基于碳排放流的綜合能源系統碳排放監測方法

劉子華，曹瑞峰，趙志揚，李哲，婁偉明，陳婷，邢海軍

（1.國網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.上海電力大學 電氣工程學院，上海 200090）

0 引言

全球氣候變化已成為人類社會面臨的一個重大難題，由溫室氣體排放導致的溫升亟待控制。為減緩氣候變化，降低溫室氣體排放，我國承諾“碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取2060年前實現碳中和”。電力行業作為碳排放的重點領域，也是實現“碳達峰、碳中和”目標的主力軍，將承擔更大的減排責任，以電力行業晚達峰支撐全社會盡早達峰。其中，綜合能源系統以多種形式能源進行生產、輸送和消費，實現多種能源之間的互動，是實現低碳的強有力工具。利用綜合能源多能耦合機制促進協同互補運行，能夠有效提升區域綜合能源系統的經濟性，此前已有較多研究，而區域能源系統的減碳潛力研究則較少［1-5］。碳計量作為“碳達峰、碳中和”的重要手段，需要精準地計量數據，并融入碳中和能源管理平臺，實現碳足跡的可視化，進而有針對性地對電力系統進行節能降碳，實現低碳轉型。從“匯”與“源”的角度來看，碳監測獲取的基礎信息包括碳匯狀況、環境中溫室氣體濃度和溫室氣體排放強度三方面。“排放是源頭，是‘加’的過程，碳匯是消解，是‘減’的過程，而環境中濃度可以理解為加減后的存量。”通過碳監測，能夠起到主動適應氣候變化需求，加強氣候變暖對我國承受力脆弱地區影響的觀測和評估，也可以促進社會從各個方面落實減污降碳、源頭治理要求，因此碳監測具有重要意義［6］。

目前，綜合能源系統中的碳計量與監測方式主要為宏觀統計法［7-10］。宏觀統計法多用于國家層面電力系統宏觀碳排放量的統計，可以得到系統在較長周期內的碳排放總量，直接且實用。然而，此方法未考慮電力系統具體的碳排放過程，難以實現電力系統碳排放的精細化分析，且易受總量統計以及碳排放因子測算誤差影響。

此外，部分學者從全生命周期法的時間角度對系統的碳排放量進行統計。一種產品從原材料開采生產開始，到加工、制造、運輸，再到消費者使用、回收，最終進入循環或作廢棄物處理，這一整個過程稱為產品的全生命周期［11］。在電力系統碳排放計量中應用LCA（生命周期評價）進行考慮，可以有效規避僅關注燃料消耗產生的碳排放的局限性［12-13］。但是，電力系統碳排放具有動態轉移特性，LCA仍然缺乏這方面的考慮，無法清晰描述時空轉移特性［14］。

碳排放流法從空間角度處理碳排放與系統潮流之間的關系，可以得到特定時間點或時間段的系統碳排放區域分布，進行系統各節點實時、準確、全面的監測［15-16］。用碳排放流法能夠將發電側碳排放分攤到各節點負荷、各支路功率以及網絡損耗，從而實現碳排放具體流向的準確追蹤與溯源［17］。

因此，本文提出面向電-氣耦合的綜合能源系統的碳排放監測方法。首先，分別建立電網與氣網碳排放流的碳監測模型，接著通過EH（能源樞紐）形成電-氣耦合，進而研究電-氣耦合下的綜合能源系統的碳排放監測，獲取動態實時的碳排放信息。

1 碳排放流原理

1.1 碳排放流概念

碳排放流的概念最早用于分析地區間由貿易引起的碳排放轉移。從空間角度處理碳排放與系統潮流之間的關系，可以得到特定時間點或時間段的系統碳排放區域分布。

碳排放流被定義為與能源系統中的能量流相關的不加選擇的CO2（二氧化碳）排放，其中碳排放在發電側產生，碳排放流的目的是將能源生產和轉換方的所有碳排放量累積到各節點及需求方。因此，每噸CO2排放量為綜合能源系統從能源產生、輸送、轉化到終端消費全過程的能量流進行核算。在綜合能源系統中，既有天然氣、煤炭等一次能源，也有電力、熱力、制冷等二次能源。因此，碳排放包括實際碳排放（如燃氣燃燒）和虛擬碳排放（如與電相關的碳排放）。對于一次能源網絡，碳排放流表示將在后期轉換或消費過程中發生的碳排放流量。對于二次能源網絡，碳排放流表示能量產生時系統的碳排放流量［18］。

1.2 碳排放流基本原則

對電-氣耦合的綜合能源系統碳排放進行監測的關鍵是建立碳排放流理論及其計算模型，用以合理分析綜合能源系統的碳排放。

潮流追蹤法的核心原則是比例共享原則，依托潮流追蹤法建立碳排放流模型更加合適且準確［19］。下面用一個連接有4條支路的節點m進行說明。如圖1所示，節點m的進線1和進線2的功率分別為P1和P2，出線3和出線4的功率分別為P3和P4。根據比例共享原則，輸出支路的功率由各輸入支路按功率比例提供，輸入支路的功率也由各輸出支路按功率比例分配。即出線功率P3由進線1提供的功率為由進線2提供的功率為而進線功率P2在支路3中分配的功率為在支路4中分配的功率為

圖1 比例共享原則Fig.1 Proportional sharing principle

同時，在該方法中需要考慮以下兩個基本原則。

1）能量合并原理：在綜合能源系統中，當來自不同分支的能量注入到一個節點時，流入的碳排放是混合的，這個節點的碳強度被認為是所有流入支路碳流強度的加權平均值。

2）能量調度原則：根據比例共享原則，從一個節點流出的能量按等比例分享該節點的能量注入。以節點n為例，第j個流出分支的能量流來自第i個流入分支的份額可以表示為：

結合式（1）和式（2），就可以得到節點n的每個流出分支的支路碳流強度等于該節點的碳勢。需要注意的是，如果存在向節點n注入能量流的發電機，則每個發電機都可以看作是一個流入分支，將發電機的支路碳流強度替換為發電機的碳流強度，以上兩個原則仍然成立。

2 碳排放監測模型

2.1 電網碳排放監測模型

從電網角度來看，因為發電技術不同，所以會導致不同的碳排放特性與碳排放量。故依托潮流構建電網碳排放流程理論體系。從表面上看，電網的碳排放流是在給每條支路的潮流概念上再添加一個碳流的標記。從表層看，CO2是由發電廠排放到大氣中的；但是從深層次來說，CO2排放是由用戶側消費所驅動產生的。因為碳流與潮流是緊密聯系的，可以認為碳流隨潮流一起流動，共同從發電廠流出并最終流入到負荷節點上。

目前，隨著碳排放流理論的逐步完善以及研究的不斷深入，可以發現碳排放流模型基于比例分擔原則能起到比較好的效果。以下結合圖2簡述碳排放流理論的概念與計算。

圖2 電網碳排放流示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbon emission flow of power grid

碳流率指的是單位時間t內通過電網節點或者是電網支路潮流所對應的碳流排放，用R表示。

式中：C表示流入的CO2排放量；t表示時間。

碳流密度指的是單位電量所對應的CO2排放量。

發電機組碳排放強度指的是發電廠依據發電特性實時發電所產生的CO2排放強度。

支路碳流密度指的是在電網支路中傳輸單位電量導致發電廠側所需排放的CO2量，即支路碳流率與有功潮流的比值，用δ表示。

式中：P為支路對應的有功功率。

支路碳流密度應與流入該支路首節點的碳勢相等。節點碳勢指的是將節點消耗單位電量所造成的等效于發電側的碳排放量，等于所有流入節點的支路的碳流密度關于有功功率的加權平均，例如節點n的碳勢為：

式中：En為電網節點n的碳勢；Pk，n為注入電網節點n的第k條支路的功率；PG，n為電網節點n所接發電機的輸出功率；δk，n為注入電網節點n的第k條支路的碳流密度；K為與此節點相連的注入功率的支路數量；EG，n為電網節點n所接發電機的碳排放強度。

例如針對圖2，節點6碳勢為：

式中：P1，6為注入電網節點6的第1條支路的功率；δ1，6為注入電網節點6的第1條支路的碳流密度；PG，6為電網節點6所接發電機的輸出功率；EG，6為電網節點6所接發電機的碳排放強度。

節點負荷的碳排放量可以通過節點碳勢計算得到：

式中：Tn為節點n的碳排放量；Ln為節點n的負荷量。

2.2 氣網碳排放監測模型

在綜合能源系統的氣網中，因為天然氣燃燒后會產生CO2，因此需要建立燃氣網的碳排放流模型。氣網的碳排放流模型與電網碳排放流類似，同理，根據能量分配原則，每條管道的支路碳流密度等于其流入節點的節點碳勢。氣網碳排放流如圖3所示，滿足如下關系：

圖3 氣網碳排放流示意圖Fig.3 Schematic diagram of carbon emission flow of gas network

式中：Egas，n為天然氣網絡節點n的碳勢；Q?，n為氣井的氣流量；δ?，n為氣井的碳排放強度；Qgas，k為管道k氣流量；δgas，k為管道k中氣流量的碳勢；Kg為節點n處流入氣流量的支路數量。同理，氣網節點n的碳勢等于所有流入節點的支路碳流密度關于氣網潮流的加權平均。

3 電-氣耦合的綜合能源系統碳排放監測方法

綜合能源系統碳足跡監測流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 系統碳排放監測流程Fig.4 Flow chart of system carbon emission monitoring

1）計算系統潮流，統計發電機組碳排放強度向量EG。

2）生成支路潮流分布矩陣PB、機組注入分布矩陣PG、負荷分布矩陣PL和節點有功通量矩陣PN。

3）判斷PN的絕對值是否等于0。若PN等于0，將與PN中對角元為0的所在行對應節點相連的機組和線路從電網中去除，并返回到步驟2；若PN不等于0，計算節點碳勢En、系統支路和各節點的碳流分布。

4）根據碳排放流理論對所得區域能源系統中的碳流分布進行碳足跡監測，展示碳足跡數據及趨勢。

其中，源側產生的碳排放傳輸到EH的輸入端后，還需要將其通過EH內部能流網絡分配至負荷端，因此需對EH進行碳排放流建模。EH結構如圖5所示，每個EH的輸入端為上級電網和上級氣網輸送過來的能源；內部元件主要包括光伏、電轉氣設備、熱電聯產、燃氣鍋爐、熱泵和儲能等；輸出端由電、氣、熱負荷組成。

圖5 EH結構Fig.5 Structure of EH

EH中包含多個能量轉換器，將EH中的能量轉化過程建模為具有單個或多個輸入和輸出端口的單元，與上級電網及上級氣網中的節點碳勢產生聯系。其中，電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐為單輸入單輸出設備，熱電聯產為單輸入多輸出設備。對系統內各能量轉換公式及碳排放平衡約束組合求解，可得EH負荷端的碳勢以及碳排放量。

電轉氣設備將輸入的電能轉換為天然氣，熱泵將輸入的電能轉換為熱能，燃氣鍋爐將輸入的天然氣轉換為熱能，碳排放流模型如下：

式中：、、分別為電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐輸入端的碳勢；、、分別為電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐輸出端的碳勢；、、分別為電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的輸入能流功率；、、分別為電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的輸出能流功率。

上述轉換設備的輸入輸出約束如下：

式中：ηptg、ηeb、ηgb分別為電轉氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的轉換效率。

熱電聯產作為單輸入多輸出設備，將輸入的天然氣轉換為電能及熱能，其碳排放流模型及設備轉換約束如下：

式中：為熱電聯產輸入端的碳勢；為熱電聯產輸入端的能流功率；和分別為熱電聯產熱、電輸出端的碳勢；和分別為熱電聯產熱、電輸出端的能流功率；ηchp，h和ηchp，p分別為熱電聯產的熱、電轉換效率。

依據碳排放平衡原則，EH負荷端的碳排放與輸入的碳排放應保持平衡，約束如下：

式中：δv為光伏輸入的碳排放強度，一般認為光伏為清潔能源，本文取值為0 kg/MWh；Pv為光伏的輸出功率；Le，j、Lg，j、Lh，j分別為第j個EH的電、氣、熱負荷；δle，j、δlg，j、δlh，j分別為第j個EH的電、氣、熱負荷對應的碳勢。

4 算例分析

對包含6節點電網、6節點天然氣網和3個EH的綜合能源系統進行碳排放監測。該系統結構如圖6所示，G1—G3為電廠燃煤機組，EH1—EH3為能量樞紐，GW1、GW2為天然氣氣井。虛線部分代表通過EH中的轉換設備形成電網與氣網的耦合。EH1基礎數據曲線如圖7所示，EH2和EH3的負荷為EH1的一半。燃煤機組G1—G3碳排放強度分別取800 kg/MWh、600 kg/MWh、400 kg/MWh。GW1和GW2的碳排放強度均取200 kg/MWh。其中，電網及其氣網潮流計算模型參照文獻［20］建立。

圖6 綜合能源系統結構Fig.6 Diagram of the integrated energy system structure

圖7 EH1基礎數據曲線Fig.7 Basic data curve of EH1

首先進行電網及氣網的潮流計算，得到電網碳流計算相關參數PB、PG、PL、PN以及氣網碳流計算相關參數QB、QG、QL、QN；進而監測綜合能源系統中電網各節點、氣網各節點的碳勢及從EH角度產生的全天總碳排放量，監測結果見圖8—11。

圖8 電網碳排放強度Fig.8 Carbon emission intensity of power grid

圖9 電網碳排放量Fig.9 Carbon emissions of power grid

圖10 氣網碳排放強度Fig.10 Carbon emission intensity of gas network

圖11 氣網碳排放量Fig.11 Carbon emissions of gas network

EH中的各設備將電網與氣網進行耦合，結合碳排放流分析法，產生的碳排放傳輸到EH的輸入端后，需要將其分配至各EH負荷端以進行荷側的具體監測。通過各個能量轉換公式的組合求解，可得出EH負荷端的碳勢以及碳排放量。

圖12—14分別為EH電、氣、熱負荷碳排放強度監測情況。可以看出，碳排放強度隨潮流變化而改變，EH2與EH3所設定的電、氣、熱負荷及轉換設備均一致，然而因所處的節點不同，碳勢不一致，進而導致監測到的日碳排放強度曲線不同。

圖12 EH電負荷碳排放強度Fig.12 Carbon emission intensity of EH electric load

圖13 EH氣負荷碳排放強度Fig.13 Carbon emission intensity of EH gas load

圖14 EH熱負荷碳排放強度Fig.14 Carbon emission intensity of EH thermal load

圖15為電-氣耦合的綜合能源系統碳排放量監測情況。可以看出，總體與負荷變化趨勢一致，能真實反映負荷端的碳排放情況。

圖15 電-氣耦合的綜合能源系統碳排放量Fig.15 Carbon emissions of IEGS

5 結語

本文建立了電-氣綜合能源系統碳排放監測模型，采用碳排放流法分別對電網及氣網進行建模，并對電-氣耦合綜合能源系統中的設備進行分析，提出一種電-氣耦合的綜合能源系統碳排放監測方法。通過算例驗證分析，得出以下結論：根據系統本身的電網潮流及氣網潮流，利用碳排放流法進行碳流分析，可以同時明晰系統時間與空間上的碳足跡，克服傳統碳計量方法統計過于宏觀的局限性；通過對電-氣耦合的綜合能源系統各個節點的碳排放強度及碳排放量進行實時監測，可為精準降碳及需求側降碳提供信息基礎。