电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法及系统与流程

本技术涉及电力系统，具体涉及一种电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法及系统。

背景技术：

1、当前电力系统虽已呈现火电、生物质、光伏等多元发电形态并存的发展格局，但各类发电单元在出力特性、调节能力、碳排放水平等方面差异显著，现有电碳耦合方案多仅绑定单一发电形式，未能建立多元发电与碳捕集、碳利用环节之间的协同调度机制，无法充分发挥多元电源互补互济对捕集系统稳定运行的支撑作用。与此同时，农业生产过程产生大量生物质副产物，具备能源化利用潜力，设施农业亦存在增施碳肥、环境调控的实际需求，但农业生产的生物质产出、碳需求与发电侧、碳捕集侧的运行状态相互割裂，未能建立以农业生产效能为导向、统筹发电运行与碳捕集运行的一体化协同调控机制。并且，现有方案在构建发电与碳捕集的协同运行策略时，多未考虑生物质原料热值随季节变化而异的客观规律，亦未将农业生产的环境调控需求纳入优化运行框架，导致发电、捕集、农业生产各环节的调节潜力未能被充分挖掘。因此，亟需一种以农业生产效能为优化目标的多元发电-碳捕集-农业生产联合运行方案，将各环节纳入统一调度框架协同运行。

技术实现思路

1、本技术提供一种电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法及系统，可以解决现有技术中存在的农业生产效能较低技术问题。

2、第一方面，本技术实施例提供一种电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法，所述电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法包括：

3、获取农业生产基础数据和当前季节信息，基于农业生产基础数据构建联合运行优化模型，所述联合运行优化模型以最大化农业生产效能为目标函数；

4、基于所述当前季节信息确定生物质原料的当前热值，根据生物质原料的当前热值建立生物质发电运行约束；

5、以生物质发电运行约束、电力供需平衡约束、多元发电运行约束、碳捕集运行约束、燃料制备约束和农业生产运行约束为约束条件，对联合运行优化模型进行求解，得到多元发电单元、碳捕集单元及农业生产单元的最优运行参数；

6、基于最优运行参数，控制多元发电单元、碳捕集单元以及农业生产单元协同运行。

7、结合第一方面，在一种实施方式中：

8、所述农业生产基础数据包括：各季节各时段农产品的平均售价、农业产品中副产物的占比、各季节农作物的净干物质增量、各季节持续的天数以及各季节的基础负荷数据；

9、所述多元发电单元包括：火力发电单元、光伏发电单元、生物质发电单元和甲醇燃烧发电单元；

10、所述碳捕集单元包括：直接空气捕集单元和烟气碳捕集单元。

11、结合第一方面，在一种实施方式中，所述目标函数的构建具体为：

12、基于各季节各时段农产品的平均售价、农业产品中副产物的占比、各季节农作物的净干物质增量，计算农业生产收益，具体计算为：

13、

14、其中，表示农业生产收益，表示季节、时段内火力发电单元的燃煤消耗量，表示农业产品中副产物的占比，表示季节持续的天数，表示季节农产品的平均售价；

15、计算发电成本，具体计算为：

16、

17、其中，表示发电成本，表示季节、时段内火力发电单元的输出功率，表示火力发电单元的单位发电量的平均燃料消耗量，表示季节的单位燃煤价格，表示季节、时段内用电侧的其它基础负荷，表示季节、时段内基础负荷的用电价格，表示单位时间；

18、计算碳排放成本，具体计算为：

19、

20、其中，表示碳排放成本，表示单位发电量导致的平均烟气排放量，表示季节、时段内烟气碳捕集单元吸收的二氧化碳量，表示季节、时段内直接空气捕集单元吸收的二氧化碳量，表示二氧化碳排放的单位治理成本；

21、计算农业生产基础成本，具体计算为：

22、

23、其中，表示农业生产基础成本，表示农业大棚的体积，表示单位体积的农业大棚的基础运营成本；

24、基于农业生产收益、发电成本、碳排放成本以及农业生产基础成本构建目标函数，所述目标函数具体表示为：

25、

26、其中，表示在整个调度周期内的农业生产净收益，表示时段内农业生产收益，表示时段内发电成本，表示时段内碳排放成本，表示时段内农业生产基础成本。

27、结合第一方面，在一种实施方式中：

28、所述生物质发电单元运行约束包括：生物质发电输出功率约束和生物质原料平衡约束；

29、所述多元发电运行约束包括：火力发电单元运行约束、光伏发电单元出力约束和甲醇燃烧发电单元运行约束，其中，所述火力发电单元运行约束包括启停操作约束、启动与停机次数约束、火力发电输出功率约束和爬坡约束，所述甲醇燃烧发电单元运行约束包括甲醇燃烧发电输出功率约束和甲醇平衡约束；

30、所述碳捕集运行约束包括：烟气碳捕集单元运行约束、直接空气碳捕集系统运行约束、二氧化碳平衡约束和二氧化碳释放约束；

31、所述农业生产运行约束包括：农业大棚热平衡约束、温控系统运行约束、大棚温度约束、大棚二氧化碳平衡约束和农作物产量约束。

32、结合第一方面，在一种实施方式中，所述基于所述当前季节信息确定生物质原料的当前热值，根据生物质原料的当前热值建立生物质发电运行约束，包括：

33、基于各季节生物质原料的含水率数据，按照含水率高低将生物质原料划分为高含水、中含水、低含水三个热值等级，并分别确定各热值等级对应的单位热值；

34、根据当前季节确定各热值等级生物质原料的占比，以确定生物质原料的当前热值；

35、根据生物质原料的当前热值建立生物质发电运行约束；

36、其中，所述生物质发电单元运行约束具体为：

37、

38、

39、其中，表示季节、时段内生物质发电单元的输出功率，表示季节、时段内生物质发电单元消耗的生物质原料的总热值，表示生物质发电单元的转换效率，表示生物质发电单元的最大输出功率；

40、所述生物质原料平衡约束具体为：

41、

42、

43、其中，表示季节、时段内生物质原料的消耗量，表示高含水生物质原料的单位热值，表示季节高含水生物质原料的占比，表示中含水生物质原料的单位热值，表示季节中含水生物质原料的占比，表示低含水生物质原料的单位热值，表示季节低含水生物质原料的占比，表示季节持续的天数，表示季节、时段内农业大棚内农作物的净干物质增量，表示农业产品中副产品的占比。

44、结合第一方面，在一种实施方式中：

45、所述启停操作约束具体为：

46、

47、其中，表示季节、时段内火力发电单元的启动操作变量，取1时表示执行启动操作，表示大m常数，表示季节、时段内火力发电单元的运行状态变量，取1时表示运行中、取0时表示停机，表示季节、时段内火力发电单元的运行状态变量；

48、所述启动与停机次数约束具体为：

49、

50、

51、

52、其中，表示火力发电单元一天的启动次数上限，表示季节、时段内火力发电单元的停机操作变量，取1时表示执行停机操作，表示火力发电单元一天的停机次数上限；

53、所述火力发电输出功率约束具体为：

54、

55、其中，表示火力发电单元出力的下限，表示季节、时段内火力发电单元的输出功率，表示火力发电单元的安装容量，表示火力发电单元出力的上限；

56、所述爬坡约束具体为：

57、

58、其中，表示季节下火力发电单元的单位装机容量的最大爬坡率，表示季节、时段内火力发电单元的输出功率；

59、所述光伏发电单元出力约束具体为：

60、

61、其中，表示季节、时段内光伏发电单元的输出功率，表示光伏发电单元的最大出力，表示季节、时段内平均光照强度系数；

62、所述甲醇燃烧发电输出功率约束具体为：

63、

64、

65、其中，表示季节、时段内甲醇燃烧发电单元的输出功率，表示季节、时段内甲醇燃烧发电单元消耗的甲醇量，表示甲醇燃烧发电单元的发电效率系数，表示甲醇燃烧发电单元的最大输出功率；

66、所述甲醇平衡约束具体为：

67、

68、

69、其中，表示季节、时段内制备的甲醇量，表示辅助时间变量，表示一个典型日内的最后一个时段。

70、结合第一方面，在一种实施方式中：

71、所述烟气碳捕集单元运行约束具体为：

72、

73、

74、其中，表示季节、时段内烟气碳捕集单元吸收的二氧化碳量，表示烟气捕集二氧化碳的比例系数，表示烟气碳捕集单元消耗的功率，表示烟气碳捕集单元捕集单位量的二氧化碳所消耗的能量；

75、所述直接空气碳捕集系统运行约束具体为：

76、

77、

78、其中，表示季节、时段内直接空气捕集单元吸收的二氧化碳量，表示直接空气捕集单元可以吸收的二氧化碳量，表示季节、时段内直接空气捕集单元吸收二氧化碳的功率，表示季节、时段内直接空气捕集单元的吸收运行状态变量，表示直接空气捕集单元吸收二氧化碳的最大功率；

79、所述二氧化碳平衡约束具体为：

80、

81、其中，表示季节、时段内直接空气碳捕集系统向农业大棚内释放的二氧化碳量，表示季节、时段内制备甲醇消耗的二氧化碳；

82、所述二氧化碳释放约束具体为：

83、

84、

85、其中，表示季节、时段内向农业大棚释放二氧化碳的功率，表示季节、时段内直接空气捕集单元的释放运行状态变量，表示向农业大棚释放二氧化碳的最大功率，表示直接空气捕集单元可以释放的二氧化碳量。

86、结合第一方面，在一种实施方式中：

87、所述农业大棚热平衡约束具体为：

88、

89、其中，为农业大棚的体积，为空气密度，表示空气比热容，表示季节、时段内农业大棚内的温度，表示季节、时段内农业大棚内的温度，表示农业大棚的导热面积，表示季节、时段内的外部温度，表示季节、时段内农业大棚内农作物的产热量，表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制热量；表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制冷量；

90、所述温控系统运行约束具体为：

91、

92、

93、

94、

95、

96、其中，表示温控系统的制热性能系数，表示温控系统的制冷性能系数，表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制热功率，表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制冷功率，表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制热运行状态变量，表示季节、时段内农业大棚的温控系统的制冷运行状态变量，表示温控系统的最大运行功率；

97、所述大棚温度约束具体表示：

98、

99、其中，表示季节时农业大棚内的温度下限，表示季节时农业大棚内的温度上限；

100、所述大棚二氧化碳平衡约束具体为：

101、

102、

103、其中，表示季节、时段内农业大棚内的二氧化碳浓度，表示季节、时段内农业大棚内的二氧化碳浓度，表示季节、时段内农业大棚内作物光合作用消耗的二氧化碳量，表示季节、时段内农业大棚内作物呼吸作用释放的二氧化碳量，表示季节、时段内农业大棚内二氧化碳浓度的下限，分别表示季节、时段内农业大棚内二氧化碳浓度的上限；

104、所述农作物产量约束具体为：

105、

106、

107、

108、

109、

110、

111、其中，表示季节、时段内农业大棚内农作物的净干物质增量，表示季节、时段内农业大棚内农作物光合作用的干物质增量，表示季节、时段内农业大棚内农作物呼吸作用的干物质消耗量，表示光合作用的温度衰减系数，表示温度差分段的温度偏差值，表示光合作用的二氧化碳增产系数，表示光合作用的基准干物质增量，表示基准二氧化碳浓度，表示温度对呼吸作用的影响系数，表示二氧化碳对呼吸作用的影响系数，表示呼吸作用的基准干物质消耗量，表示基准温度，表示季节、时段内农业大棚内温度与最佳温度间的差值，表示光合作用的最佳温度，表示温度差分段的下限温度，表示温度差分段的下限温度，表示最后一个温度差分段，表示特殊有序集约束；

112、所述燃料制备约束具体为：

113、

114、

115、

116、其中，表示季节、时段内甲醇制备消耗的功率，表示季节、时段内制备的甲醇量，表示制备单位量的甲醇消耗的电量，表示制备甲醇的最大功率，表示二氧化碳制备甲醇的转化系数；

117、所述电力供需平衡约束具体为：

118、

119、其中，表示季节、时段内甲醇燃烧发电单元的输出功率，表示季节、时段内用电侧的其它基础负荷。

120、结合第一方面，在一种实施方式中：

121、基于季节特性和时段特性，输入各季节的气温特性、光照强度特性和基础负荷特性数据，以电力供需平衡约束、多元发电运行约束、碳捕集运行约束、燃料制备约束和农业生产运行约束为约束条件，对所述目标函数进行求解，得到多元发电单元的最优出力方案、碳捕集单元的最优运行方案以及农业生产单元的最优控制方案；

122、根据所述最优出力方案，控制多元发电单元中各发电单元的启停状态和出力大小，以及控制各发电单元之间的功率分配；

123、根据所述最优运行方案，控制烟气碳捕集单元对火力发电单元排放的烟气进行碳捕集，控制直接空气碳捕集系统在吸收状态与释放状态之间切换运行，并将捕集的二氧化碳分配至燃料制备和农业大棚增碳；

124、根据所述最优控制方案，控制燃料制备单元的制备速率，将捕集的二氧化碳制备为燃料，并将制备的燃料存储后供给多元发电单元进行发电，并控制农业生产单元内的温控系统在制热状态与制冷状态之间切换运行以调节大棚内温度，同时控制碳捕集单元向大棚内释放二氧化碳的量以调节大棚内二氧化碳浓度，使大棚内温度和二氧化碳浓度保持预设范围内。

125、第二方面，本技术实施例提供了一种电碳协同的多元发电捕集生产联合运行系统，基于上述任一实施例所述的电碳协同的多元发电捕集生产联合运行方法运行，所述电碳协同的多元发电捕集生产联合运行系统包括：

126、用于提供电力输出的多元发电单元，包括火力发电单元、光伏发电单元、生物质发电单元和甲醇燃烧发电单元；

127、用于捕集二氧化碳的碳捕集单元，包括直接空气捕集单元和烟气碳捕集单元，所述火力发电单元排放的烟气经所述烟气碳捕集单元捕集二氧化碳，所述直接空气捕集单元捕集大气中的二氧化碳；

128、燃料制备单元，用于利用所述碳捕集单元捕集的二氧化碳制备燃料，并将制备的燃料供给所述多元发电单元；

129、农业生产单元，包括农业大棚及设置于农业大棚内部的温控系统和二氧化碳释放装置，所述农业生产单元产出的生物质副产物供给所述生物质发电单元进行发电；

130、其中，所述碳捕集单元捕集的二氧化碳一部分经所述二氧化碳释放装置送入所述农业大棚内以调节大棚内二氧化碳浓度，另一部分送入所述燃料制备单元制备甲醇，制备的甲醇供给所述甲醇燃烧发电系统进行发电。

131、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

132、本技术实施例通过将最大化农业生产效能作为目标函数构建联合运行优化模型，统筹优化多元发电单元、碳捕集单元及农业生产单元的运行参数，实现农业生产效能的最大化。本技术实施例基于当前季节信息确定生物质原料的当前热值，据此建立生物质发电运行约束，使得生物质发电运行更符合实际燃料特性，进而提升生物质利用效率。本技术实施例以生物质发电运行约束、电力供需平衡约束、多元发电运行约束、碳捕集运行约束、燃料制备约束和农业生产运行约束为约束条件，对联合运行优化模型进行求解，得到多元发电单元、碳捕集单元及农业生产单元的最优运行参数，火电、光伏、生物质等多元发电形式纳入统一优化框架执行协同调度，利用各类电源出力特性的互补性，支撑碳捕集单元及农业生产单元的能量需求，降低单一发电形态出力波动对碳捕集和农业生产耦合运行系统的干扰，同时，使碳捕集单元运行不脱离发电实际工况及农业实际碳需求，稳定碳捕集运行条件。