低碳電力調(diào)度方式及其決策模型

文/呂羚，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司漯河供電公司

1 引言

采用全新的電力調(diào)度方式，如低碳電力調(diào)度，通過(guò)對(duì)低碳電力調(diào)度的合理引入，可在滿足經(jīng)濟(jì)性/公平性與節(jié)能性的基礎(chǔ)上，降低二氧化碳排放量，并賦予二氧化碳經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更好地促進(jìn)了電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)圍繞低碳電力調(diào)度，對(duì)其調(diào)度方式與決策模型進(jìn)行以下詳細(xì)地分析，具體內(nèi)容如下。

2 低碳電力調(diào)度的背景和內(nèi)涵剖析

2.1 提出低碳電力調(diào)度的背景

中國(guó)電力調(diào)度經(jīng)歷了“三公調(diào)度”、“經(jīng)濟(jì)調(diào)度”、“節(jié)能調(diào)度”等多種方式的演變。“三公調(diào)度”以“公平性”為目標(biāo)，在確保各類設(shè)備發(fā)電完成率均勻性的原則下制定發(fā)電計(jì)劃。“經(jīng)濟(jì)調(diào)度”以“經(jīng)濟(jì)性”為目標(biāo)，以成本等微增率為原則制定發(fā)電計(jì)劃，考慮了調(diào)度中“顯性”的生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)成本。“節(jié)能調(diào)度”則以“節(jié)能性”為目標(biāo)，優(yōu)先調(diào)度可再生電源，并按火電機(jī)組能耗和污染物排放水平由低到高依次調(diào)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(jié)約能源與減排CO2是未來(lái)電力調(diào)度將面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)；這就要求引入基于低碳經(jīng)濟(jì)、考慮低碳目標(biāo)、綜合各類低碳要素的新型、科學(xué)、高效的電力調(diào)度方式，即“低碳電力調(diào)度”。

“低碳電力調(diào)度”應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)電力調(diào)度方式的繼承和發(fā)展;在兼顧“公平性”、“經(jīng)濟(jì)性”、“節(jié)能性”的基礎(chǔ)上，深入分析電能生產(chǎn)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(huì)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(diào)度的內(nèi)涵剖析

與傳統(tǒng)的調(diào)度方式相比，低碳電力調(diào)度具有其顯著的特點(diǎn)與內(nèi)涵，分析如下。

首先，傳統(tǒng)電力調(diào)度的關(guān)注點(diǎn)都在于電能本身，沒(méi)有關(guān)注電力CO2排放問(wèn)題。事實(shí)上，碳交易和碳價(jià)的引入，將賦予CO2排放經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使CO2排放成為與電能并列的新型可調(diào)度資源。因此，在低碳電力調(diào)度中，應(yīng)同時(shí)兼顧電能生產(chǎn)與電力CO2排放，分析兩者的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)“電平衡”與“碳平衡”的協(xié)調(diào)與無(wú)縫銜接。

其次，隨著可再生和碳捕集等低碳電力技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將增加電力系統(tǒng)運(yùn)行中的電源品種，需要深入研究各類元件的電碳關(guān)系和技術(shù)特性，挖掘發(fā)、輸、配、用環(huán)節(jié)中的CO2減排潛力，在調(diào)度運(yùn)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(fā)電成本，改變發(fā)電序位;碳約束的引入將改變電力調(diào)度的決策空間;而CO2減排目標(biāo)的引入則將提高發(fā)電計(jì)劃決策的復(fù)雜程度。

3 電源的電碳調(diào)度特性分析

在低碳電力調(diào)度中，除了關(guān)注發(fā)電計(jì)劃之外，還應(yīng)兼顧相應(yīng)的CO2排放。因此，分析各類電源在系統(tǒng)調(diào)度中的“發(fā)電—碳排放”關(guān)系，即“電碳調(diào)度特性”，無(wú)疑是開展低碳電力調(diào)度的基礎(chǔ)。以某類電源的發(fā)電量g為自變量，以其在發(fā)電過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)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(shù)關(guān)系E=f(g)為電碳特征函數(shù)，該函數(shù)即描述了該類電源的電碳調(diào)度特性。不同類型電源具有不同的電碳特征函數(shù)，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(fēng)電等可再生電源。顧名思義，CO2在此類電源電能生產(chǎn)中不排放或僅極低量排放，因而可忽略不計(jì)。其電碳特征函數(shù)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(fā)電廠。在實(shí)現(xiàn)從化石能向電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，化石燃料中的碳基將通過(guò)在O2中燃燒形成氣態(tài)的CO2，并直接排放到大氣之中。此類電源CO2排放量的計(jì)算公式可表示如下：E=Ff ②

式中：F為電源在燃燒過(guò)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(fā)電量為：g=Fqη ③

式中：q為該燃料的單位發(fā)熱值;η為該類電源的能量轉(zhuǎn)換效率，即發(fā)電效率。

聯(lián)立式(2)和式(3)，該類電源的電碳特征函數(shù)為：E= g ④

分析式(4)，普通化石燃料類電源在系統(tǒng)調(diào)度中的“發(fā)電—碳排放”關(guān)系可以用“一一對(duì)應(yīng)”的函數(shù)式表示。對(duì)于不同類別的火電廠，其電碳特征函數(shù)將因其燃料類別與發(fā)電技術(shù)而異。而對(duì)于選定了某類燃料的特定發(fā)電機(jī)組而言，其發(fā)電效率η往往會(huì)隨著機(jī)組發(fā)電水平的變化而在一個(gè)較小的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。為了簡(jiǎn)化分析，在本文的建模中運(yùn)用了合理的簡(jiǎn)化，認(rèn)為特定發(fā)電機(jī)組的η在運(yùn)行中將一直保持為一定的常數(shù)。圖2即描述了此類電源的典型電碳特征函數(shù)關(guān)系。

圖1 低碳電力調(diào)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(shù)關(guān)系

3.3 碳捕集電廠

在現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備的前提下，合理融入碳捕集系統(tǒng)。該電廠在運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)二氧化碳進(jìn)行分離，并輸送至指定的安全地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)污染物質(zhì)和大氣的有效隔絕。對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集需要消耗大量的能量，電廠對(duì)外輸出功率因此大幅降低。

4 低碳電力調(diào)度決策模型

基本框架

其基本框架主要包括以下內(nèi)容：①碳捕集等先進(jìn)技術(shù)的合理應(yīng)用，大幅增加了電源的品種，需要對(duì)電源調(diào)度特性進(jìn)行更為深入的分析和考慮，并將二氧化碳排放當(dāng)作一種十分重要的資源，進(jìn)而促使模型決策變量得到有效的擴(kuò)充；②通過(guò)對(duì)碳交易等要素的融入，使二氧化碳本身具有了一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并在未來(lái)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(guò)對(duì)強(qiáng)制性減排策略的融入，使調(diào)度對(duì)應(yīng)的約束條件得到擴(kuò)充，有效對(duì)調(diào)度決策進(jìn)行協(xié)調(diào)和平衡。

5 結(jié)語(yǔ)

低碳經(jīng)濟(jì)給傳統(tǒng)電力調(diào)度方式帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，要求發(fā)展基于低碳經(jīng)濟(jì)、考慮低碳目標(biāo)、綜合各類低碳要素的新型、高效的低碳電力調(diào)度方式。本文在深入剖析低碳電力調(diào)度內(nèi)涵定義的基礎(chǔ)上，描述了不同類別電源的電碳調(diào)度特性，并建立了初步的低碳電力調(diào)度決策模型。