对本申请所提的电力系统的考虑电热耦合的碳捕集火电-电锅炉-储热装置联合体等效电热可行域；
图6是一实施例中的含碳捕集火电六节点电力系统的网络拓扑及各机组电气连接关系
图7是一实施例中的系统中风电站、光伏电站出力及电力总负荷示意图；
图8是一实施例中的场景C-S0和场景R-S0对应的碳捕集火电运行结果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示为本申请一实施例中的电力系统的结构示意图，其包括碳捕集火电系统、可再生能源系统和辅助设备，碳捕集火电系统包括火电发电系统和碳捕集系统，辅助设备包括电锅炉、储热装置，电锅炉用于消耗火电发电系统的部分电能以产生蒸汽，碳捕集系统具有并联抽汽结构，抽汽结构用于从火电发电系统中直接抽取蒸汽且并联抽汽结构中的背压汽轮机与减压阀的抽汽比例可调，电锅炉的蒸汽和抽汽结构的蒸汽汇合后或者一部分流向储热装置进行热量存储，或者和储热装置输出的蒸汽汇合并提供给碳捕集系统进行碳解析，任一时刻储热装置仅处于放热或储热两种状态之一，储热装置等效供汽量可以为负数，代表热量存储过程。
如图2所示为一实施例中的碳捕集系统的结构示意图，其一般串联在火电发电系统烟气管道末端，主要的组件为吸收塔、再生塔、再沸器、贫液罐、富液罐。碳捕集系统依靠以乙醇胺为溶质的化学溶液的循环工作将二氧化碳从浓度相对较低的火电烟气中富集起来送入压缩环节压缩后，存储或运输至碳汇。储液式碳捕集系统可以能量时移式灵活运行，起作用的核心组件是贫液罐与富液罐，其将二氧化碳解吸量与吸收量解耦，解吸量大于吸收量时贫液积累富液消耗，吸收量大于解吸量时富液积累贫液消耗，耗能大的解吸过程可通过储液式灵活运行更多地发生在电力系统负荷低谷时段。
解吸过程是碳捕集系统运行中能耗最大的环节，主要依靠从火电机组蒸汽循环中抽取蒸汽以供热。传统的单抽凝汽式碳捕集火电主蒸汽经过高压缸与中压缸做功后分流，一部分进入低压缸继续做功后排入凝汽器，另外一部分从中压缸与低压缸之间抽汽口抽出供热，抽取流量受抽气蝶阀控制。本申请进行低压缸零出力改造，针对常规抽凝式机组最大供热工况下供热能力受低压缸最小凝汽量约束的技术限制，低压缸零出力改造的技术思路是切断低压缸进汽以最大化抽汽量。低压缸零出力改造为在原有中低压联通管的基础上并联一低压缸冷却旁路及其辅助系统。冷却旁路完全截止时，按照传统方式运行(此为不切缸运行工况)；中低压联通管完全截止时，仅通过低压缸冷却旁路通入少量低压缸冷却蒸汽，此时中压缸排汽几乎全部应用于抽汽供热，抽汽结构近似运行在抽汽量最大化的完全背压工况(此为切缸运行工况)。因此，低压缸零出力改造，可以最大化抽取火电发电系统所产生的蒸汽。
在一实施例中，进一步对抽汽结构进行设计，如果如图3所示为本申请一实施例所设计的抽汽结构的结构示意图，抽汽结构为背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构，并联抽汽结构中的背压汽轮机与减压阀的抽汽比例可调。抽汽结构抽取的蒸汽压力通常都大于溶剂再生所需蒸汽条件，不能直接进入再沸器，因此，一般会在抽汽结构内对蒸汽降压。通过减压阀可以对蒸汽节流，但会造成更多能量损失；采用小背压式汽轮机方案，即抽汽先经过背压式汽轮机做功降压与蒸汽减温器后，再通入再沸器加热溶剂，因此，背压式汽轮机可以回收一部分能量作为电功率输出，在降低压力的同时提高能量利用效率，因此，相比于减压阀节流式设计，采用背压式汽轮机使得在同等解吸抽汽量下火电发电系统的净输出电功率更高。然而，对含碳捕集火电与波动性可再生能源的电力系统而言，部分时段要求调节性电源提供足够的下调峰能力，采用减压阀节流式的碳捕集火电可以实现更低的净出力而响应系统需求。因此，本实施例结合两种供热支路设计的优点，设计并联结构，可以根据电力系统实时需求，通过控制三通阀实现完全的减压阀节流式或者背压汽轮机式运行，亦或控制抽汽口来汽通过两减压支路的比例实现碳捕集火电在纯减压阀节流式与纯背压汽轮机式状态之间的连续调节，进而扩展了碳捕集火电的电热可行域。
基于以上所提的电力系统进行电力系统优化调度时，构建优化调度模型并进行求解，输出调度的最优决策。其中，优化调度模型包括目标函数和约束条件，以下对优化调度模型进行详细介绍。
相比于传统建模，本申请具有电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束，通过以上约束，可以使得系统的电热运行点处于考虑了电热耦合关系的可行区域，从而使模型更加准确，提高调度结果的可行性。
其中，电热可行域可以根据所搭建的系统以及系统参数直接计算确定，而是否考虑电热耦合将会导致计算所得的可行域不同，如图4所示为针对传统电力系统考虑碳捕集电热耦合所确定的可行域与不考虑电热耦合的可行域对比图，其展示了火电发电系统可利用电功率和碳捕集系统能够获取到的蒸汽(等效蒸汽)之间的关系，以可利用电功率和等效蒸汽确定的点为电热运行点，则电热可行域则表示电热运行点的可运行范围，可利用电功率表示为经碳捕集消耗后的净输出电功率、碳捕集系统消耗的电功率之和，也即，吸收过程、压缩过程电能消耗与碳捕集火电净输出功率之和。其中，图中区域ABC1D为考虑电热耦合的可行域，区域ABCD为不考虑电热耦合的可行域。区域ABC1D中，边界AB表示纯凝工况下火电发电系统可利用电功率的变化区间，边界BC1表示火电发电系统中锅炉保持最小蒸发量时的解吸供热工况，边界C1D表示达到低压缸最小凝汽量的解吸供热工况，边界DA表示锅炉保持最大连续蒸发量时的解吸供热工况，以上边界共同围成碳捕集火电的凸多边形可行域，采用凸多边形边界顶点的线性组合方式表示可行域内任意一点的运行状态。从图中可以看出，当考虑电热耦合时，最大解吸抽汽量受限于电功率，此时，运行点C点实际上为物理不可行点。可见传统建模若不考虑电热耦合将极大高估了碳捕集火电运行的灵活性，而考虑电热耦合则可以使建模更为精细准确。
如图5所示为针对本申请所提的电力系统的考虑电热耦合的电热可行域，其中，运行区间ABC1D∪C2D2所示为火电发电系统采用低压缸零出力改造之后的可行运行区间，具体地，区间ABC1D为火电发电系统未采用低压缸零出力改造的电热可行域，线段C2D2为因为增加了低压缸零出力改造后可行域的增加区域。若采用并联抽汽结构以及引入电锅炉与储热装置，则在低压缸不切缸运行工况下的运行区间边界如图5中短划线所示，在低压缸切缸运行工况下的运行区间边界如图5中圆点线所示，因此，综合方案下的运行区间为短划线所围区域与圆点线所围区域的并集。从图中可以看出，增加电锅炉与储热装置以及采用并联抽汽结构，可以扩展电热运行的可行域，使得调控更加灵活。
基于可行域的构建，本申请的约束条件包括电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束。
其中，电功率守恒约束表示碳捕集火电系统的总发电功率等于抽汽结构中减压阀节流作用等效消耗电功率、可利用电功率与所有电锅炉消耗的电功率之和。具体可表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，为碳捕集火电系统i并联抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t等效所消耗的电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t的可利用电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t供给与其联合运行的电锅炉j的电功率，Neb为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉的数量。
其中，可以控制抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t等效消耗的电功率满足：
式中，Sthrottle为抽汽结构是否采用背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽设计的表征变量，采用时Sthrottle为1，反之(即只采用汽轮机)为0，Gi,t为碳捕集火电系统i抽汽结构在时刻t的抽汽量，ηLDST为单位蒸汽量下背压式汽轮机的发电量。该约束表示，当采用小背压汽轮机式抽汽结构时，无节流作用能量损耗，而采用上文介绍的并联结构时，其减压阀支路节流作用等效消耗的电功率不超出所抽取蒸汽全部通过小背压汽轮机支路时产生的电功率。
其中，碳捕集火电(火电发电系统+碳捕集系统)的并网净输出功率与可利用电功率的关系式为：
式中，为碳捕集系统吸收过程能耗，为碳捕集系统压缩过程的能耗，计算方式为：
式中，为碳捕集系统吸收二氧化碳量，为碳捕集系统解吸二氧化碳量，μab为吸收单位量二氧化碳的电能量消耗，μcom为压缩单位量二氧化碳的电能量消耗。
蒸汽守恒约束表示碳捕集系统的耗汽量等于抽汽结构的抽汽量、电锅炉的供汽量和储热装置的等效供汽量之和，当储热装置接收蒸汽时，其等效供汽量为负，当储热装置输出蒸汽时，其等效供汽量为正。具体可表示为：
式中，Gi,t为与碳捕集火电系统i的抽汽结构在时刻t的抽汽量，Gi′,t为碳捕集火电系统i对应的碳捕集系统在时刻t的解吸耗汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉j在时刻t的供汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置q在时刻t的等效供汽量，Nhs为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置的数量。
电热耦合约束表示碳捕集火电系统的电热运行点位于考虑电热耦合的电热可行域中，电热运行点由可利用电功率和碳捕集系统获取到的蒸汽量所确定。具体可以表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，分别为碳捕集火电系统i在区域ABC1D的顶点k1处的可利用电功率(此处的可利用电功率实际为未引入辅助设备和并联抽汽结构时碳捕集火电系统i的总发电功率)与碳捕集系统获取到的蒸汽量(此处的蒸汽量实际为未引入辅助设备和并联抽汽结构时抽汽结构抽取的蒸汽量)，分别为碳捕集火电系统i在线段C2D2的端点k2处的可利用电功率(此处的可利用电功率实际为未引入辅助设备和并联抽汽结构时碳捕集火电系统i的总发电功率)与碳捕集系统获取到的蒸汽量(此处的蒸汽量实际为未引入辅助设备和并联抽汽结构时抽汽结构抽取的蒸汽量)，和分别为待决策的系数，系数和满足约束：
式中，SLPzero均为二进制变量，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在区域ABC1D内，则取1，取0，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在线段C2D2上，则取1，取0，若碳捕集火电系统i停机，则取0，反之取1，SLPzero为碳捕集火电系统i是否采用了低压缸零出力改造的表征变量，若采用了低压缸零出力改造时SLPzero为1，反之为0。
基于以上约束，可以使得建模更加准确。除了上述约束外，还可以构建一些电力系统调度的常规约束，例如火电发电系统的爬坡约束、最小开机时间约束、最小停机时间约束、电力系统功率平衡约束、电锅炉运行约束、储热装置运行约束、碳捕集系统运行约束、可再生能源并网功率约束。
爬坡约束：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的抽汽口抽汽量若全部用于低压缸进汽发电时的机组纯凝工况出力，ηLP为低压缸的发电效率，分别为碳捕集火电的上、下爬坡速率极限，分别为碳捕集火电(火电发电系统+碳捕集系统)在无解吸过程的纯凝工况下的最小、大技术出力，分别表示碳捕集火电在t、t-1时段启停状态的二进制变量，1表示开机，0表示停机。
最小开机/停机时间约束：
式中，分别表示火电发电系统最小开机、停机时间，T为调度周期结束时刻。
电力系统功率平衡约束：
式中，Np为电力系统常规火电台数，Nccpp为系统碳捕集火电台数，Nw、Ns分别为风力电站与光伏电站的数目，为常规火电的发电功率，为风电与光伏的并网发电功率，Dt为总电力负荷，为电锅炉从电网获取的电能。
电锅炉运行约束：
式中，为电锅炉装机容量；ηeb为电锅炉电热转换效率；keb为热能与蒸汽流量换算系数。
储热装置运行约束：
式中，为储热装置的储/放热量；为储热装置储/放热量的最大速率；为其蓄热水平；为热损失；khs为储热装置热能与蒸汽流量换算系数。
碳捕集系统运行约束：
式中，为最大碳捕集率；为解吸能力系数；ksteam为解吸单位量二氧化碳所需蒸汽量；为富液罐与贫液罐中溶液体积；为吸收单位量二氧化碳所需溶液体积；分别表示碳捕集火电在无法切断低压缸进汽与切断了低压缸进汽状态下各自运行边界点的碳排放强度。
可再生能源并网功率约束：
式中，分别为时段t风力电站与光伏电站的最大可用发电量。
其他约束包括储热装置蓄热量上下限约束，储液罐溶液体积上下限约束，储热装置蓄热量及储液罐溶液体积在调度时段始末相等约束，电力系统备用约束以及直流潮流约束。
优化调度模型的目标函数为使电力系统的总成本最低。具体可表示为：
式中，f为总成本，分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的燃料成本；分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的启停成本；为捕集二氧化碳运输与封存的成本；CC为碳交易成本；为弃风惩罚成本；为弃光惩罚成本。
燃料成本：
式中，T为调度周期结束时刻，Np为电力系统常规火电台数，Nccpp为系统碳捕集火电台数。k1、k2代表可行域顶点序号，对应图5中运行区间边界ABC1D的顶点的组合系数，为对应顶点的运行成本；对应的是图5中采用低压缸零出力改造后切缸运行区间边界C2D2的组合系数，为对应顶点的运行成本，由于切缸后运行边界为背压直线，因此顶点维数为2。为常规火电的时段t的发电出力，为常规火电单位发电量煤耗成本。
启停成本：
式中，分别为常规火电、碳捕集火电的启停成本；为表示常规火电在t、t-1时段启停状态的二进制变量，1表示开机，0表示停机。
捕集二氧化碳的运输与储存成本：
式中，为碳捕集火电时段t解吸过程富集的二氧化碳量，cT&S为单位量二氧化碳的运输与封存成本。
碳排放权交易成本
CC＝πC(Ep+Eccpp-MC-EB)
式中，Ep表示常规火电的碳排放量，Eccpp表示碳捕集火电烟气中二氧化碳含量，MC表示碳捕集火电的碳捕集量，EB表示系统的碳排放配额，πC为碳排放权交易市场的价格系数。Ep、Eccpp、MC计算公式如下：
上式中，δp表示常规火电的碳排放强度。
可再生能源弃电惩罚成本：
式中ωw、ωs分别为弃风与弃光惩罚系数。
求解上述优化调度模型，输出调度的最优决策，在一实施例中，决策量具体包括碳捕集火电的启停状态、切缸运行状态、电热耦合约束凸组合系数、减压阀节流作用等效消耗电功率；常规火电的启停状态与出力；风电与光伏的并网出力；电锅炉的工作负荷；储热装置的储/放热功率；碳捕集系统的吸收量、解吸量等。
实施例2
本申请还涉及一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上文方法的步骤。
该电子设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，电子设备的各种功能。
实施例3
本申请还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上文方法的步骤。
具体的，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例4
本申请实施例提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行本申请上述实施例方法的步骤。
实施例5
以六节点电力系统为例，验证本发明所提考虑电热耦合的碳捕集改进建模及综合灵活性提升方案的有效性。
含碳捕集火电六节点电力系统的网络拓扑及各机组电气连接关系如图6所示。
系统中的发电机组包括四台常规火电(G1、G2、G3、G4)、一台碳捕集火电CCPP1、风电站W1和光伏电站PV1。G1、G2、G3的容量为169MW，最低出力45％，G4容量为247MW，最低出力40％。CCPP1容量为247MW，其基础可行运行区间边界顶点及低压缸零出力改造后切缸运行端点如表1所示。
表1碳捕集火电的可行域顶点
系统中风电站、光伏电站出力及电力总负荷如图7所示，总负荷平均分配于节点3与节点6。对引入的外部辅助设备，预设其参数为：每台电锅炉最大工作电负荷为50MW；每台储热装置的最大储/放热功率为50MW，其蓄热水平的上下界分别为50MWh与400MWh。
共设置五个场景进行分析：
虚拟场景BAU：不采用碳捕集；
基准场景C-S0：进行碳捕集，但是不考虑电热耦合且抽汽结构不采用并联结构且未引入低压缸零出力改造、电锅炉、储热装置；
改进场景R-S0：进行碳捕集且考虑电热耦合，但是抽汽结构不采用并联结构且未引入低压缸零出力改造、电锅炉、储热装置；
改进场景R-S1：进行碳捕集且考虑电热耦合，且抽汽结构采用并联结构，但未引入低压缸零出力改造、电锅炉、储热装置；
改进场景R-S2：进行碳捕集且考虑电热耦合，且抽汽结构采用并联结构并引入低压缸零出力改造、电锅炉、储热装置。
如表2所示为总计5个场景的运行优化结果。表中，抽汽结构采用并联设计、低压缸零出力改造、配置电锅炉、配置储热装置的方案分别缩写为PRV、LPZ、EB、HS，其中EB及HS方案均只配置一台辅助设备。表2中的三个结果指标分别为系统运行总成本、全时段可再生能源弃电量总和、全时段火电机组的净碳排放量总和。
表2场景设置与各场景主要结果
根据表2数据以及各场景具体运行情况，可以分析出碳捕集的引入显著提升了系统运行经济性。进行碳捕集的场景C-S0、R-S0、R-S1和R-S2相比于不进行碳捕集的场景BAU，其结果指标均得到提升，尤其是本申请所提出的场景R-S2，其总成本最低。对比表2中R-S1结果与R-S0结果可知，所提出的新型碳捕集系统抽汽结构设计可以有效降低系统总成本与可再生弃电，验证了所提出的结构设计的有效性。对比表2中R-S2结果与R-S0结果可知，所提出的综合灵活性提升方案可进一步减小系统总成本，大幅降低系统可再生弃电及碳排放，验证了综合灵活性提升方案的有效性。
其中，根据场景C-S0及R-S0，可分析改进的考虑碳捕集系统电热耦合关系的建模方式的有效性，场景C-S0不考虑电热耦合关系，碳捕集火电运行的灵活性被高估，相比场景R-S0采用精准灵活性描述的改进建模结果，其运行优化结果的成本型指标(指标数值越小越优越)普遍偏低，呈现的是过于乐观的系统运行理想化状态；由于场景C-S0未考虑电热耦合，对碳捕集系统作用的评估过于乐观，导致优化结果失真。在表2中，对比R-S0，C-S0对系统总运行成本低估了15.75万元，偏差为4.66％；低估了系统可再生弃电量共248.5MWh，偏差为59.58％；低估了系统净碳排放量769.86吨，偏差为10.94％。
场景C-S0(传统建模)优化结果失真的根源在于其模拟的碳捕集火电运行状态在部分时段违背了实际电热耦合关系约束，电热运行点位于可行域之外，下文称之为“不可行点”。如图8所示，两组对比场景中，场景C-S0对应的碳捕集火电运行结果都存在不可行点，需要说明的是碳捕集火电停机状态对应的原点为特殊运行点而非不可行点。场景C-S0的不可行点都为最小主蒸汽工况下的理想化抽汽，对应着风电大发时段碳捕集系统为最大化系统消纳而处于最小主蒸汽与最大化解吸量的运行状态，然而，碳捕集火电最小主蒸汽工况下解吸供汽能力最弱，实际运行中无法达到传统建模的理想化运行点，因此实际的可再生弃电量远大于传统建模运行模拟的结果。此外，由于存在不可行点，传统建模下的优化调度结果不具备现实层面的可行性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。需要说明的是，本申请的“一实施例中”、“例如”、“又如”等，旨在对本申请进行举例说明，而不是用于限制本申请。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑碳捕集电厂电热耦合及其运行灵活性提升的电力系统优化调度方法，其特征在于，所述电力系统包括碳捕集火电系统、可再生能源系统和辅助设备，所述碳捕集火电系统包括火电发电系统和碳捕集系统，所述辅助设备包括电锅炉、储热装置，所述电锅炉用于消耗所述火电发电系统的部分电能以产生蒸汽，所述碳捕集系统具有由背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构，所述抽汽结构用于从所述火电发电系统中直接抽取蒸汽且所述并联抽汽结构中的背压汽轮机与减压阀的抽汽比例可调，所述火电发电系统具有低压缸零出力改造结构以使所述抽汽结构最大化抽取蒸汽，所述电锅炉的蒸汽和所述抽汽结构的蒸汽汇合后或者一部分流向所述储热装置进行热量存储，或者和所述储热装置输出的蒸汽汇合并提供给所述碳捕集系统进行碳解吸；
所述优化调度方法包括：构建优化调度模型并进行求解，输出调度的最优决策，所述优化调度模型包括目标函数和约束条件，其中：
所述目标函数为使电力系统的总成本最低；
所述约束条件包括电功率守恒约束、蒸汽守恒约束和电热耦合约束；
所述电功率守恒约束表示所述碳捕集火电系统的总发电功率等于所述抽汽结构减压阀节流作用等效消耗的电功率、可利用电功率与所有电锅炉消耗的电功率之和，所述可利用电功率为所述碳捕集火电系统并网净输出电功率、所述碳捕集系统吸收和压缩消耗的电功率之和；
所述蒸汽守恒约束表示所述碳捕集系统的解吸耗汽量等于所述抽汽结构的抽汽量、所述电锅炉的供汽量和所述储热装置的等效供汽量之和；
所述电热耦合约束表示所述碳捕集火电系统的电热运行点位于考虑电热耦合的电热可行域中，所述电热运行点由所述可利用电功率和所述碳捕集系统获取到的蒸汽量所确定。
2.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，
所述电功率守恒约束表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，为碳捕集火电系统i并联抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t等效消耗的电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t的可利用电功率，为碳捕集火电系统i在时刻t供给与其联合运行的电锅炉j的电功率，Neb为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉的数量。
3.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，
所述蒸汽守恒约束表示为：
式中，Gi,t为碳捕集火电系统i抽汽结构在时刻t的抽汽量，Gi′,t为碳捕集火电系统i中的碳捕集系统在时刻t的解吸耗汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的电锅炉j在时刻t的供汽量，为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置q在时刻t的等效供汽量，Nhs为与碳捕集火电系统i联合运行的储热装置的数量。
4.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，所述电热耦合约束表示为：
式中，为碳捕集火电系统i在时刻t的总发电功率，分别为碳捕集火电系统i在区域ABC1D的顶点k1处的可利用电功率与碳捕集系统获取到的蒸汽量，分别为碳捕集火电系统i在线段C2D2的端点k2处的可利用电功率与碳捕集系统获取到的蒸汽量，和分别为待决策的系数，系数和满足约束：
式中，SLPzero均为二进制变量，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在区域ABC1D内，则取1，取0，若碳捕集火电系统i的电热运行点在时刻t落在线段C2D2上，则取1，取0，若碳捕集火电系统i停机，则取0，反之取1，SLPzero为碳捕集火电系统i是否采用了低压缸零出力改造的表征变量，若采用了低压缸零出力改造时SLPzero为1，反之为0；
其中，区域ABC1D为考虑电热耦合的可行域，区域ABC1D中，边界AB表示纯凝工况下火电发电系统可利用电功率的变化区间，边界BC1表示火电发电系统中锅炉保持最小蒸发量时的解吸供热工况，边界C1D表示达到低压缸最小凝汽量的解吸供热工况，边界DA表示锅炉保持最大连续蒸发量时的解吸供热工况，以上边界共同围成碳捕集火电的凸多边形可行域；线段C2D2为因为增加了低压缸零出力改造后可行域的增加区域，区域ABC1D∪C2D2为碳捕集火电系统i采用低压缸零出力改造但是未引入辅助设备和并联抽汽结构时的考虑电热耦合的可行域。
5.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，所述约束条件还包括火电发电系统的爬坡约束、最小开机时间约束、最小停机时间约束、电力系统功率平衡约束、电锅炉运行约束、储热装置运行约束、碳捕集系统运行约束、可再生能源并网功率约束。
6.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，所述目标函数表示为：
式中，f为总成本，分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的燃料成本；分别为常规火电、与碳捕集系统联合运行的火电发电系统的启停成本；为捕集二氧化碳运输与封存的成本；CC为碳交易成本；为弃风惩罚成本；为弃光惩罚成本。
7.如权利要求1所述的电力系统优化调度方法，其特征在于，并联抽汽结构中减压阀节流作用在时刻t的等效消耗电功率满足：
式中，Sthrottle为抽汽结构是否采用背压汽轮机与减压阀形成的并联抽汽结构的表征变量，若采用并联抽汽结构时Sthrottle为1，若只采用汽轮机时为0，Gi,t为碳捕集火电系统i的抽汽结构在时刻t的抽汽量，ηLDST为单位蒸汽量下背压式汽轮机的发电量。
8.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，其特征在于，所述计算机程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
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