黎嘉明文劲宇等：含碳捕获电厂与大规模风电电网的低碳机组组合-北极星风力发电网

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1风电消纳与碳捕获技术有何关联性?

过量的碳排放（即温室气体排放）是造成全球气候变暖的主要元凶，其中主要的温室气体是化石能源利用后产生的二氧化碳。对于电力行业而言，降低碳排放主要有两大手段，其一是开发低碳甚至零碳排放的新能源、改变能源结构，目前风能、太阳能发电的发展正如日中天；其二是降低现有化石能源发电的单位碳排放量，即应用碳捕获技术。可以认为改善风电等新能源的消纳与发展碳捕获技术对于低碳电力系统的发展同等重要。

碳捕获技术中推广前景较大的一种是在现有化石能源电厂的尾气排放系统中增加碳捕获装置吸收温室气体。该装置本身需要消耗电力，一般一个占装机容量15%的碳捕获装置可实现电厂的近零碳排放，因此一个进行过碳捕获改造电厂的调峰深度将得到明显增强，同时由于目前的碳捕获装置能够快速调节碳捕获速率以改变其消耗的功率，等效于提高了电厂的净发电功率调节速度，从而电厂的调频能力也能得到较大提高。

众所周知，当前大规模风电的消纳存在困难的重要原因正是电网调峰调频能力不足，这一点在火电、热电等化石能源电厂为主的地区表现得尤其明显。如果针对此类电厂的碳捕获技术改造能够得到推广、改造后的碳捕获电厂调节能力能够得到恰当利用，必将极大地缓解风电消纳的困难。

2考虑大规模风电和碳捕获电厂的机组组合有哪些关键点?

机组组合对应于电网调度的日前计划，需要给定各机组开机方式和出力基点。考虑大规模风电和碳捕获电厂的机组组合主要有三个关键点：

1调度优化目标的衡量

根据节能调度的原则，目前电网调度的优化准则是总煤耗最小化，但如果考虑大规模风电和低碳调度需求，则弃风量和碳排放量也应纳入调度成本中予以考虑。很显然，这三个优化量不一定能够同时达到最优，因此本文在经济性层面上进行调节，即考虑根据弃风量对风场进行补偿、考虑国家对碳排放费用的征收并计及煤耗成本后进行最小化。

2考虑风电预测不确定性

截至目前，日前风电预测的准确性仍然较为低下，倘若风电装机规模占全网装机总量的比例较大，风电实际运行点与日前预测出力值的严重偏离，则各机组必然偏离日前设计的出力基点。如果缺乏提前准备和校验，可能导致传输通道阻塞、调峰能力不足甚至令电网进入不安全的运行状态。为此，本文采用了日前预测值配合预测误差置信区间（即一个预测误差带）的方式。虽然仍是根据风电预测值设计各机组出力基点，但确保了机组开机方式和调节能力能够充分覆盖预测误差带，使得决策结果具有很强的鲁棒性。

3统筹安排电厂、碳捕获装置应对风电出力变化的调节比例

本文所提的机组组合模型除了制定机组的日前开机计划和出力基点机组，同时提出了“调节系数”的概念，即补充计算了当风场出力偏离预测值时，全网所需调节量在各机组、各碳捕获装置间的分摊比例。在实际应用中，这可以作为AGC的增强功能实现，从而使得各电厂在实时运行中能够自动根据调度中心的风电出力反馈自动调整其出力情况，补偿全网出力偏差。这样，在日前调度计划制定时就能够全面掌握风电处于任何运行点时电网的具体运行状况，有效避免出现线路过载、机组调节速度不足等问题，也便于日前计划初步制定后进行安全校验，有效缓解电网实时调度的决策压力。

综合以上关键点，本文提出了一种充分考虑风电预测误差以及日内出力调节分配的鲁棒、低碳的机组组合模型。通过采用鲁棒线性优化相关理论进行转换，该模型与传统机组组合一样属于混合整数线性规划问题，但鲁棒性灵活可控，并能够利用商业软件进行高效率求解，具体细节请参见文章原文。

3低碳机组组合的效果如何?

根据所提的调度模型，本文对一个风电装机比例为25%、碳捕获改造电厂装机比例为40%的测试电网进行了计算分析，试验结果表明：

1)所提方法获得的日前计划能够有效覆盖风电预测误差带。蒙特卡洛测试表明，各机组、碳捕获装置日内运行时的调节能够满足风电出力在误差带内的任意取值，各线路未出现过载现象。

2)碳捕获装置为电网提供了超过4%的额外正旋转备用来消纳风电（如图1所示），并在常规机组调节能力不足时主动降低能量消耗，分摊了约20%的风电出力偏差调节任务（如图2所示）。

3)由于风电和碳捕获装置的加入，全网一日的碳排放分别降低了13.8%和60.4%，效果非常显著。

4)通过修改鲁棒系数可以在日前计划的鲁棒性（风电偏离预测值时,机组调节范围、线路容量越限概率的大小）和经济性两方面进行折中考虑（如表1所示），从而灵活满足不同决策者需要。

表1鲁棒性与经济性的折中

4未来的研究方向

考虑到低碳、鲁棒调度可能带来部分电厂运行成本的增加，在后续研究中将更加重视研究运行效益在电厂间的协调分配问题，在制定调节策略时将充分考虑出力变动造成的成本变化，同时考虑电厂层面的碳排放交易，以对碳捕获装置消耗电能造成的运行成本增加进行补偿。

主要作者及团队介绍

黎嘉明，博士研究生，主要研究方向：含大规模可再生新能源的电力系统鲁棒规划和调度运行、电力系统黑启动辅助决策。

文劲宇，华中科技大学电气学院常务副院长，长江学者特聘教授，博士生导师。主要研究方向：电力系统运行与控制、电能存储与电力安全，多端直流输电与直流电网，新能源并网与规划。

韩杏宁，博士研究生，主要研究方向：含大规模可再生新能源的电力系统优化规划和运行。

团队介绍：

华中科技大学文劲宇教授科研团队主要开展电力系统运行与控制、储能与新能源并网、直流输电与直流电网等研究，主持研制了我国首套移动式直接冷却高温超导磁储能系统，主持国家自然科学基金电工学科第一个与储能相关的重点项目。相关研究成果应用广泛，曾获省部级一等奖2次，二等奖4次，发表论文300多篇，其中SCI检索60多篇，获国家发明专利12项，申请欧美专利5项。

引文信息：

JiamingLI,JinyuWEN,XingningHAN.Low-carbonunitcommitmentwithintensivewindpowergenerationandcarboncapturepowerplant[J].JournalofModernPowerSystemandCleanEnergy,2015,3(1):63-71.

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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