基于碳氧环流的能源集线器及其优化调度方法

摘要

本发明是一种基于碳氧环流的能源集线器及其优化调度方法，其特点是：碳氧环流的能源集线器包括富氧燃烧电厂、电转气装置、燃气轮机以及风电机组，其中富氧燃烧电厂、电转气装置相连接实现能源互补，形成环状能流；再引入燃气轮机构成电‑气‑热区域综合能源系统，具有碳排放少、投资成本低、能量损失小，同时可最大限度的提高可再生能源利用率与碳利用水平，使经济效益得到有效保障。

权利要求

1.一种基于碳氧环流的能源集线器的优化调度方法，所述碳氧环流的能源集线器包括富氧燃烧电厂、电转气装置、燃气轮机、风电机组，所述富氧燃烧电厂、电转气装置、风电机组相连接实现能源互补，形成环状能流；再引入所述燃气轮机互联构成电‑气‑热区域综合能源系统；所述富氧燃烧电厂包括火电机组、空气分离设备、压缩纯化设备、碳捕集设备、碳排放装置和储氧设备，所述火电机组分别与碳排放装置、压缩纯化设备连接，空气分离设备分别与火电机组、储氧设备连接，压缩纯化设备与碳捕集设备连接；所述电转气装置包括电转氢气装置、电转甲烷装置和储碳设备，所述电转氢气装置与水源连接，电转氢气装置产生的氧气送入相连接的富氧燃烧电厂的储氧设备和火电机组，电转氢气装置转化的氢气送入相连接的电转甲烷装置，所述储碳设备与富氧燃烧电厂的碳捕集设备连接，所述碳捕集直接或间接将二氧化碳送入电转甲烷装置；所述电转气装置的电转甲烷装置将转化的天然气输送至储气设备和燃气轮机，电转甲烷装置产生的热能传输至热负荷；所述燃气轮机分别与天然气源、热负荷、电负荷连接；其特征在于，碳氧环流的能源集线器的优化调度方法的步骤有：在能源集线器的优化调度中，P和H表示系统传输的电能和热能，W表示可再生能源，n表示各介质的物质的量；在参数下标中i、o表示组合系统的输入与输出、c表示能源集线器内部转换的变量、p表示各机组设备所自产的能量，参数上标为气体种类；根据质量守恒定律和能量守恒定理，建立富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统模型；

富氧燃烧电厂阶段质量守恒定律，如公式所示：

其中 表示火电厂燃烧所用的煤耗量， 表示电转气设备所生成的氧气量， 表示空气分离设备所产生的氧气量， 表示二氧化碳回收利用量， 表示剩余未被利用的二氧化碳排放量；

电转气总反应阶段质量守恒定律，如公式所示：

其中 表示电转气在第一反应阶段中用于电解的水， 表示该反应过程中天然气的输出量；

在标准状况下，电转气总反应方程式中的化学计量数还能够体现出各个气体物质的量之间的关系，由质量守恒定律可知，富氧燃烧电厂和电转气设备，反应前后各物质的量的总和不变，增设储能设备，解决时间不对等问题，其电转气总反应阶段仍遵循质量守恒定律，再结合化学计量数与物质的量之间的关系，如公式所示：其中 和 分别表示储碳罐、液氧罐和储天然气罐的气体排放率，正值为进气量，负值为放气量；

在组合系统中，利用质量守恒定理，计算碳排放量 如公式所示；

天然气源与电转气共同为燃气轮机提供能源，基础运行模式的输出电能Po为富氧燃烧电厂净输出电能POFCn与燃气轮机输出电能PGFPP之和，由公式所示：其中 表示单位氧气下富氧燃烧电厂所产生的能量，PASU和PCPU分别表示富氧燃烧系统的空气分离能耗和压缩纯化能耗， 分别表示空气分离装置与碳捕集装置的转化效率， 分别表示制造单位氧气、捕获单位二氧化碳所消耗的电能， 分别表示燃气轮机的电转化效率和热转化效率， 表示外界气源为燃气轮机提供天然气总量，PWT表示风电机组的出力值， 表示电转气转化成每摩尔甲烷所消耗的风能， 表示风电机组的效率；POFC表示基础输出电能由富氧燃烧电厂独立运行所产生的能量，Ei表示天e然气网络输送到燃气轮机设备所转化的能量，η表示剩余可再生能源转化为电能的等效转e

换效率，ηPWT表示组合系统特有的增产能量；

电转气放出热量HP2G与燃气轮机机组输出热能HGFPP之和为基础运行模型的输出热量Ho，如公式所示：h

其中 表示每摩尔甲烷反应所产生的热值，η表示弃风转化为电能的等效转换效率，ηh

PWT表示组合系统特有的增产热量；

使区域综合能源系统中系统运行成本Fg达到最小化，如公式所示：

式中含有火电成本fcfg、风电成本fwt、电转气运行成本fP2G、成本天然气成本fgas、储气运行成本fgs与碳排放成本fct，在碳交易市场中，设置碳排放配额，对于碳排放实行严格管控，超出配额的碳排放将受到惩罚；au、bu、cu分别表示火电机组所消耗的能量特性曲线参数；

Cwt、CP2G、Cgas、 分别为风电机组、电转气设备、气源与碳市场交易的成本系数；

为各储能设备的成本系数；PZ表示火电机组有效发出的电能；Wd表示风电机组实际发出的风能；PWT表示风电机组计划发出的风能； 表示火电机组允许排放的碳额度；

碳氧环流的能源集线器的约束条件，包括空气分离设备出力约束条件、压缩纯化设备出力约束条件、天然气源出力约束条件、电转气出力约束条件、储气装置约束条件、储气容量平衡条件、储气容量极限约束条件、输入与输出流量约束条件。

说明书

基于碳氧环流的能源集线器及其优化调度方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能源系统技术领域，特别是涉及一种基于碳氧环流的能源集线器及其优化调度方法。

背景技术

[0002] 目前，电力行业面临着巨大的低碳减排压力，其中综合能源系统具有明显的低碳减排潜力，已成为国际能源领域的研究热点。国内外学者纷纷展开研究，但大多立足于传统能源集线器。在现有研究成果中，部分学者提出电转气与碳捕集电厂作为统一系统，碳捕集电厂为电转气提供原料二氧化碳，建立协调优化模型，有学者提出电转气和燃气轮机联合系统的概念，将二氧化碳转化成燃气轮机的燃料，建立燃气轮机与电转气组合系统的模型；还有学者将富氧燃烧技术引入电‑气‑热综合能源系统，建立电转气与富氧燃烧电厂的低碳模型。但现有研究中，未出现将富氧燃烧电厂、电转气与燃气轮机三者组合的系统；并且能源集线器仅局限于电、气和热能量的耦合，而未考虑以气体能量流形式传递的输入与输出的模型，忽略了气体的来源与回收，造成额外投资与能量损失等问题。迄今未见与本发明有关的基于碳氧环流的能源集线器及其优化调度方法的文献报道和实际应用。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术的不足，提供一种基于碳氧环流的能源集线器，能够使区域综合能源系统实现能源产供销一体化，有效缓解能源危机问题；碳捕集与封装技术削减碳排放强度，成为缓解气候变化的有效措施；电转气技术为可再生能源的接纳问题提供了新的解决途径，其组合系统能够提高可再生能源消纳的同时兼具降低二氧化碳排放方面的效果。并提供科学合理，适用性强，效果显佳的基于碳氧环流的能源集线器的优化调度方法。

[0004] 实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种基于碳氧环流的能源集线器，特征在于：它包括富氧燃烧电厂、电转气装置、燃气轮机、风电机组，所述富氧燃烧电厂、电转气装置、风电机组相连接实现能源互补，形成环状能流；再引入所述燃气轮机互联构成电‑气‑热区域综合能源系统；所述富氧燃烧电厂包括火电机组、空气分离设备、压缩纯化设备、碳捕集设备、碳排放装置和储氧设备，所述火电机组分别与碳排放装置、压缩纯化设备连接，空气分离设备分别与火电机组、储氧设备连接，压缩纯化设备与碳捕集设备连接；所述电转气装置包括电转氢气装置、电转甲烷装置和储碳设备，所述电转氢气装置与水源连接，电转氢气装置产生的氧气送入相连接的富氧燃烧电厂的储氧设备和火电机组，电转氢气装置转化的氢气送入相连接的电转甲烷装置，所述储碳设备与富氧燃烧电厂的碳捕集设备连接，所述碳捕集直接或间接将二氧化碳送入电转甲烷装置；所述电转气装置的电转甲烷装置将转化的天然气输送至储气设备和燃气轮机，电转甲烷装置产生的热能传输至热负荷；所述燃气轮机分别与天然气源、热负荷和电负荷连接。

[0005] 实现本发明目的采用的技术方案之二是，一种基于碳氧环流的能源集线器优化调度方法，特征在于：

[0006] 1)在能源集线器的优化调度中，P和H表示系统传输的电能和热能，W表示可再生能源，n表示各介质的物质的量；在参数下标中i、o表示组合系统的输入与输出、c表示能源集线器内部转换的变量、p表示各机组设备所自产的能量，参数上标为气体种类；根据质量守恒定律和能量守恒定理，可以建立富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统模型；

[0007] 富氧燃烧电厂阶段质量守恒定律，如公式所示：

[0008]

[0009] 其中 表示火电厂燃烧所用的煤耗量， 表示电转气设备所生成的氧气量，表示空气分离设备所产生的氧气量， 表示二氧化碳回收利用量， 表示剩余未被利用的二氧化碳排放量；

[0010] 电转气总反应阶段质量守恒定律，如公式所示：

[0011]

[0012] 其中 表示电转气在第一反应阶段中用于电解的水， 表示该反应过程中天然气的输出量；

[0013] 在标准状况下，电转气总反应方程式中的化学计量数还可以体现出各个气体物质的量之间的关系，由质量守恒定律可知，富氧燃烧电厂和电转气设备，反应前后各物质的量的总和不变，增设储能设备，解决时间不对等问题，其电转气总反应阶段仍遵循质量守恒定律，再结合化学计量数与物质的量之间的关系，如公式所示：

[0014]

[0015] 其中 和 分别表示储碳设备、液氧设备和储天然气设备的气体排放率，正值为进气量，负值为放气量；

[0016] 在组合系统中，利用质量守恒定理，计算碳排放量 如公式所示；

[0017]

[0018] 天然气源与电转气共同为燃气轮机提供能源，基础运行模式的输出电能Po为富氧燃烧电厂净输出电能POFCn与燃气轮机输出电能PGFPP之和，由公式所示：

[0019]

[0020] 其中 表示单位氧气下富氧燃烧电厂所产生的能量，PASU和PCPU分别表示富氧燃烧系统的空气分离能耗和压缩纯化能耗， 分别表示空气分离装置与碳捕集装置的转化效率， 分别表示制造单位氧气、捕获单位二氧化碳所消耗的电能，分别表示燃气轮机出力做功，其电转化效率和热转化效率， 表示外界气源为燃气轮机提供天然气总量，PWT表示风电机组的出力值， 表示电转气转化成每摩尔甲烷所消耗的风能， 表示风电机组的效率；POFC表示基础输出电能由富氧燃烧电厂独立运行e
所产生的能量，Ei表示天然气网络输送到燃气轮机设备所转化的能量，η表示剩余可再生能e
源转化为电能的等效转换效率，ηPWT表示组合系统特有的增产能量；

[0021] 电转气放出热量HP2G与燃气轮机机组输出热能HGFPP之和为基础运行模型的输出热量Ho，如公式所示：

[0022]

[0023] 其中 表示每摩尔甲烷反应所产生的热值，ηh表示弃风转化为电能的等效转换效h率，ηPWT表示组合系统特有的增产热量；

[0024] 基于区域综合能源系统，建立富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统的优化调度方法，其组合系统的运行方式由各子模块共同决定；输出能量受到输入能源、可再生能源、储能设备、各机组运行约束的影响，对于研究富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合多能源系统的运行机理以及优化调度更加有必要。

[0025] 本发明的一种基于碳氧环流的能源集线器，采用电转气技术把燃气轮机与富氧燃烧电厂相结合，电转气属于关键性元件；电能水解产生的氧气传输至富氧燃烧电厂中，用高浓度的氧气代替空气达到助燃目的，把剩余氧气液化，传输至液氧设备中贮存，当氧气不足时，汽化器将液氧挥发再利用，对氧气进行时空平移；富氧环境有利于二氧化碳的压缩纯化，有利于二氧化碳的捕获与封存，二氧化碳作为原料返送回电转气设备，并在系统中增加储碳设备，有效解决弃风消纳与富氧燃烧运行之间存在的时间不对等问题；捕获的二氧化碳与电能水解产生的氢气反应生成甲烷输送至燃气轮机，为解决电转气技术与燃气轮机存在的时间不对等问题，将天然气汇入储天然气设备中储存；燃气轮机和富氧燃烧电厂输出的电能为电力负荷供电，生成甲烷过程中释放的热量和燃气轮机做功排出的高温烟气可为热力负荷提供热能；将能源锁定在环状的富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统中，充分发挥多能源系统互连的优势；避免了不必要的能量损失与额外投资，其碳排放少、投资成本低、能量损失小，同时可最大限度的提高可再生能源利用率与碳利用水平，使经济效益得到有效保障；其优化调度方法科学合理，适用性强，效果佳。

附图说明

[0026] 图1为本发明的一种基于碳氧环流的能源集线器连接结构示意图；

[0027] 图2为一种基于碳氧环流能源集线器的区域综合能源系统结构框图；

[0028] 图3为一种基于碳氧环流的能源集线器能流图；

[0029] 图4为电能输出范围示意图；

[0030] 图5为热能输出范围示意图；

[0031] 图6为各时段电负荷、热负荷及风电场预测出力曲线示意图；

[0032] 图7为场景1电负荷机组出力图；

[0033] 图8为场景2电负荷机组出力图；

[0034] 图9为场景3电负荷机组出力图；

[0035] 图10为不计风电消纳的富氧燃烧电厂出力图；

[0036] 图11为计及风电消纳的富氧燃烧电厂出力图；

[0037] 图12天然气燃料使用量对比图；

[0038] 图13为储天然气设备变化曲线图；

[0039] 图14为储氧设备变化曲线图；

[0040] 图15为储碳设备变化曲线图；

[0041] 图16为二氧化碳排放量对比图；

[0042] 图17为弃风率对比图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0044] 目前电力行业的碳排放主要来源于燃煤电厂，其导致能源供给与碳排放量之间存在矛盾。本发明主要在改造技术方面进行降低碳排放量的相关研究。采用电转气技术把富氧燃烧电厂与燃气轮机相结合，如图1所示。电转气技术利用电水解产生氢气与氧气。氢气与二氧化碳反应生成甲烷，通过天然气管道输送至燃气轮机。氧气传输至富氧燃烧电厂中，用高浓度的氧气代替空气达到助燃目的，可获得高纯度的二氧化碳流，进一步压缩纯化后实现二氧化碳的捕获封存，并作为原料返送回电转气设备。燃气轮机和富氧燃烧电厂输出的电能为电力负荷供电，生成甲烷过程中释放的热量和燃气轮机做功排出的高温烟气可为热力负荷提供热能。将能源锁定在环状的富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统中，达到能源循环利用。

[0045] 参照图2，本发明的一种基于碳氧环流的能源集线器，在区域级综合能源系统中，将火电机组进行低碳化改造。富氧燃烧电厂主要由空气分离设备、压缩纯化设备和富氧锅炉构成，其机组的能量损耗由火电厂提供。电转气的转换能耗由可再生能源提供。一种基于碳氧环流的能源集线器，它包括富氧燃烧电厂、电转气装置、燃气轮机、风电机组，所述富氧燃烧电厂、电转气装置、风电机组相连接实现能源互补，形成环状能流；再引入所述燃气轮机互联构成电‑气‑热区域综合能源系统；所述富氧燃烧电厂包括火电机组、空气分离设备、压缩纯化设备、碳捕集设备、碳排放装置和储氧设备，所述火电机组分别与碳排放装置、压缩纯化设备连接，空气分离设备分别与火电机组、储氧设备连接，压缩纯化设备与碳捕集设备连接；所述电转气装置包括电转氢气装置、电转甲烷装置和储碳设备，所述电转氢气装置与水源连接，电转氢气装置产生的氧气送入相连接的富氧燃烧电厂的储氧设备和火电机组，电转氢气装置转化的氢气送入相连接的电转甲烷装置，所述储碳设备与富氧燃烧电厂的碳捕集设备连接，所述碳捕集直接或间接将二氧化碳送入电转甲烷装置；所述电转气装置的电转甲烷装置将转化的天然气输送至储气设备和燃气轮机，电转甲烷装置产生的热能传输至热负荷；所述燃气轮机分别与天然气源、热负荷、电负荷连接。电转气技术可以提高风电消纳能力，为可再生能源的利用提供新途径，将剩余风能转换为天然气，输送给燃气轮机用于电能与热能的生产。为解决电转气与燃气轮机存在的时间不对等问题，可增设储气设备，将暂时过剩的天然气汇入储气设备中储存。电转气回收利用富氧燃烧电厂所捕获的二氧化碳，但是只在系统存在弃风时，电转气运行产生甲烷，而富氧燃烧电厂在运行期间时刻都会产生副产品二氧化碳，为了解决二者之间存在的时间不对等问题，将在系统中增加储碳设备，可以节约二氧化碳封装成本与电转气购买高纯度二氧化碳的原料成本。另一方面，空气分离设备实现将空气分离出氧气，供给火电机组。若空气分离设备产生过多的氧气量，只能采取增加火电机组出力，即造成“以氧定电”的情况。为避免这一现象的发生，在低温泵的作用下将电转气所产生的氧气液化，并传输至富氧燃烧电厂的液氧设备中贮存，当使用氧气时可以利用汽化器将液氧挥发成气体。增加储能设备后，充分发挥多能源系统互连的优势。

[0046] 考虑到电转气的能量来源与低碳排放等问题，建立新型能源集线器模型，把气体能量流的传递形式引入能源集线器模型中。新型能源集线器在组合系统中体现，如图3所示。

[0047] 根据质量守恒定律和能量守恒定理，可以建立富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统模型。其中P和H表示系统传输的电能和热能；W表示可再生能源；n表示各介质的物质的量；在参数下标中i、o表示组合系统的输入与输出；c表示能源集线器内部转换的变量；p表示各机组设备所自产的能量；参数上标为气体种类。

[0048] 富氧燃烧电厂阶段质量守恒定律，如式(1)所示：

[0049]

[0050] 其中 表示火电厂燃烧所用的煤耗量； 表示电转气设备所生成的氧气量；表示空气分离设备所产生的氧气量； 表示二氧化碳回收利用量； 表示剩余未被利用的二氧化碳排放量。

[0051] 电转气总反应阶段质量守恒定律，如式(2)所示：

[0052]

[0053] 其中 表示电转气在第一反应阶段中用于电解的水； 表示该反应过程中天然气的输出量。

[0054] 在标准状况下，电转气总反应方程式中的化学计量数还可以体现出各个气体物质的量之间的关系，由质量守恒定律可知，富氧燃烧电厂和电转气设备，反应前后各物质的量的总和不变，增设储能设备，解决时间不对等问题，其电转气总反应阶段仍遵循质量守恒定律，再结合化学计量数与物质的量之间的关系，如式(3)所示：

[0055]

[0056] 其中 和 分别表示储碳设备、液氧设备和储天然气设备的气体排放率，正值为进气量，负值为放气量。

[0057] 根据富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机系统简化能流图，由能量守恒定理可知，富氧燃烧系统中主要出力为火电厂机组，其机组输出电能，如式(4)所示。

[0058]

[0059] 其中 表示单位氧气下富氧燃烧电厂所产生的能量。

[0060] 富氧燃烧系统的空气分离能耗PASU和压缩纯化能耗PCPU的表达式，如式(5)‑(6)所示。

[0061]

[0062]

[0063] 其中 分别表示制造单位氧气、捕获单位二氧化碳所消耗的电能。

[0064] 由于电转气属于高放热反应，其产生的热量可以传输给供热系统，如式(7)所示，电转气将剩余的风电通过电解转化为天然气，如式(8)所示。

[0065]

[0066]

[0067] 其中 表示每摩尔甲烷反应所产生的热值；PWT表示风电机组的出力值； 表示风电机组的效率； 表示电转气转化成每摩尔甲烷所消耗的风能。

[0068] 天然气源与电转气共同给燃气轮机提供能源，机组做功将天然气转化为能量进行利用，燃气轮机输出电、热能的表达式，如式(9)‑(10)所示。

[0069]

[0070]

[0071] 其中 分别表示燃气轮机出力做功，其电转化效率和热转化效率； 表示外界气源为燃气轮机提供天然气总量。

[0072] 在组合系统中，利用质量守恒定理，计算碳排放量 如式(11)所示；

[0073]

[0074] 天然气源与电转气共同为燃气轮机提供能源，基础运行模式的输出电能Po为富氧燃烧电厂净输出电能POFCn与燃气轮机输出电能PGFPP之和，由式(12)所示：

[0075]

[0076] 其中POFC表示基础输出电能由富氧燃烧电厂独立运行所产生的能量；ηePWT表示组e合系统特有的增产能量；η表示剩余可再生能源转化为电能的等效转换效率；Ei表示天然气网络输送到燃气轮机设备所转化的能量；Ps表示储能设备所提供的能量。

[0077] 电转气放出热量HP2G与燃气轮机机组输出热能HGFPP之和为基础运行模型的输出热量Ho，如式(13)所示：

[0078]

[0079] 其中ηh表示弃风转化为电能的等效转换效率；ηhPWT表示组合系统特有的增产热量。

[0080] 使区域综合能源系统中系统运行成本Fg达到最小化，如式(14)所示。其中含有火电成本fcfg、风电成本fwt、电转气运行成本fP2G、成本天然气成本fgas、储气运行成本fgs与碳排放成本fct。在碳交易市场中，设置碳排放配额，对于碳排放实行严格管控，超出配额的碳排放将受到惩罚。

[0081]

[0082] 式中：au、bu、cu分别表示火电机组所消耗的能量特性曲线参数；Cwt、CP2G、Cgas、分别为风电机组、电转气设备、气源与碳市场交易的成本系数； 为各储能设备的成本系数；PZ表示火电机组有效发出的电能；PWT表示风电机组计划发出的风能；
表示火电机组允许排放的碳额度。

[0083] 能源集线器的约束条件，其中包括空气分离设备出力约束条件、压缩纯化设备出力约束条件、天然气源出力约束条件、电转气出力约束条件、储气装置约束条件、储气容量平衡条件、储气容量极限约束、输入与输出流量约束条件。与此同时，要求在一个时间间隔内，两个相邻的储气容量之差等于气体流量；并且统在一个调度周期运行结束后，不计储能设备的进出总量，将其还原到初始值，以便于为下一周期留出足够的调整空间。

[0084]

[0085] 式中： 表示富氧燃烧电厂中空气分离设备所产生的氧气量； 表示其出力上限值。 表示压缩纯化设备在运行过程中二氧化碳的捕集量； 表示其出力上限值。表示外界气源为燃气轮机提供的天然气量； 表示其出力上限值。 表示电转气X
设备的天然气出气流量； 为其出力峰值。S (t)表示储气设备的容量， 与 分别表示储存容量的上下限值； 表示各个储能设备的气体流量； 分别表示气体流量峰值；其中X特指甲烷、二氧化碳与氧气。

[0086] 在所搭建的富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机区域综合能源系统中，节点功率平衡条件、电转气的弃风消纳约束条件以及风电出力峰值，如式(16)所示：

[0087]

[0088] 式中：Lm(t)表示t时段的电负荷；Po1(t)为t时刻火电机组的输出电能；We(t)为t时刻可利用的可再生能源；Wf(t)为t时刻风电机组的预测值；Wd(t)为t时刻风电机组的弃风量；Pwt(t)为t时刻电转气使用风电机组的弃风消纳量；Pwt,min、Pwt,max分别表示电转气消纳弃风的上下限值。

[0089] 富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统首先需要满足电能输出约束，电能输出约束一方面受火电机组与燃气轮机出力的影响，机组输出电能存在上下极限；另一方面，其受可再生能源消纳的约束。结合两种不同条件下的出力约束，系统运行范围如图4所示，外部天然气源为燃气轮机提供独立运行的能量，系统的出力为过原点的线性曲线。当输入相同的天然气能时，随着富氧燃烧电厂的并入与可再生能源的消纳，系统运行曲线逐渐趋于高效性，在系统约束条件的作用下，系统输出电能的范围增大，并在区间范围内灵活运行。

[0090] 富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机系统还需要满足热功率输出约束，由于燃气轮机输出功率存在上下极限，所以燃气轮机出力范围影响系统热功率输出。其次系统热功率输出还受到可再生能源消纳的影响。组合系统还需要满足热功率输出约束，由出力约束同理可得系统热功率运行范围，如图5所示。系统输入相同的天然气能，并与燃气轮机独立运行相比，富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统输出热能的范围增大、运行的灵活性提高。

[0091] 为了验证所述碳氧环流能源集线器的可行性及其优化调度方法的有效性，通过优化软件GAMS中基于内点法的IPOPT求解器优化求解。在富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机组合系统的模型中含有多种参数，为统一参数单位，根据气体摩尔体积公式与理想气体状态方程，将参数值进行标准换算，如表1所示为各机组运行典型参数。

[0092] 表1系统典型参数表

[0093]

[0094] 某地区典型日负荷曲线及风电场预测出力曲线如图6所示。根据系统运行方式的不同设定三个场景，并进行对比分析，分别为：

[0095] 场景1：不考虑电转气装置，将火电厂改造为富氧燃烧电厂与燃气轮机独立运行。

[0096] 场景2：考虑电转气装置，电转气技术把富氧燃烧电厂与燃气轮机相结合，组成联合运行的基础调度模型。

[0097] 场景3：考虑电转气装置，在基础调度模型的前提下，增设多种气体的储能设备，组成联合运行的增容调度模型。

[0098] 本文考虑上述三种场景下系统的运行情况，分析组合系统的优势，具体成本情况如表2所示。

[0099] 表2系统运行成本表

[0100]  场景1 场景2 场景3
富氧燃烧成本/$ 4644.612 4048.457 2469.817
天然气燃料成本/$ 4559.782 2870.61 1148.579
弃风成本/$ 4853.916 1352.656 172.896
二氧化碳排放成本/$ 7719.731 5756.102 3388.775
电转气运行成本 ‑ 5759.136 7086.366
储能设备运行成本/$ ‑ ‑ 4525.431
总成本/$ 21778.04 19786.96 18791.87

[0101] 场景2相对于场景1总成本节约1991.079$，即9.14％，其中碳排放成本显著降低，二氧化碳排放得到有效改善；场景3相对于场景1总成本节约2986.176$，即13.05％，弃风成本大幅减少，弃风消纳效果与灵活运行能力得到有效提高。证明了富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机系统联合运行在低碳经济调度方面的有效性。场景3相对于场景2在总成本上节约995.096$，为消纳更多弃风，电转气出力增加，但由于储能设备提高能源利用率，从而降低系统运行成本。

[0102] 图7为场景1的电负荷机组出力图。由图可知，在场景1中富氧燃烧电厂、燃气轮机与风电分别独立运行供应电负荷，天然气燃料作用于燃气轮机，所产热能用于满足热负荷的需求。各机组分立运行造成不必要的能源浪费与高额成本。

[0103] 图8、图9为场景2、3的电负荷机组出力图。由图可知，在富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合运行模式中，由富氧燃烧电厂、燃气轮机、电转气设备与风电机组共同协调优化，场景2相比场景1可以合理利用可再生能源，有效提高系统的弃风消纳能力。在富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机系统增容运行模式中，场景3相较于场景2消纳更多的弃风。考虑储能设备日平衡情况，储能设备在电负荷低谷时增加净负荷，在电负荷高峰时释放储存能量。并且通过储能设备之间的协调配合，打破“以气定电”的模式。富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合系统将电、气、热能源系统紧密耦合，实现综合能源系统之间优势互补。

[0104] 图10为不计风电消纳的富氧燃烧电厂出力图。由图可知，仅考虑富氧燃烧电厂机组内部出力，忽略其消纳可再生能源所增发量，场景2、3相较于场景1富氧燃烧电厂出力量减少，富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合系统可以有效缓解火电机组供电压力，减少空气分离设备制氧量，降低机组运行过程中产生的损耗。

[0105] 图11为不计风电消纳的富氧燃烧电厂出力图。由图可知，将风电消纳所增产的能源，计入富氧燃烧电厂的出力中，场景2相比于场景1富氧燃烧电厂出力增加，富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合系统提高弃风消纳能力，当用电高峰时，将可再生能源转化为其他形式的能量，以满足用电需求。场景3中增设储能设备，使其在“削峰填谷”方面具有优势，在1‑7点、20‑24点火电低发时期，场景3火电出力大于场景2，在8‑19点火电高发时期，场景3火电出力小于场景2，原因在于富氧燃烧电厂与储氧设备、燃气轮机与储气设备的协调配合，在负荷低谷时，富氧燃烧电厂与燃气轮机消耗更多的能量，用于产生氧气与甲烷并注入储气设备中；在负荷峰值时，机组不再需要消耗过多的能量，利用储存气体进行供能，实现了负荷转移。

[0106] 图12为天然气燃料使用量对比图。由图可知，场景2、3相较于场景1天然气燃料使用量减少，主要原因是场景2、3中将剩余风电再利用，燃气轮机从电转气中获取额外的甲烷，从而减少外购天然气的使用量，节省原料成本。富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合运行为可再生能源的接纳问题提供了新的解决途径。场景3利用储能设备的时空平移特性，进一步提高风电消纳能力。

[0107] 图13‑图15为储能设备变化曲线图。由图可知，于风电的反调峰特性，在电负荷的低谷期，风电出力却处于高峰时段，富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合系统增容模式利用电转气技术的两个反应阶段，消耗储碳，将大量的弃风转化为氧气与甲烷进行存储，提高了系统对可再生能源的消纳能力，有效增加净负荷量，起到“填谷”的作用；在电负荷的高峰期，风电出力处于低谷时段，将储存气体供给富氧燃烧电厂与燃气轮机，并把所捕获的二氧化碳封存，增加出力以减少净负荷量，起到“削峰”作用。这样通过耦合元件和储能设备的协调配合，达到负荷转移的效果，实现二氧化碳减排的目标。

[0108] 图16和图17为二氧化碳排放量对比图和弃风率对比图。由图可知，消纳可再生能源可以将压缩纯化设备捕集到的二氧化碳用于电转气，从而减少二氧化碳的排放量。富氧燃烧电厂‑电转气‑燃气轮机联合系统具有较好的低碳减排特性与弃风消纳特性，再加入储能设备后，碳排放量与弃风率得到显著降低。

[0109] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。