为碳捕集机组总输出功率；
为碳捕集机组的净输出功率；
为碳捕集机组维持碳捕集设备基本运行的固定能耗；
为碳捕集机组的碳捕集设备捕集能耗；
为碳捕集电厂的烟气分流比；
为高碳机组总出力；
为风电场出力；
为机组产生的二氧化碳总量；
为吸收塔流向储液罐的富液容量；
为碳捕集电厂储液罐释放的富含二氧化碳的溶液量。摘要 为实现“双碳”目标，风电等可再生能源的使用是减少碳排放的根本途径，而碳捕集电厂是降低碳排放的直接手段。但风电具有与生俱来的波动性，风电的骤升骤降会影响碳捕集电厂“电碳耦合”特性，从而对碳捕集效果带来不利影响。而储液罐通过增减自身溶液量可近似地存储释放能量，为解决上述问题提供了可能。该文首先搭建碳捕集电厂数学模型，分析储液罐通过增减溶液量带来的储放能量与碳捕集设备能耗之间的关联，研究储液罐的双向调节能力；然后，提出上爬坡碳超前补偿和下爬坡碳滞后补偿调度策略，双向调节储液罐使碳捕集电厂电碳解耦；接着，构建跟随风电爬坡进行调节的低碳经济调度模型；最后，对含碳捕集电厂、高碳电厂和风电场的电力系统进行仿真，证明所提方法的有效性。
关键词：碳减排 风电爬坡 碳捕集电厂 碳补偿
为实现“双碳”目标，风电等可再生能源的充分利用是减少燃煤、降低碳排放的根本途径，而碳捕集（Carbon Capture System, CCS）电厂是降低碳排放的直接手段[1]。受大自然影响，风、光等新能源有很强的随机性与波动性，很容易发生风电爬坡等不利事件。风电爬坡事件发生时，引发的功率骤升骤降非常不利于充分利用新能源[2-3]。碳捕集设备因其快速响应风电波动的能力，被称作风电的理想适配电源，在促进二氧化碳减排、新能源消纳方面有着重要的作用[4]。因此，当风电爬坡事件发生时，考虑利用碳捕集设备来解决相关问题，不仅可以降低碳排放量，同时能提高风电爬坡时风电的利用率。
目前通过碳捕集电厂来推动碳减排、消纳新能源成为研究基础。文献[5-6]建立碳捕集电厂的综合灵活运行模式来降低碳排放；文献[7]将碳捕集设备和太阳能发热装置结合来推动碳减排、消纳太阳能；文献[8-9]在碳捕集电厂基础上引入了热电联产来消纳风能，利用碳捕集设备以吸收二氧化碳；文献[10]改进传统单碳约束为双碳量约束下的碳捕集电厂配合，更好地参与碳减排；文献[11-12]通过将碳捕集电厂与核电厂联合，碳捕集电厂主要用于吸收二氧化碳和消纳部分弃风；文献[13]采用分时能源电价来影响荷侧，同时碳捕集电厂参与碳减排；文献[14]采用阶梯型碳交易机制来影响荷侧，同时与碳捕集电厂进行源荷低碳互补以促进碳减排、消纳风电。文献[15]考虑富氧燃烧技术下的碳捕集电厂，通过碳捕集电厂与光热电站之间的余热利用和氧气回收促进碳减排。上述研究主要搭建包括分流运行方式和储液运行方式的碳捕集电厂的综合灵活运行模式，利用碳捕集电厂降低碳排放，但并没有考虑风电爬坡事件发生时碳捕集电厂的运行状态。
为了更好地提高新能源利用率，了解风电爬坡等天气下碳捕集电厂如何高效运行非常有必要。文献[16]指出，碳捕集电厂提高机组灵活性时以牺牲捕碳强度为代价，碳捕集效率会下降。因此风电爬坡带来的功率骤升骤降必然会影响碳捕集电厂“电碳耦合”特性。风电爬坡事件时碳捕集电厂如何高效运行成为技术难点。
随着研究进一步深入，重点对于碳捕集电厂的综合灵活运行模式中储液罐的相关特性进行深入研究。首先，储液罐的存储能力可以在一定程度上增大碳捕集电厂的备用容量。文献[17]运用碳捕集电厂的综合灵活运行模式将捕获能耗等同于系统储备容量，分担高碳火电机组的储备压力。文献[18]搭建了基于阶梯碳交易的电转气（Power to Gas, P2G）-CCS虚拟碳捕集电厂模型，利用碳捕集设备储液罐提供更大系统储备容量来消纳部分风电。文献[19]考虑源-荷多时间尺度优化碳捕集电厂旋转备用，利用碳捕集设备提供了更大的系统储备容量，在了解储液罐提升系统储备容量的基础上，研究储液罐溶液量在不同时间段内的存储释放，深入挖掘其能量时移特性。文献[20]主要构建了碳捕集电厂与P2G联合运行的综合能源系统，通过储液罐进行能量时移，实现“削峰填谷”。文献[21]运用碳捕集电厂的综合灵活运行模式将峰值负荷碳排放量大的常规火电机组的输出转移到低负荷，实现“削峰填谷”。上述文献中，并没有考虑风电爬坡事件发生时碳捕集电厂的运行状态，但碳捕集电厂能量时移的特性不仅可以实现“削峰填谷”，对于缓解风电爬坡事件带来的调度压力也有明显优势。因此碳捕集电厂综合灵活运行模式下储液罐的能量时移特性，为解决风电爬坡时碳捕集电厂的运行问题提供了可能。
综上所述，本文在现有研究成果的基础上，为了解决风电爬坡事件发生时存在的碳捕集电厂运行问题，对储液罐进行调度策略研究。提出碳捕集电厂新型调度策略以降低风电爬坡带来的碳减排影响，同时有效改善风电爬坡带来的弃风和切负荷现象。首先，搭建碳捕集电厂数学模型，分析储液罐通过增减溶液量带来的解析塔能耗增减与碳捕集设备能耗之间的关联，研究储液罐的双向调节能力；然后，提出上爬坡碳超前补偿和下爬坡碳滞后补偿调度策略，双向调节储液罐使碳捕集电厂电碳解耦；最后，构建跟随风电爬坡进行调节的碳捕集电厂低碳经济调度模型。
根据碳捕集电厂捕集二氧化碳的方式和时间不同，可以将捕集技术分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧[22]。燃烧后捕集技术是指在火电厂燃烧排放二氧化碳后直接对其进行捕集和分离的技术，是现今最为成熟的碳捕集技术[23]。这种技术手段使用范围广，和火电厂的适配性优良，基本不影响上游发电设备的燃烧过程。本文也采用燃烧后捕集技术来捕集二氧化碳。含碳捕集电厂的能源系统如图1所示。图1中，为碳捕集机组总输出功率；为碳捕集机组的净输出功率；为碳捕集机组维持碳捕集设备基本运行的固定能耗；为碳捕集机组的碳捕集设备捕集能耗；为碳捕集电厂的烟气分流比；为高碳机组总出力；为风电场出力；为机组产生的二氧化碳总量；为吸收塔流向储液罐的富液容量；为碳捕集电厂储液罐释放的富含二氧化碳的溶液量。
图1 含碳捕集电厂的能源系统
Fig.1 Energy systems for carbon-containing capture plants
当火电厂燃烧燃料之后释放二氧化碳，排放的二氧化碳经过烟气旁路，一部分流入吸收塔，与吸收溶液充分接触后被吸收，得到富含二氧化碳的富液，另一部分排放到大气中。经吸收塔吸收的二氧化碳跟随富液流入解析塔进行解析捕捉，捕捉后解析塔将含二氧化碳溶液较少的贫液流回吸收塔以进行之后的吸收工作。此捕捉过程为烟气分流式碳捕集过程[24]。
综合性灵活运行模式是在分流式碳捕集设备的基础上加装储液罐。储液罐可以使吸收塔的吸收过程和解析塔的解析过程近似解耦，通过灵活调节同一时间流入储液罐的富液速率和流出储液罐的富液速率，使吸收塔和解析塔处理的二氧化碳溶液量不同，从而使被捕捉二氧化碳量的调节更加灵活。如图1所示，储液罐通过改变解析塔溶液量大小灵活地改变了解析塔耗能。这种在烟气分流碳捕集装置的基础上同时引入储液罐来灵活调节的运行方式叫做碳捕集设备综合灵活运行模式[25]。
对于传统火电厂来说，改变机组净出力可能需要改变锅炉等设备的出力情况，对系统的影响较大。而对于碳捕集电厂综合灵活运行模式来说，可以通过调节烟气分流比和储液罐流入流出速率对机组净出力进行调节。碳捕集电厂具体数学模型为
（1）
式中，λ为捕集单位二氧化碳的能耗系数；
为机组捕集的二氧化碳量；
为碳捕集电厂储液罐捕捉的二氧化碳量；β为碳捕集效率；
为电厂的碳排放强度；η为再生塔与压缩塔最大工作状态系数；
为火电厂的出力最大值；
为储液罐中富液罐容液量。
储液罐主要通过有机胺[26]来捕集二氧化碳，本文采用一乙醇胺（MEA）这种传统的醇胺溶液来捕集二氧化碳。而二氧化碳以化合物形式存在于醇胺溶液中，需要考虑二氧化碳质量与醇胺溶液体积的关系，根据文献[5]可得具体关系式为
（2）
式中，
与
分别为一乙醇胺与二氧化碳的摩尔质量；q 为再生塔解析量；
为一乙醇胺溶液浓度；
为一乙醇胺溶液密度。
根据碳捕集电厂模型数学公式，可知碳捕集电厂净出力
大小受到捕集二氧化碳量
的影响。碳捕集电厂净出力
的调节如图1可以通过“虚拟储能”来进行调节，而“虚拟储能”最终会影响解析塔解析能耗
。当富液流入储液罐速率大于富液流出储液罐速率时，储液罐富液含量
增多，解析塔解析的富液量下降，此时碳捕集能耗降低，碳捕集电厂净出力增大；当富液流入储液罐速率小于富液流出储液罐速率时，储液罐富液含量减少，解析塔解析的富液量增多，此时碳捕集能耗增多，碳捕集电厂净出力减小。因为当用电处于高峰期的时候，火电厂出力用于满足负荷需求，并不能保证碳捕集设备正常运行，此时可能会造成部分二氧化碳无法捕集，排向大气，对环境造成污染。因此碳捕集电厂综合灵活运行模式经常用来“削峰填谷”，将用电高峰时刻无法捕集的含二氧化碳富液临时存储在储液罐中，待用电低谷时将这些二氧化碳进行捕集，起到削峰填谷的效果，同时降低对环境的污染。
碳捕集设备并不能进行储能，因此碳捕集设备吸收塔和解析塔之间有着很强的耦合联系，从吸收塔流出的富液量一定会原封不动地成为解析塔待解析溶液
。但加装储液罐之后，由于储液罐的临时存储特性及双向调节能力，使得吸收塔和解析塔之间的强耦合关系得到解耦，流入解析塔的待解析溶液
与吸收塔流出的富液量
不同。
储液罐具有一定“储存能量”的特性，因此可以将储液罐作为“虚拟储能”设备使用。碳捕集设备储液罐通过对富含二氧化碳的富液进行存储或释放，近似完成了“虚拟储能”，但储液罐本身并没有任何能量交换。并且储液罐具有一定的双向调节能力，储液罐通过灵活地调节吸收塔流入富液罐的溶液量
和流出富液罐的溶液量，使得流入富液罐的溶液量和流出富液罐的溶液量
产生溶液差，可以灵活地选择存储一定富液量还是排放一定富液量。随着储液罐内溶液量发生变化，从而引起解析塔解析溶液量的变化，最终导致碳捕集电厂净出力发生增大或者减小，体现了碳捕集设备对于系统的双向调节能力。
当风电爬坡事件发生时，很容易引起风电功率在短时间内的剧烈变化[27-28]。而对于碳捕集电厂来说，由于碳捕集设备中储液罐的虚拟储能特性和双向调节能力[29]，其灵活性和快速响应能力都非常契合风电快速波动，同时碳捕集设备的快速调整能力在5 min以内[30]。但快速跟随风电波动响应的能力给碳捕集电厂的捕碳强度带来了一定的影响。因此考虑用碳捕集电厂应对风电爬坡等波动剧烈的特殊气象时，要特别注意对碳捕集电厂“电碳耦合”进行解耦，利用储液罐的虚拟储能性和双向调节能力对碳捕集电厂净出力进行调节，进而利用灵活变化的碳捕集电厂净出力来跟随风电的波动性和随机性。
本文对于风电上爬坡与风电下爬坡采用了不同的调度策略，在满足碳捕集电厂低碳特性的同时降低风电爬坡带来的影响。针对风电上爬坡采用“上爬坡碳超前补偿法”，利用储液罐提前储存“能量”来应对风电上爬坡可能产生的大量富余风电；针对风电下爬坡采用“下爬坡碳滞后补偿法”，利用储液罐延时滞后释放“能量”来应对风电下爬坡可能产生的风电功率不足问题。
对于未加装储液罐的传统碳捕集电厂来说，其跟随风电波动调节能力是有限制的。以上爬坡为例，火电厂的出力情况与碳捕集设备消耗溶液量如图2所示。
图2 风电上爬坡设备出力情况
Fig.2 The output of wind power climbing equipment
如图2所示的风电上爬坡段，风电功率在短时间内骤升，系统为平抑波动下爬坡调节，系统的总下爬坡率为
（3）
式中，
为爬坡时间内碳捕集系统可以提供的最大下爬坡功率；rd为单位时间内火电厂可以提供的下爬坡率；rt为单位时间内储液罐可以提供的爬坡率；
为电负荷功率变化幅值，DL＞0表示电负荷上爬坡，DL＜0表示电负荷下爬坡；DT为爬坡持续时间。
此时的火电厂下爬坡率已经达到最大，并且碳捕集设备也在一定程度上进行了额外的碳捕捉以缓解此处的风电上爬坡。但是很明显系统下爬坡调节并不能够完全消除风电上爬坡带来的影响。在风电上爬坡阶段，碳捕集设备相当于额外的电负荷对过高的风电功率进行调节。
而对于碳捕集设备引入的储液罐来说，灵活的调用其容量可以对碳捕集机组净出力产生一定的影响，从而平抑风电爬坡带来的影响，同时也会带来碳捕集水平的降低。因此针对风电上爬坡，本文提出了“上爬坡碳超前补偿法”，在满足碳捕集水平的同时缓解风电上爬坡带来的影响。
设在t时刻发生了风电上爬坡事件，持续时间
。此时为进一步平抑风电波动，储液罐在
灵活调用，此时系统的总下爬坡率最大值可以表示为
（4）
式中，
为储液罐灵活调用提供的下爬坡率。
根据式（4）和图2可以得出，此时系统的下爬坡率比传统火电厂下爬坡率要更大。因此对于风电上爬坡调度策略下的储液罐动作进行建模分析，具体如下。
（5）
式中，i为火电机组；t为时间；
为弃风量；
为碳捕集电厂储液罐为调节弃风实际调节的溶液量；
为碳捕集电厂储液罐应对弃风预计调节溶液量；
表示是否应对风电爬坡而调用储液罐调节弃风。
在风电上爬坡调度策略中，储液罐提供更多的富液量给解析塔，提高了碳捕集设备的碳捕集能耗，降低了碳捕集电厂净出力，更大程度地消纳风电上爬坡可能产生的弃风量
。但此时调用过多富液量会影响到系统整体的碳平衡，所以需提前对碳捕集设备进行调节，若在
时刻发生风电上爬坡事件，则风电上爬坡前
提前预留一定容量的富液
，用于风电上爬坡时的调节。
该方法在满足碳捕集能力的基础上，为碳捕集电厂提供额外的爬坡调节功率，并不需要增加高昂的储能设备调节，既满足了平抑风电波动的需求又降低了调度总成本和碳排量。
针对风电下爬坡，本文提出了“下爬坡碳滞后补偿法”来对风电下爬坡进行平抑。以下爬坡为例，火电厂的出力情况与碳捕集设备消耗溶液量如图3所示。
图3 风电下爬坡设备出力情况
Fig.3 Output of wind power downhill climbing equipment
图3中，假设时刻发生风电下爬坡事件，持续时间。此时为进一步平抑风电波动，储液罐在灵活调用，此时系统的总上爬坡率最大值可以表示为
（6）
式中，
为爬坡时间内碳捕集系统可以提供的最大上爬坡功率；ru为单位时间内火电厂可以提供的上爬坡率。
根据式（6）可以得出，此时系统的上爬坡率比传统火电厂上爬坡率更大，可以更好地应对风电波动。因此对于风电下爬坡调度策略下的储液罐动作进行建模分析，具体如下。
（7）
式中，
为切负荷量；
碳捕集电厂储液罐为调节切负荷实际调节的溶液量；
为碳捕集电厂储液罐应对切负荷预计调节溶液量；
表示是否应对风电爬坡而调用储液罐调节切负荷。
在此调度策略中，储液罐为了应对风电下爬坡，减少提供给解析塔的富液含量，减小此时的碳捕集能耗，提高碳捕集机组净出力
，尽可能减少风电下爬坡时可能产生的切负荷量。但是此时减少富液供给量可能会给储液罐带来过大的负担，同时对于碳排量的降低不利。所以为了满足碳平衡，对于时刻因风电下爬坡而减少捕捉的二氧化碳溶液量
在储液罐中进行暂时存储，在
时刻对前期暂时存储的二氧化碳溶液量进行解析。
综上所述，为应对风电上爬坡事件，储液罐提前预留富液量进行调节；而为了应对风电下爬坡事件，储液罐滞后对富液量的处理。通过储液罐的灵活调用，在一定程度上降低系统碳排量，且缓解风电爬坡可能带来的影响。
本文模型在降低碳排放的基础上对风电爬坡采取对应的调度策略，在降低碳排量的前提下一定程度上减小弃风和切负荷。本文搭建的碳捕集模型采用分流式捕集和储液式捕集共同参与的综合灵活运行方式。具体调度策略如图4所示。
图4 应对风电爬坡的碳捕集电厂调度策略
Fig.4 Carbon capture power plant dispatch strategy to cope with wind power climbing
当发生风电上爬坡时，如图4风电预测值曲线中右侧点画线框，此时的系统采用“上爬坡碳超前补偿”调度策略，在发生风电上爬坡时提前减小流入解析塔的富液流量
，利用储液罐储存一定量的溶液量，近似将碳捕集能耗进行“存储”。储液罐将提前储存的富液大量向解析塔排放，储液罐与解析塔之间的管道流通量增多，使得解析塔溶液量增多，可以应对风电上爬坡带来的富余风电功率。
当发生风电下爬坡时，如图4风电预测值曲线中左侧点画线框，此时的系统采用“下爬坡碳滞后补偿”调度策略，在发生下爬坡时减小流入解析塔的富液流量
，储液罐与解析塔之间的管道流通量减少，利用储液罐临时储存少流入解析塔的富液，将碳捕集能耗近似“存储”在储液罐中，减小了解析塔能耗消耗以应对风电下爬坡带来的风电功率骤减问题。在风电下爬坡结束后释放富余的溶液量，将临时储存的“虚拟功率”排放出去。
由于本文应对风电爬坡采取的调度策略更加充分地利用了风能，提高了能源利用率，因此整体的碳捕集电厂碳排量会减少。
本文低碳经济目标函数以系统总成本最低为目标，成本函数主要包括火电厂运行成本、弃风惩罚成本、切负荷惩罚成本、碳交易成本及碳捕集设备折旧成本。
（8）
（9）
式中，
为火电厂燃煤成本；
为弃风惩罚成本；
为切负荷惩罚成本；
为碳交易成本；
为碳捕集设备折旧成本；
为第
台火电机组时刻总出力；
、
、
为机组运行成本系数；
为单位弃风惩罚成本；
为时刻弃风量；
为单位切负荷惩罚成本；
为时刻切负荷量；
为单位碳排放成本；
为全天总碳排放；
为第台火电机组碳配额系数；
为折旧率；
为除储液罐以外碳捕集设备的总价格；
为除储液罐以外碳捕集设备折旧年限；
为单位体积储液罐价格；
为碳捕集设备储液罐总体积；
为储液罐折旧年限。
1）综合灵活运行模式下应对风电爬坡的碳捕集电厂约束
储液罐的储液量变化会对碳捕集电厂净出力产生较大影响，本文在传统灵活运行模式碳捕集设备储液罐动作的原理基础上进行改进，碳捕集电厂功率约束及碳平衡容量约束见式（1）和式（2）。针对不同的爬坡情况引入不同的爬坡策略。对于风电上爬坡采用“上爬坡碳超前补偿法”进行调节，对于风电下爬坡采用“下爬坡碳滞后补偿法”进行调节，使得储液罐可以在满足碳捕集强度的同时调节由于风电爬坡带来的弃风及切负荷等不利影响，具体约束为
（10）
式中，
与
分别为时刻碳捕集电厂所装设的贫液存储器与富液存储器容液量；
和
分别为碳捕集电厂装设的富液存储器的初始溶液量与调度周期结束时溶液量；
与
分别为碳捕集电厂装设的贫液存储器的初始溶液量与调度周期结束时溶液量；
与
分别为时刻碳捕集电厂富液罐流出溶液量与流入溶液量；
与
分别为时刻碳捕集电厂贫液罐流出溶液量与流入溶液量。
2）弃风切负荷约束
（11）
式中，
为时刻风电预测出力；
为时刻负荷侧预测用电量；
为时刻风电调度值；
为时刻用户实际电负荷；
为考虑弃风的配额系数；
为考虑切负荷的配额系数。
3）电网约束
电网约束主要包括火电厂出力上下限约束、风电出力上下限约束、负荷上下限约束、火电出力爬坡约束以及旋转备用约束，此类约束为传统电网约束，此处不再过多赘述，具体约束参见文献[31-32]。
本文采用10个火电机组和1个风电场组成的系统进行算例分析。G1、G2火电厂加装碳捕集设备改造成碳捕集电厂，其他8个火电厂为普通高碳电厂，风电场为600 MW风电场。为了更高效地分析风电上爬坡与风电下爬坡对于系统的影响，本文选取两种不同的典型日分别对风电上、下爬坡进行针对性研究。图5中分别为典型日1风电出力曲线、典型日2风电出力曲线和日负荷曲线。
图5 风电与用户负荷日功率曲线
Fig.5 Daily power curves of wind power and user load
根据图5可知，在典型日1的8～11 h发生了较为严重的风电骤升，此时负荷需求变化不太明显，因此发生了较大的风电上爬坡事件；在典型日2的17～19 h发生了较为严重的风电骤降，此时负荷需求较大且调节爬坡程度无法较好跟随，因此发生了较大的风电下爬坡事件。
根据不同典型日、是否对风电爬坡进行调节划分为如下四种情况进行算例分析。
Case1：在典型日1，碳捕集电厂采用综合灵活调用模式，在满足低碳要求下应对风电爬坡产生的弃风和切负荷。
Case2：在典型日1，碳捕集电厂采用综合灵活调用模式，且储液罐对于风电爬坡事件进行上爬坡碳超前补偿和下爬坡碳滞后补偿，在满足低碳要求下应对风电爬坡造成的弃风和切负荷。
Case3：在典型日2，碳捕集电厂采用综合灵活调用模式，在满足低碳要求下应对风电爬坡产生的弃风和切负荷。
Case4：在典型日2，碳捕集电厂采用综合灵活调用模式，且储液罐对于风电爬坡事件进行上爬坡碳超前补偿和下爬坡碳滞后补偿，在满足低碳要求下应对风电爬坡造成的弃风和切负荷。
由于典型日1风电上爬坡现象明显，上爬坡时弃风现象明显，因此本文主要对典型日1风电上爬坡时产生的弃风现象进行研究；由于典型日2风电下爬坡现象明显，下爬坡时产生了切负荷，因此本文主要对典型日2风电下爬坡时产生的切负荷现象进行研究。
典型日1风电调度值对比如图6所示。在典型日1期间，8～11 h（图6虚线框时段）发生风电上爬坡事件时，系统采用“上爬坡碳超前补偿法”应对风电功率骤升可能带来的弃风影响，具体调度结果如图6所示。
图6 典型日1风电调度值对比
Fig.6 Comparison chart of typical daily 1 wind power dispatch values
为了更加清晰地看出上爬坡碳超前补偿调度策略对于风电上爬坡引起的弃风量变化，对8～11 h的风电上爬坡调度结果进行分析，具体调度结果对比如图7所示、典型日1 Case 1与Case 2的储液罐溶液量差值图8所示。
图7 典型日1风电上爬坡时刻调度值对比
Fig.7 Comparison chart of the dispatch value of the climbing time of a typical day 1 wind power
从图7和图8可以看出，在t=8 h时开始，出现了很明显的风电功率骤升。同时可以看出，在8～11 h期间，发生了很大的弃风事件，在这段时间里产生了约82.442 6 MW的弃风量，不利于系统的新能源消纳。
图8 典型日1 Case 1与Case 2的储液罐溶液量差值
Fig.8 The amount difference between the solution of the liquid storage tank of Case 1 and Case2 in typical day 1
为了弥补短时间内风电骤升可能带来的弃风影响，从t=8 h开始至t=11 h，储液罐溶液量明显大幅减少，使得此时解析二氧化碳量增多，从而降低碳捕集电厂净出力，使得更多风电并网，减小此时的弃风量。从图7中可以看出，t=8 h时未调节时富液容量与微调时富液溶液量较为接近，是因为在t=8 h时前需要提前对富液溶液量进行调度，预留了39.56 m3的富液容量，其中t=9 h时储液罐溶液量变化了25.64 m3，t=10 h时储液罐溶液量变化了17.9 m3，t=11 h时储液罐溶液量变化了8.25 m3，而到t=11 h时两种调节方式的溶液量差距越来越大，起到了对弃风的有效补偿。并且因为在风电上爬坡时段消耗的富液量需提前调度得以预留，从而使得系统碳排放趋近于平衡。此调度过程为“上爬坡碳超前补偿调度方式”。虽然在典型日1期间，13～16 h时发生了风电下爬坡事件，但是由于此时并不是用电负荷高峰时刻，所以系统可以调节此时的下爬坡影响，不会产生过多的切负荷，所以对此处的下爬坡切负荷不作过多分析。
经过“上爬坡碳超前补偿法”对系统进行调节后，储液罐容量变化，在满足碳捕集强度的前提下对风电上爬坡时产生的弃风量进行调节。经计算得知，调节后的系统在8～11 h时产生的弃风量为56.419 2 MW，弃风量降低了26.023 4 MW，对提高风电利用率、减少风电弃风起到了积极作用。
典型日2风电调度值对比如图9，在典型日2期间，在17～19 h（图9虚线框时段）发生了风电下爬坡事件，系统采用“下爬坡碳滞后补偿法”应对由于风电功率骤然下降可能产生的切负荷影响，具体调度结果如图9所示。
图9 典型日2风电调度值对比
Fig.9 Comparison chart of typical daily 2 wind power dispatch values
为了更加清晰地看出下爬坡碳滞后补偿调度策略对于风电下爬坡引起的切负荷量变化，对17～ 19 h的风电下爬坡负荷调度结果进行分析，具体调度结果对比如图10所示，储液罐溶液量差值如图11所示。
如图10和图11所示，从t=17 h时开始，风电功率发生了明显的下爬坡。同时可以看出，在17～19 h期间发生了较大的切负荷事件，产生了约162.608 6 MW的切负荷，对系统产生了很大的不良影响。
图10 典型日2风电下爬坡时刻调度值对比
Fig.10 Comparison chart of the dispatch value of the downhill climbing time of wind power on a typical day 2
图11 典型日2 Case 3与Case4的储液罐溶液量差值
Fig.11 The amount difference between the solution of the liquid storage tank of Case 3 and Case 4 in typical day 2
为了弥补短时间内风电骤降所带来的切负荷影响，从t=17 h时刻开始，储液罐存储富液量增多，使得碳捕集系统解析二氧化碳量降低，减小碳捕集能耗，提高机组的净出力水平，从而减小此时段内的切负荷量。在17～19 h时，储液罐溶液量变化为20.73 m3，而临时存储在储液罐中的富液在负荷压力减小后缓慢排出，t=21 h和t=22 h时刻缓慢排出溶液量44.42 m3。如图10所示，在接近19 h的时候，微调时的富液容量曲线渐渐向未调节时的富液容量曲线靠近，是由于此时风电功率变化变缓，未发生明显的风电功率骤降，以此时储液罐不再为降低切负荷量进行调度调节。从此时开始将前面暂存的富液进行排放，使系统碳排放趋于平衡。此调度过程为“下爬坡碳滞后补偿”。
经过“下爬坡碳滞后补偿法”对系统进行调度后，储液罐动作，在不改变碳捕集强度的前提下对风电下爬坡时的切负荷量进行调节，经过“下爬坡碳滞后补偿法”调节后，17～19 h时刻的切负荷总量为126.098 1 MW，切负荷量降低了36.510 5 MW，对提高电厂安全性产生了积极作用。
各场景下的具体调度结果统计见表1，从成本、碳排放量、弃风量及切负荷量等多个角度进行数据结果对比。
表1 多场景系统调度结果
Tab.1 Multi-scenario system scheduling result table
参数数值 Case 1Case 2Case 3Case 4 总成本/$521 031.50520 412.18528 501.84 528 065.80 燃料成本/$539 488.31 538 901.59567 169.48 566 997.99 弃风成本/$842.74573.35197.7898.89 切负荷成本/$8 574.288 558.283 356.373 116.47 碳交易成本/$-118 082.018 1-117 829.216 6-132 429.973 8-132 355.725 9 碳排放量/t6 823.34 6 817.456 920.576 918.86 弃风量/MW84.2757.3319.789.89 切负荷量/MW428.71427.91167.82155.82
由表1可知，本文调度策略在不影响碳捕集电厂碳排量的前提下，有效应对了风电爬坡带来的弃风和切负荷。在典型日1，风电上爬坡时发生了较为严重的弃风现象，Case 2与Case 1相比，碳排量同时降低了5.89 t ；弃风量降低了26.94 MW，降低了约31.96%，；火电厂出力成本下降了589.72 $。由此可得出，采用“上爬坡碳超前补偿”调度策略可在减小碳排放、降低电厂出力成本的前提下，有效消纳弃风，提高新能源利用率。
在典型日2，风电下爬坡时发生了较为严重的切负荷现象，Case 4较Case 3，碳排量降低了1.71 t；切负荷量降低了12 MW，降低了约7.15%；火电厂出力成本下降了236.04 $，总成本下降了171.49 $。可以得出，采用“下爬坡碳滞后补偿”调度策略可在减小碳排放、降低火电厂出力成本的前提下，有效减小切负荷，降低切负荷对于系统的损害。
从上述四个场景中总成本、碳排放量、弃风量和切负荷量的对比可以看出，本文采取的调度策略，在降低系统成本、减小系统碳排放的同时，也可有效地应对风电爬坡事件。
风电爬坡时在容易带来弃风的同时还会给传统火电厂带来较重的爬坡任务。传统火电厂改造为碳捕集电厂和火电厂与电化学储能耦合有相似之处，通过引进响应速度更快更灵活的储能技术解决传统火电厂的爬坡压力。本文通过碳捕集电厂也实现了机组爬坡率的提升，传统火电厂改造成碳捕集电厂后，爬坡率由原来的200 MW/h升高为317 MW/h，火电厂总爬坡率由原来的992 MW/h提升至1 226 MW/h。因此电网整体爬坡率的提升不仅可更快速地响应风电爬坡事件，同时可以使碳捕集电厂分担传统火电厂的爬坡任务。为更清晰地分析电厂出力变化，采用不同的负荷曲线和风电功率进行研究，日负荷曲线和风电功率曲线如图12所示。图13和图14分别对碳捕集电厂和传统火电厂不同调度策略下的出力情况进行对比。
图12 日负荷与风电功率曲线
Fig.12 Daily load and wind power curves
图13 碳捕集电厂出力对比
Fig.13 Comparison of output of carbon capture power plants
图14 传统火电厂出力对比
Fig.14 Comparison of output of traditional thermal power plants
由图13和图14可以看出，在应对风电上爬坡事件时，若采用本文调度策略，碳捕集电厂可以提供较大的下爬坡功率，此时传统火电厂需提供的下爬坡功率非常小。因此在本文调度策略下传统火电厂的下爬坡功率并没有受到影响，碳捕集电厂通过储液罐溶液量变化承担了更多的爬坡任务。
从电网整体来看，碳捕集电厂可有效提升整体爬坡能力，同时将传统火电厂的部分爬坡任务转移到更加灵活的碳捕集电厂中，此时碳捕集电厂承担了更多的爬坡任务，可更快速地对风电爬坡事件进行调度。
风电作为一种丰富且常见的新能源对于减少碳排放量有着重要的意义。对于碳捕集电厂，如何保证碳排放水平稳定并提高风电并网比例是响应国家“双碳”目标、发展可清洁再生能源的重要课题。而碳捕集电厂在有效地减小碳排放的同时可以很好地跟随风电波动。本文构建了综合灵活运行模式下跟随风电爬坡进行调节的碳捕集电厂低碳经济安全调度模型，在满足碳捕集电厂低碳特性的前提下对风电爬坡时可能产生的弃风和切负荷现象进行调节，具体结论如下：
1）在电力系统调度中，采用“上爬坡碳超前补偿法”调度策略应对风电上爬坡所产生的弃风影响有显著效果。采用“上爬坡碳超前补偿法”调度策略的碳捕集电厂相较于普通碳捕集电厂，碳排量降低了0.086%，碳捕集电厂燃料成本降低了0.1%，风电上爬坡阶段的弃风率下降了31.57%，显示出调度策略可以在保证经济性和低碳性的前提下，有效地应对风电上爬坡带来的局部时刻弃风量增大现象。
2）在电力系统调度中，采用“下爬坡碳滞后补偿法”调度策略对于应对风电下爬坡所产生的切负荷影响有显著效果。采用“下爬坡碳滞后补偿法”调度策略的碳捕集电厂相较于普通碳捕集电厂，碳排量降低了0.025%，碳捕集电厂燃料成本降低了0.042%，风电下爬坡阶段的切负荷率下降了22.45%，显示出调度策略可以在保证经济性和低碳性的前提下，有效地应对风电下爬坡带来的局部时段切负荷量增大现象。
总体来看，本文采取的调度策略不仅降低了系统的碳排放量，还可可缓解由风电爬坡带来的不利影响，降低系统调度总成本以及火电厂燃煤成本，减小环境污染，在保证经济性和环保性的前提下，可以进一步提高风能利用率，减小风电爬坡带来的不利影响。
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Abstract With the continuous progress of economy and society, the greenhouse effect problem has been increasingly emerging. In order to achieve the "dual-carbon" goal, the use of renewable energy such as wind power is the fundamental way to reduce carbon emissions, and carbon capturing is a direct method to reduce carbon emissions. Carbon capture power plants are well suited to wind power because carbon capture power plants have fast response speed. However, wind power has inherent volatility, and the sudden rise and fall of wind power will affect electric-carbon coordinated performances of carbon capture power plants. The energy can be stored and released by increasing or decreasing the solution volume in the liquid storage tank of the carbon capture equipment. The ability of energy shifting is called the internal energy time shift characteristics, which provides a way to solve the above problems.
This paper solves the dispatch problem of wind power ramp through the flexible call of liquid storage tanks in carbon capture plants. Firstly, a mathematical model of carbon capture power plants is constructed. The correlation between the storage and release energy brought by the increase and decrease of the solution volume of the liquid storage tank and the energy consumption of the carbon capture equipment is analyzed. Then the bidirectional regulation ability of the liquid storage tank is studied. Secondly, the up-hill carbon advance compensation and down-hill carbon lag compensation dispatch strategies are proposed, and the liquid storage tank is adjusted in both directions to achieve electricity-carbon decoupling of the carbon capture power plant. Before wind power ramp up, by using the up-hill carbon advance compensation dispatch strategy, the desorption of solution is reduced and the solution is stored in the liquid storage tank. When wind power ramp events occur, the solution stored in the liquid storage tank can be desorbed to increase the carbon capture energy consumption. As a result, the net output of carbon capture plants is reduced to match the wind power ramp up. The wind curtailment problem is decreased by using the up-hill carbon advance compensation dispatch strategy. When wind power ramp down, by using the down-hill carbon lag compensation dispatch strategy the desorption of solution volume is reduced and the solution is stored in the liquid storage tank to decrease the carbon capture energy consumption. As a result, the net output of carbon capture plants is increased to match the wind power ramp down. The load cutting problems can be decreased by using the down-hill carbon lag compensation dispatch strategy. After wind power ramp down, the stored solution in the liquid storage tank is lagging desorbed by carbon capture power plants. Finally, a low-carbon economic dispatch model that deals with wind power ramp is constructed and the power systems consisting of carbon capture power plants, high-carbon power plants and a wind farm are simulated to prove the effectiveness of the proposed dispatch strategy.
The simulation results show that the carbon capture power plant using the up-hill and down-hill dispatch strategy can better reduce wind power curtailment and load shedding caused by wind power ramp. From the analysis of the calculation examples, the wind power curtailment rate decreases 31.57% and the load shedding rate decreases 22.45%. When wind power ramp events occur, carbon capture power plants using the dispatch strategy can fully utilize wind power and reduce carbon emissions and costs, and can provide faster and more flexible climbing adjustment capability to undertake climbing tasks.
keywords：Carbon emission reduction, wind power ramp, carbon capture power plants, carbon offset
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230188
中图分类号：TM734
国家自然科学基金项目（62076243）和徐州市科技项目（KC22343）资助。
收稿日期 2023-02-21
改稿日期 2023-06-19
韩 丽 女，1977年生，教授，博士生导师，研究方向为可再生能源发电技术及电网优化调度等。E-mail：dannyli717@163.com（通信作者）
王 冲 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为电网优化调度。E-mail：1445182429@qq.com
（编辑 赫 蕾）