大規模新能源接入綜合能源系統的背景下，針對傳統背壓式機組的「以熱定電」運行約束及環境污染問題，北京交通大學電力系統保護與控制團隊提出一種考慮光熱電站及富氧燃燒技術的綜合能源系統低碳運行優化方法。
研究背景
環境污染與能源短缺問題加速了低碳化、能源清潔化的全球發展趨勢，為實現「碳達峰、碳中和」的宏偉發展目標，多能互補互濟、多源協同優化綜合能源系統成為緩解能源供需矛盾、提升能源轉化能力的關鍵技術方向。
論文所解決的問題及意義
針對傳統機組的運行約束及環境污染問題，引入富氧燃燒捕集技術對燃氣機組進行改造，配置含熱回收器的光熱電站實現熱電解耦與輔助供能，並結合電轉氣設備、燃氣鍋爐等能量轉換設備組成綜合能源系統，提出一種電熱氣綜合能源系統低碳優化方法。
論文方法及創新點
本文結合已有綜合能源系統運行優化研究基礎，進一步挖掘燃氣機組的低碳靈活運行能力與光熱電站的綜合運行潛力，提高系統的低碳經濟運行水平。創新點如下：
① 引入富氧燃燒捕集技術對燃氣機組進行低碳化改造，並建立富氧燃燒捕集機組的電碳特性方程組與凈輸出功率表達式。此外，富氧燃燒捕集機組與電轉氣設備聯合運行可實現系統內部碳循環，而且可回收電轉氣設備運行中產生高純度氧氣供給富氧燃燒捕集機組以拓寬氧氣來源。
圖1 富氧燃燒捕集機組能流圖
② 考慮到光熱電站與火電類似，引入熱回收器對發電餘熱蒸汽進行回收實現供暖或儲熱，通過控制儲熱功率可保證電熱出力可控以燃氣機組的實現電熱解耦，並使光熱電站類似於傳統機組的「熱電聯供」能力，分析了光熱電站與富氧燃燒捕集機組聯合運行原理。
圖2 光熱電站架構
圖3 光熱電站與富氧燃燒捕集機組聯合供熱原理圖
③計及電轉氣設備的運行特性，回收反應餘熱及產物氧氣，基於化學反應關係建立了可回收反應熱量與氧氣體積和甲烷體積的數學關係，進而構建電轉氣設備數學模型，挖掘了電轉氣設備的運行潛力。
結論
（1）引入富氧燃燒捕集技術與光熱電站可以滿足系統內部的多能需求，實現了多種能量的雙向轉換，提高了系統的運行靈活性，具有較好的減碳效果與經濟性。
（2）配置熱回收器的光熱電站可實現「熱電聯供」，拓展了儲熱系統的儲熱來源，提高了光熱電站的熱能時移能力與能量利用效率；同時，熱回收器與光熱電站結合可實現電站內部的熱能循環流動，提高了其運行靈活性。
（3）燃氣機組引入富氧燃燒捕集技術可提高其出力調節範圍，有效降低碳排量，且其與電轉氣聯合運行可實現系統內部的碳資源循環利用，提高了系統的低碳運行能力。
（4）電轉氣設備具備多種供能潛力，其降碳特性也可提升系統的碳交易收益；同時，當電轉氣運行效率提升時，系統的運行成本與燃氣機組制氧能耗也緩慢下降，說明電轉氣設備運行效率的提升可進一步提升系統的運行經濟效益。
（5）光照條件的變化對光熱電站的供電/熱能力及能量的時移能力具有明顯的影響，從而影響了系統內熱電聯供核心機組的運行計劃，導致系統的購氣量及運行成本發生變化。
團隊介紹
北京交通大學電力系統保護與控制團隊現有教授5名（含IEEE Fellow 1名），副教授6名，高工1名，講師2名，在讀博/碩士研究生100餘名。團隊長期從事智能電網與能源互聯網的運行、保護、控制和恢復相關研究，以及城市電力交通融合系統研究；近年來主持/參加科研項目100餘項，包括國家重點研發計劃12項、國家自然科學基金項目11項；獲2019年度中國電工技術學會科技進步一等獎1項（主持），參與其他省部級獎勵10餘項；累計發表學術論文600餘篇，專利80餘項；組織/參與編製IEEE標準3項均已頒布。
貟韞韻，1994年出生，博士研究生，研究方向為電力與能源系統運行優化。
張大海，1973年出生，通訊作者，教授，博士生導師，研究方向為智能電網、電力系統繼電保護。
王小君，1978年出生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統分析與控制，綜合能源系統優化運行等。
倪平浩，1972年出生，高級實驗師，碩士生導師，研究方向為電氣設備在線監測技術,電力系統繼電保護。
和敬涵，1964年出生，教授，博士生導師，IEEE Fellow,研究方向為電力系統保護與控制、電力系統自愈恢復、主動配電網。
本工作成果已發表在2023年第24期《電工技術學報》，論文標題為「考慮光熱電站及富氧燃燒捕集技術的電熱氣綜合能源系統低碳運行優化」。本課題得到國家自然科學基金項目的支持。
