【优化调度】计及电转气协同的含碳捕集与垃圾焚烧虚拟电厂优化调度

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🔥 内容介绍

虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）通过聚合分布式能源、储能设备及可控负荷，实现能源的协同优化与高效利用，是新型电力系统灵活运行的核心载体。在 “双碳” 目标下，含碳捕集（Carbon Capture, CC）与垃圾焚烧发电的虚拟电厂成为低碳转型的重要探索方向 —— 垃圾焚烧实现固废资源化利用，碳捕集减少碳排放，而电转气（Power-to-Gas, P2G）技术则为电能与天然气系统的协同提供了桥梁。本文聚焦计及电转气协同的多目标优化调度策略，深入解析碳捕集、垃圾焚烧与 P2G 的耦合机制，通过构建经济 - 低碳 - 安全的多目标模型，为虚拟电厂的高效低碳运行提供解决方案。

含碳捕集与垃圾焚烧的虚拟电厂构成及电转气协同机制

含碳捕集与垃圾焚烧的虚拟电厂是一个多能流耦合系统，其核心在于通过电转气技术实现 “电 - 气 - 碳” 的协同优化，平衡能源利用效率、碳减排与经济性。

虚拟电厂的核心构成单元

该虚拟电厂主要包含六大关键单元，各单元通过电、气、碳流紧密耦合：

• 垃圾焚烧发电机组：以城市生活垃圾为燃料，输出电能与热能，同时产生一定量的二氧化碳（每吨垃圾焚烧约排放 0.5-0.8 吨 CO₂）；

• 碳捕集系统（CC）：采用化学吸收法（如胺溶液吸收）捕获垃圾焚烧与其他化石能源发电产生的 CO₂，捕集率可达 80%-90%，捕集的 CO₂可用于封存或作为 P2G 的原料；

• 电转气系统（P2G）：将富余电能通过电解水生成氢气，再与 CO₂反应生成合成天然气（SNG），实现电能向天然气的转化，反应方程式为：

  4H2+CO2→CH4+2H2O

  ；

• 分布式能源：包括光伏电站、风电装机等可再生能源，出力具有波动性；

• 储能系统：含电化学储能（如锂电池）与天然气储能（如储气罐），平抑风光出力波动并优化能源时序分布；

• 可控负荷：商业建筑、工业用户中可灵活调节的用电负荷（如空调、生产设备），参与需求响应。

例如，某虚拟电厂包含 10MW 垃圾焚烧机组、5MW 光伏、3MW 风电、2000Nm³/h 处理能力的碳捕集系统及 10MW P2G 设备，通过聚合形成总装机 20MW 以上的灵活调节能力。

电转气的协同作用机制

电转气技术在虚拟电厂中扮演 “能源枢纽” 角色，其协同作用体现在三个维度：

• 电能消纳与转化：当光伏、风电出力过剩（或电网低谷电价时段），P2G 消耗富余电能生成天然气，避免弃风弃光，同时将电能转化为更易储存的天然气形式；

• 碳循环利用：P2G 以碳捕集系统捕获的 CO₂为原料，生成的合成天然气可作为燃气轮机燃料或并入天然气管网，实现碳的 “捕集 - 转化 - 再利用” 闭环，降低净碳排放；

• 多能互补：通过 P2G 将电力系统与天然气系统耦合，当电力供应紧张时，可将储存的天然气通过燃气轮机转化为电能，提升虚拟电厂的供电可靠性。

例如，正午光伏出力高峰时，虚拟电厂将 2MW 富余电能输入 P2G，结合碳捕集系统捕获的 CO₂，每小时可生成约 500Nm³ 合成天然气，储存于气罐中，晚间用电高峰时通过燃气轮机发电补充供电。

计及电转气协同的虚拟电厂多目标优化调度模型

虚拟电厂优化调度的核心是在满足电力、天然气系统约束的前提下，平衡经济性、低碳性与运行安全性，构建多目标优化模型。

⛳️ 运行结果

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