計(jì)及風(fēng)電-負(fù)荷不確定性的風(fēng)-火-核-碳捕集多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度

趙冬梅 王浩翔 陶 然

計(jì)及風(fēng)電-負(fù)荷不確定性的風(fēng)-火-核-碳捕集多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度

趙冬梅 王浩翔 陶 然

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206）

隨著核電技術(shù)的飛速發(fā)展，大容量核電機(jī)組接入電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)電力低碳環(huán)保的必然趨勢(shì)，而負(fù)荷峰谷差的增大和間歇式電源滲透率的提高，迫切需要核電機(jī)組以靈活運(yùn)行方式分擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰壓力。首先，基于核電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，線性化核電調(diào)峰深度；然后，分析綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠的“削峰填谷”特性，實(shí)現(xiàn)核電-碳捕集機(jī)組捆綁調(diào)峰；接著，引入模糊參數(shù)表征風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性，在計(jì)及核電調(diào)峰安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，以各類機(jī)組聯(lián)合總運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，建立考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)模糊優(yōu)化調(diào)度模型；最后，通過仿真算例驗(yàn)證所提模型和方法的有效性。結(jié)果表明，該優(yōu)化調(diào)度模型在保證核電安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高了電網(wǎng)調(diào)度柔性，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

核電機(jī)組 碳捕集機(jī)組 調(diào)峰 削峰填谷 優(yōu)化調(diào)度

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，溫室效應(yīng)與能源問題日益凸顯，大力發(fā)展核電、風(fēng)電、光伏等清潔能源成為解決環(huán)境問題和能源危機(jī)的重要方式[1-2]。但風(fēng)電、光伏具有間歇性和強(qiáng)波動(dòng)性，目前仍處在小規(guī)模的應(yīng)用階段，而核電因其低碳性與環(huán)保性在電力結(jié)構(gòu)中的比重逐年增大[3]。截至2019年底，全球共有443臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組，總凈裝機(jī)容量為392GWe，發(fā)電量占全球發(fā)電量約10.4%[4]。在核電占比較高地區(qū)，核電站因保障其安全性要求以基本負(fù)荷運(yùn)行為主，年利用小時(shí)長(zhǎng)，運(yùn)行負(fù)荷率高，基本不參與電網(wǎng)調(diào)峰，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的負(fù)面性隨著核電裝機(jī)容量增大而上升，這無疑加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，加重了燃煤機(jī)組深度調(diào)峰任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性均造成重大影響。因此，考慮到電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)越加嚴(yán)峻[5-6]，使核電積極參與電網(wǎng)日調(diào)峰的需求變得越發(fā)強(qiáng)烈。

目前有關(guān)核電調(diào)峰的研究成果較少，且多以多電源聯(lián)合運(yùn)行緩解電網(wǎng)的調(diào)峰需求為主[7-9]。文獻(xiàn)[10]介紹了核電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的運(yùn)行方式。文獻(xiàn)[11]在考慮核電機(jī)組出力特性的前提下，將核電設(shè)置為三擋固定調(diào)峰深度，制定了核電和抽水蓄能聯(lián)合調(diào)峰調(diào)度策略。文獻(xiàn)[12]針對(duì)高比例風(fēng)電的反調(diào)峰特性，構(gòu)建了風(fēng)-火-核多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型以緩解風(fēng)電消納困難問題。文獻(xiàn)[13]提出計(jì)及核電安全可調(diào)節(jié)域和調(diào)峰安全約束的兩階段調(diào)度決策方法，對(duì)比分析了兩種典型場(chǎng)景下各機(jī)組的開停機(jī)及出力情況。上述文獻(xiàn)所建立的核電調(diào)峰數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，核電機(jī)組調(diào)峰深度固定，運(yùn)行方式不夠靈活。同時(shí)，文獻(xiàn)[11]中，由于抽水蓄能電站受到地理位置的制約，其與位于負(fù)荷中心的核電站捆綁調(diào)峰存在一定的限制。所以，探索一種易于和核電進(jìn)行調(diào)峰配合且工況轉(zhuǎn)換靈活，相較其他電源在負(fù)荷跟蹤能力上具有明顯優(yōu)勢(shì)的調(diào)峰電源受到了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

近年來，我國(guó)正在積極調(diào)整電力結(jié)構(gòu)，但火電作為最大的碳排放源，仍在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。為實(shí)現(xiàn)電力低碳化，將常規(guī)燃煤電廠改造成碳捕集電廠可以有效降低機(jī)組的碳排放量[14]，避免負(fù)荷峰谷差過大。此外，碳捕集電廠與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，具有良好的功率調(diào)整特性，可以與不同類型電源協(xié)調(diào)運(yùn)行[15]。目前有關(guān)碳捕集電廠配合其他電源參與電網(wǎng)調(diào)峰的研究較少。文獻(xiàn)[16]分析了碳捕集電廠靈活運(yùn)行的基本原理，指出碳捕集電廠具有較好的負(fù)荷跟蹤能力和更深的調(diào)峰深度，但只定性闡述了其靈活運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)特性。文獻(xiàn)[17]定義碳捕集電廠的電碳特性，建立了靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠的數(shù)學(xué)模型，但靈活運(yùn)行方式?jīng)]有涉及電力系統(tǒng)層面。文獻(xiàn)[18]在改進(jìn)傳統(tǒng)單碳量模型的基礎(chǔ)上引入雙碳量模型，建立包含虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了碳捕集系統(tǒng)吸收環(huán)節(jié)與解析環(huán)節(jié)的解耦。文獻(xiàn)[19]提出了風(fēng)-光-水-碳捕集多區(qū)域虛擬電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，通過優(yōu)化不同類型機(jī)組出力時(shí)序，有效降低了電網(wǎng)的碳排放強(qiáng)度。上述文獻(xiàn)對(duì)碳捕集電廠的運(yùn)行原理、經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行了深入分析，但對(duì)于碳捕集電廠的調(diào)峰能力及“削峰填谷”特性缺少理論研究。

由此可見，以核電機(jī)組和碳捕集機(jī)組等低碳和環(huán)境友好型電源代替碳排放強(qiáng)度較大的燃煤機(jī)組作為可控發(fā)電單元是未來的重點(diǎn)研究方向。同時(shí)，由于風(fēng)電、光伏等清潔能源在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，其預(yù)測(cè)出力的不確定性使模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間存在偏差[20-21]，分析間歇性電源和負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性顯得尤為重要。

綜上所述，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本與碳排放量，充分挖掘核電機(jī)組、碳捕集機(jī)組與可再生能源聯(lián)合運(yùn)行的潛力，構(gòu)建了考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)的模糊優(yōu)化調(diào)度模型。首先，分析核電機(jī)組的可調(diào)度性，線性化核電調(diào)峰深度，使核電調(diào)峰模型更加精確化；其次，建立綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠的數(shù)學(xué)模型，對(duì)碳捕集電廠的“削峰填谷”特性進(jìn)行理論分析；接著引入模糊參數(shù)表征風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性，對(duì)模糊期望約束和模糊機(jī)會(huì)約束進(jìn)行等效處理；最后，通過算例分析風(fēng)、核、碳捕集協(xié)調(diào)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和低碳性，驗(yàn)證了本文模型的適用性和有效性。

1 核電機(jī)組調(diào)峰能力分析及其數(shù)學(xué)模型

1.1 核電機(jī)組調(diào)峰能力分析

核電在滿足自身安全、經(jīng)濟(jì)的前提下參與電網(wǎng)調(diào)峰一般分為日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行、長(zhǎng)期降功率運(yùn)行和季節(jié)性調(diào)峰三種運(yùn)行方式，但受電價(jià)機(jī)制影響，主要采用日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式。在設(shè)計(jì)上，我國(guó)目前已投運(yùn)核電機(jī)組均具備日負(fù)荷跟蹤能力。以CNP650為代表的二代核電機(jī)組可以在30%～100%N功率調(diào)整范圍內(nèi)以每分鐘1%～3%N的速度實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。對(duì)于大力發(fā)展的三代核電機(jī)組，其調(diào)節(jié)范圍更寬，最低下調(diào)峰深度可達(dá)額定功率的85%，具有每分鐘5%N最大功率調(diào)節(jié)速度和10%階躍功率變化幅度，日負(fù)荷跟蹤能力更加優(yōu)越，可以滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需求。

在實(shí)際運(yùn)行方面，圖1給出了法國(guó)Golfech核電廠1號(hào)機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行數(shù)據(jù)[22]。在一個(gè)換料周期內(nèi)，核電機(jī)組進(jìn)行了155次負(fù)荷跟蹤操作，最低功率水平從燃料循環(huán)的65%之后隨著燃耗的加深逐漸提高至85%N，在燃料循環(huán)的70%之后，反應(yīng)堆的靈活運(yùn)行能力有所下降，基本不參與調(diào)峰。

另外，核電機(jī)組參與調(diào)峰，存在導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行可靠性降低的風(fēng)險(xiǎn)（如功率調(diào)節(jié)棒動(dòng)作頻繁、燃料包殼破損概率增大等問題），對(duì)運(yùn)行人員的操作能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有更高的要求。因此，需要從滿足安全性的角度建立核電日調(diào)峰數(shù)學(xué)模型。

1.2 核電機(jī)組調(diào)峰數(shù)學(xué)模型

圖2 核電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行原理圖

核電機(jī)組的運(yùn)行約束為

1）最大調(diào)峰深度約束

2）狀態(tài)標(biāo)志耦合約束

當(dāng)功率過渡時(shí)間為3h時(shí)，有

當(dāng)功率過渡時(shí)間為2h時(shí)，有

功率線性上升和線性下降時(shí)間相等約束為

3）額定運(yùn)行狀態(tài)和低功率運(yùn)行狀態(tài)時(shí)間約束

需要注意的是，國(guó)內(nèi)大部分核電機(jī)組的技術(shù)源自法國(guó)核電機(jī)組采用的技術(shù)。根據(jù)法國(guó)核電豐富的調(diào)峰經(jīng)驗(yàn)及目前我國(guó)核電機(jī)組的調(diào)峰現(xiàn)狀，尚沒有研究和報(bào)告表明核電機(jī)組頻繁參與調(diào)峰會(huì)導(dǎo)致放射性排放顯著增加，即核電調(diào)峰可以滿足放射性要求。

2 碳捕集電廠數(shù)學(xué)模型及其“削峰填谷”特性分析

碳捕集電廠的靈活運(yùn)行方式包括煙氣分流、溶液存儲(chǔ)及綜合靈活運(yùn)行方式。以煙氣分流方式為基礎(chǔ)，在吸收塔和解析塔之間配置儲(chǔ)液?jiǎn)卧礊榫C合靈活運(yùn)行方式。

碳捕集電廠綜合靈活運(yùn)行方式運(yùn)行原理如圖3a所示[18]。該流程實(shí)現(xiàn)了發(fā)電循環(huán)和吸收環(huán)節(jié)及CO2吸收與解析的解耦。

圖3 碳捕集電廠運(yùn)行原理及其功率流

2.1 碳捕集電廠數(shù)學(xué)模型

由圖3b可知，電廠對(duì)外表現(xiàn)出的輸出功率（凈輸出功率）為總輸出功率扣除碳捕集系統(tǒng)的能量損耗，即

根據(jù)圖3b，碳捕集系統(tǒng)CO2捕集量為吸收塔和存儲(chǔ)單元共同提供的CO2質(zhì)量，即

由于吸收環(huán)節(jié)的能量損耗只占碳捕集損耗的2%～10%，本文忽略其影響，則碳捕集系統(tǒng)的運(yùn)行損耗可以表示為

由此，得到電廠的凈輸出功率為

由式（15）可知：加入存儲(chǔ)單元后，吸收與解析環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，碳捕集電廠可以通過調(diào)整對(duì)碳捕集系統(tǒng)的能量供應(yīng)來迅速改變凈輸出功率。

碳捕集電廠的運(yùn)行約束為

此外，碳捕集電廠出力上下限約束、最小起停時(shí)間約束和爬坡約束等與燃煤機(jī)組類似，本文不再贅述。

2.2 碳捕集電廠“削峰填谷”特性分析

碳捕集電廠功率運(yùn)行區(qū)間如圖4所示。傳統(tǒng)燃煤電廠由于沒有加裝碳捕集系統(tǒng)，運(yùn)行方式不夠靈活，凈輸出功率運(yùn)行區(qū)間最小。采用綜合靈活運(yùn)行方式后，碳捕集電廠的凈輸出功率運(yùn)行區(qū)間最大，當(dāng)富液存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的CO2溶液接近飽和時(shí)，解析塔工作在最大運(yùn)行狀態(tài)，碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行損耗最大，凈輸出功率最小；當(dāng)富液存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存的CO2溶液逐漸減少為零時(shí)，碳捕集系統(tǒng)運(yùn)行損耗逐漸降低，最小凈輸出功率隨之提高，最終與煙氣分流式碳捕集電廠的最小凈輸出功率相等[24]。

圖4 碳捕集電廠功率運(yùn)行區(qū)間

與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，碳捕集電廠同時(shí)引入煙氣旁路系統(tǒng)和溶液存儲(chǔ)單元，擴(kuò)大了電廠的凈輸出功率運(yùn)行范圍，從調(diào)度側(cè)看，等效于降低了電廠的出力下限，賦予其更大的調(diào)峰深度。

另外，在負(fù)荷高峰時(shí)段，碳捕集機(jī)組跟蹤負(fù)荷需提高凈輸出功率，CO2排放量較大，此時(shí)若利用碳捕集系統(tǒng)捕集CO2，會(huì)降低機(jī)組凈輸出功率，使上調(diào)峰能力不足。在引入溶液存儲(chǔ)單元后，富液存儲(chǔ)單元儲(chǔ)碳但不釋放，減少碳排放量的同時(shí)增加了凈輸出功率（存儲(chǔ)單元釋放能量）。在負(fù)荷低谷時(shí)段，碳捕集機(jī)組跟蹤負(fù)荷需降低凈輸出功率，此時(shí)富液存儲(chǔ)單元釋放CO2增大碳捕集系統(tǒng)損耗，以此來減小凈輸出功率（存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存能量），實(shí)現(xiàn)碳捕集電廠“削峰填谷”功能。

3 考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)的模糊優(yōu)化調(diào)度模型

對(duì)于風(fēng)、火、核、碳捕集多電源共同參與的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題，應(yīng)綜合考慮各電源的運(yùn)行約束和系統(tǒng)的安全約束。假設(shè)存在一個(gè)中央集權(quán)的管理者，能夠以整體社會(huì)效益最大化為目標(biāo)建立調(diào)度決策方案，統(tǒng)一管轄各類發(fā)電廠，本文在經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)上引入碳交易機(jī)制，同時(shí)考慮源荷雙側(cè)的不確定性，以多電源運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，通過優(yōu)化方法確定各電源的出力模式，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮到實(shí)際系統(tǒng)中源-荷雙側(cè)數(shù)據(jù)信息獲取不充分、收集困難的情況，本文采用模糊數(shù)來表征風(fēng)電出力和負(fù)荷的不確定性，并用三角隸屬度函數(shù)描述其不確定性程度。受限于篇幅，對(duì)應(yīng)的風(fēng)電和負(fù)荷模糊數(shù)表征方法參見文獻(xiàn)[25]。

在日調(diào)峰優(yōu)化模型中，當(dāng)電網(wǎng)調(diào)峰能力不足時(shí)，考慮將核電機(jī)組滿功率運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換為低功率運(yùn)行方式參與電網(wǎng)調(diào)峰。以風(fēng)電機(jī)組、燃煤機(jī)組、核電機(jī)組及碳捕集機(jī)組多源系統(tǒng)總運(yùn)行成本費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，即

1）燃煤機(jī)組運(yùn)行成本

燃煤發(fā)電成本為

2）碳捕集機(jī)組運(yùn)行成本

碳捕集機(jī)組發(fā)電運(yùn)行成本為

設(shè)備折舊成本為

3）核電機(jī)組運(yùn)行成本

核電發(fā)電成本為

核電調(diào)峰成本為

4）風(fēng)電棄風(fēng)成本

5）碳交易成本

核電和風(fēng)電均為清潔能源，系統(tǒng)的碳排放主要來源于燃煤機(jī)組和碳捕集機(jī)組，則全天總碳排放量為

碳交易成本為

3.2 約束條件

1）功率平衡方程

2）正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束

正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束參考文獻(xiàn)[25]，具體不再贅述。

3）燃煤機(jī)組約束

燃煤機(jī)組約束包括常規(guī)機(jī)組出力上下限、爬坡和最小開停機(jī)時(shí)間約束，本文不再給出。

4）核電機(jī)組約束

核電機(jī)組約束由式（1）～式（9）表示。

5）碳捕集機(jī)組約束

碳捕集組約束由式（10）～式（17）表示。

6）網(wǎng)絡(luò)潮流約束

3.3 模型求解

本文將考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)的模糊優(yōu)化調(diào)度模型中功率平衡方程和碳交易成本采用模糊期望約束表示，將正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用和棄風(fēng)悲觀值采用模糊機(jī)會(huì)約束表示，則功率平衡方程通過模糊期望計(jì)算公式可以轉(zhuǎn)換為確定性等價(jià)模型，即

碳交易成本經(jīng)轉(zhuǎn)換后的確定性等價(jià)模型為

棄風(fēng)悲觀值、正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用經(jīng)轉(zhuǎn)換后的確定性等價(jià)模型類似于文獻(xiàn)[25, 29]。轉(zhuǎn)換后的確定性等價(jià)模型可以在YALMIP環(huán)境下借助商用優(yōu)化軟件Gurobi高效求解。模糊優(yōu)化調(diào)度模型的求解流程如圖5所示。

4 算例分析

為驗(yàn)證本文所提風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)模糊優(yōu)化調(diào)度模型的有效性，選取改進(jìn)的IEEE-39節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)是否引入碳捕集機(jī)組及是否考慮風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性設(shè)置以下四個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比：

場(chǎng)景1：不考慮碳捕集電廠，核電機(jī)組參與調(diào)峰，不計(jì)及風(fēng)電出力和負(fù)荷的不確定性。

場(chǎng)景2：考慮分流式碳捕集電廠，核電機(jī)組參與調(diào)峰，不計(jì)及風(fēng)電出力和負(fù)荷的不確定性。

場(chǎng)景3：考慮綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠（含溶液存儲(chǔ)單元），核電機(jī)組參與調(diào)峰，不計(jì)及風(fēng)電出力和負(fù)荷的不確定性。

場(chǎng)景4：考慮綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠，核電機(jī)組參與調(diào)峰，計(jì)及風(fēng)電出力和負(fù)荷的不確定性。

4.2 算例結(jié)果分析

圖6、圖7給出了核電采用日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式，不同場(chǎng)景下所有機(jī)組和核電機(jī)組出力情況。圖6中四個(gè)場(chǎng)景的不同機(jī)組出力從下至上依次為燃煤機(jī)組4、燃煤機(jī)組5、燃煤機(jī)組6、燃煤機(jī)組1、燃煤機(jī)組2、燃煤機(jī)組3、碳捕集電廠1、碳捕集電廠2、核電機(jī)組1、核電機(jī)組2、風(fēng)電。

圖6 不同場(chǎng)景所有機(jī)組出力

圖7 不同場(chǎng)景核電機(jī)組出力

由圖6a、圖7a可知：在負(fù)荷低谷時(shí)期，核電機(jī)組1、2分別在2～8h與1～7h參與電網(wǎng)調(diào)峰，調(diào)峰深度為15.6%和21.6%，共計(jì)調(diào)峰量為2 451.9MW?h。與調(diào)峰深度采用固定檔位運(yùn)行方式相比，線性化調(diào)峰深度將核電低功率狀態(tài)刻畫得更加準(zhǔn)確，避免了調(diào)峰深度不精確導(dǎo)致核電調(diào)峰成本的增加，但部分燃煤機(jī)組以起停方式參與電網(wǎng)調(diào)峰。為進(jìn)一步提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低電網(wǎng)碳排放水平，場(chǎng)景2中將部分燃煤電廠改造為分流式碳捕集電廠，并考慮碳捕集電廠的運(yùn)行機(jī)制，圖6b、圖7b為引入分流式碳捕集電廠后所有機(jī)組和核電機(jī)組出力情況。

分析圖6b、圖7b可知：相比于場(chǎng)景1，引入分流式碳捕集電廠后，核電機(jī)組1、2在2～8h和1～7h參與調(diào)峰的調(diào)峰深度為10.0%和17.8%，調(diào)峰深度減小，原因在于負(fù)荷低谷時(shí)段，分流式碳捕集電廠煙氣旁路系統(tǒng)通過控制流入吸收塔的CO2量，調(diào)節(jié)碳捕集能耗，降低機(jī)組出力，使碳捕集電廠具有較大的調(diào)峰深度，從而減小核電機(jī)組的調(diào)峰壓力，提高核電機(jī)組調(diào)峰的安全性。同時(shí)，電網(wǎng)中起停調(diào)峰燃煤機(jī)組數(shù)量為零，棄風(fēng)電量降低。分流式碳捕集電廠的引入，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)度柔性，降低了電網(wǎng)碳排放量（后文介紹）。但分流式碳捕集電廠的調(diào)峰能力有限，因此場(chǎng)景3中在分流式碳捕集電廠基礎(chǔ)上增加溶液存儲(chǔ)單元，并考慮其綜合靈活運(yùn)行方式，圖6c、圖7c為引入綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠后所有機(jī)組和核電機(jī)組出力。

由圖6c、圖7c可知：引入綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠后，僅核電機(jī)組1參與電網(wǎng)調(diào)峰，核電機(jī)組2滿出力運(yùn)行，減少的調(diào)峰電量由碳捕集電廠承擔(dān)。與場(chǎng)景2相比，場(chǎng)景3核電調(diào)峰電量更少，為1 260MW?h，這是因?yàn)閳?chǎng)景2碳捕集損耗在負(fù)荷低谷時(shí)段較小，在負(fù)荷高峰時(shí)段較大，而場(chǎng)景3碳捕集機(jī)組運(yùn)行更加靈活，在負(fù)荷低谷時(shí)段煙氣旁路系統(tǒng)提供的CO2與富液存儲(chǔ)單元增大提供的CO2相結(jié)合，使碳捕集設(shè)備損耗增大，凈輸出功率更小（相當(dāng)于存儲(chǔ)單元儲(chǔ)存能量即“填谷”），從而實(shí)現(xiàn)輔助核電機(jī)組調(diào)峰的任務(wù)。在負(fù)荷高峰時(shí)段，富液存儲(chǔ)單元減小所提供的CO2量，碳捕集設(shè)備損耗降低，凈輸出功率提高（相當(dāng)于存儲(chǔ)單元釋放能量即“削峰”），減輕了其他機(jī)組的上調(diào)峰壓力。同時(shí)，場(chǎng)景3運(yùn)行成本相比場(chǎng)景2下降1.5%。碳捕集機(jī)組和燃煤機(jī)組總出力如圖8所示。分析可知：綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠可以降低燃煤機(jī)組的出力峰谷差，大小為418MW，其“削峰填谷”機(jī)制的有效性得到驗(yàn)證。

圖8 兩場(chǎng)景碳捕集機(jī)組和燃煤機(jī)組總輸出功率

圖9為場(chǎng)景3碳捕集電廠中富液存儲(chǔ)單元與貧液存儲(chǔ)單元總體積變化量。由圖9可知：富液存儲(chǔ)單元在負(fù)荷低谷時(shí)段釋放CO2來增大碳捕集設(shè)備的損耗，即富液存儲(chǔ)單元液體體積下降、貧液存儲(chǔ)單元液體體積上升；在負(fù)荷高峰時(shí)段儲(chǔ)存CO2來減小碳捕集設(shè)備損耗，即富液存儲(chǔ)單元液體體積上升、貧液存儲(chǔ)單元液體體積下降，印證了碳捕集電廠的“削峰填谷”特性。

圖9 溶液存儲(chǔ)單元總?cè)芤后w積

在場(chǎng)景4中，所有機(jī)組出力如圖6d所示，核電出力情況如圖7d所示。由圖6d、圖7d可知：通過采用模糊期望約束和模糊機(jī)會(huì)約束來考慮風(fēng)電預(yù)測(cè)出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)值的不確定性后，電網(wǎng)總運(yùn)行成本降低1.1%，且棄風(fēng)電量為零。不同場(chǎng)景下電網(wǎng)風(fēng)電調(diào)度情況如圖10所示。圖中，場(chǎng)景4風(fēng)電調(diào)度出力最大，而場(chǎng)景1風(fēng)電調(diào)度出力最小，證明本文所提模型可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納的最大化。

圖10 不同場(chǎng)景風(fēng)電調(diào)度出力

四種場(chǎng)景成本比較見表1。由表1可知：場(chǎng)景2相比于場(chǎng)景1，核電機(jī)組日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行時(shí)調(diào)峰成本下降，雖然出現(xiàn)折舊成本，但由于其棄風(fēng)成本小、燃煤機(jī)組起停調(diào)峰數(shù)量少，使得總運(yùn)行成本小于場(chǎng)景1；場(chǎng)景3相比于場(chǎng)景2，碳排放量降低14.7%，雖然總折舊成本增大，但存儲(chǔ)單元的折舊成本較低，其帶來的效益可以抵消增大的折舊成本，使得總運(yùn)行成本下降，體現(xiàn)了綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

表1 各場(chǎng)景成本比較

Tab.1 Cost comparison of each scenario

5 結(jié)論

本文在核電參與日調(diào)峰的基礎(chǔ)上，將常規(guī)燃煤電廠改造成為碳捕集電廠，并計(jì)及風(fēng)電預(yù)測(cè)出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)值的不確定性，構(gòu)建了考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)的模糊優(yōu)化調(diào)度模型，通過測(cè)試算例驗(yàn)證了所提模型和方法的有效性和適用性。得到如下結(jié)論：

1）線性化調(diào)峰深度后，核電機(jī)組調(diào)峰電量更加精確。同時(shí)，核電以日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式參與電網(wǎng)調(diào)峰，有效緩解了燃煤機(jī)組調(diào)峰壓力，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2）含有存儲(chǔ)單元的分流式碳捕集機(jī)組以綜合靈活運(yùn)行方式參與電網(wǎng)運(yùn)行，可以代替抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，并輔助核電機(jī)組完成調(diào)峰任務(wù)。相比于不含溶液存儲(chǔ)單元情況，電網(wǎng)總運(yùn)行成本下降1.5%，碳排放量下降14.7%，驗(yàn)證了綜合靈活運(yùn)行碳捕集機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

3）考慮風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性后，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的完全消納，且總運(yùn)行成本相比確定性降低1.1%。

本文所建立的核電機(jī)組連續(xù)調(diào)峰模型并未深入研究放射性污染物的增加量。雖然核電調(diào)峰可以滿足放射性要求，不會(huì)導(dǎo)致放射性排放顯著增加，但對(duì)調(diào)峰運(yùn)行所產(chǎn)生的放射性廢物進(jìn)行量化仍是至關(guān)重要的。下一步研究將討論核電機(jī)組連續(xù)調(diào)峰運(yùn)行對(duì)放射性三廢、維護(hù)維修成本等因素的影響。

附錄 仿真系統(tǒng)參數(shù)

附圖1 改進(jìn)的IEEE 39節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D

App.Fig.1 Improved IEEE 39 node topology

附圖2 負(fù)荷功率和風(fēng)電功率預(yù)測(cè)曲線

App.Fig.2 Load and wind forecast profile

附表1 風(fēng)電和負(fù)荷三角模糊參數(shù)

App.Tab.1 Triangular fuzzy parameters

模糊參數(shù)風(fēng)電負(fù)荷 數(shù)值0.51.50.91.1

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A Multi-Source Coordinated Optimal Scheduling Model Considering Wind-Load Uncertainty

Zhao Dongmei Wang Haoxiang Tao Ran

（School of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Beijing 102206 China）

With the rapid development of nuclear power technology, it is an inevitable trend for large capacity nuclear power units to be connected to the power grid to achieve low carbon and environmental protection. However, with the increase of load peak-valley difference and the increase of intermittent power supply permeability, it is urgent for nuclear power units to share the peak pressure of the power grid in a flexible operation mode. Based on the actual operation characteristics of nuclear power units, the peak regulation depth of nuclear power units was linearized. The characteristics of peak shaving and valley filling of carbon capture power plants with integrated flexible operation mode were analyzed to realize binding peak regulation of nuclear-carbon capture units. Then, fuzzy parameters were introduced to characterize the uncertainty of wind power and load. On the premise of considering the safety and economy of nuclear power peak regulation, a multi-source coordinated fuzzy optimal scheduling model considering the benefit of wind power consumption was established by minimizing the total cost of joint operation as the objective function. The simulation example verifies the validity of the proposed model and method. The results show that the optimal dispatching model can improve the flexibility of power network dispatching and realize the economic and low-carbon operation on the basis of ensuring the safe operation of nuclear power.

Nuclear power unit, carbon capture unit, peak load regulation, peak shaving and valley filling, optimal scheduling

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201654

TM73

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0902600）和國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SGJS0000DKJS1700840）資助。

2020-12-16

2021-03-25

趙冬梅 女，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)。E-mail：zhao-dm@ncepu.edu.cn

王浩翔 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。E-mail：18645750858@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）