低碳電力調度方式及其決策模型

文/呂羚，國網河南省電力公司漯河供電公司

1 引言

采用全新的電力調度方式，如低碳電力調度，通過對低碳電力調度的合理引入，可在滿足經濟性/公平性與節能性的基礎上，降低二氧化碳排放量，并賦予二氧化碳經濟價值，更好地促進了電力行業的可持續發展。現圍繞低碳電力調度，對其調度方式與決策模型進行以下詳細地分析，具體內容如下。

2 低碳電力調度的背景和內涵剖析

2.1 提出低碳電力調度的背景

中國電力調度經歷了“三公調度”、“經濟調度”、“節能調度”等多種方式的演變。“三公調度”以“公平性”為目標，在確保各類設備發電完成率均勻性的原則下制定發電計劃。“經濟調度”以“經濟性”為目標，以成本等微增率為原則制定發電計劃，考慮了調度中“顯性”的生產與運營成本。“節能調度”則以“節能性”為目標，優先調度可再生電源，并按火電機組能耗和污染物排放水平由低到高依次調用，從而最大限度地減少化石能源的消耗，并降低以SO2為主的污染物排放。

高效節約能源與減排CO2是未來電力調度將面臨的關鍵挑戰；這就要求引入基于低碳經濟、考慮低碳目標、綜合各類低碳要素的新型、科學、高效的電力調度方式，即“低碳電力調度”。

“低碳電力調度”應實現對傳統電力調度方式的繼承和發展;在兼顧“公平性”、“經濟性”、“節能性”的基礎上，深入分析電能生產的CO2排放特性和減排潛力，充分考慮電能的外部成本，確保社會福利的最大化。其概念組成示意性框圖如圖1所示。

2.2 低碳電力調度的內涵剖析

與傳統的調度方式相比，低碳電力調度具有其顯著的特點與內涵，分析如下。

首先，傳統電力調度的關注點都在于電能本身，沒有關注電力CO2排放問題。事實上，碳交易和碳價的引入，將賦予CO2排放經濟價值，使CO2排放成為與電能并列的新型可調度資源。因此，在低碳電力調度中，應同時兼顧電能生產與電力CO2排放，分析兩者的相互關系，實現“電平衡”與“碳平衡”的協調與無縫銜接。

其次，隨著可再生和碳捕集等低碳電力技術的蓬勃發展，將增加電力系統運行中的電源品種，需要深入研究各類元件的電碳關系和技術特性，挖掘發、輸、配、用環節中的CO2減排潛力，在調度運行中最大限度地減少CO2的排放量;碳成本的引入將顯著改變各類電源的發電成本，改變發電序位;碳約束的引入將改變電力調度的決策空間;而CO2減排目標的引入則將提高發電計劃決策的復雜程度。

3 電源的電碳調度特性分析

在低碳電力調度中，除了關注發電計劃之外，還應兼顧相應的CO2排放。因此，分析各類電源在系統調度中的“發電—碳排放”關系，即“電碳調度特性”，無疑是開展低碳電力調度的基礎。以某類電源的發電量g為自變量，以其在發電過程中同時產生的CO2排放量E為因變量，定義因變量與自變量之間的函數關系E=f(g)為電碳特征函數，該函數即描述了該類電源的電碳調度特性。不同類型電源具有不同的電碳特征函數，大致上可分為如下3類。

3.1 近零碳排放電源

近零碳排放電源包括水電、核電與風電等可再生電源。顧名思義，CO2在此類電源電能生產中不排放或僅極低量排放，因而可忽略不計。其電碳特征函數可表示為：E=f(g)=0 ①

3.2 普通化石燃料類電源

普通化石燃料類電源，主要為基于煤炭、石油、天然氣等化石燃料的火力發電廠。在實現從化石能向電能轉換的過程中，化石燃料中的碳基將通過在O2中燃燒形成氣態的CO2，并直接排放到大氣之中。此類電源CO2排放量的計算公式可表示如下：E=Ff ②

式中：F為電源在燃燒過程中所消耗的燃料量;f為該電源所用燃料的CO2排放因子，即為單位燃料充分燃燒所排放的CO2量。此類電源的發電量為：g=Fqη ③

式中：q為該燃料的單位發熱值;η為該類電源的能量轉換效率，即發電效率。

聯立式(2)和式(3)，該類電源的電碳特征函數為：E= g ④

分析式(4)，普通化石燃料類電源在系統調度中的“發電—碳排放”關系可以用“一一對應”的函數式表示。對于不同類別的火電廠，其電碳特征函數將因其燃料類別與發電技術而異。而對于選定了某類燃料的特定發電機組而言，其發電效率η往往會隨著機組發電水平的變化而在一個較小的區間內波動。為了簡化分析，在本文的建模中運用了合理的簡化，認為特定發電機組的η在運行中將一直保持為一定的常數。圖2即描述了此類電源的典型電碳特征函數關系。

圖1 低碳電力調度方式的概念組成

圖2 普通化石燃料類電源的 典型電碳特征函數關系

3.3 碳捕集電廠

在現有發電設備的前提下，合理融入碳捕集系統。該電廠在運行過程中，可對二氧化碳進行分離，并輸送至指定的安全地點，實現污染物質和大氣的有效隔絕。對二氧化碳進行捕集需要消耗大量的能量，電廠對外輸出功率因此大幅降低。

4 低碳電力調度決策模型

基本框架

其基本框架主要包括以下內容：①碳捕集等先進技術的合理應用，大幅增加了電源的品種，需要對電源調度特性進行更為深入的分析和考慮，并將二氧化碳排放當作一種十分重要的資源，進而促使模型決策變量得到有效的擴充；②通過對碳交易等要素的融入，使二氧化碳本身具有了一定經濟價值，并在未來可以成為模型的重要成本，有著十分重要的作用和意義；③通過對強制性減排策略的融入，使調度對應的約束條件得到擴充，有效對調度決策進行協調和平衡。

5 結語

低碳經濟給傳統電力調度方式帶來新的挑戰，要求發展基于低碳經濟、考慮低碳目標、綜合各類低碳要素的新型、高效的低碳電力調度方式。本文在深入剖析低碳電力調度內涵定義的基礎上，描述了不同類別電源的電碳調度特性，并建立了初步的低碳電力調度決策模型。