考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法

1.本发明属于能源系统技术领域，尤其涉及一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法。


背景技术：

2.随着多能源转换技术的发展，能源在生产、传输和使用过程中耦合关系增强，能量利用与管理成为多能源系统研究热点。在本领域现有技术中，有一种引入碳捕集技术可提高虚拟电厂经济效益，降低二氧化碳排放量的报道；也有构建电转气-碳捕集电厂模型，验证二者协调有效性的报道；还有聚焦于能量市场下火电、燃气轮机、风电和光伏等发电单元实现虚拟电厂经济调度和多目标优化的报道。综合以上公开文献的报道内容主要是利用发电单元和耦合元件进行热电协调优化，但虚拟电厂结构较为简单，虚拟电厂协调调度考虑仍不充分，故还需充分挖掘虚拟电厂下多能源协调转换利用潜力。经过检索，迄今未见与本发明有关的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的文献报道和实际应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种结构合理，容易实现，能够充分发挥多种能源形式之间协同互补、考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂；并提供科学合理，适用性强，效果佳的虚拟电厂优化运行方法。
4.参照图1，本发明的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂结构，包括：电力、天然气、热力、氢气和二氧化碳能源形式；风电、光伏、电解槽、氢燃料电池、垃圾焚烧电厂、储烟装置、烟气处理装置、发酵罐、储气罐、火电厂、储液罐、吸收塔、储氢罐、甲烷反应器、燃气锅炉、热电联产机组和气源，其中电解槽和甲烷反应器构成电转气装置，垃圾焚烧电厂、储烟装置和烟气处理装置构成烟气处理系统，生活垃圾分类后将干垃圾投入垃圾焚烧电厂中进行燃烧发电，燃烧产生烟气通入储烟装置中储存，在用电低谷时通入烟气处理装置中进行处理，达标后排入大气，将湿垃圾投入发酵罐中进行发酵，产生沼气注入储气罐中储存留用；其中火电厂、储液罐和吸收塔构成碳捕集系统，火电厂燃烧产生烟气先通入储液罐中进行溶解储存，在用电低谷时将溶解二氧化碳的处理液通入吸收塔中进行二氧化碳捕集封存；风电、光伏垃圾焚烧电厂、火电厂、氢燃料电池和热电联产机组产电部分一同为电负荷提供电能；弃风弃光用于电解槽电解水，产生的氢气通入储氢罐中进行储存，储氢罐部分氢气提供给氢燃料电池发电，剩余部分氢气通入甲烷反应器中与吸收塔捕集到的二氧化碳进行甲烷化反应制取天然气并注入气网；气源、储气罐和甲烷反应器一同为气负荷提供天然气；燃气锅炉和热电联产机组产热部分为热负荷提供热能。
5.参照图2，本发明的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂优化运行方法，包括：将碳捕集系统、电转气装置、氢燃料电池聚合为碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统；火电厂发电产生二氧化碳一部分被系统捕集，剩余部分排入大气，捕集到的二氧化碳部分进行封
装处理，剩余部分通入电转气装置中进行甲烷化反应；该子系统利用弃风弃光对电解槽进行供电，电解产生的氢气部分进入储氢罐中供给氢燃料电池发电，剩余部分氢气和储氢罐提供的氢气一同进行甲烷化反应；甲烷化反应产生天然气供给燃气轮机、燃气锅炉和气负荷；根据能量守恒定律，建立碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统模型。图2中m
total
为碳捕集系统产生总二氧化碳量；mg为碳捕集系统无法捕集排到大气中二氧化碳量；为碳捕集系统捕集到二氧化碳量；ms为碳捕集系统封存二氧化碳量；m
p2g
为捕集到供给p2g设备制天然气二氧化碳量；分别为系统弃风、弃光电解水功率；为电解槽电解产生氢气量；为进入储氢罐中氢气量；为储氢罐甲烷化反应提供氢气量；为进入甲烷反应器氢气量；为储氢罐供给氢燃料电池发电氢气量；为甲烷反应器生成的天然气量：
6.碳捕集系统是在传统火电厂基础上，加装碳捕集装置对火电产生的二氧化碳进行吸收捕集。碳捕集系统主要由火电厂、储液罐、吸收塔组成，碳捕集系统灵活运行方式由两部分组成：一是烟气分流模式；二是储液模式。烟气分流模式通过控制烟气旁路系统，从而改变进入吸收塔烟气比例，当增大进入系统烟气比例时，将提高系统捕集水平，捕集能耗增加，电厂净出力减小，反之亦然。储液模式引入富液存储器和贫液存储器，使得二氧化碳吸收与解析环节可以相互独立，当富液产生速率大于溶液再生速率时，富液存储量增大，贫液存储量减小，捕集能耗减小，电厂净出力增大，反之亦然。碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，碳捕集系统数学模型如公式(1)所示：
[0007][0008]
式中：为火电厂总功率；为火电厂净输出功率；p
g,f
为碳捕集固定能耗；为碳捕集运行能耗；α为系统捕集单位二氧化碳所消耗的能量；为系统捕集二氧化碳量；为储液罐即将处理二氧化碳量；η
g,c
为碳捕集效率；δ为碳捕集系统烟气分流比；为火电厂释放二氧化碳总量；φ为火电厂碳排放强度；为火电厂最大总功率。
[0009]
根据上述表达式，可推出发电厂净输出功率，如公式(2)所示：
[0010][0011]
垃圾分类政策实施后，可将生活垃圾分类为干垃圾与湿垃圾，现有关于垃圾焚烧电厂报道中仅考虑电厂发电收益，忽略湿垃圾发酵产生沼气效益，虽然从发电角度，垃圾分类对焚烧电厂发电影响有限，但从气网角度，考虑沼气利用，对购气成本具有一定影响。垃圾焚烧电厂中干、湿垃圾协同处理过程如图3，其中干湿垃圾处理比例为3：1。湿垃圾经过电厂内部进行筛分，将筛分后易腐组分进行挤压和厌氧处理，产生清洁的沼气资源供给系统气网以减少购气成本；筛分后的其他组分、残渣、污泥同干垃圾一同注入到垃圾池中静置处理，脱除渗滤液后的垃圾进入焚烧炉中进行焚烧，利用焚烧产生的热量给水加热，产生蒸汽送入汽轮机进行发电，由于垃圾焚烧电厂每日处理垃圾量一定，故本文垃圾焚烧电厂日处
理干垃圾产电量为1500mw，其垃圾处理量、发电量与沼气产生量之间的关系如公式(3)-(4)所示：
[0012]
p
tr
＝β1m(3)
[0013][0014]
式中：为t时刻垃圾焚烧电厂干垃圾燃烧产生电能；m为垃圾焚烧电厂处理总垃圾量；为垃圾焚烧电厂t时刻湿垃圾发酵产沼气量；β1为垃圾焚烧电厂干垃圾发电转换系数；β2为湿垃圾发酵产沼气转换系数。
[0015]
储气装置可根据当前时刻的负荷需求情况进行烟气的灵活存储，实现烟气处理与发电之间的解耦，使得烟气处理所需的能耗视为可时移负荷，烟气处理能耗如公式(5)所示：
[0016][0017]
式中：为t时刻系统进行烟气处理所需能耗；μ
γ
为处理单位烟气量所需能耗；为t时刻垃圾焚烧电厂产生烟气量；为t时刻储气装置提供烟气量。
[0018]
碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗由发电机组提供，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗及碳捕集能耗如公式(6)所示：
[0019][0020]
式中：为t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统总能耗；为t时刻子系统中碳捕集能耗；为t时刻电转气装置能耗；分别为t时刻系统中用于电解水的风电、光伏能耗；为碳捕集系统运行能耗；为碳捕集系统固定能耗；为碳捕集系统净出力；为碳捕集系统总出力；为碳捕集系统提供碳捕集能耗；为碳捕集系统提供烟气处理能耗。
[0021]
碳捕集系统捕集二氧化碳总量为碳封存部分为ms，供给电转气装置部分为m
p2g
；t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统捕集二氧化碳量，如公式(7)所示：
[0022][0023]
式中：α为碳捕集系统捕集单位二氧化碳运行能耗。
[0024]
电转气设备在t时刻消耗二氧化碳总量为如公式(8)所示：
[0025][0026]
式中：θ为产生单位天然气时所需二氧化碳量；η
p2g
为电转气转换效率。t时刻电转气装置生成天然气体积如公式所示：
[0027]
[0028]
式中：为天然气热值，取39mj/m3。
[0029]
本发明采用碳捕集系统、垃圾焚烧电厂、风电、光伏和氢燃料电池联合运行策略。风电、光伏将部分电能用于供给电网，剩余部分电能用于电转气装置；碳捕集系统和垃圾焚烧电厂将大部分电能供给电网，剩余电能供给烟气处理系统；氢燃料电池将部分电能供给电网，剩余电能供给碳捕集系统和烟气处理系统，如公式(10)所示：
[0030][0031]
式中：为碳捕集系统总能耗；和分别为火电厂和焚烧电厂供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；和分别为氢燃料电池供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；燃料电池供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；和分别为风电和光伏供给电网、电解水能耗；伏供给电网、电解水能耗；和分别为火电厂、垃圾焚烧电厂、风电、光伏和氢燃料电池总出力。
[0032]
热电联产机组模型如公式(11)所示：
[0033][0034]
式中：和分别为t时段热电联产机组输出电功率和热功率；η
chp
为热电联产机组电效率；η
l
为热电联产机组耗散率；ηh为热电联产机组能量转换率。
[0035]
燃气锅炉模型如公式(12)所示：
[0036]htgb
＝v
tgbhch4
η
gb
(12)
[0037]
式中：为t时段燃气锅炉输出热功率；为燃气锅炉消耗天然气量；η
gb
为燃气锅炉效率。
[0038]
氢燃料电池模型如公式(13)所示：
[0039][0040]
式中：为输入氢燃料电池氢功率；为氢燃料电池输出电功率；η
hfc,e
为氢燃料电池电功率转换效率。
[0041]
电解槽模型如公式(14)所示：
[0042]
[0043]
式中：为t时段输入电解槽电能；为t时段电解槽输出氢能；η
el
为电解槽能量转换效率。
[0044]
甲烷反应器模型如公式(15)所示：
[0045][0046]
式中：为t时段甲烷反应器输出天然气功率；η
mr
为甲烷反应器能量转换效率；为t时段输入甲烷反应器氢能。
[0047]
电解水制氢模型如公式(16)所示：
[0048][0049]
式中：为电制氢生成h2量；为电解制氢过程消耗电功率；λ为单位功率转换系数，为2.993；为氢气热值，取12.7mj/m3。
[0050]
储氢模型如公式(17)所示：
[0051][0052]
式中：为t时刻储氢罐氢气总量；为单位时间内储氢罐进气量；为单位时间内储氢罐出气量；和分别为储氢罐进气效率和出气效率。
[0053]
为体现本发明所构建的虚拟电厂运行经济性，考虑以虚拟电厂成本f最小为目标函数，针对一天时间内电、气、热负荷需求量，考虑各聚合单元的约束条件构建优化调度模型，其目标函数如公式(18)所示：
[0054][0055]
式中，为火电机组煤耗成本、为天然气成本、为电转气设备成本、为碳交易成本、为运输封装二氧化碳成本、为弃风弃光成本；
[0056]
火电机组煤耗成本具体表达式如公式(19)所示：
[0057][0058]
式中：ai、bi和ci为燃料成本系数；p
gi
为火电功率。
[0059]
天然气成本具体表达式如公式(20)所示；
[0060][0061]
式中：为单位体积天然气的价格；为天然气热值；ε为单位电转热系数；n chp
和n gb
分别为燃气轮机和余热锅炉台数；和分别为t时段第j台燃气轮机和第m台锅炉输出电功率与热功率；η
chp,e
，η
gb
和η
p2g
分别为燃气轮机、锅炉和电转气设备效率；为t时段内输入电转气设备电功率。
[0062]
电转气设备成本具体表达式如公式(21)所示：
[0063]
[0064]
式中：为购买二氧化碳固定价格；k
p2g
为电转气设备运行成本系数。
[0065]
碳交易成本具体表达式如公式(22)所示：
[0066][0067]
式中：k t
为碳交易价格；δh为碳排放配额系数。
[0068]
二氧化碳封装、运输成本具体表达式如公式(23)所示：
[0069][0070]
式中：ξ
es
为系统运输、封存单位二氧化碳价格；为t时段系统捕集二氧化碳总质量；为电转气设备利用单位电功率制天然气所需二氧化碳量。
[0071]
弃风弃光成本具体表达式如公式(24)所示：
[0072][0073]
式中：s
wg
为弃风、弃光惩罚系数；和分别为弃风、弃光量。
[0074]
虚拟电厂的运行受电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束、风电约束、光伏约束、碳捕集系统约束、垃圾焚烧电厂约束、热点联产机组约束、储氢罐约束、电解槽约束、甲烷反应器约束、储气罐约束、氢燃料电池约束；考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法能够提高可再生能源渗透率，平抑可再生能源波动，实现能量时移与负荷削峰填谷，降低系统运行成本，提高耦合设备能量转换率与利用效率，实现虚拟电厂的低碳经济运行。
[0075]
电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束如公式(25)-(27)所示：
[0076][0077][0078][0079]
风电约束如公式(28)所示：
[0080][0081]
式中：p
wind
为风机预测输出；vf为风速预测值；pr为风电机组的额定输出功率；vr、v
ci
、v
co
分别为风电机组发电的额定风速、切入风速、切出风速。
[0082]
光伏约束如公式(29)所示：
[0083]
0《p
tpv
《p
pv,max
(29)
[0084]
式中：为光伏在t时刻的电出力；p
pv,max
为光伏的最大出力。
[0085]
碳捕集系统约束如公式(30)所示：
[0086][0087]
式中：p
g,min
、p
g,max
分别为火电厂最小、最大出力；碳捕集系统出力上限；δp f
为爬坡速率。
[0088]
垃圾焚烧电厂约束如公式(31)所示：
[0089][0090]
式中：δpr为爬坡速率约束；为t时刻烟气存储罐储气量；v
hst,max
为储气装置最大容量；为储气装置进出管道最大流量；和分别为t时刻流入、流出储气装置烟气量。
[0091]
热电联产机组约束如公式(32)所示：
[0092][0093]
式中：p
chp,min
、p
chp,max
分别为热电联产机组的最小、最大电出力；h
chp,min
、h
chp,max
分别为热电联产机组的最小、最大热出力；δp
ph
为爬坡速率。
[0094]
储氢罐约束如公式(33)所示：
[0095][0096]
式中：为储氢罐最大进气量；为储氢罐最大出气量；为储氢罐在t时刻储氢量；g
hst,max
为储氢罐最大容量。
[0097]
电解槽约束如公式(34)所示：
[0098][0099]
式中：p
el,min
、p
el,max
分别为电解槽的最小、最大电消耗功率；δp
el
为爬坡速率。
[0100]
甲烷反应器约束如公式(35)所示：
[0101][0102]
式中：p
mr,min
、p
mr,max
分别为甲烷反应器的最小、最大电消耗功率；δp
mr
为爬坡速率。
[0103]
储气罐约束如公式(36)所示：
[0104][0105]
式中：为储气罐最大进气量；为储气罐最大出气量；为储气罐在t时刻储气量；g
ch4,max
为储气罐最大容量。
[0106]
氢燃料电池约束如公式(37)所示：
[0107][0108]
式中：p
hfc,min
、p
hfc,max
分别为氢燃料电池的最小、最大电出力；δp
hfc
为爬坡速率。
[0109]
本发明的一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法具有以下优点：
[0110]
一、构建了考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂，所述虚拟电厂能够充分发挥多种能源形式之间协同互补，且结构合理，容易实现；
[0111]
二、考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂优化运行方法，提出碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统模型，采用多电厂联合运行策略，充分发挥储氢罐、储气罐时移特性，有效提高系统耦合度和可再生能源渗透率，其优化运行方法科学合理，适用性强，效果佳，具有良好的工程应用前景。
附图说明
[0112]
图1为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的虚拟电厂结构图。
[0113]
图2为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统图。
[0114]
图3为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的干湿垃圾处理流程图。
[0115]
图4为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的负荷预测图。
[0116]
图5为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的多机组电平衡出力图。
[0117]
图6为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的多机组热平衡出力图。
[0118]
图7为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的碳捕集系统出力变化图。
[0119]
图8为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的系统二氧化碳捕集变化图。
[0120]
图9为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的垃圾焚烧电厂出力变化图。
[0121]
图10为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的烟气处理量变化图。
[0122]
图11为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的风电出力变化图。
[0123]
图12为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的光伏出力变化图。
[0124]
图13为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的储氢变化图。
[0125]
图14为本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法的氢气平衡变化图。
具体实施方式
[0126]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法做进一步详细的描述。
[0127]
实施例：
[0128]
本文以某地区综合能源系统为案例对所提及考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法进行算例分析。发明中虚拟电厂包含1个火电厂、1个垃圾焚烧电厂、1个风力发电厂、1个光伏发电厂、1台电转气设备、1台热电联产机组、1台燃气锅炉、1个燃料电池及一个储氢罐。图4为虚拟电厂中风电、光伏、电、热、气负荷预测出力值。系统天然气价格为3元/m3，火电机组和垃圾焚烧电厂碳排放配额为0.6t/mwh，碳排放强度为0.92t/mwh，弃风弃光成本为650元/mwh，能源集线器典型参数如表1所示：
[0129]
表1额能源集线器典型参数表
[0130][0131]
为验证本发明提出的碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统合理有效性，本文设置了4个场景进行算例仿真：
[0132]
场景1：不考虑沼气利用，无碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行模型及其他耦合元件；
[0133]
场景2：不考虑沼气利用，有碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行模型及其他耦合元件；
[0134]
场景3：考虑沼气利用，无碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行模型及其他耦合元件；
[0135]
场景4：考虑沼气利用，有碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行模型及其他耦合元件。
[0136]
考虑场景1、场景2、场景3和场景4进行算例仿真，具体优化调度结果成本分析如表2所示，各机组出力情况如表3-4所示，虚拟电厂碳捕集与烟气处理结果对比如表5所示：
[0137]
表2成本结果对比
[0138][0139]
表3各机组出力情况对比
[0140][0141]
表4各机组出力情况对比
[0142][0143]
表5碳捕集与烟气处理结果对比
[0144][0145]
场景2与场景1相比，虚拟电厂实现碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行。风电和光伏部分供给电网，剩余部分用于电解水，根据系统电负荷平衡约束，系统可再生能源上网出力减少，故火电机组出力相较于场景1有所增加。导致场景2碳捕集系统煤耗成本和碳封存、运输成本增高，系统弃风弃光成本大大降低。场景2存在多能耦合，系统电解水产生氢气，通过储氢罐供给氢燃料电池发电，故场景2热电联产机组出力减少，热电联产机组热出力降低，燃气锅炉出力增高。甲烷合成器使场景2碳封存和购气成本降低，虚拟电厂净成本降低，降幅为4.9％。综上分析可知，系统实现碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行可合理调节机组出力，高效利用资源，降低虚拟电厂总成本。
[0146]
场景3与场景1相比，湿垃圾发酵产生沼气，既提高了垃圾焚烧电厂燃烧效率，又产生了80000m3的沼气供给气负荷，使得系统购气成本降低238873.47元，在电负荷不变情况下，其它机组出力和成本与场景1相比变化较小，总体成本降低257130.073元，降幅为11.32％。因此，考虑垃圾焚烧电厂对湿垃圾处理可有效利用资源，降低虚拟电厂系统的总成本。
[0147]
场景4与场景2相比，考虑沼气利用影响，系统提供沼气量增加，故热电联产机组出力增加，燃气锅炉出力降低。根据虚拟电厂电负荷平衡约束，系统中火电机组出力降低，系统煤耗成本和碳运输、封装成本降低，场景2和场景4均采用碳捕集-电转气-氢燃料电池联合协同运行，故其他机组出力不变，虚拟电厂系统主要为购气成本降低，虚拟电厂净成本降低259995.889元，降幅为12.03％。综上分析可知，考虑垃圾焚烧电厂湿垃圾出力产生沼气后，可更合理调节系统机组出力，大幅降低系统购气成本，降低虚拟电厂净成本。
[0148]
场景4与场景3相比，实现了系统机组灵活调配，引入碳捕集-电转气-氢燃料电池联合运行模型，风电、光伏用于电网供电与电解水，与场景3相比，弃风弃光成本降低205453.51元，在负荷低谷时，系统将富裕的风光资源用于电转气装置进行电解水产氢气，部分氢气通入储氢罐，剩余氢气用于甲烷合成和燃料电池发电。由于场景4与场景3均对湿垃圾进行了处理，且垃圾焚烧电厂每日处理垃圾量一定，故焚烧电厂总出力与沼气产生量相同。场景4采用联合协同运行策略，电转气装置产生了大量天然气，对比场景3，场景4购气成本降低73218元，系统总体成本降低114259.63元，降幅为5.67％。由上述分析可知，系统联合运行策略可提高风电、光伏消纳，降低综合能源系统总成本。
[0149]
综上，垃圾焚烧电厂考虑湿垃圾处理、引入储氢罐及碳捕集系统和含储气装置的
垃圾焚烧电厂、实现火电-风电-光伏联合运行、采用碳捕集-电转气-氢燃料电池运行策略，一方面可降低系统成本，实现系统内部资源有效利用，另一方面可提高可再生能源渗透比例，以下针对场景4进行虚拟电厂优化结果分析。
[0150]
图5为多机组电平衡出力图，图6为多机组热平衡出力图。由图可知，1：00-3：00电负荷需求较大，火电厂和热电联产机组保持较高出力，根据热电联产机组电热特性，此时段热出力较高，燃气锅炉出力较低。风电主要用于供给电负荷，少部分燃料电池发电用于电负荷供给，根据垃圾焚烧电厂出力下限约束，此时段出力保持在发电下限。4：00-7：00电负荷需求小，根据电平衡约束方程可知，在氢燃料电池保持出力上限情况下，火电厂、垃圾焚烧电厂和热电联产机组出力降低，其中热电联产机组出力为下限，故此时段热负荷主要由燃气锅炉供给。8：00-11：00与15：00-21：00电负荷需求不断增大，系统各机组出力增加，12：00-14：00电负荷需求减小，可再生能源供给电负荷，其它机组出力降低，燃气锅炉出力升高。22：00-24：00光伏不出力，风电出力供给电负荷，火电厂、垃圾焚烧电厂和热电联产机组保持较高出力，燃气锅炉不出力。
[0151]
图7为火电厂出力变化图，图8为系统二氧化碳捕集变化图。由图可知，1：00-4：00火电厂主要用于满足电负荷需求，电厂燃烧产生的二氧化碳进入储液罐中贮存。4：00-8：00和13：00-14：00电负荷需求低，火电厂根据出力下限约束保持下限出力。5：00，14：00和21：00时刻电负荷需求较低，在其他机组发电上网即可满足电负荷供给需求的情况下，火电厂将储液罐中二氧化碳全部排出进行碳捕集。15：00-24：00电负荷需求大，光伏出力不断降低，火电厂总出力上升，且每时刻都有少部分电能用于机组碳捕集。
[0152]
图9为垃圾焚烧电厂出力变化图，图10为烟气处理量变化图。由图可知，1：00-3：00电负荷需求较小，垃圾焚烧电厂处于出力下限，此时段产生的烟气进入储烟装置中。5：00-6：00，13：00-14：00和22：00在其它发电机组满足电负荷平衡条件下，储烟装置将烟气全部排出，垃圾焚烧电厂发电对烟气进行处理。4：00-8：00电负荷需求小，垃圾焚烧电厂根据出力下限约束，出力保持在下限。9：00-12：00和15：00-16：00电负荷需求较高，垃圾焚烧电厂保持较高出力。17：00-24：00电负荷需求大，垃圾焚烧电厂保持出力上限进行满发，大部分电能用于上网，小部分电能用于烟气处理。
[0153]
图11为风电出力变化图，图12为光伏出力变化图。由图可知，2：00和4：00-5：00电负荷需求低，根据其他发电机组出力下限约束，在满足电负荷需求情况下，风电将电能用于电解水制氢气以达到能量时移。根据储氢罐进气约束，6：00风电过剩，产生弃风现象。其余时段风电用于供给电负荷，少部分用于电解水，总出力为风电预测出力。6：00-7：00光伏机组开始出力，由于电负荷需求低，故此时段电能主要用电解水，其余时段，光伏满发用于电负荷供给。
[0154]
图13为储氢变化图，图14为虚拟电厂氢气平衡变化图。由图可知，1：00储氢罐排出大量氢气，输入氢燃料电池发电，保持系统电平衡。2：00和4：00-6：00电负荷需求小，多余风能用于电解水制氢气，部分氢气通入燃料电池发电，部分氢气进入储氢罐中贮存，少部分氢气通入甲烷反应器制取天然气，20：00储氢罐中氢气排出量达到上限，氢气用于甲烷化反应制取天然气与燃料电池发电。其余时段储氢罐与电解槽产生氢气供给甲烷反应器制取甲烷。
[0155]
综上可知，利用垃圾焚烧电厂对生活垃圾进行干湿分离处理，既提高沼气生成量，
又降低系统购气成本。基于本文提出考虑碳捕集与垃圾焚烧虚拟电厂及其优化运行方法，可实现系统内各耦合单元间灵活协调调度，实现多能互补，采用储液罐和烟气存储装置后，在负荷低谷时进行燃烧后产物处理，可实现负荷削峰填谷。根据风光出力波动性、不确定性特点，采用碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统模型，风电和光伏转化为可调度资源，提高风电消纳能力，优化系统结构和整体运行效益。
[0156]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，虚拟电厂结构包括：电力、天然气、热力、氢气和二氧化碳能源形式；风电、光伏、电解槽、氢燃料电池、垃圾焚烧电厂、储烟装置、烟气处理装置、发酵罐、储气罐、火电厂、储液罐、吸收塔、储氢罐、甲烷反应器、燃气锅炉、热电联产机组和气源，电解槽和甲烷反应器构成电转气装置；垃圾焚烧电厂、储烟装置和烟气处理装置构成烟气处理系统；生活垃圾分类后将干垃圾投入垃圾焚烧电厂中进行燃烧发电，燃烧产生烟气通入储烟装置中储存，在用电低谷时通入烟气处理装置中进行处理，烟气净化达标后排入大气，将湿垃圾投入发酵罐中进行发酵，产生沼气注入储气罐中储存留用；火电厂、储液罐和吸收塔构成碳捕集系统，火电厂燃烧产生烟气先通入储液罐中进行溶解储存，在用电低谷时将溶解二氧化碳的处理液通入吸收塔中进行二氧化碳捕集封存；风电、光伏、垃圾焚烧电厂、火电厂、氢燃料电池和热电联产机组产电部分一同为电负荷提供电能；弃风弃光用于电解槽电解水，产生的氢气通入储氢罐中进行储存，储氢罐部分氢气提供给氢燃料电池发电，剩余部分氢气通入甲烷反应器中与吸收塔捕集到的二氧化碳进行甲烷化反应制取天然气并注入气网；气源、储气罐和甲烷反应器一同为气负荷提供天然气；燃气锅炉和热电联产机组产热部分一同为热负荷提供热能；碳捕集系统、电转气装置和氢燃料电池聚合为碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统；火电厂发电产生二氧化碳部分被碳捕集系统捕集，剩余部分排入大气，捕集到的二氧化碳部分封装处理，剩余部分通入电转气装置中进行甲烷化反应。2.根据权利要求1所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，如公式(1)所示：式中：为火电厂总功率；为火电厂净输出功率；p
g,f
为碳捕集固定能耗；为碳捕集运行能耗；α为系统捕集单位二氧化碳所消耗能量；为系统捕集二氧化碳量；为储液罐即将处理二氧化碳量；η
g,c
为碳捕集效率；δ为碳捕集系统烟气分流比；为火电厂释放二氧化碳总量；φ为火电厂碳排放强度；为火电厂最大总功率；发电厂净输出功率，如公式(2)所示：垃圾焚烧电厂干湿垃圾协同处理比例为3：1，垃圾处理量、发电量与沼气生产量之间关系如公式(3)和公式(4)所示：p
tr
＝β1m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：为t时刻垃圾焚烧电厂干垃圾燃烧产生电能；m为垃圾焚烧电厂处理总垃圾量；
为垃圾焚烧电厂t时刻湿垃圾发酵产沼气量；β1为垃圾焚烧电厂干垃圾发电转换系数；β2为湿垃圾发酵制取沼气转换系数；储气装置根据当前时刻负荷需求情况，进行烟气灵活存储，烟气处理能耗如公式(5)所示：式中：为t时刻系统进行烟气处理所需能耗；μ
γ
为处理单位烟气量所需能耗；为t时刻垃圾焚烧电厂产生烟气量；为t时刻储气装置提供烟气量；碳捕集能耗包括固定能耗和运行能耗，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗由火电厂提供，碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统能耗及碳捕集系统出力如公式(6)所示：式中：为t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统总能耗；为t时刻子系统中碳捕集能耗；为t时刻电转气装置能耗；分别为t时刻系统中用于电解水的风电、光伏能耗；为碳捕集系统运行能耗；为碳捕集系统固定能耗；为碳捕集系统净出力；为碳捕集系统总出力；为碳捕集系统提供碳捕集能耗；为碳捕集系统提供烟气处理能耗；碳捕集系统捕集二氧化碳总量为碳封存部分为m
s
，供给电转气装置部分为m
p2g
；t时刻碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统捕集二氧化碳量，如公式(7)所示：式中：α为碳捕集系统捕集单位二氧化碳运行能耗；电转气设备在t时刻消耗二氧化碳总量为如公式(8)所示：式中：θ为产生单位天然气时所需二氧化碳量；η
p2g
为电转气转换效率；t时刻电转气装置生成天然气体积如公式(9)所示：式中：为天然气热值，取39mj/m3。3.根据权利要求2所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，采用碳捕集系统、垃圾焚烧电厂、风电、光伏和氢燃料电池联合运行策略，如公式(10)所示：
式中：为碳捕集系统总能耗；和分别为火电厂和焚烧电厂供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；w和分别为氢燃料电池供给碳捕集系统、烟气处理系统和电网能耗；和分别为风电和光伏供给电网、电解水能耗；伏供给电网、电解水能耗；和分别为火电厂、垃圾焚烧电厂风电、光伏、氢燃料电池总出力。4.根据权利要求2所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，热电联产机组模型如公式(11)所示：式中：和分别为t时段热电联产机组输出电功率和热功率；η
chp
为热电联产机组电效率；η
l
为热电联产机组耗散率；η
h
为热电联产机组能量转换率；燃气锅炉模型如公式(12)所示：式中：为t时段燃气锅炉输出热功率；为燃气锅炉消耗天然气量；η
gb
为燃气锅炉效率；氢燃料电池模型如公式(13)所示：式中：为输入氢燃料电池氢功率；为氢燃料电池输出电功率η
hfc，e
为氢燃料电池电功率转换效率；电解槽模型如公式(14)所示：式中：为t时段输入电解槽电能；为t时段电解槽输出氢能；η
el
为电解槽能量转换效率；甲烷反应器模型如公式(15)所示：
式中：为t时段甲烷反应器输出天然气功率；η
mr
为甲烷反应器能量转换效率；为t时段输入甲烷反应器氢能；电解水制氢模型如公式(16)所示：式中：为电制氢生成h2量；为电解制氢过程消耗电功率；λ为单位功率转换系数，为2.993；为氢气热值，取12.7mj/m3；储氢模型如公式(17)所示：式中：为t时刻储氢罐氢气总量；为单位时间内储氢罐进气量；为单位时间内储氢罐出气量；和分别为储氢罐进气效率和出气效率。5.根据权利要求2所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，使虚拟电厂成本f最小，考虑各聚合单元约束条件构建优化调度模型，如公式(18)所示：式中，为火电机组煤耗成本、为天然气成本、为电转气设备成本、为碳交易成本、为运输封装二氧化碳成本、为弃风弃光成本；火电机组煤耗成本表达式如公式(19)所示：式中：a
i
、b
i
和c
i
为燃料成本系数；p
gi
为火电功率；天然气成本表达式如公式(20)所示：式中：为单位体积天然气价格；h
ch4
为天然气热值；ε为单位电转热系数；n
chp
和n
gb
分别为燃气轮机和余热锅炉台数；和分别为t时段第j台燃气轮机和第m台锅炉输出电功率与热功率；η
chp,e
，η
gb
和η
p2g
分别为燃气轮机、锅炉和电转气设备效率；为t时段内输入电转气设备电功率；电转气设备成本表达式如公式(21)所示：式中：为购买二氧化碳固定价格；k
p2g
为电转气设备运行成本系数；碳交易成本表达式如公式(22)所示：
式中：k
t
为碳交易价格；δ
h
为碳排放配额系数；二氧化碳封装、运输成本具体表达式如公式(23)所示：式中：ξ
es
为系统运输、封存单位二氧化碳价格；为t时段系统捕集二氧化碳总质量；为电转气设备利用单位电功率制天然气所需二氧化碳量；弃风弃光成本表达式如公式(24)所示：式中：s
wg
为弃风、弃光惩罚系数；和分别为弃风、弃光量。6.根据权利要求2所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，湿垃圾经过电厂内部进行筛分，将筛分后易腐组分进行挤压和厌氧处理，产生清洁的沼气资源供给系统气网；筛分后的其他组分、残渣、污泥同干垃圾一同注入到垃圾池中静置处理，脱除渗滤液后的垃圾进入焚烧炉中进行焚烧，利用焚烧产生的热量给水加热，产生蒸汽送入汽轮机进行发电。7.根据权利要求2所述的考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，其特征在于，所述各聚合单元包括电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束、风电约束、光伏约束、碳捕集系统约束、垃圾焚烧电厂约束、热点联产机组约束、储氢罐约束、电解槽约束、甲烷反应器约束、储气罐约束、氢燃料电池约束；电功率平衡约束、热功率平衡约束、氢功率平衡约束如公式(25)-(27)所示：p
tmtp,h
+p
tgb
+p
thfc,h
＝h
thl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)风电约束如公式(28)所示：式中：p
wind
为风机预测输出；v
f
为风速预测值；p
r
为风电机组的额定输出功率；v
r
、v
ci
、v
co
分别为风电机组发电的额定风速、切入风速、切出风速；光伏约束如公式(29)所示：0<p
tpv
<p
pv,max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)式中：为光伏在t时刻的电出力；p
pv,max
为光伏的最大出力；碳捕集系统约束如公式(30)所示：
式中：p
g,min
、p
g,max
分别为火电厂最小、最大出力；碳捕集系统出力上限；δp
f
为爬坡速率；垃圾焚烧电厂约束如公式(31)所示：式中：δp
r
为爬坡速率约束；为t时刻烟气存储罐储气量；v
hst,max
为储气装置最大容量；为储气装置进出管道最大流量；和分别为t时刻流入、流出储气装置烟气量；热电联产机组约束如公式(32)所示：式中：p
chp,min
、p
chp,max
分别为热电联产机组的最小、最大电出力；h
chp,min
、h
chp,max
分别为热电联产机组的最小、最大热出力；δp
ph
为爬坡速率；储氢罐约束如公式(33)所示：式中：为储氢罐最大进气量；为储氢罐最大出气量；为储氢罐在t时刻储氢量；g
hst,max
为储氢罐最大容量；电解槽约束如公式(34)所示：
式中：p
el,min
、p
el,max
分别为电解槽的最小、最大电消耗功率；δp
el
为爬坡速率；甲烷反应器约束如公式(35)所示：式中：p
mr,min
、p
mr,max
分别为甲烷反应器的最小、最大电消耗功率；δp
mr
为爬坡速率；储气罐约束如公式(36)所示：式中：为储气罐最大进气量；为储气罐最大出气量；为储气罐在t时刻储气量；g
ch4,max
为储气罐最大容量；氢燃料电池约束如公式(37)所示：式中：p
hfc,min
、p
hfc,max
分别为氢燃料电池的最小、最大电出力；δp
hfc
为爬坡速率。

技术总结
本发明一种考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂及其优化运行方法，属于能源系统技术领域；包括火电厂、储液罐和吸收塔构建碳捕集系统，垃圾焚烧电厂、储烟装置和烟气处理装置构建烟气处理系统，以多电厂协调配合构建考虑碳捕集与垃圾焚烧参与的虚拟电厂；在此基础上构建碳捕集-电转气-氢燃料电池子系统，充分利用不同发电产热单元间的耦合关系，采用联合运行策略。本发明可提高可再生能源渗透率，平移可再生能源波动，实现风电、光伏能量时移，提高发电单元利用效率，实现负荷供需平衡与削峰填谷，降低虚拟电厂运行成本，使经济效益得到有效保障。效保障。效保障。


技术研发人员：王秀云 崔本旺 章婉钰 王汝田 焦阳 祝宏斌
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/20