基于碳捕集-电转气的矿区综合能源系统协同优化调度

“双碳”战略目标下,为促进风光消纳与能源电力低碳转型、提高矿区能源利用率,提出一种含伴生能源和碳捕集与电转气耦合的矿区综合能源系统低碳经济调度模型。首先,综合考虑瓦斯、乏风、涌水等矿区伴生能源利用,建立矿区综合能源系统基本模型,并以碳捕集和电转气设备为耦合单元,促进节能减排与可再生能源消纳。然后,引入奖惩阶梯式碳交易机制,以矿区综合能源系统运行成本最小为目标,建立矿区综合能源系统协同优化调度模型。最后,以中国云南某大型煤矿为例,通过设置不同场景进行仿真分析。结果表明,所提模型能够促进矿区综合能源系统低碳经济运行,提高风光消纳率。

需求响应激励下耦合电转气、碳捕集设备的综合能源系统优化

为了充分调动用户侧柔性负荷资源,发挥氢能的低碳特性,本文提出了一种需求响应激励下耦合两阶段电转气和碳捕集设备的综合能源系统优化方法。首先,构建两阶段电转气、碳捕集、氢燃料电池和储氢罐等设备组成的氢基综合能源系统。其次,结合负荷能源转换间耦合关系与调节特性,引入阶梯型需求响应激励机制并对补偿基价、区间长度、价格增长率3个参数进行自适应优化。最后,设置多种场景,用多目标灰狼算法对系统的供能侧、需求侧和阶梯型需求响应激励机制进行优化求解。结果表明,基于此方法系统运行的总成本和CO_(2)排放量都有所降低。

计及电转气-风-火-核-碳捕集的多源联合系统优化调度

在风-火-核-碳捕集多源联合系统中,核电机组在参与电网调峰时存在调峰深度选择不精确的问题。此外,该多源联合系统还存在风电消纳不足的问题。为此,构建了一种计及线性化核电机组调峰深度模型的电转气(power to gas,P2G)-风-火-核-碳捕集多源联合系统,并对该系统进行了日前优化调度。首先,基于核电机组负荷跟踪模式,通过引入连续变量,提高了调峰深度选择的准确性;然后,分析了碳捕集电厂-P2G联合运行模式及需求响应资源对促进风电消纳的积极作用;最后,以系统综合运行成本最低为目标函数,同时考虑碳交易机制,在Matlab平台搭建仿真模型,验证了所构建多源联合系统的有效性。结果表明,相较于核电机组采用固定调峰档位的多源联合系统,所构建的多源联合系统能够在保证核电机组安全稳定运行的同时,实现风电完全消纳,系统碳排放量与综合运行成本分别下降了13.74%与6.27%,提高了系统运行的低碳性与经济性。

生物质电转气技术的生命周期评价

为了研究生物质电转气技术的环境影响,选用玉米杆、稻秸这2种生物质,采用生命周期评价(LCA)模型全面评价了生物质电转气技术的全生命周期过程,利用SimaPro软件对生物质的获取、生物质直燃发电、CH_(4)和H_(2)的生产、CH_(4)的运输及利用等阶段进行生命周期评价,得到各阶段主要的环境影响类型,并对比分析了玉米秆和稻秸的环境影响潜值。结果表明:海洋水生毒性、全球暖化、淡水水生毒性以及酸化是表现较为突出的环境影响类型;在海洋水生毒性这一环境指标上,稻秸电转气技术是玉米杆电转气技术的2.8倍;在全球暖化、人体毒性、酸化等环境影响类型上,玉米秆和稻秸的影响程度较为相似。

含碳捕集及电转氢设备的低碳园区综合能源系统随机优化调度

针对工业园区的零碳转型需求,建立了一种“新能源发电+氢储能”与“火电+碳捕集”的多能互补技术组合。系统考虑将氢能直接售卖给氢能汽车获益以达成经济性目标,将氢能汽车减排量加入碳交易以实现低碳性目标。通过可再生能源渗透率、弃风弃光率及氢能汽车减排量3个指标来量化系统的低碳效益。考虑风光出力不确定性,基于蒙特卡洛算法对风光曲线进行场景生成,基于概率距离削减法削减至4个典型场景,然后采用随机优化方法分析典型日运行成本。结果表明:该系统既能增加风光新能源的消纳、降低碳排放,又能降低系统日运行成本,验证了零碳园区转型的可行性。

考虑宽功率波动影响的电转气场站容量分布鲁棒优化配置

新能源发电的波动性会加速电转气场站内电解水设备的老化,现有优化模型无法有效计及宽功率波动对电解水设备寿命及电转气场站容量配置的影响。在此背景下,提出了考虑电解水设备寿命的电转气场站容量分布鲁棒优化配置模型。首先,提出一种考虑功率波动影响的电解水设备寿命折损评估模型,进而建立了含电转气场站的电-气综合能源系统优化规划模型,对电转气场站内电解水、甲烷化和储氢罐的容量进行优化配置。其次,基于1-范数约束和∞-范数约束构建源荷场景的概率分布模糊集,将规划模型改写为“min-max-min”形式的分布鲁棒优化模型,并利用列与约束生成算法进行求解。最后,利用测试算例对所提模型和算法进行验证。结果表明,所提模型能够更准确地计算电转气场站的经济效益,延长电解水设备预期使用寿命。

含风电-氢能-电转气的园区综合能源系统优化调度

由风力发电与电转气相结合的综合能源系统是实现能源高效利用的有效途径,具有巨大发展潜力,其合理规划调度是一个亟待解决的关键问题。本文将电转气运行过程细化为电制氢气和氢气甲烷化两阶段,在电解水制氢阶段结合氢能需求这一未来发展趋势,将不稳定的风电转化为氢气,供给氢负荷;其次以运行成本和碳排放成本之和最小为目标,建立含风电-氢能-电转气(power to gas,P2G)的园区综合能源系统经济优化调度模型,算例仿真表明,相比包含传统电转气的系统,所建模型可实现能量高效利用,提高综合能源系统的经济性和低碳性,总成本降低16.61%;最后引入权重系数,对系统进行灵敏度分析,得出其合理区间范围,以供参考。

考虑中长期交易的水电站电转气容量双层优化配置

为改善水电站调节的灵活性和提升风电在中长期规划中的消纳比例,提出了一种考虑中长期交易的水电站电转气容量双层优化配置方法。采用风电品质分段思想,将风电出力分为确定部分和不确定部分,风电确定部分参与上层中长期电能市场交易,风、水、火发电商根据自身情况上报电量电价,以系统购电成本最小为目标建立中长期竞价出清模型,得到各发电商中标电量以及电价;风电不确定部分参与下层合约转让交易,分析电转气的能量转换和大规模储能特点对弃水、风电消纳的积极作用,考虑环境成本和发电商利益诉求,建立基于合约转让交易机制的水电站电转气优化配置模型。最后通过修改的IEEE 30节点算例分析进行验证,结果表明,所提模型能够有效提升风电中长期消纳能力,水电调节灵活性得到改善。

基于碳捕集与封存-电转气-电解熔融盐协同的虚拟电厂优化调度

为了应对气候变化,推动能源电力碳达峰、碳中和进程,提出一种以电解熔融盐(electrolyticmoltencarbonate,EMC)技术为基础的EMC碳捕集电厂,并且考虑了碳捕集与封存(carbon capture and storage,CCS)技术以及两段式电转气(power to gas,P2G),建立了基于CCS-P2G-EMC协同的虚拟电厂(virtual power plant,VPP)优化调度模型。首先,根据EMC技术的原理,考虑与燃气轮机热电联产(combined heatandpower,CHP)机组耦合,建立了EMC碳捕集电厂数学模型,并分析了EMC碳捕集电厂热电出力的灵活性。其次,构建了CCS-P2G-EMC协同框架,并对其低碳特性机理进行分析,并在此基础上建立低碳经济调度模型,实现了VPP的低碳经济运行。最后,通过设置不同场景进行对比,验证了所提调度模型的有效性,可在保证VPP经济效益的同时降低系统碳排放。

计及弃电转热的IES系统设计及运行特性研究

针对可再生能源的消纳问题,建立一种耦合电转热设备的综合能源系统,利用负载跟随和循环充电2种日前运行策略,结合网格搜索法对系统进行优化,分析太阳辐照度、风速条件、碳税成本和天然气价格这4种约束条件的敏感性。结果表明,耦合电转热设备系统的综合能源系统(IES)在全周期生命成本、能源成本、可再生能源渗透率和年二氧化碳排放量方面均有较好的表现;负载跟随策略下,系统可再生能源渗透率为30.92%,耦合电转热设备后,可再生能源消纳能力提升4.97%~5.69%。

考虑碳捕集和电转气的综合能源系统优化调度

碳捕集、电转气等低碳技术是实现能源系统低碳经济运行的重要途径和主要抓手。鉴于此,构建了一种含碳捕集、利用与封存装置,两段式电转气设备及热电联产机组耦合的综合能源系统低碳经济调度模型。在技术层面,分别构建碳捕集、利用与封存,两段式电转气及热电联产数学模型;在市场机制层面,引入阶梯式碳交易模型约束系统碳排放。提出了以综合能源系统运行总成本最小为目标函数的优化调度策略。通过设置多个场景进行算例分析,验证了所提模型的有效性,并分析了各阶梯碳交易机制参数灵敏性对综合能源系统低碳性及经济性的影响。

基于阶梯碳交易的碳捕集电厂−电转气虚拟电厂低碳经济调度

在能源互补和低碳经济的背景下,虚拟电厂(virtual power plant,VPP)是实现区域资源优化配置和新能源消纳的有效载体。在技术层面,通过碳捕集电厂(carbon capture power plant,CCPP)和电转气(power-to-gas,P2G)装置来实现CO_(2)的循环利用,建立碳捕集电厂−电转气耦合模型,并在负荷侧引入考虑用户满意度的价格型需求响应模型;在低碳政策方面,将阶梯型碳交易机制引入VPP,对碳排放进行约束。然后以总成本最小为目标,建立VPP低碳经济调度模型。通过设置不同调度场景进行对比,验证所建模型在VPP低碳经济运行方面的有效性,并通过敏感性分析探究阶梯碳交易参数对VPP碳排放量与成本的影响,结果表明所建模型对VPP进行低碳经济调度具有指导意义。

基于信息间隙决策理论的含电转气煤矿综合能源系统鲁棒调度

煤矿在开采过程中衍生出大量可供生产和生活需求的多种伴生资源。面向煤炭伴生资源的循环利用和伴生资源强扰动下的高可靠运行需求,提出一种基于信息间隙决策理论的含电转气煤矿综合能源系统鲁棒优化调度方法。首先,根据煤矿资源禀赋及地质特征,将电转气与瓦斯存储利用相结合,构建含电转气−瓦斯掺混的煤矿多资源循环利用架构;其次,考虑煤炭伴生资源能量回收及系统多环节运行约束,以系统运行和弃风弃光成本最小为目标,建立确定性场景下的系统调度模型;最后,针对以煤炭伴生资源为主的不确定性波动,采用信息间隙决策理论进行量化分析,在决策中引入权重修正量表征伴生资源经验比例的扰动,建立经验比例扰动下的信息间隙决策鲁棒优化模型。算例采用实际煤矿数据进行仿真分析,结果表明所提方法可有效促进风光消纳并提高煤矿综合能源系统运行效益,调度方案对伴生资源和负荷波动具有较强鲁棒性。

基于氨储能技术的电转氨耦合风–光–火综合能源系统双层优化调度

针对高风光渗透率的风-光-火综合能源系统弃能问题,提出利用电转氨和火电机组掺氨燃烧相结合的技术以提高风光利用率,改善我国以煤为主的能源系统安全性与环保性。首先提出电转氨耦合综合能源系统构型,并为燃煤机组出力、风光消纳和电转氨运行的经济性和稳定性的综合评价定义风-光-火-氨系统协调运行指标;进而构建以协调运行指标最大为上层目标、电转氨耦合风-光-火综合能源系统运行成本最小为下层目标的双层优化调度模型;最后,通过多场景下不同模型的对比验证了所提模型的有效性。结果表明,在冬季、过渡季和夏季典型日场景下,对于不含电转氨的综合能源系统,采用双层优化调度模型后,在燃煤机组的稳定性和安全性得到改善的同时,系统的总成本均降低。引入电转氨后,风光消纳率得到提升,总成本分别进一步降低1.06%、1.74%和0.59%;碳排放量分别降低2.11%、2.81%和1.95%。可见电转氨对综合能源系统的经济、低碳运行具有较好的改善作用。

考虑CCUS电转气技术及碳市场风险的电–气综合能源系统低碳调度

在碳市场价格波动的背景下,合理量化碳交易价格波动风险并制定相应的低碳运行策略对于降低系统运行成本和碳排放量具有十分重要的意义。该文提出一种考虑碳市场价格风险及碳捕集、利用与封存系统–电转气协同运行的电–气综合能源系统低碳优化调度模型。首先,利用广义自回归条件异方差模型预测次交易日碳价,并使用条件风险价值衡量碳市场价格波动风险,为电–气综合能源系统调度提供碳价参考。然后,引入碳捕集、利用与封存系统–电转气协同运行框架,将碳捕集机组捕获的CO_(2)作为电转气原料,电转气利用负荷谷期的风电出力生产天然气,以电–气综合能源系统总调度成本及碳交易风险最低为目标建立优化调度模型。最后,在改进的IEEE 24节点和天然气6节点系统构成的电–气综合能源系统中进行仿真。结果表明,提出的调度模型能够捕捉碳市场波动期内风险,提高电–气综合能源系统可再生能源消纳量,并降低系统总运行成本和碳排放。

考虑梯级碳交易机制和电转气两阶段运行的综合能源系统优化

为提升综合能源系统(integrated energy system,IES)的能效水平,提出了一种考虑梯级碳交易机制和电转气(power-to-gas,P2G)两阶段运行的IES调度模型。首先引入碳捕获与封存技术(carbon capture and storage,CCS),解决了P2G所需碳源和热电联产机组的碳排放问题;同时在传统P2G的基础上引入氢燃料电池,研究P2G两阶段运行的多重效益;最后,运用梯级碳交易机制限制碳排放。在此基础上,建立以碳交易成本、系统运行成本、新能源利用率相关成本最小为目标的优化调度模型,利用IPOPT商业求解器进行求解,通过与其他传统模型对比分析,表明所提模型的经济性、低碳性和风光消纳能力较高。

计及空气碳捕和电转气的智慧小区微能网优化调度

碳达峰、碳中和背景下,针对绿色低碳智慧小区微能网优化调度难题,提出一种考虑直接空气碳捕(direct air capture,DAC)与电转气(power to gas,P2G)协同效益的微能网优化调度方法。首先,提出小区空气碳捕应用场景新思路,基于CO_(2)化学吸附原理建立智慧小区DAC碳捕量、碳捕能耗耦合关系的数学模型;进而,在研究P2G-DAC特性的基础上,建立P2G-DAC协同运行模型;然后,在考虑小区微能网系统约束及DAC装置变温吸附循环特性的基础上,以系统综合运行成本最小为目标,构建协同调度模型;最后,利用Yalmip工具箱调用Gurobi求解器对模型进行求解,并基于西南某别墅小区开展仿真验证工作。仿真结果表明,所提智慧小区微能网P2G-DAC协同调度策略能够促使系统综合运行成本下降6.77%、系统碳排量下降75%,在提升微能网运行经济性的同时,能够降低碳排放,产生环境、社会效益。

源荷协同下计及电转氢和电动汽车的含风电配网日前优化调度

高比例可再生能源接入,其固有的间歇性使得消纳问题日益突出。电转氢和电动汽车是实现节能减排的重要技术,作为灵活性资源参与电网优化调度,有利于可再生能源消纳。提出了一种计及电转氢和电动汽车的含风电配网日前优化调度模型,首先基于电转氢和电动汽车的储能特性和可调特性建立模型,实现负荷特性改善;其次结合系统风电消纳和削峰填谷需求,提出一种基于功率值和功率变化率的分时调度成本模型,形成了源荷协同的灵活性资源控制策略;最后建立了以经济性最优为目标的含风电配网日前调度模型。在改进的IEEE33节点配电网系统中开展仿真验证,结果表明本文所提出的调度方法可以有效降低系统调度总成本和负荷峰谷差,促进风电消纳。

气网管存与电转气协调运行提升电-气互联系统灵活性的调度策略

针对灵活性不足导致的弃风问题,提出了以天然气动态管存特性与电转气(power to gas,P2G)协同运行提升电-气互联系统灵活性的优化调度策略。首先,介绍了通过电转气与燃气轮机将电、气2种能量进行相互转化提升灵活性的机理;然后,计及天然气“管存”动态特性与P2G、燃气轮机的协调运行,构建了动态电-气互联系统调度模型,提升了系统在空间与时间2个层面的灵活性,并极大改善了风电反调峰特性给系统带来的时空层面灵活性供需不平衡问题;最后,通过IEEE-24节点电力系统与比利时20节点天然气网进行算例分析,结果表明所提调度方案具有良好的经济性与灵活性,能够最大程度上避免系统发生弃风现象。

基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度

为兼顾虚拟电厂运营过程中的经济性和低碳性,提出一种基于阶梯碳交易的电转气虚拟电厂低碳经济调度模型。首先,将碳交易机制引入虚拟电厂中,构建划分碳排放区间的阶梯型碳交易计算模型;然后,考虑电转气接入后的吸碳特性,提出电转气参与碳市场交易的激励机制,从而完善实际的碳排放模型;接着,综合考虑运行成本、能源成本及碳交易成本,建立适用于虚拟电厂的低碳经济调度模型;最后,通过设置多个调度场景进行分析,验证了本文所提出的碳交易机制在虚拟电厂低碳经济运行方面的有效性。