【电力系统】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附Matlab代码

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🔥 内容介绍

摘要: 在全球应对气候变化和能源转型的背景下，构建清洁低碳、安全高效的现代电力系统至关重要。虚拟电厂（VPP）作为一种新兴的电力系统运行和管理模式，能够有效整合分布式能源资源，提高能源利用效率和系统稳定性。本文聚焦于包含碳捕集（CCS）与垃圾焚烧发电（Waste-to-Energy, WtE）的VPP优化调度，并引入电转气（Power-to-Gas, P2G）技术实现多种能源形式的耦合协同，旨在降低碳排放，提高能源利用率，增强系统灵活性和经济效益。研究针对电力系统中的复杂约束和运行特点，构建优化调度模型，并探讨不同运行场景下的调度策略，为含CCS与WtE的VPP优化运行提供理论支撑和实践指导。

关键词: 虚拟电厂；碳捕集；垃圾焚烧发电；电转气；优化调度；能源协同

1. 引言

随着全球气候变暖日益严峻，各国纷纷制定碳减排目标，能源结构转型迫在眉睫。传统化石能源发电带来大量的碳排放，亟需通过技术创新和能源结构调整降低碳排放。虚拟电厂（VPP）作为一种新兴的电力系统运行和管理模式，通过聚合分布式电源（DG）、储能系统（ESS）和可控负荷等资源，实现区域能源的集中优化调度和控制，从而提高能源利用效率，增强电网稳定性和灵活性。

在VPP的构成中，碳捕集技术（CCS）和垃圾焚烧发电（WtE）具有重要的战略意义。CCS能够有效地捕集化石能源发电过程中的二氧化碳，并通过封存或利用等方式降低碳排放。WtE则能够将城市生活垃圾转化为电能，实现垃圾的资源化利用，同时减少垃圾填埋带来的环境污染。然而，CCS技术的运行需要消耗大量的能量，而WtE发电受到垃圾供应量和热值波动的影响，其发电出力具有不确定性。因此，如何协调CCS与WtE的运行，实现VPP的整体优化，是亟待解决的问题。

近年来，电转气（P2G）技术作为一种重要的能源存储和转换技术，引起了广泛关注。P2G可以将过剩的电能转化为氢气或合成天然气，从而实现电力和天然气网络的互联互通。将P2G技术引入含CCS与WtE的VPP中，可以有效缓解CCS的能量需求，平抑WtE发电的波动性，并为VPP提供额外的灵活性。

本文旨在研究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问题。通过构建包含CCS、WtE和P2G的VPP优化调度模型，并考虑电力系统的运行约束和特点，探讨不同运行场景下的调度策略，旨在降低碳排放，提高能源利用率，增强系统灵活性和经济效益。

2. 相关研究综述

虚拟电厂优化调度是当前研究的热点方向。已有大量研究关注于不同类型VPP的优化调度策略，例如，包含可再生能源发电、储能系统和需求响应的VPP调度研究。针对含CCS的VPP优化调度，现有研究主要集中在CCS与火电机组的联合优化运行，以及CCS对电力系统稳定性的影响等方面。关于WtE的VPP调度研究，主要关注WtE发电的建模、调度策略以及对环境的影响评估。

然而，针对同时包含CCS、WtE和P2G的VPP优化调度研究相对较少。部分研究关注P2G对电力系统灵活性提升的贡献，但并未充分考虑CCS和WtE的特性。一些研究关注CCS和WtE的协同运行，但忽略了P2G的潜力。因此，本文旨在填补这一研究空白，提出一种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方法。

3. VPP模型构建

本文构建的VPP包含以下主要组成部分：

• 化石能源发电单元：

   主要指燃煤或燃气发电机组，是电力系统的主力电源，也是碳排放的主要来源。

• 碳捕集单元（CCS）：

   集成于化石能源发电单元，用于捕集发电过程中产生的二氧化碳。CCS的运行需要消耗一定的能量，通常以电力形式提供。

• 垃圾焚烧发电单元（WtE）：

   利用城市生活垃圾进行焚烧发电，具有清洁能源和资源化利用的双重效益。WtE发电的出力受到垃圾供应量和热值波动的影响，具有一定的不确定性。

• 电转气单元（P2G）：

   将过剩的电能转化为氢气或合成天然气，可以有效缓解CCS的能量需求，平抑WtE发电的波动性，并为VPP提供额外的灵活性。

• 可再生能源发电单元：

   包括风电、光伏等可再生能源，具有零碳排放的优点，但其发电出力具有间歇性和随机性。

• 储能单元（ESS）：

   包括电池储能、抽水蓄能等，用于平抑可再生能源发电的波动性，提高电力系统的稳定性。

• 可控负荷：

   指可以根据电力系统的运行状况进行调整的负荷，可以参与需求响应，提高电力系统的灵活性。

4. 优化调度模型

本文构建的优化调度模型旨在最小化VPP的运行成本，同时满足电力系统的运行约束和环保要求。目标函数包括：

• 发电成本：

   包括化石能源发电、WtE发电和可再生能源发电的成本。

• 碳排放成本：

   基于碳排放量和碳价计算的碳排放成本。

• CCS运行成本：

   包括CCS的能耗成本和维护成本。

• P2G运行成本：

   包括P2G的能耗成本和维护成本。

• 启动停机成本：

   主要指化石能源发电机的启动停机成本。

约束条件包括：

• 电力平衡约束：

   保证发电量与负荷需求之间的平衡。

• 机组出力约束：

   限制各发电机组的出力范围。

• 储能系统约束：

   限制储能系统的充放电功率和容量。

• 可控负荷约束：

   限制可控负荷的调整范围。

• CCS运行约束：

   限制CCS的捕集效率和能耗。

• P2G运行约束：

   限制P2G的转化效率和容量。

• 网络安全约束：

   保证电力网络的安全稳定运行。

• 环保约束：

   限制二氧化碳排放量和污染物排放量。

优化调度模型可以采用混合整数线性规划（MILP）或混合整数非线性规划（MINLP）进行求解。模型的具体形式需要根据VPP的构成和运行特点进行调整。

5. 调度策略分析

针对不同运行场景，本文将探讨以下调度策略：

• 基准场景：

   不考虑P2G，仅考虑CCS和WtE的协同运行，分析CCS和WtE的相互影响。

• P2G参与场景：

   引入P2G，分析P2G对VPP运行的影响，以及P2G如何缓解CCS的能量需求，平抑WtE发电的波动性。

• 碳价敏感性分析：

   分析不同碳价对VPP调度策略的影响，以及碳价对碳减排的促进作用。

• 可再生能源渗透率分析：

   分析不同可再生能源渗透率对VPP调度策略的影响，以及如何提高可再生能源的消纳能力。

• 需求响应策略分析：

   分析需求响应对VPP运行的影响，以及如何利用需求响应提高电力系统的灵活性。

通过对不同调度策略的分析，可以为含CCS与WtE的VPP优化运行提供参考和指导。

6. 结论与展望

本文研究了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问题。通过构建包含CCS、WtE和P2G的VPP优化调度模型，并考虑电力系统的运行约束和特点，探讨不同运行场景下的调度策略，旨在降低碳排放，提高能源利用率，增强系统灵活性和经济效益。

研究结果表明，P2G技术的引入可以有效缓解CCS的能量需求，平抑WtE发电的波动性，并为VPP提供额外的灵活性。合理的碳价机制可以有效促进碳减排。提高可再生能源渗透率需要采取相应的调度策略，例如储能系统和需求响应。

未来的研究方向包括：

• 不确定性建模：

   考虑可再生能源发电、WtE发电和负荷需求的不确定性，构建鲁棒优化调度模型。

• 多目标优化：

   同时考虑经济性、环保性和可靠性，构建多目标优化调度模型。

• 实时调度：

   研究基于预测的实时调度策略，提高VPP的运行效率和灵活性。

• 分布式控制：

   研究基于多智能体的分布式控制方法，实现VPP的自治运行。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 卢志刚,师锛博,何良策,等.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[J].电网技术, 2023, 47(8):3088-3098.

[2] 李鹏,余晓鹏,张艺涵,等.计及碳捕集和电转气的农村虚拟电厂多目标随机调度优化模型[J].电力建设, 2022(043-007).DOI:10.12204/j.issn.1000-7229.2022.07.003.

[3] 孙惠娟,刘昀,彭春华,等.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[C]//2021.

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