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隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，溫室效應(yīng)與能源問題日益凸顯，大力發(fā)展核電、風(fēng)電、光伏等清潔能源成為解決環(huán)境問題和能源危機(jī)的重要方式。但風(fēng)電、光伏具有間歇性和強(qiáng)波動(dòng)性，目前仍處在小規(guī)模的應(yīng)用階段，而核電因其低碳性與環(huán)保性在電力結(jié)構(gòu)中的比重逐年增大。截至2019年底，全球共有443臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組，總凈裝機(jī)容量為392GWe，發(fā)電量占全球發(fā)電量約10.4%。

在核電占比較高的地區(qū)，核電站因保障其安全性要求以基本負(fù)荷運(yùn)行為主，年利用小時(shí)長，運(yùn)行負(fù)荷率高，基本不參與電網(wǎng)調(diào)峰，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行影響的負(fù)面性隨著核電裝機(jī)容量增大而上升，這無疑加劇了電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，加重了燃煤機(jī)組深度調(diào)峰任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性均造成重大影響。因此，考慮到電網(wǎng)調(diào)峰形勢(shì)越加嚴(yán)峻，使核電積極參與電網(wǎng)日調(diào)峰的需求變得越發(fā)強(qiáng)烈。

目前有關(guān)核電調(diào)峰的研究成果較少，且多以多電源聯(lián)合運(yùn)行緩解電網(wǎng)的調(diào)峰需求為主。相關(guān)文獻(xiàn)所建立的核電調(diào)峰數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡單，核電機(jī)組調(diào)峰深度固定，運(yùn)行方式不夠靈活。同時(shí)，在有的學(xué)者研究文獻(xiàn)中，由于抽水蓄能電站受到地理位置的制約，其與位于負(fù)荷中心的核電站捆綁調(diào)峰存在一定的限制。所以，探索一種易于和核電進(jìn)行調(diào)峰配合且工況轉(zhuǎn)換靈活，相較其他電源在負(fù)荷跟蹤能力上具有明顯優(yōu)勢(shì)的調(diào)峰電源受到了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

近年來，我國正在積極調(diào)整電力結(jié)構(gòu)，但火電作為最大的碳排放源，仍在我國電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。為實(shí)現(xiàn)電力低碳化，將常規(guī)燃煤電廠改造成碳捕集電廠可以有效降低機(jī)組的碳排放量，避免負(fù)荷峰谷差過大。此外，碳捕集電廠與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，具有良好的功率調(diào)整特性，可以與不同類型電源協(xié)調(diào)運(yùn)行。

目前有關(guān)碳捕集電廠配合其他電源參與電網(wǎng)調(diào)峰的研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)碳捕集電廠的運(yùn)行原理、經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行了深入分析，但對(duì)于碳捕集電廠的調(diào)峰能力及“削峰填谷”特性缺少理論研究。

由此可見，以核電機(jī)組和碳捕集機(jī)組等低碳和環(huán)境友好型電源代替碳排放強(qiáng)度較大的燃煤機(jī)組作為可控發(fā)電單元是未來的重點(diǎn)研究方向。同時(shí)，由于風(fēng)電、光伏等清潔能源在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，其預(yù)測(cè)出力的不確定性使模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間存在偏差，分析間歇性電源和負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性顯得尤為重要。

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本與碳排放量，充分挖掘核電機(jī)組、碳捕集機(jī)組與可再生能源聯(lián)合運(yùn)行的潛力，構(gòu)建了考慮風(fēng)電消納效益的風(fēng)、火、核、碳捕集多源協(xié)調(diào)的模糊優(yōu)化調(diào)度模型。

圖1 模糊優(yōu)化調(diào)度模型求解流程

他們首先分析核電機(jī)組的可調(diào)度性，線性化核電調(diào)峰深度，使核電調(diào)峰模型更加精確化；其次，建立綜合靈活運(yùn)行方式碳捕集電廠的數(shù)學(xué)模型，對(duì)碳捕集電廠的“削峰填谷”特性進(jìn)行理論分析；接著引入模糊參數(shù)表征風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性，對(duì)模糊期望約束和模糊機(jī)會(huì)約束進(jìn)行等效處理；最后，通過算例分析風(fēng)、核、碳捕集協(xié)調(diào)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和低碳性，驗(yàn)證了模型的適用性和有效性。

表1 各場景成本比較

研究人員最后認(rèn)為：

1）線性化調(diào)峰深度后，核電機(jī)組調(diào)峰電量更加精確。同時(shí)，核電以日負(fù)荷跟蹤運(yùn)行方式參與電網(wǎng)調(diào)峰，有效緩解了燃煤機(jī)組調(diào)峰壓力，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2）含有存儲(chǔ)單元的分流式碳捕集機(jī)組以綜合靈活運(yùn)行方式參與電網(wǎng)運(yùn)行，可以代替抽水蓄能電站實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，并輔助核電機(jī)組完成調(diào)峰任務(wù)。相比于不含溶液存儲(chǔ)單元的情況，電網(wǎng)總運(yùn)行成本下降1.5%，碳排放量下降14.7%，驗(yàn)證了綜合靈活運(yùn)行碳捕集機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

3）考慮風(fēng)電和負(fù)荷的不確定性后，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的完全消納，且總運(yùn)行成本相比確定性降低1.1%。

本研究所建立的核電機(jī)組連續(xù)調(diào)峰模型并未深入研究放射性污染物的增加量。雖然核電調(diào)峰可以滿足放射性要求，不會(huì)導(dǎo)致放射性排放顯著增加，但對(duì)調(diào)峰運(yùn)行所產(chǎn)生的放射性廢物進(jìn)行量化仍是至關(guān)重要的。下一步研究將討論核電機(jī)組連續(xù)調(diào)峰運(yùn)行對(duì)放射性三廢、維護(hù)維修成本等因素的影響。

本文編自2022年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“計(jì)及風(fēng)電-負(fù)荷不確定性的風(fēng)-火-核-碳捕集多源協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度”，作者為趙冬梅、王浩翔 等。