基于联合储能与灵活性弃电制氢的火电机组零碳改造方法

本发明属于火电机组改造，具体是基于联合储能与灵活性弃电制氢的火电机组零碳改造方法。

背景技术：

1、燃煤火电机组(coal-fired power plant,cfpp)是中国碳排放的主要来源，燃煤火电机组正面临关停或改造的现状。然而，燃煤火电机组在电力系统中发挥着重要的调节作用，高比例的火电机组关停将严重影响电力系统的安全性及运行稳定性。因此，在维持燃煤火电机组稳定供电功能不变的前提下，对现有燃煤火电机组进行脱碳改造是实现电力系统的可持续性及低碳化转型的可行路径。

2、常用的燃煤火电机组脱碳方法是通过碳捕集与封存(carbon capture andstorage,ccs)技术捕获煤炭燃烧排放的二氧化碳，并将其输送到地下矿层储存。有学者[hu，b.and h.zhai(2017)."the cost of carbon capture and storage for coal-firedpower plants in china."international journal of greenhouse gas control 65:23-31.]考虑了火电利用小时数、煤炭价格和碳捕获效率等影响因素对中国cfpp-ccs的概率性成本进行定量评估，结果表明ccs技术的安装将显著增加cfpp的平准化度电成本。也有学者[li，k.，et al.(2023)."impacts of carbon markets and subsidies on carboncapture and storage retrofitting of existing coal-fired units in china."jenviron manage326(pt b):116824.]分析了碳交易价格与补贴政策对中国cfpp-ccs平准化度电成本的影响，研究发现目前中国碳交易价格明显低于ccs技术的单位脱碳成本，因此难以促进cfpp-ccs脱碳改造技术的大规模实际应用。虽然ccs技术可缓解85％-90％的燃煤火电机组碳排放，但其仍然消耗大量煤炭资源，无法缓解资源匮乏问题。

3、另一类燃煤火电机组脱碳方法是基于生物质能共燃技术，其利用生物质能替代部分煤炭，从而降低化石资源消耗量及碳排放强度。有学者[li，j.，et al.(2021)."unit-level cost-benefit analysis for coal power plants retrofitted with biomassco-firing at a national level by combined gis and life cycle assessment."applied energy 285:116494.]分析了中国不同地区的生物质能共燃技术改造燃煤火电机组的成本效益，结果表明火电机组的装机容量及运行年限，以及生物质能的运输距离显著影响该脱碳方法的成本效益。此外，有学者[sammarchi，s.，et al.(2022)."china’s coalpower decarbonization via co2 capture and storage and biomass co-firing:a lcacase study in inner mongolia."energy 261:125158.]研究了生物质能共燃技术与ccs技术共同改造火电机组的环境性能，结果表明混合改造方法可实现更高的碳减排潜力。然而，该改造方法过于依赖生物质能的供应链，难以确保火电机组持续运行的稳定性。

4、另一方面，最直接的火电机组脱碳改造方法是去除锅炉组件并利用可再生能源替代煤炭。有学者[yong，q.，et al.(2022)."retrofitting coal-fired power plants forgrid energy storage by coupling with thermal energy storage."applied thermalengineering 215:119048.]提出利用熔盐电加热器和熔盐储热罐替代锅炉将火电机组改造为电网侧储能，用于协助电网调峰填谷并通过能源套利的运行模式获取收益。然而，该改造方法使火电机组的功能从供电型电源转变为调节型储能，其运行模式将受到电力市场定价机制的影响。此外，利用可再生能源发电技术取代燃煤锅炉，并保持火电机组稳定供电功能不变的脱碳改造方法尚未研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供基于联合储能与灵活性弃电制氢的火电机组零碳改造方法。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于联合储能与灵活性弃电制氢的火电机组零碳改造方法，包括以下步骤：

4、步骤1：构建基于100％可再生能源、熔盐储热-蓄电池联合储能、以及灵活性弃电制氢的燃煤火电机组零碳改造方法的系统结构；

5、步骤2：制定基于燃煤火电机组改造的联合发电系统运行策略；

6、步骤3：基于步骤1及步骤2所述的系统结构及运行策略，建立燃煤火电机组灵活性改造方法的容量配置优化模型；

7、步骤4：利用教学启发式优化算法tlbo对容量配置优化模型进行求解，获取全国各地区不同风光资源及电价水平下的最优燃煤火电机组改造方案，评价该改造方案的技术经济可行性并探究影响其盈利潜力的关键因素。

8、优选的，所述步骤1中，系统结构的构建包括：

9、步骤11：去除燃煤火电机组的锅炉组件，保留其汽轮机组发电模块与新引入的熔盐电加热器、熔盐储热罐构成熔盐储热系统；

10、步骤12：引入风电、光伏可再生能源发电技术替代煤炭提供大量的零碳一次能源；

11、步骤13：基于熔盐储热系统的最小运行阈值约束，引入蓄电池储能协助熔盐储热系统共同调节风电、光伏的出力波动；

12、步骤14：引入电解制氢设备用于消纳大量的弃风弃光电能生产氢气。

13、优选的，所述步骤2中，联合发电系统运行策略包括：

14、当风电、光伏总出力大于发电计划时，蓄电池与熔盐储热系统运行于充电模式消纳多余风电、光伏电能，其中蓄电池优先充电以确保其调节容量及运行灵活性，无法被蓄电池-熔盐储热联合储能消纳的电能则由电解制氢设备转化为氢气，并通过氢能出售；

15、当风电、光伏总出力小于发电计划时，蓄电池与熔盐储热协同运行于放电模式用于补充不足负荷，维持火电机组原有供电功能不变；联合储能协同放电模式中熔盐储热系统优先放电以充分利用其高储能容量，低于熔盐储热系统运行阈值的小尺度负荷则由蓄电池补充。

16、优选的，所述步骤3中，容量配置优化模型以最大化系统的全生命周期净现值为优化目标函数，以风电、光伏、熔盐电加热器、熔盐储热罐、蓄电池、电解储氢设备的额定功率或额定容量为决策变量，并考虑联合系统的100％运行可靠性约束。

17、优选的，所述步骤3中，容量配置优化模型包括：

18、objective＝max npv(pwt,ppv,pbes,cbes,peh,ctes,pel)   (1)；

19、

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、其中，npcwt，npcpv，npcbes，npceh，npctes，npcpc和npcel分别表示各组件的净现成本；δinv.wt，δinv.pv，δinv.bes，δ′inv.bes，δinv.eh，δ′inv.tes和δinv.el分别表示各组件的单位功率或单位容量投资成本；δom.wt，δom.pv，δom.bes，δom.eh，δom.tes，δom.pc和δom.el分别表示各组件的单位运维成本，其通常取为投资成本的2％；pwt，ppv，pbes，peh和pel分别表示各组件的额定功率；cbes和ctes表示蓄电池及熔盐储热的额定容量；revenue表示系统的售电及售氢收入；δele和δh2表示单位电价与单位氢价；ηel表示电解制氢效率；hhv表示氢气的高热值；δaux.el表示电解制氢的附属成本，包括压缩成本、储存成本及运输成本；pcfpp(t)和pel(t)分别表示每时刻的总发电量及制氢量；nlife表示火电机组的运行寿命；t表示仿真时段，通常取为1年；i表示折现率；pcfpp.rated表示火电机组的额定功率。

29、优选的，所述步骤4中，tlbo算法的个体更新算子，包括：

30、xnew＝xold+r(xbest-tfxmean)   (11)；

31、

32、

33、其中，式(11)表示所有个体根据最优个体的决策变量生成新个体；式(12)表示所有个体根据其他个体的差分变量生成新个体；式(13)表示通过适应度值比较及优胜劣汰机制对种群个体进行更新；xnew、xold、xbest分别表示新生成个体、原个体及最优个体；xmean表示所有个体的均值变量；r表示[0,1]间的随机变量；tf表示学习因子，通常取为{1,2}；xm＞xn表示xm相比于xn具有更优的适应度值。

34、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

35、本发明中，采用熔盐电加热器与熔盐储热罐替代锅炉组件将火电机组改造为发电侧储能，引入风电、光伏发电技术提供大量零碳电能，并利用熔盐储热-蓄电池联合储能协同调节风电、光伏的出力波动从而维持火电机组的稳定供电功能，然后利用电解制氢设备将风电、光伏的冗余电能转化为氢气，提高能源综合利用效率及经济收益。

36、本发明中，提出了该火电机组零碳改造方法的容量配置优化模型，以最大化全生命周期净现值(npv)为目标函数，以风电、光伏、蓄电池、电加热器、熔盐储热罐和电解制氢设备的额定功率或额定容量为决策变量，并利用教学启发式优化算法对优化问题进行求解。

37、本发明中，实现了火电机组零碳改造，降低了煤炭资源的消耗，缓解了煤炭资源匮乏问题，实现了电力系统的可持续性及低碳化转型，确保了火电机组持续运行的稳定性。