园区综合能源系统捕碳-储能联合系统优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种园区综合能源系统捕碳

【技术实现步骤摘要】
园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法及系统


[0001]本专利技术属于电力系统规划领域，尤其涉及一种园区综合能源系统中捕碳
‑
储能联合系统的优化方法。

技术介绍

[0002]在“碳达峰、碳中和”战略目标下，建设低碳电源，发展低碳技术，提高清洁能源占比和利用效率，推动园区综合能源系统低碳转型是电力行业低碳发展的重要途径。碳捕集利用与封存技术，可有效减少火电机组的碳排放，缓解化石燃料利用与碳减排之间的矛盾。园区综合能源系统被认为是电力行业节能减排的重要载体，其主要能量设备为燃气轮机和燃气锅炉，引入碳捕集利用与封存技术有利于减少燃气机组的碳排放量。而储能不仅可提高新能源的消纳水平，还能为碳捕集机组提供能量来源，因此，联合捕碳
‑
储能技术可提高园区综合能源系统运行的环保性和新能源利用率。
[0003]现有技术中，碳捕集机组多为独立运行单元，未能将捕碳机组和储能单元进行联合，采用传统的捕碳方式降低了碳捕集机组CO2的捕碳效率和利用率，独立运行的储能单元限制了蓄电池的充放电次序。现有捕碳
‑
储能联合系统一般用在电源侧或大电网，园区综合能源系统中将碳捕集电厂与储能协同规划的研究还鲜见报道。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：鉴于现有园区综合能源系统规划技术中未将碳捕集
‑
储能进行联合，碳捕集效率与新能源消纳间存在矛盾等问题，本专利技术的目的在于提供一种园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法及系统，有利于园区的节能减排和新能源消纳。
[0005]技术方案：本专利技术的园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，针对目标园区综合能源系统，通过执行以下步骤，获得捕碳
‑
储能联合系统的储能优化配置容量；
[0006]步骤1：基于目标园区综合能源系统的工作原理，设计面向目标园区综合能源系统的捕碳
‑
储能联合系统；
[0007]步骤2：采集目标园区的冷热电气负荷数据和新能源历史出力数据，基于冷热电气负荷数据，采用ARMA模型预测未来年的冷热电气负荷，得到冷热电气负荷预测数据；采用KLD刻画新能源历史出力的不确定性，据此预测未来年新能源出力，得到新能源出力预测数据；以目标园区综合能源系统的总成本最小为主目标，以捕碳
‑
储能联合系统的投资运维成本最小为子目标，以新能源出力预测数据和冷热电气负荷预测数据为输入，园区综合能源系统的储能容量为输出，基于阶梯型碳交易机制，构建捕碳
‑
储能联合系统优化规划模型；
[0008]步骤3：基于鲁棒优化方法求解捕碳
‑
储能联合系统优化规划模型，获得捕碳
‑
储能联合系统的储能优化配置容量。
[0009]进一步的，所述步骤1的捕碳
‑
储能联合系统包括捕碳系统和储能系统；
[0010]所述捕碳系统由园区综合能源系统中最小容量的燃气轮机承担，采用综合灵活捕碳系统，具体为：装有CO2分离溶液的吸收塔收集燃气机组排放的烟气，形成贫/富CO2水溶
液，其余的烟气排放至大气中；贫/富液输送至CO2再生塔中进行解析，解析后的CO2送至压缩机中，余液则送至吸收塔中再利用，压缩后的CO2进行地质封存或工业利用，完成碳捕集封存与利用；
[0011]所述储能系统包括主储能系统和辅助储能系统两部分，主储能系统用于园区电力平衡和消纳、平抑新能源出力波动，辅助储能系统用于捕碳机组供电，减少系统燃气轮机的出力并独立地调节发供循环。
[0012]进一步的，所述综合灵活捕碳系统具体包括：在捕碳机组加装旁路烟道来控制烟气的分流比，在捕碳机组加装贫/富液存储系统以实现对捕碳系统的临时存放，构建综合灵活捕碳机组运行模型，具体见式(1)：
[0013][0014]式中：为捕碳机组t时刻的碳捕集量；为捕碳机组的捕碳效率；为燃气机组在t时刻的碳排放强度；为燃气机组t时刻的出力；p
CO2
为捕集单位碳量所需功率；P
F i,t
为t时刻捕碳机组的运行损耗；为t时刻捕碳机组的捕碳功率；P
CO2i,t
为捕碳机组在t时刻所需要的电功率；
[0015]综合灵活捕碳系统根据不同的分流比将所捕集的CO2送入吸收塔和排放至大气中，现引入分流比例模型如式(2)所示：
[0016][0017]式中：为烟气分流比，该比值为0时表示所捕集碳量均排放至大气中，为1时表示所捕集碳量均输送至CO2吸收塔；
[0018]综合灵活捕碳系统的吸收塔和再生塔之间安装了贫/富液存储设备，贫/富液存储设备的运行策略如式(3)所示：
[0019][0020]式中：P
Ai,t
、P
Di,t
、P
Ci,t
为吸收，再生和压缩环节所需要的电功率，p
A i,t
、p
D i,t
、p
C i,t
分别为吸收、再生、压缩单位碳量所需功率；为吸收、再生和压缩环节所处理的CO2总量，为保证设备间传输的碳量相匹配，再生塔与压缩机的运行工况还应满足式(4)：
[0021][0022]进一步的，步骤2中，所述目标园区综合能源系统的总成本包括年能源购置成本、现有设备的年运维成本、弃风光年惩罚成本以及捕碳
‑
储能联合系统年规划成本，并引入约束条件，总成本函数如式(5)所示：
[0023][0024]式中：C
cost
为系统总成本；C
e
为年购电成本；C
gas
为年购气成本；C
hs
为现有设备的年运维成本；C
cp
·
ch
为捕碳
‑
储能联合系统年规划成本，C
p res,d
为系统的弃风光年惩罚成本。
[0025]进一步的，所述年购电成本表示为：
[0026]年购电成本表示为：
[0027][0028]式中：c
t grid
为t时刻园区的购电价格；P
t grid
为t时刻园区与电网的交互功率，K为典型日天数；
[0029]年购气成本表示为：
[0030][0031]式中：c
gas
为天然气单位热值价格；为燃气锅炉t时刻的功率；η
G
、η
boil
分别为燃气轮机和燃气锅炉的运行效率；
[0032]现有设备的运维成本以蓄热槽的运行维护费占主导，将其表示为：
[0033][0034]式中：c
ths
为t时刻蓄热槽的运行维护成本；Q
t hs,c
、Q
t hs,d
分别为t时刻蓄热槽的充、放热功率；
[0035]园区的弃风、弃光惩罚费用表示为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，其特征在于，针对目标园区综合能源系统，通过执行以下步骤，获得捕碳
‑
储能联合系统的储能优化配置容量；步骤1：基于目标园区综合能源系统的工作原理，设计面向目标园区综合能源系统的捕碳
‑
储能联合系统；步骤2：采集目标园区的冷热电气历史负荷数据和新能源历史出力数据，基于冷热电气历史负荷数据，预测未来年的冷热电气负荷，得到冷热电气负荷预测数据；采用KLD刻画新能源历史出力数据的不确定性，据此预测未来年新能源出力，得到新能源出力预测数据；以目标园区综合能源系统的总成本最小为主目标，以捕碳
‑
储能联合系统的投资运维成本最小为子目标，以新能源出力预测数据和冷热电气负荷预测数据为输入，园区综合能源系统的储能容量为输出，基于阶梯型碳交易机制，构建捕碳
‑
储能联合系统优化规划模型；步骤3：基于鲁棒优化方法求解捕碳
‑
储能联合系统优化规划模型，获得捕碳
‑
储能联合系统的储能优化配置容量。2.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，其特征在于，所述步骤1的捕碳
‑
储能联合系统包括捕碳系统和储能系统；所述捕碳系统由园区综合能源系统中最小容量的燃气轮机承担，采用综合灵活捕碳系统，具体为：装有CO2分离溶液的吸收塔收集燃气机组排放的烟气，形成贫/富CO2水溶液，其余的烟气排放至大气中；贫/富液输送至CO2再生塔中进行解析，解析后的CO2送至压缩机中，余液则送至吸收塔中再利用，压缩后的CO2进行地质封存或工业利用，完成碳捕集封存与利用；所述储能系统包括主储能系统和辅助储能系统两部分，主储能系统用于园区电力平衡和消纳、平抑新能源出力波动，辅助储能系统用于捕碳机组供电，减少系统燃气轮机的出力并独立地调节发供循环。3.根据权利要求2所述的园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，其特征在于，所述综合灵活捕碳系统具体包括：在捕碳机组加装旁路烟道来控制烟气的分流比，在捕碳机组加装贫/富液存储系统以实现对捕碳系统的临时存放，构建综合灵活捕碳机组运行模型，具体见式(1)：式中：为捕碳机组t时刻的碳捕集量；为捕碳机组的捕碳效率；为燃气机组在t时刻的碳排放强度；为燃气机组t时刻的出力；为捕集单位碳量所需功率；P
F i,t
为t时刻捕碳机组的运行损耗；为t时刻捕碳机组的捕碳功率；为捕碳机组在t时刻所需要的电功率；综合灵活捕碳系统根据不同的分流比将所捕集的CO2送入吸收塔和排放至大气中，现引入分流比例模型如式(2)所示：式中：为烟气分流比，该比值为0时表示所捕集碳量均排放至大气中，为1时表示所捕
集碳量均输送至CO2吸收塔；综合灵活捕碳系统的吸收塔和再生塔之间安装了贫/富液存储设备，贫/富液存储设备的运行策略如式(3)所示：式中：P
Ai,t
、P
Di,t
、P
Ci,t
为吸收，再生和压缩环节所需要的电功率，p
A i,t
、p
D i,t
、p
C i,t
分别为吸收、再生、压缩单位碳量所需功率；为吸收、再生和压缩环节所处理的CO2总量，为保证设备间传输的碳量相匹配，再生塔与压缩机的运行工况还应满足式(4)：4.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，其特征在于，步骤2中，所述目标园区综合能源系统的总成本包括年能源购置成本、现有设备的年运维成本、弃风光年惩罚成本以及捕碳
‑
储能联合系统年规划成本，并引入约束条件，总成本函数如式(5)所示：式中：C
cost
为系统总成本；C
e
为年购电成本；C
gas
为年购气成本；C
hs
为现有设备的年运维成本；C
cp
·
ch
为捕碳
‑
储能联合系统年规划成本，C
p res,d
为系统的弃风光年惩罚成本。5.根据权利要求4所述的一种园区综合能源系统捕碳
‑
储能联合系统优化方法，其特征在于，所述年购电成本表示为：年购电成本表示为：式中：c
t grid
为t时刻园区的购电价格；P
t grid
为t时刻园区与电网的交互功率，K为典型日天数；年购气成本表示为：式中：c
gas
为天然气单位热值价格；为燃气锅炉t时刻的功率；η
G
、η
boil
分别为燃气轮机和燃气锅炉的运行效率；现有设备的运维成本以蓄热槽的运行维护费占主导，将其表示为：式中：为t时刻蓄热槽的运行维护成本；Q
t hs，d
分别为t时刻蓄热槽的充、放热功率；园区的弃风、弃光惩罚费用表示为：
式中：χ1＝χ2＝1.2元为单位弃风、弃光量的惩罚价格；P
w,t
分别为风电机组发电功率和消纳量；P
PV,t
分别为光伏发电功率和消纳量；子目标为捕碳
‑
储能联合系统的年投资和运维成本最低为目标，建立其数学模型如式(10)所示：式中：和为主辅助储能系统的年投资成本；为主储能、辅助储能系统的典型日运行维护成本；为捕碳机组的典型日能耗成本；为碳捕集系统的典型日碳交易成本，现拟定工业利用50％的碳捕集量；为碳捕集机组的典型日启停成本；其中，主储能系统的年投资成本表示为：式中：c
p
为主储能系统的单位容量建设成本，E
cap mian
为主储能最大配置容量；M
cyc main
和N
lif main
分别为主储能系统的年充放电次数和全生命周期内可充放电总次数；为主储能系统的年运维成本系数；相应的，辅助储能投资成本模型同上；捕碳机组的典型日运行成本可以表示如下：式中：c
t
为辅助储能系统向捕碳机组的供电价格；实际碳排放量C
L
由微燃机和燃气锅炉的出力决定，具体如式(14)所示；考虑到碳排放权交易价格随交易量而改变，引入阶梯型碳交易模型来衡量碳收益：式中：为园区的碳交易成本；ε为市场上碳交易价格；d为碳排放量区间长度；每上升一个阶梯，碳交易价格增长至(1+ε)ε；C
P
<C
L
时，碳交易将带来碳减排收益；捕碳机组的日启停成本可用下式(16)表示：式中：U
i,t
为捕碳机组在t时刻的运行状态，值为0表示停机，为1表示运行；S
i
为捕碳机组启停成本；约束条件为：主储能系统主要用于园区电力平衡，约束为：
式中：P
s,t
为t时刻园区消纳的光伏功率；P
w,t
为t时刻园区消纳的风机功率；为t时刻主储能系统的放电功率；为电负荷；为t时刻电制冷机功率；为t时刻主储能系统的充电功率；辅助储能系统主要向捕碳机组供电，约束为：式中：为t时刻辅助储能系统的放电功率；为t时刻辅助储能系统充电功率；园区热能供需平衡约束：式中：η
wh

【专利技术属性】
技术研发人员：贺琪博，汤铮，陈国湘，司震宇，秦景辉，潘学萍，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：