综合能源系统中基于电转气和碳捕集系统的热电联产建模与优化研究（Matlab代码实现）

2023-07-11 183

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简介： 综合能源系统中基于电转气和碳捕集系统的热电联产建模与优化研究（Matlab代码实现）

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📋📋📋本文目录如下：🎁🎁🎁

💥1 概述

📚2 运行结果

2.1 不同方案调度比较

2.2 方案二:使用P2G的CHP，不使用CCS和碳交易

2.3 方案三:采用P2G和CCS的热电联产，不进行碳交易

2.4 方案四:热电联产，P2G, CCS和碳交易

🎉3 参考文献

🌈4 Matlab代码、数据、文章讲解

💥1 概述

文献来源：

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摘要：

热电联产（CHP）机组的利用是提高可再生能源适应能力的关键途径。然而，热电联产的碳排放对综合能源系统（IES）的污染和经济优化提出了挑战。为了应对这一挑战，我们提出了一种基于电转气（P2G）和碳捕集系统（CCS）的热电联产新模型和优化调度，通过IES中的最优调度解决了P2G所需的碳源和热电联产的碳排放问题。该模型将CHP，P2G和CCS作为一个整体系统。建立了模型的运行规律，分析了其电、热电、气电和碳的耦合特性。相应地， IES的优化策略考虑了所提出的模型和碳交易机制。由YALMIP和GUROBI建立并求解IES的最优调度模型。我们的方法通过仿真验证。与其他常规模型相比，所提方法增强了可再生能源的容纳能力，降低了IES的碳排放和运营成本。

原文摘要：

Abstract

The utilization of combined heat and power (CHP) units is a key way to enhance renewable energy accommodation. However, carbon emissions of CHP challenge the pollution and economic optimization of integrated energy system (IES). To tackle this challenge, we propose a novel model and optimal dispatch for CHP with power-to-gas (P2G) and carbon capture system (CCS), which solves the problems of the carbon source required for P2G and the CHP's carbon emissions by the optimal dispatch in IES. The model takes the CHP, P2G, and CCS as a whole system. The operation rule of the model is developed, and its coupling characteristics of electric power, heat power, gas power and carbon are analyzed. Correspondingly, the optimization strategy of IES considers the proposed model and carbon trading mechanism. The optimal dispatch model of IES is established and solved by YALMIP, and GUROBI. Our method is verified by simulation. Compared with other conventional models, the accommodation capacity of renewable energy with the proposed method is enhanced, and the carbon emissions and operating costs of IES are also reduced.

面对能源危机和气候变暖问题，可再生能源被广泛用于减少环境污染[1，2]。由于热电联产（CHP）装置提供的热负荷要求，可再生能源适应变得更加严格[3]。同时，化石燃料的板条利用释放出大量的一氧化碳2，这会导致温室效应[4]。IES的优化可以提高可再生能源利用效率和系统运行灵活性[5，6]。改善可再生能源用纳和环境污染迫在眉睫。

蓄热通常用于解耦热电联产机组的电热特性并增强风电调节[7]。在参考文献[8]中，将蓄热、电能储存和电加热器一起应用，以提高热电联产机组的灵活性，以促进风电消纳，但热网对热电联产的响应延迟。在热电联产机组优化调度中考虑了热网输电管道和蓄热的时延特性[9]。但是，当采用蓄热联产方法时，储热输液管道中会造成热量损失，CO会诱发环境污染。2热电联产机组的排放。Refs提出了一种考虑脱碳设备装置和响应需求的热电联产的最优调度模型。[10，11]。虽然 CO2设备减少了排放，增加了运营成本。

为了增强热电联产代替储热的灵活性，电转气（P2G）作为电力系统和天然气系统之间的连接器，可以将电力转换为天然气[12，13]。P2G能量转换和传输的快速响应有助于增强系统的灵活性[14]。由于天然气可以储存在管道中，因此P2G被安排在综合能源系统（IES）的优化中[15]。参考文献[16]研究了采用P2G技术的风力发电适应性。P2G用于将过多的风力发电转换为H2，然后吸收一氧化碳2合成 CH4，这对提高IES的风电消纳和低碳发展也具有重要意义[17，18]。此外，参考文献[19]研究了微型燃气轮机和P2G机组的最佳策略。

在上述研究中，分别基于电热耦合和电-气耦合研究了热电联产和P2G在IES中的影响。然而，很少有学者研究CHP和P2G的组合模型和约束。提出联合循环和电转气储能系统的集成，以提高可再生能源高渗透率的多个能源系统中的发电厂灵活性和经济运行[20]。考虑到多个能源载体（如CHP和P2G）之间的相互作用，实现了互连的电力，天然气和热力系统的最佳调度[21]。然而，在这些研究中，P2G的能量转换需要购买CO2，这带来了碳源成本CO2对于 P2G。

碳捕集系统（CCS）技术广泛应用于燃煤或燃气发电厂[22]。CCS可以捕获一氧化碳2由带电的热电联产装置发射。相当于增加热电联产机组的电力负荷，改善可再生能源用纳，减少热电联产机组的碳排放，对IES来说是一种环境和经济效益[23]。采用CCS和微型燃气轮机的组合来降低CO2参考文献[24]中微型燃气轮机的排放。微型燃气轮机一氧化碳含量较低2 在烟气和碳捕集效率方面比热电联产装置高。CCS和P2G也是为电力和天然气网络中的低碳经济调度而开发的[25]。但是，在此调度模型中，CCS 存储捕获的 CO2并远距离传输到P2G，这需要传输和存储成本。

基于上述分析，我们考虑使用CCS捕获CO2的热电联产到P2G，避免了长距离传输和存储，可以提供一氧化碳2P2G的来源并减少一氧化碳2热电联产的排放。CHP输出降低，因为它的可行范围是由P2G和CCS开发的。因此，我们将CHP，P2G和CCS作为一个整体系统开发。通过这种方式，降低了运行，传输和存储成本，并通过P2G和CCS的CHP增加了环境效益。然而，目前文献中尚未研究热电联产与P2G和CCS的组合模型和约束，以及对能量流和碳流的详细分析。

对于IES的优化，灵活性是有助于风电消纳的关键因素[26]。参考文献 [27，28] 研究了热电联产IES的调度模式，以提高其风电适应能力。在参考文献[29]中，研究了IES的灵活性，并通过具有储热的CHP优化了电力，热力和天然气网络中的能量流。然而，IES的灵活性不足，只有具有蓄热功能的CHP。在P2G和CCS模式下的热电联产中，P2G可以将热电联产的电力消耗成气体，有助于增强灵活性。此外，在参考文献[30]中，P2G应用于IES的优化，但其碳源需要购买。P2G对低碳的贡献没有得到利用。参考文献[31]利用了P2G对火电厂低碳的影响，但整个碳回收是IES优化的不足。由于一些碳配额可以在碳交易市场上出售以增加收益，因此碳交易有利于降低IES的运营成本[32，33]。然而，P2G和CCS尚未发展碳交易。

因此，本文提出一种基于热电联产的IES优化调度模型，结合P2G和CCS模型和碳交易，促进可再生能源调节，降低CO。2排放。在P2G和CCS模式下的热电联产中，基于耦合特性，建立了电力、热功率和燃气功率的可行范围。电力、热力和一氧化碳的关系2还确定了P2G和CCS装置的热电联产排放。

这项工作的贡献如下：

1）我们提出了一种具有P2G和CCS模型的新型热电联产，可以很好地处理电，热和气的功率流，并降低CO2排放。研究了P2G和CCS模式下热电联产的运行特性。

2）建立了基于碳交易和P2G和CCS的热电联产IES优化调度模型。一氧化碳2排放和可再生能源适应受到P2G和CCS热电联产的影响，碳交易降低了运营成本。

3）与其他常规模型相比，风电和光伏（PV）功率的容纳量增加，CO2所提出的方法减少了排放，降低了IES的运行成本。

我们论文的其余部分组织如下。第二部分介绍了该模型，研究了热电联产与P2G和CCS模型的电力、热力和燃气功率之间的耦合关系。第三节建立了IES的最优调度模型，包括目标函数、功率平衡和单元约束。在第四部分中，我们使用数值研究来评估所提出的方法在真实数据下的有效性。结论见第五节。