碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行方法及系统

本发明属于电力系统优化运行，具体涉及一种碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行方法及系统。

背景技术：

1、温室气体，特别是二氧化碳(co2)的过量排放导致了日益严峻的全球变暖危机。电力部门的二氧化碳排放量几乎占温室气体排放总量的50％，如何减少能源领域的碳排放一直是一个悬而未决的问题。总体而言，能源领域的脱碳可以通过两种方式实现：1)改造传统燃煤机组，以减少排放并重新利用捕获的二氧化碳；2)提升可再生能源发电的渗透率。

2、就第一方面而言，碳捕集-利用-封存(carbon-capture-utilization-and-storage，ccus)设施最近引起了极大的关注。通常，烟气被送入吸收器与单乙醇胺(monoethanolamine，mea)溶剂反应。然后将co2富集程度较高的mea富溶剂泵送至汽提塔进行再生。最后，纯化的co2将从汽提塔中蒸馏出来，同时co2富集程度较低的mea贫溶剂通过换热器泵入吸收器。考虑到co2存储的高成本和有限的可用空间，电转气(power to gas,p2g)装置被视为设计ccus进行能源系统脱碳的核心技术。p2g技术可以利用捕获的co2作为碳源合成甲烷(ch4)并节省存储空间。然而基于ccus的热电厂的传统模型是一种用于刻画生产过程中能量转换关系的线性简化模型，其原理是将能量转换关系简化为一系列的线性方程，在对ccus系统进行粗略建模时具有一定的合理性。但这种线性简化模型也存在缺陷，主要在于：

3、1)不能准确刻画与co2处理和多能量转换相关的物理化学过程的耦合关系；

4、2)基于ccus的火力发电厂的不精确建模将限制实际系统的可行域，并进一步影响日前优化策略与系统的盈利能力。基于ccus的热电厂最常见组件的线性模型虽然具有一定的优点和应用价值，但难以满足对ccus系统实际运行可行域进一步精准刻画和分析的需求。因此对电力系统运行方案进行日前优化时，有必要考虑ccus装置的物理结构和实际的物理化学过程，对运行可行域进行更详细的建模。

5、对于第二个方面，许多既有工作集中于如何有效地应对分布式能源(distributedenergy resources，ders)的激增，包括光伏(photovoltaics，pvs)和风力发电机(windturbines，wts)。提高可再生能源消纳能力来减少碳排放至关重要，其核心是利用p2g技术消纳过剩的可再生能源，从而为综合能源系统生产ch4。通过ccus系统和ders系统的合作，可以消纳更多的可再生能源，提高系统的经济性，并进一步降低系统级的co2排放。然而，这两个物理系统是彼此独立的。两个物理系统的独立性提高了对隐私信息保护的要求。如何设计一种能源共享交易方式来优化ccus系统和分布式新能源的电力购买协议(powerpurchase agreement,ppa)，并在求解过程中保护个人隐私是一个有待解决的重要问题。由于ccus系统运行建模涉及非线性和非凸物理化学过程，同时考虑到复杂的ccus系统运行子问题和ders系统的不确定性，迭代次数过多将使总求解时间过长。因此有必要建立基于纳什(nash)协商的协同运行模型，设计一种适用于海量异构场景的分布式并行求解算法，以准确、高效地求解ccus系统和分布式新能源的协同运行问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行方法及系统，用于解决ccus系统和ders系统间难于合理进行能源共享交易的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行方法，包括以下步骤：

4、s1、建立包含分布式风力发电机、基于ccus的火力发电厂在内的电-热-气耦合综合能源系统；

5、s2、考虑ccus系统的物理化学特性，建立步骤s1中的基于ccus的火力发电厂的实际运行域模型；

6、s3、针对协同运行场景下，将分布式wts视作一个独立实体，即风力发电聚合器，与基于ccus的火力发电厂签订ppa并分别建立步骤s1所提电-热-气耦合综合能源系统中ccus系统和ders系统的日前协同运行模型，并根据nash协商理论构建ccus系统的能源共享交易框架；

7、s4、基于步骤s2得到的实际运行域模型，对步骤s3分解的ccus系统和ders系统的日前协同运行模型进行求解，得到基于ppa的协同运行场景下的ccus系统日前运行策略。

8、具体的，步骤s1中，基于ccus的火力发电厂包括：火力发电单元、碳捕集单元、碳存储单元和碳利用单元。

9、具体的，步骤s2具体为：

10、s201、针对已有火力发电单元，考虑火电机组最短开停机时间、启停状态、爬坡、旋转备用及出力上下限，构建火力发电机组的运行约束模型；

11、s202、针对已有碳捕集单元，考虑co2在吸收器中被mea溶剂吸收及在汽提塔中从co2富集程度较高的mea富溶剂中被蒸馏的全过程，构建碳捕集单元的物理化学约束模型；

12、s203、针对已有碳存储单元，考虑储罐内压对最大出口/入口气体流量的影响，构建碳存储单元的co2流入/流出约束模型；

13、s204、针对已有碳利用单元，考虑电解槽最大可调容量、旋转备用及功率上下限，构建碳利用单元的燃料合成约束模型；

14、s205、针对步骤s1中的基于ccus的火力发电厂，考虑燃料和运行维护成本、公网的电力交易成本、机组的开停机成本、碳排放成本、合成燃料供应的负收入以及调度周期内上下旋转备用的负收入，构建以经济性为优化目标的目标函数和能量平衡约束。

15、进一步的，步骤s205中，基于ccus的火力发电厂的目标函数：

16、

17、其中，jccus,ind为ccus系统独立运行模式下的优化目标；fg(pttp)为可以拟合成线性近似的火电机组二次燃料费用函数；λnl为火电机组的运维成本；为预测的电力交易的批发市场价格；ptg±分别为ccus系统从公网购买/出售的电力；λsu、λsd分别为火电机组的开/停机成本；λc、λr±分别为碳排放指标、反应合成的ch4、上下旋转备用容量的外部市场价格；

18、能量平衡约束为：

19、

20、其中，为锅炉的电热转换系数，为锅炉在时刻t产生的热量，为1号泵在时刻t的运行功率，为2号泵在时刻t的运行功率，为电解槽在时刻t的电力需求，pttp为火电机组在时刻t的出力，ptg+为ccus系统从公网购买的电力，ptg-为ccus系统向公网出售的电力。

21、具体的，步骤s3具体为：

22、s301、在基于ppa的协同运行场景下，构建以最小化分布式wts总运行成本为优化目标的wta日前协同运行模型；

23、s302、在基于ppa的协同运行场景下，构建以最小化ccus系统总运行成本为优化目标的日前协同运行模型；

24、s303、以最大化降低协同运行成本以及公平分配收益为优化目标，构建系统的能源共享交易框架，通过不等式约束限制wta系统和ccus系统的协同运行成本小于等于彼此独立运行时段，确保nash协商的帕雷托最优；

25、s304、将步骤s303建立的nash协商问题分解成两个可处理的子问题，即sp1:最小化wta系统与ccus系统的总运行成本，sp2:公平分配收益给各个市场参与者。

26、进一步的，步骤s302中，成本函数包括基于ppa的ccus系统的购电支出、燃料和运行维护成本、开停机成本、碳排放成本、合成燃料供应的负收入、调度周期内的上下旋转备用的负收入以及考虑各类场景下的公网电力交易成本。

27、具体的，步骤s4具体为：

28、s401、将步骤s202构建模型中的双线性项方程通过辅助变量变换为两个二次方程，使同时具有双线性约束和二次约束的原始问题统一为二次约束规划问题；

29、s402、考虑参与者隐私及求解效率的重要性，将步骤s401中松弛的协同运行模型进一步分解为一个表示ccus系统收益的主问题和一系列使wta系统收益最大化的并行优化调度子问题，通过ph-bd方法将并行优化调度子问题进一步拆分为基于海量异构场景的结构，令所有子问题都并行解决，完成求解计算，得到基于ppa的协同运行场景下的ccus系统日前运行策略。

30、进一步的，步骤s401中，使用二阶锥松弛来松弛子问题sp1，变为混合整数二阶锥规划问题，通过ascp方法收紧soc松弛。

31、进一步的，步骤s402中，主问题：

32、

33、s.t.bxccus+cxex≤b

34、

35、

36、其中，k为当前迭代的次数，为第k次迭代中第i个子问题的目标值，b、b、c、f、gi分别为各自的系数向量和矩阵，为ccus系统在ascp框架下的优化目标，xccus、分别为内部决策变量的向量，xex、分别为协同运行问题中交互变量的向量，为协同运行模式下第i个wta的运行成本；

37、子问题：

38、

39、

40、ri≥0

41、

42、其中，ρ为松弛变量的惩罚因子，1为一个向量；为第i个子问题的优化目标；di、ri、di、ei分别为各自的系数向量和矩阵；为协同运行模式下第i个wta的运行成本。

43、第二方面，本发明实施例提供了一种碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行系统，包括：

44、构建模块，建立包含分布式风力发电机、基于ccus的火力发电厂在内的电-热-气耦合综合能源系统；

45、运行模块，考虑ccus系统的物理化学特性，建立构建模块中的基于ccus的火力发电厂的实际运行域模型；

46、协同模块，针对协同运行场景下，将分布式wts视作一个独立实体，即风力发电聚合器，与基于ccus的火力发电厂签订ppa并分别建立构建模块所提电-热-气耦合综合能源系统中ccus系统和ders系统的日前协同运行模型，并根据nash协商理论构建ccus系统的能源共享交易框架；

47、输出模块，基于运行模块得到的实际运行域模型，对协同模块分解的ccus系统和ders系统的日前协同运行模型进行求解，得到基于ppa的协同运行场景下的ccus系统日前运行策略。

48、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

49、碳捕集利用封存系统与分布式能源协同运行方法，用于在电力、碳、辅助服务和合成燃料市场下为包含ccus系统和ders系统的综合能源系统提供一种能源共享交易方式，优化两个物理系统间的ppa，以提高系统的新能源消纳能力，降低系统碳排放和运行成本，从而实现分布式求解，并保护用户个人隐私；同时设计一种适用于海量异构场景的分布式并行求解算法，在不影响求解质量的前提下缩减问题规模以提高系统优化运行的计算效率。

50、进一步的，建立包含分布式风力发电机、基于ccus的火力发电厂在内的电-热-气耦合综合能源系统，其结构配置如图3所示。其中，基于ccus的火力发电厂包括：火力发电单元、碳捕集单元(包括吸收器和汽提塔)、碳存储单元和碳利用单元。火电厂在a部分的发电过程中会消耗o2并产生co2排放，然后通过b部分的碳捕集系统进一步净化烟气。冷却到mea溶剂最佳吸收温度下的烟气被送到吸收器进行co2捕集。未反应气体以低硫气体形式在吸收器的顶部排放，而co2富集程度较高的mea富溶剂在底部泵出。由于汽提塔中的解吸过程需要较高的温度，因此设置了一个锅炉，通过利用燃料合成反应产生的余热来确保co2蒸馏所需能量的可用性。在c部分，纯co2从汽提塔的顶部送出，并储存在碳存储系统中。同时，补充的mea溶剂与回收的co2富集程度较低的mea贫溶剂在混合器中混合后一起泵入到吸收器。在此之后，压缩的co2被送往碳利用系统，在sabatier反应器中与电解槽产生的氢气合成甲烷，如d部分所示。反应过程产生的o2用于a部分中燃料的富氧燃烧。

51、进一步的，考虑ccus系统的物理化学特性，根据步骤1p2g装置运行流程及电-热-气综合能源系统能量流动过程，建立基于ccus的火力发电厂的实际运行域模型，是本发明的理论支撑与核心步骤。由于采用了精细化建模思想，通过识别详细的ccus系统结构及与co2处理和多能量转换相关的物理化学过程，在系统约束条件层面：针对火力发电单元，充分考虑火电机组的考虑火电机组最短开停机时间、启停状态、爬坡、旋转备用及出力上下限；针对碳捕集单元，充分考虑co2在吸收器中被mea溶剂吸收及在汽提塔中从co2富集程度较高的mea富溶剂中被蒸馏的全过程；针对碳存储单元，充分考虑储罐内压对最大出口/入口气体流量的影响；针对碳利用单元，充分考虑电解槽最大可调容量、旋转备用及功率上下限。在系统目标函数层面：充分考虑其燃料和运行维护成本、公网的电力交易成本、机组的开停机成本、碳排放成本、合成燃料供应的负收入以及调度周期内上下旋转备用的负收入，构建以经济性为优化目标的目标函数和能量平衡约束。因此相较于传统线性化建模方式，能够较为精确地刻画ccus系统的实际运行域，较大程度上提高ccus系统的运行灵活性。

52、进一步的，充分考虑其燃料和运行维护成本、公网的电力交易成本、机组的开停机成本、碳排放成本、合成燃料供应的负收入以及调度周期内上下旋转备用的负收入，构建以经济性为优化目标的目标函数和能量平衡约束，相较于传统线性化建模方式，能够较为精确地刻画ccus系统的实际运行域，较大程度上提高ccus系统的运行灵活性。

53、进一步的，针对协同运行场景下，将分布式wts视作一个独立实体，即wta，与基于ccus的火力发电厂签订ppa并分别建立步骤s1所提电-热-气耦合综合能源系统中ccus系统和ders系统(以分布式wts系统为例)的日前协同运行模型，并根据nash协商理论，以最大化降低协同运行成本以及公平分配收益为优化目标，构建系统的能源共享交易框架，是本发明的核心算法。建立了基于ccus的火电厂决策优化模型，并结合ccus系统和ders系统的合作优势，进一步开发了基于nash协商的协同运行模型,提高了多元化市场下的盈利能力。此外，将难于处理的nash协商问题分解为两个可处理的子问题，即sp1:最小化wta系统与ccus系统的总运行成本和sp2:公平分配收益给各个市场参与者，可直接推导出问题解析解的表达式，提高系统求解效率。

54、进一步的，在基于ppa的协同运行场景下，构建以最小化ccus系统总运行成本为优化目标的日前协同运行模型，其中成本函数包括基于ppa的ccus系统的购电支出、燃料和运行维护成本、开停机成本、碳排放成本、合成燃料供应的负收入、调度周期内的上下旋转备用的负收入以及考虑各类场景下的公网电力交易成本，能够较大程度上提高ccus系统与ders系统交互的经济性，将ccus系统总运营成本降至最低。

55、进一步的，设计一种改进ascp方法，并结合ph-bd算法，对两个子问题进行求解，得到基于ppa的协同运行场景下的ccus系统日前运行策略，是本发明的核心算法。将模型中的双线性项方程通过辅助变量变换为两个二次方程，使同时具有双线性约束合二次约束的原始问题统一为二次约束规划问题。同时使用soc来松弛子问题sp1，使其变为misocp问题。由于在soc松弛基础上引入凹边界约束以保证求解的精确性及方案的可行性，为寻得最优解，传统基于惩罚的凹凸过程(penalty-based concave and convex procedure，p-ccp)方法为除基本soc约束外的每个非线性约束引入了额外的惩罚变量和方向搜索子问题，使得计算复杂性随着非线性约束的数量而快速增加。由于ascp算法在目标函数中加入惩罚项，将其解作为热启动参数，此后再使用p-ccp方法迭代寻优，因此该过程并未增加计算负担，且保证了socp松弛的精确性。同时，考虑参与者隐私和求解效率的重要性，将sp1中的松弛协同运行模型进一步分解为一个表示ccus收益的主问题和一系列使wta系统收益最大化的并行优化调度子问题。通过ph-bd算法，将子问题进一步拆分为基于海量异构场景的结构，令所有子问题都可以并行解决，以提高系统的求解效率。

56、进一步的，将模型中的双线性项方程通过辅助变量变换为两个二次方程，使同时具有双线性约束和二次约束的原始问题统一为二次约束规划问题。使用soc松弛来松弛子问题sp1，变为misocp问题。通过ascp方法收紧soc松弛以在不造成沉重计算负担的情况下保证求解的精确性与可行性。

57、进一步的，考虑参与者隐私及求解效率的重要性，松弛后的协同运行模型进一步分解为一个表示ccus系统收益的主问题和一系列使wta系统收益最大化的并行优化调度子问题。通过ph-bd算法，将子问题进一步拆分为基于海量异构场景的结构，令所有子问题都可以并行解决，使得在合理的时间范围内完成求解计算。

58、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

59、综上所述，本发明降低系统运行成本，提高多元化市场下的盈利能力；同时适合用于提升海量异构场景下分布式并行求解的计算速度，在不影响求解质量的前提下缩减问题规模以提高系统优化运行的计算效率。

60、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。