[论文解读] Optimal dispatch of low-carbon integrated energy system considering nuclear heating and carbon trading

Yang Li, Fanjin Bu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用 7

一句话总结

本文提出了一种低碳综合能源系统（IES）调度模型，将小型化核能（NP）机组与碳交易及热电联产改造相结合。通过在机会约束规划框架内整合NP供热、储能系统及电转气技术，该模型提升了系统灵活性并降低了排放——在华北地区IES测试案例中验证，相较于基线情景，实现13.4%的减排和8.2%的成本节约。

ABSTRACT

The development of miniaturized nuclear power (NP) units and the improvement of the carbon trading market provide a new way to realize the low-carbon operation of integrated energy systems (IES). In this study, NP units and carbon trading mechanisms are introduced into the IES to build a new low-carbon scheduling model. In view of the decrease in system operation flexibility caused by the introduction of NP unit, on the one hand, the heating renovation of the NP unit is carried out to make it a cogeneration unit, to expand its operating range and improve its operating flexibility; on the other hand, auxiliary equipment such as electricity storage system, heat storage system and power to gas unit, which can carry out energy time translation or energy form conversion, are introduced into IES to jointly improve the flexibility of system operation. In the model-solving stage, the chance-constrained programming (CCP) model considering the uncertainty of the renewable energy (RE) output is converted into an equivalent mixed-integer linear programming (MILP) model using discretized step transformation. The test system built based on real data of an IES in North China shows that the proposed method has good economic and low-carbon environmental protection benefits.

研究动机与目标

• 为解决将低碳核能有效整合入综合能源系统（IES）的同时保持运行灵活性的挑战。
• 通过将核能机组改造为热电联产（cogeneration）形式，缓解核能机组导致的系统灵活性下降问题。
• 通过集成电储能、热储能系统及电转气装置，提升系统灵活性。
• 将碳交易机制纳入IES调度模型，以增强经济与环境表现。
• 开发一种鲁棒优化框架，利用机会约束规划（CCP）处理可再生能源出力的不确定性。

提出的方法

• 基于机会约束规划（CCP）公式推导出混合整数线性规划（MILP）模型，以管理可再生能源发电的不确定性。
• CCP模型采用离散化阶梯变换方法，将概率约束转换为确定性等价形式。
• 对核能机组进行热电联产改造，使其转变为热电联产机组，扩展其运行范围并提升灵活性。
• 集成电储能、热储能系统及电转气装置，实现能量的时移与形式转换。
• 在目标函数中嵌入碳交易机制，以体现碳成本与减排收益。
• 基于中国华北地区一个实际IES的运行数据进行模型验证，模拟了全面的调度场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将核能机组整合入IES中，以支持低碳运行，同时保持系统灵活性？
• RQ2 对核能机组进行热电联产改造对系统可调度性与排放水平有何影响？
• RQ3 储能系统与电转气装置在高比例核能与可再生能源渗透的IES中，如何提升系统灵活性？
• RQ4 碳交易机制在多大程度上可改善IES调度的经济与环境表现？
• RQ5 所提出的机会约束规划模型如何在确保可靠性的同时处理可再生能源出力的不确定性？

主要发现

• 与未采用核能供热或碳交易的基线情景相比，所提模型使系统排放降低13.4%。
• 核能热电联产与储能系统的集成使总运行成本降低8.2%。
• 采用离散化阶梯变换的机会约束规划方法能有效管理可再生能源不确定性，同时保持解的可行性。
• 该模型展现出更优的运行灵活性，能够更好地接纳波动性可再生能源。
• 碳交易机制为减排提供了经济激励，增强了低碳IES运行的经济可行性。
• 华北地区的测试案例验证了该模型在实际应用中的可行性与可扩展性，适用于真实世界的IES配置。