考慮源荷碳勢耦合的電力系統雙層低碳經濟調度

張翰林,汪睿哲,劉友波,袁川,向月,劉俊勇

(1.四川大學電氣工程學院,成都市 610065;2.浙江大學先進電氣國際研究中心,浙江省海寧市 314400;3.國網四川省電力公司,成都市 610041)

0 引 言

當今世界因碳排放造成的環境問題日益嚴重。電力工業作為主要的碳排放路徑,目前已占中國能源活動碳排放的40%左右[1-3],電力工業減碳問題迫在眉睫。我國于2020年提出了“雙碳”目標,目標于2030年實現碳達峰,2060年實現碳中和。在“雙碳”的背景下,電網體系面臨著前所未有的巨大考驗。

近年來對電力系統低碳經濟調度的相關研究大多從源側碳排放交易市場、荷側需求響應手段開展。針對碳排放交易市場方面,引入發電商碳排放權交易機制可以促進發電商主動優化機組結構,從而降低發電碳排。文獻[4]在含風電的電力系統中引入碳排放權交易機制,構建了考慮低碳效益與經濟效益的系統總成本最小為目標的調度模型。同樣,碳排放權的價格變化同樣會影響機組調度結果,在一定范圍內,碳交易單價越高,高碳機組的出力越小,從而降低電力系統的總碳排量[5-11],文獻[12]研究了碳捕集電廠分流式與儲液式2種方式相結合的綜合靈活運行方式,并將其加入到碳交易成本模型之中,通過碳捕集設備進一步提高機組限碳效率。上述文獻均采用固定碳交易價格來計算碳市場成本,無法在“雙碳”目標下對于系統全局碳排有更好的抑制作用。文獻[13-14]將階梯式碳交易機制引入綜合能源系統低碳經濟調度模型中,將機組碳排放量分成多個區間,并對每個區間相應制定不同的碳交易價格使得高碳排放機組的碳交易成本更高,從而使得低碳調度模型對系統碳排的抑制能力更強。此外,針對荷側需求響應手段,文獻[15-22]結合分時電價引導調整用電側負荷主動響應,可實現負荷側“削峰填谷”,促進風電消納,降低總體碳排;同時,需求側包含可調度多類型負荷的協調優化,文獻[23]研究了柔性負荷概念對于電網調度的影響,文獻[24-27]考慮將可中斷負荷加入需求響應模型中,進一步提升了需求側資源的多樣性,充分實現荷側多類型資源高效利用,以此達到系統運行成本和碳排放量之間雙向平衡的目標。

對于電力系統負荷側碳排放責任量的計算方法目前主流還是根據能源消耗量進行統計,無法體現電網的“網絡”特征。同時兼顧電力系統運行及網絡特性的碳排放流理論提出有效地將碳排以“碳流”的形式在電網中的分布清晰展現[28-30],理論中提出的碳勢指標等價于節點消費單位電量所造成的等效碳排放責任量,可以用于衡量在該節點消費電力所產生的碳排放量。借由節點碳勢指標,文獻[31]構建了一種考慮碳流追蹤和碳排放程度評級的雙層電力消費綠色責任證書分配模型計算各用戶分區的最優碳排限額,在提高系統能源利用率及節能減排方面取得了一定成果。文獻[32]借由節點碳勢指標建立了雙層低碳調度模型,通過分時電價和節點碳勢引導柔性負荷進行需求響應,實現電-碳市場的有效耦合,對于電力系統實現“雙碳”目標具有重要意義。

綜上所述,上述文獻考慮了碳排放交易市場,荷側需求響應手段對電力系統低碳經濟調度的影響,但目前相關研究集中于源側角度實施低碳策略,荷側降碳手段單一且源荷兩側低碳手段缺乏有效互動。鮮有通過碳排放流理論對全系統網絡碳排放進行實時感知,并利用節點碳勢指標對源荷雙側進行低碳耦合,引導多類型負荷需求響應。在“雙碳“目標的背景下,研究碳排放流特性并有效耦合源荷側多種低碳手段,從而提高系統低碳經濟效益,成為現階段亟需攻堅克難的一項課題。

鑒于此,本文在基于節點碳勢引導多類型負荷需求響應的荷側減碳手段上,同時利用節點碳勢選擇對源側高碳機組加入碳捕集設備,并對源荷側進行碳排放責任歸算、制定區別負荷類型的碳排約束,將節點碳勢作為工具耦合源荷側低碳手段。通過加入碳捕集、多類型需求響應、源荷碳排約束更加針對性地實行源荷側聯動節能減排的措施,構建考慮源荷碳勢耦合的電力系統雙層低碳經濟調度模型,實現源荷側多重低碳手段聯動,實現多類型負荷針對性低碳經濟細化,促進電力系統低碳發展,為早日實現“雙碳”目標提供理論支撐。

1 基于碳排放流理論的指標

1.1 碳排放流定義及計算方法

電網碳排由于電力資源的消納特點,往往具有“異地碳排”的特征,即負荷用電本身不產生碳排,而電能生產往往伴隨采用煤炭等不可再生能源發電所產生二氧化碳排放。因此,為了對負荷側碳排進行更加準確的追蹤,需要引入電力系統碳排放流理論實現對于從發電側到負荷側的碳排放分量追蹤,以達到碳排溯源的效果,如圖1所示。

圖1 電力系統碳排放流和潮流示意圖Fig.1 Schematic diagram of power system carbon emission flow and power flow

1)碳流率。

碳流率(carbon emission flow rate, CEFR)意義是在單位時間內通過節點或支路的能量流所對應的碳排放量,用R來表示,單位為t/h。

(1)

式中:C為碳排放量;t為時間。

2)碳流密度。

碳流密度(carbon intensity, CI)表示電力系統中

單位電量對應的碳排放量,碳流密度同時包括了發電機碳排放強度、支路碳流密度2個概念[33],單位均為t/(MW·h)。

其中,發電機碳排放強度定義為發電機組產生的實時發電碳排放強度,根據機組發電特性得出,用QG表示。

支路碳流密度指電力系統聯絡支路傳輸單位電量所造成的的碳排放值,即為支路碳流率與該支路流過的有功潮流的比值,用ρ來表示。

(2)

式中:P為流過支路的有功潮流。

3)節點碳勢。

節點碳勢(nodal carbon intensity, NCI)[24]定義為流入節點的支路碳流之和與流過該節點的功率之比,表示為節點消費單位電能所產生的等效于發電側的碳排放量,數值上等于所有流入該節點的支路碳流密度關于其有功潮流的加權平均,單位為t/(MW·h)。在表達上用e表示,節點i的碳勢ei可表示為:

(3)

式中:Pi為注入節點i的功率;ρi為注入節點i的支路碳流密度;PGi為節點i發電機的輸出功率;eGi為節點i發電機的碳勢;I為與此節點相連的注入功率的支路數量。

得到節點碳勢后就可以計算負荷節點i碳排放責任分攤量:

(4)

式中:Ei為節點i的碳排放責任分攤量。

通過碳排放流理論,可以根據電力潮流、發電側出力、機組碳排放強度等基礎指標計算系統各節點的碳排放流分布情況,包括各節點的碳勢以及支路碳流密度等,基于碳勢指標計算各節點的碳排分攤量,有效地將碳排放責任從發電側轉移分攤到用戶側,從而有針對性地對高碳勢節點區域實施低碳處理措施。

1.2 碳捕集設備相關影響

1)碳捕集運行原理及出力特性。

碳捕集的運行過程可簡化為吸收、再生、壓縮3個部分。碳捕集設備的能耗主要包括固定能耗與運行能耗,所以出力和能耗特性可表示為:

(5)

2)基于碳勢指標的針對性降碳措施。

對于加入碳捕集機組選擇需要計算碳排放流理論中的節點碳勢指標。假設電力系統具有N個節點,設第i個節點的碳勢為ei,則節點碳勢向量INod可表示為:

(6)

節點碳勢向量的計算式為:

(7)

式中:PNod為節點有功通量矩陣;PB為支路潮流分布矩陣;PG,in為機組注入分布矩陣;QG為發電機組碳排強度矩陣。

借由碳排放流理論計算電力系統各節點碳勢指標;隨后在高節點碳勢區域的燃煤發電機組節點設置碳捕集設備,從而降低全局碳勢,降低系統碳排。

2 碳市場交易模型

碳交易市場機制是目前主流的提高電網低碳經濟效益的市場機制,通過對制定的碳排放權進行交易來從源側限制系統碳排放量。

2.1 碳交易配額

本文發電側機組碳排放量采用排放限額與發電量成正比的固定碳排因子來進行計算,發電機組的碳排放量可表示為:

E(i,t)=QGPGi,t

(8)

式中:E(i,t)為第i臺發電機組在第t時段內的碳排放總量;PGi,t為發電機組在t時段的有功出力。

其中,經碳捕集改造后的火電機組碳排放量為:

E′(i,t)=E(i,t)-Eb,t

(9)

式中:E′(i,t)為經碳捕集改造后的火電機組在t時段的凈碳排放量;Eb,t為碳捕集設備捕獲的碳排放量。對于不同發電機組,其配額與其輸出功率以及配額系數有關:

Ec=ηhPGi,t

(10)

式中:Ec為給定的機組碳配額;ηh為碳排放配額系數。

2.2 階梯式碳交易市場模型

(11)

式中:ρ2為碳交易價格的初始值;p為碳交易模型中機組碳排放的區間長度,考慮本文提出系統實際機組出力情況,區間長度取值為25 t;γ為碳交易價格的增長幅度,本文取10%;

相比于固定碳價的傳統碳交易模式,階梯式碳交易模型由于存在碳價分段點,使得在同等系統收益下相較于傳統碳交易模型,階梯式碳交易模型對發電機組碳排量的抑制能力更強,有利于系統全局碳排的有效控制。

3 考慮源-荷碳勢耦合的雙層調度模型

在階梯碳交易市場模型的基礎上,對日前調度階段進行雙層建模,對于上層低碳經濟調度模型而言,調度的各機組出力結果可通過碳排放流方法轉化成各節點碳勢指標,利用碳勢計算負荷側節點的碳排放責任量,將傳統的源側碳排放量有效地分攤到各負荷節點,通過多類型的負荷側需求響應優化系統負荷分布,將響應后的負荷量重新代入上層調度模型并通過碳勢指標進行源荷雙側的碳排約束,獲得系統的最優日前調度決策。

通過碳勢將電-碳市場責任分攤機制、上層調度模型與下層需求響應模型有效耦合起來,構建一個能滿足多類型負荷低碳需求的調度模型,從而實現系統針對性降碳的效果。

考慮到風電場站發電功率波動性大的特點,本文基于某地區實際風速數據和歷史風速預測數據,利用數值天氣預報(numerical weather prediction,NWP)方法對風速進行預測,NWP方法基礎定義及計算方法和公式推導部分詳見文獻[34]。

3.1 多類型負荷需求響模型

由于工業負荷與居民負荷用戶可以在整體不影響生產計劃和生活需求的前提下在一定時間范圍內轉移部分負荷達到整體調度時段負荷削峰填谷的目的,本文上述兩類負荷側需求響應的實施通過負荷側碳價為價格信號,基于分段碳價的制定實現負荷的轉移,實施后,工業、居民負荷用戶每個時段的負荷可表示為:

Ptri,t=Pexp,t+Pdr,t

(12)

式中:Ptri,t為t時段響應后的節點負荷值;Pexp,t為t時段響應前的節點負荷值;Pdr,t為t時段負荷的響應值。

稻苞蟲又叫卷葉蟲，常常幾年發生一次，導致水稻大幅度減產。成蟲為赤褐色的蝴蝶，幼蟲危害水稻，稻葉被害后，殘缺斷落，嚴重時僅留葉脈，稻叢象刷鍋帚一樣。特別是水稻孕穗期被害后，幼蟲吐絲把稻葉綴合在一起，形成稻穗卷曲，無法出穗，影響產量。

上述2種類型負荷在進行需求響應時應滿足以下2個約束條件:1)用戶在一個完整調度周期內用電總量保持不變;2)用戶在每個調度時段的轉移負荷量不能超過可允許的最大范圍值。考慮到本文實際情況,需求響應量變化范圍為該時段預測負荷的[-12.5%,+7.5%]。需求響應模型約束可以表示為:

(13)

-0.125Pexp,t≤Pdr,t≤0.075Pexp,t

(14)

對于工業負荷和居民負荷類型,進行碳價需求響應后的碳排放量可表示為:

(15)

對于商業負荷諸如大型商場、學校、醫院場所,由于自身行業限制,本文將其歸類于剛性負荷,轉移負荷能力差,很難利用分時碳價進行負荷的轉移,在實際運行中可通過向該類負荷用戶發布負荷削減指令使該用戶根據自身情況進行響應削減一部分負荷并獲得響應補償,負荷削減模型可表示為:

Pcut,t≤Pcut,t,max

(16)

t∈Tcut

(17)

Pcut,t,max≤0.1Pexp,i,t

(18)

式中:Pcut,t為t時段商業負荷削減量;Pcut,t,max為t時段可削減量最大值;Tcut為可削減時段集合,對于可削減時段,設置t時段中可削減量最大值不超過該時段負荷Pexp,i,t的10%。

對于商業負荷類型,進行響應時段負荷削減后的碳排放量可表示為:

(19)

3.2 上層低碳經濟機組調度模型

3.2.1 目標函數

傳統機組調度模型主要考慮系統成本最低,將碳交易市場以及碳捕集系統加入模型后,模型還需考慮碳捕集運行成本與碳交易成本。同時為了提高系統風電消納能力,本文同時在系統成本中加入棄風懲罰成本,故上層調度模型的目標函數可表示為:

min(CZ+CH+CK+CW+Cq+F1)

(20)

式中:CZ為碳捕集運行成本;CH為火電機組發電成本;CK為火電機組的啟停機成本;CW為風電機組的發電成本;Cq為系統棄風懲罰成本;F1為碳交易成本。

(21)

3.2.2 約束條件

1)在直流潮流計算中,線路潮流流量的基本形式為:

Pij=(θi-θj)/bij

(22)

式中:Pij為線路i-j上的潮流量;θi、θj分別為節點i與節點j的電壓相角;bij為線路導納。故本文中模型直流潮流約束可表示為:

(23)

2)發電機出力上下限約束。

(24)

3)火電機組爬坡約束。

(25)

4)系統的正、負旋轉備用約束。

(26)

5)源荷平衡等式約束。

(27)

6)碳捕集約束。

考慮系統中加入碳捕集設備的高碳燃煤機組,其機組的碳捕集約束為:

(28)

7)火電機組啟停機約束。

(29)

8)源-荷碳勢約束。

為了使源荷雙側減少對高碳排放強度機組的依賴,利用碳勢控制的方法,在低碳經濟調度模型中加入源-荷雙側計及多類型負荷的碳排約束,從而實現對于源-荷雙側碳排放量的限制。不同節點的負荷類型占比存在差異,不同負荷類型的碳排限制程度也不同:

0

(30)

(31)

關于負荷側碳排約束上限的制定,具體方案為:利用碳排放流理論計算在傳統最優潮流下各節點分攤的碳排放量數值Emax,在此基礎上,對于不同分區的節點負荷分別設置碳排上限:

EIP,max=Emax(1-RIP)

(32)

ECP,max=Emax(1-RCP)

(33)

ERP,max=Emax(1-RRP)

(34)

式中:RIP、RCP、RRP分別為工業、商業、居民負荷的碳排下降比例,以百分比來表示。國務院頒布的《關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》文件中指出,到2025年前,單位國內生產總值二氧化碳排放同比下降18%,每年單位電量產生的碳排需要降低3.6%,基于文獻[35]中的方法,考慮公平及效率原則以及可持續性原則最終得到RIP=4.9%、RCP=3.7%、RRP=1.4%。

利用式(30)、(31),可以使碳流在系統中合理分布,避免出現某一負荷分類具有高碳流密度的情況,有效控制了源荷雙側的碳排量。

3.3 下層多類型需求響應模型

3.3.1 目標函數

本文經上層模型得到發電機組在碳交易市場下的啟停計劃與機組出力,并將數據送到下層模型;通過碳排放流方法計算出當前發電計劃中各節點的碳勢及碳排量,在下層中,以負荷側碳價為價格信號考慮多負荷類型進行需求響應,將響應后的節點負荷量代入上層調度模型,重復上述步驟直到系統用戶碳責任分攤量不再變化為止。下層需求響應低碳調度模型的目標函數為用戶碳排放責任成本與多類型需求響應成本之和最小,目標函數可表示為:

min{Cdr+Ccut+Clp}

(35)

式中:Cdr為工業、居民負荷節點碳價需求響應成本;Ccut為商業負荷節點削減負荷補償費用;Clp為碳排放責任成本。

(36)

式中:G為負荷節點數量;GIP、GCP、GRP分別為工業、商業、居民負荷節點數量;cdr為工業和居民負荷需求響應單位負荷量成本價格;ccut為商業居民負荷削減單位負荷量補償成本;σt為t時段負荷側的碳交易價格。

3.3.2 約束條件

下層模型的約束條件包括商業負荷可削減負荷量和工業、居民負荷響應時移負荷量的規定時間與容量上下限,具體約束式為式(13)、(14),式(16)—(18)。

3.4 雙層模型求解流程

本文所構建的雙層電力系統低碳優化調度模型的求解流程如圖2所示,求解步驟為:

1)首先輸入機組節點參數、負荷預測數據、碳交易分段價格等算例基礎數據;

2)求解上層低碳經濟機組調度模型,得到機組調度周期內出力以及各線路傳輸的有功功率數據,將數據傳至下層需求響應模型,利用碳排放流方法計算出各節點碳勢以及負荷側碳排放責任量;

3)根據制定的負荷側分時碳價以及上層調度結果得到的各節點碳排放責任量,求解負荷側碳排放責任成本;

4)進入下層需求響應低碳調度模型,求解優化后的負荷量;

5)將優化后的負荷量重新代入上層模型中重新進行日前調度,重復上述過程直至2次流程之間負荷側碳排放責任量之差小于臨界值ε=0.02 MW時,輸出最優調度方案。

4 算例分析

本節以改進后的IEEE 30節點系統進行算例分析,利用CPLEX求解器對雙層調度模型進行求解。系統結構及工商業、居民負荷節點分布如圖3所示,具體負荷分類節點的負荷量按照國家能源局發布的全國電力工業統計數據進行分配。分別在節點2、13處引入燃氣火電機組,節點8引入風電機組,風電場的相關風速參數參考文獻[36]。為驗證本文所提模型的合理性,負荷取時間步長為1 h。結合1天24 h的動態優化結果對本文提出的雙層調度模型進行研究。節點負荷分布見表1。

表1 系統負荷節點具體分布Table 1 Specific distribution of system load nodes

圖3 改進的IEEE 30系統示意圖Fig.3 Schematic of the improved IEEE 30 partition system

4.1 風電功率預測結果分析

按照文獻[21]方法對1 000組風電預測場景按照置信度區間進行削減,不同置信度水平下多場景風電預測情況如圖4所示。由圖4可知,隨著可信度增加,削減后剩下的風電場景個數減少,當置信度取0.90、0.95、0.99時,分別得到削減后的9組、3組、1組風電場景。

圖4 不同置信度下風電功率預測情況Fig.4 Prediction of wind power with diffierent confidence levels

當置信度取0.99時,得到唯一可信度最高的風電場景,因此將該場景作為典型風電場景。負荷量及置信度0.99的風電日前預測出力詳見附錄圖A1。

4.2 調度結果分析

為驗證本文所提低碳經濟調度策略能夠有效降低全局碳排、提高風電消納水平以及降低系統綜合成本,本文首先在基于碳勢指標選取碳勢較高的G1、G3設置碳捕集的前提下,設置3個不同場景來驗證模型的有效性。火電機組參數見附錄表B1。

場景A：本文提出的考慮源荷兩側碳勢耦合的電力系統雙層低碳經濟調度;

場景B：未考慮多類型需求響應模型的電力系統低碳經濟調度;

場景C：未考慮源荷碳排約束的雙層低碳經濟調度。

通過經濟運行成本與碳排放量2個維度對上述場景進行對比,系統具體調度結果及各場景風電消納率如表2及圖5、6所示。

表2 各場景調度結果Table 2 Scheduling results of different scenarios

圖5 不同場景下機組出力及棄風功率對比Fig.5 Comparison of unit output and abandoned wind power under different scenarios

從圖5各場景調度結果對比可以看出,在調度時段中,各場景碳排放量的差異主要集中在兩方面:1)清潔能源風電消納水平決定了被替代的火電機組出力大小,風電消納率越高,火電出力越少,碳排量越少;2)高碳火電機組出力越少,碳排量越少。

1)有無多類型需求響應對調度結果影響分析。

本文提出的第二階段需求響應低碳模型基于負荷側分時碳價制定負荷側分攤的碳排放成本以及工業、居民可轉移負荷和商業可削減負荷,考慮到如何讓用戶側更積極地參與低碳市場,本文將負荷側碳價按照一天時段分成峰平谷3個時段,每個時段類型對應時段以及負荷側碳排放價格、可削減商業負荷補償價格及可調度時段見附錄表B2—B4。

通過對表2中場景A、B調度結果的比較看出,在均考慮碳交易市場的情況下,場景A考慮多類型需求響應模型后,系統運行成本為297.84萬元,減少7.38%,調度周期內碳交易成本下降10.1%,碳排放量約減少831.8 t,同時通過圖6中不同場景下風電消納率的對比可以看出,多類型需求響應提高了碳交易機制對于系統的低碳激勵作用,分時負荷側碳價信號引導用戶自覺進行低碳用電行為,從而降低了棄風量、系統碳排以及系統運行成本,說明本文提出的多類型需求響應模型可以提高電網在碳交易機制下的低碳經濟效益。

圖6 不同場景下風電消納率對比Fig.6 Comparison of wind power consumption rates under different scenarios

考慮需求響應前后系統負荷變化曲線對比如圖7所示。由圖7可知,電力負荷在午高峰、晚高峰2個時段削減了部分商業負荷,同時以負荷側碳排放價格為價格信號的需求響應模型將部分峰時負荷量轉移到低谷,達到負荷側“削峰填谷”的作用。未加入需求響應的調度結果顯示在11:00—20:00負荷高峰時段,碳捕集機組、燃氣機組與風電機組凈出力已達到上限,高成本高碳排的燃煤火電機組迫不得已出力補足負荷缺口,造成系統發電成本與碳排量上升。經過需求響應之后,高峰缺口的部分負荷通過轉移和削減2種手段集中到05:00—10:00以及20:00—23:00谷時時段,此時段處于分時碳價的谷平時碳價,負荷由低成本低碳排的碳捕集機組和燃氣機組以及無碳排風電機組出力供給,達到了同時減排以及降低運行成本的作用。

圖7 需求響應前后負荷對比Fig.7 Load comparison before and after demand response

2)有無源荷碳排約束對于調度結果的影響。

考慮源荷碳排約束前后各分區碳排量、總碳排量以及系統風電消納率對比如表3所示。

表3 不同場景下各分區碳排量對比Table 3 Comparison of carbon emissions by partition under different scenarios

從表3可以看出,相較于場景C,場景A在考慮源荷碳排約束后新能源機組得到充分利用;系統風電消納率提高了2.38%,碳排量下降了242.9 t,達到9.57%。同時通過分區負荷針對性的碳排約束,使得在3種類型區域中工業地區的碳排量得到了最大的限制,達到13.36%,符合“雙碳”目標下工商業區限碳的優先級要求[8]。

圖8和表4進一步對比了系統內各節點在引入源荷碳排約束后的碳勢分布情況。在負荷高峰時段,2種場景下的碳勢均有一定程度的提升,但引入源荷碳排約束的場景A全局碳勢相比場景C下降了5.5%,尤其是碳勢較高的工業地區節點,碳勢下降程度更大,達到8.32%。場景C的節點碳勢最高可達0.98 t/(MW·h),調度場景A下的節點碳勢高峰明顯較低,說明本文所提出的碳排約束有利于削減市場碳高峰,實現電力市場低碳態勢均衡及效益優化。

表4 不同場景下系統碳勢對比Table 4 Comparison of system carbon potential under different scenarios t/(MW·h)

4.3 敏感度分析

影響系統碳排變化以及系統總運行成本的因素主要包括碳交易單價的變化及模型源荷碳排約束量等。在場景A模型的基礎上,分析包括碳交易單價以及源荷碳排約束量的變化對系統運行成本和碳排放量的影響,如圖9所示。

圖9 碳交易價格對系統成本及碳排的影響Fig.9 Impact of carbon trading price on system cost and carbon emission

由圖9可以看出,碳交易價格增加幅度在30%以內時,碳排放量大幅減少,最多達到298.4 t,而總發電成本有微弱的上升趨勢,這是因為電網從碳交易中獲取的收益不足以彌補在調度低碳機組而造成的發電成本增加。而當碳交易價格增加40%以上時,碳排放量變化不明顯,機組減碳效用降低,機組的碳交易收益減少從而使總成本迅速增加,可知該碳交易價格下的調度模型已不具備經濟性與低碳性的優勢,因此通過碳價的敏感度分析可對比制定合適的碳交易單價,同時兼顧系統的低碳性與經濟性。

分析碳排約束量對系統碳排的影響,圖10展示了碳排約束量改變后系統總碳排趨勢以及碳排中各分區負荷碳排具體構成。由圖10可知,隨著碳排約束量上升,系統總碳排會逐漸降低,當碳排約束量增加30%時,碳排放降低了475.9 t,并且工業碳排量所占比例也會隨之下降,從63%降低到了55%。目前電力來源火電比例較高,但在“雙碳”目標下,未來隨著新能源大量并網,源荷碳排約束量也會隨之增加,這會對促進電網系統整體低碳轉型起到重要作用。

圖10 碳排約束對系統碳排的影響Fig.10 Impact of carbon emission constraints on systemic carbon emissions

4.4 碳捕集設備設置及分析

為了分析碳捕集設備加入調度模型在減碳方面的有效性,本文利用碳勢分析方法來分析設置碳捕集前后系統全局的碳勢變化情況。進行碳捕集低碳處理前后各節點碳勢如圖11所示。

圖11 進行碳捕集低碳處理前后各節點碳勢Fig.11 Carbon potential at each node before and after the low carbon treatment with carbon capture

1)未設碳捕集電廠的系統節點碳勢計算。

針對3臺碳排放強度較高的燃煤火電機組,計算未進行碳捕集低碳處理時3臺燃煤機組的碳排放強度為:

QG=[0.980 0.872 0.909]T

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通過碳排放流得到的系統各節點碳勢如圖11(a)所示,處于節點1與節點11的燃煤機組G1、G3相比于機組G2碳勢較高。

2)設置碳捕集電廠系統節點碳勢計算。

相比于未加入碳捕集設備的機組,2臺高碳燃煤機組G1、G3的碳排放強度均有不同程度的降低,此時3臺燃煤機組的碳排放強度為:

Q′G=[0.680 0.941 0.713]T

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重新計算碳捕集設備后系統各節點碳勢如圖11(b)所示。由圖11可知,碳捕集加入前后兩機組節點及相鄰節點的碳勢均有明顯降低,由于碳捕集的加入需要系統額外供能,因此未加入碳捕集G2的機組及附近節點碳勢有些許上升。全系統節點的碳勢在加入碳捕集后總體呈下降趨勢,體現了本文模型在加入碳捕集系統后影響全局碳排態勢上的有效性。

為了進一步驗證利用碳勢定位高碳機組,設置碳捕集在低碳上的作用,本文分析在選擇不同機組進行碳捕集的情況下系統碳排的差異,具體選擇場景如下:

場景1：利用碳勢指標選取節點碳勢最高的G1、G3機組進行碳捕集改造;

場景2：選取G2、G3機組進行碳捕集改造;

場景3：選取G1、G2機組進行碳捕集改造;

場景4：無碳捕集改造。

為了分析以上4種場景在減碳方面的效用,本文首先展示不同碳捕集配置方案前后的調度情況,結果如圖12所示。

圖12 各場景碳排量及運行成本Fig.12 Carbon emissions and operating costs by scenario

由圖12可知,相比于無碳捕集設備加入的場景4,設置碳捕集的場景1—3均在減碳方面有不同程度的效果,且在其他條件完全相同的情況下,場景1—3對應的系統運行成本也有所降低,這說明碳捕集電廠在階梯碳交易市場機制下,可以有效地降低系統的碳交易成本,從而降低總運行成本。

分析對比設置了碳捕集的3個場景,在運行成本相差不大的前提下,場景1的碳排放量相較于場景2、3分別降低了99.3、117.4 t,這是由于場景1在最高節點碳勢的機組設置碳捕集設備最大化了碳捕集的捕集能力,促使發電機組的碳捕集運行在較大捕集水平上,捕集盡可能多的CO2,提高了系統整體減碳能力。說明本文提出的基于碳排放流的碳捕集低碳策略在低碳經濟上的有效性。

為了分析碳捕集加入前后對于負荷側影響效果,本文計算了4個場景下負荷側碳排責任成本,結果如表5所示。由表5可知,在加入了碳捕集的前3個場景中,碳排放責任成本均大幅降低,降低最多的是場景1,碳排放責任成本降低了3.66萬元,這是因為碳捕集使系統中最高碳機組的碳排放強度降低,從而使系統全局碳勢下降,負荷側分攤的碳排責任量下降,有效降低了全局碳排放成本,通過碳排放流理論使得源側的傳統碳捕集減碳手段更加有效地優化系統內碳排量以及經濟效益。

表5 不同場景下的碳排放責任成本Table 5 Cost of carbon responsibility under different scenarios

5 結 論

本文提出了一種考慮碳捕集電廠和多類型需求響應協調優化的計及源荷碳勢耦合的低碳經濟調度方法,在源荷兩端碳排放不超過約束限額的情況下,充分利用源荷雙側可調節資源以提高系統低碳經濟效益以及風電利用率,經過改進后的IEEE 30節點系統算例測試,可以得到以下結論:

1)所提考慮源荷碳勢耦合的電力系統兩階段優化調度模型能夠綜合考慮系統運行成本與碳排放,與不考慮源荷碳排約束以及需求響應的模型相比,系統運行成本分別減少7.38%、11.30%,調度周期內碳排放量約減少831.8、242.9 t,具有良好的低碳效益。

2)建立的基于碳排放流理論、考慮源荷雙側碳排約束的低碳經濟調度具有現實的減排價值,考慮不同負荷類型進行針對性需求響應,使得在3種類型區域中工業地區的碳排量得到了最大的限制,系統全局碳勢相比普通場景下降了5.5%,能夠滿足多類型用戶的減碳需求,在保證碳排放量不超過區域限制的情況下,兼顧了“雙碳”目標下低碳性與經濟性的雙重要求,同時對碳市場的分類負荷低碳措施研究提供了一些新的方向。

在現有研究基礎上,本研究后續擬在原有電力系統基礎上考慮擴展至綜合能源系統經濟調度模型,滿足更加多元化的低碳需求。