基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃研究

葉文楓

（南方電網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

電力系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)資源的消耗較大，以致環(huán)境惡化速度加劇，為了應(yīng)對(duì)環(huán)境危機(jī)，我國(guó)首先對(duì)以能源消耗為動(dòng)力的電力行業(yè)提出改革要求，以便實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的低碳化改革。尤其隨著碳達(dá)峰、碳中和要求的提出，在規(guī)劃電力系統(tǒng)過(guò)程中，電力企業(yè)要逐漸將電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為清潔能源消耗類型的企業(yè)，以便降低碳排放量，實(shí)現(xiàn)雙碳”目標(biāo)。就目前電力系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看，電力企業(yè)在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮碳排放約束要求，提升清潔能源的使用比重，以達(dá)到減少碳排放的目的，優(yōu)化電力行業(yè)建設(shè)和電力行業(yè)發(fā)展成本。

1 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳需求

以往對(duì)電力系統(tǒng)碳排放需求的分析是基于電價(jià)信號(hào)，通過(guò)調(diào)整電力價(jià)格，引導(dǎo)用戶轉(zhuǎn)變自身用電行為，以起到節(jié)約用電的效果。但是現(xiàn)今對(duì)于電力系統(tǒng)分析，立足于碳排放視角，根據(jù)用戶的用電需求，向用戶釋放用電碳排放信息，予以用戶警示，約束和規(guī)范用戶的用電行為，降低電能的消耗，促進(jìn)可再生資源的消納。

1.1 用電行為

在需求機(jī)制下，規(guī)劃用戶用電行為需要基于用電碳排放信息的差異性，展現(xiàn)碳排放信息表征。不同用電行為將產(chǎn)生不同的用電表征，其碳排放因子也存在差異，因此在研究低碳規(guī)劃需求的過(guò)程中，通過(guò)探究用戶的用電行為反映用戶在日常生活中的用電量，以此源測(cè)用電的碳排放量[1]。用電行為作為需求分析的重要指標(biāo)，在研究過(guò)程中，能夠基于用電行為的差異性，構(gòu)建源測(cè)燃料消耗與直接碳排放的關(guān)系，搭建計(jì)算用電負(fù)荷的橋梁。

1.2 碳排放因子

在計(jì)算用戶用電產(chǎn)生的碳排放因子中可明顯看出以下特點(diǎn)，基于低碳排放分析，碳排放因子具有時(shí)變性特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)用戶不同時(shí)段用電行為的觀察，發(fā)現(xiàn)用戶在應(yīng)用電能過(guò)程中時(shí)效性強(qiáng)，如在下班點(diǎn)是使用電能的高峰期，碳排放因子數(shù)量較多。根據(jù)用戶用電行為碳排放因子排序來(lái)看，用戶用電高峰集中在上下班前后。另外，根據(jù)對(duì)用電行為碳排放因子的觀察發(fā)現(xiàn)，碳排放因子排序還具有無(wú)偏性，在不同時(shí)間段內(nèi)，給定區(qū)域內(nèi)用戶用電呈現(xiàn)出集中特點(diǎn)[2]。如在計(jì)算碳排放因子時(shí)，按照用戶的間接碳排放量與網(wǎng)損之間的比值計(jì)算，用戶的碳排放之和約為對(duì)應(yīng)空間尺度下的直接碳排放量，與區(qū)域內(nèi)無(wú)送入用電量相等。由此可知，用戶用電產(chǎn)生的碳排放因子不會(huì)出現(xiàn)突然變化，具有平穩(wěn)性特點(diǎn)。

1.3 碳排放量

基于用戶用電行為特點(diǎn)，計(jì)算用戶用電碳排放量數(shù)值。圖1 為碳排放量統(tǒng)計(jì)和計(jì)算流程。首先，獲取用戶用電產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)碳排放因子，并按照用戶用電時(shí)間段的不同，分析碳排放因子的組成情況，以追蹤用電碳排放因子源頭。其次，在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)用戶用電的實(shí)際情況繪制碳排放因子的負(fù)荷曲線，分析用戶用電的原始數(shù)值變化和碳排放因子排放規(guī)律。以便測(cè)試當(dāng)日用戶用電所產(chǎn)生的碳排放因子數(shù)量，進(jìn)而計(jì)算用戶原始用電總量所從產(chǎn)生的間接碳排放量。最后，按照用電行為特點(diǎn)，優(yōu)化用戶用電行為和方式，按照不同時(shí)間段，碳排放因子的排列差異性，總結(jié)過(guò)去碳排放總量，重新規(guī)劃未來(lái)用電計(jì)劃，以便大幅減低電能的消耗，在保證基本用電需求的前提下，降低碳排放。

圖1 碳排放量統(tǒng)計(jì)和計(jì)算流程

2 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳分析

基于上述用戶用電行為的特性，現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的低碳規(guī)劃進(jìn)行前期分析，以便掌握電力系統(tǒng)碳排放流的分布特點(diǎn)，排放模型，建設(shè)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，確定約束條件為后續(xù)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和研究提供數(shù)據(jù)參考。

2.1 分布特點(diǎn)

基于目前現(xiàn)有的理論，對(duì)電力系統(tǒng)碳排放流進(jìn)行分析可知，用戶在用電過(guò)程中，其產(chǎn)生的碳排放流具有密度特點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上碳排放流的碳勢(shì)相同，為此在分析電力系統(tǒng)碳排放流時(shí)，以節(jié)點(diǎn)為指標(biāo)，推導(dǎo)電力系統(tǒng)在不同時(shí)間段的碳排放流的任意潮流分布。根據(jù)調(diào)查顯示，相較于傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)，在碳排放流視角下電力系統(tǒng)的碳排放情況具有輻射伏特征[3]。為此，在計(jì)算過(guò)程中，基于電力系統(tǒng)的電阻特征以及電路抗遠(yuǎn)特征，計(jì)算電力系統(tǒng)的潮流。圖2 為電力系統(tǒng)碳排放流相關(guān)指標(biāo)關(guān)系，根據(jù)該指標(biāo)關(guān)系明確各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。

圖2 電力系統(tǒng)碳排放流相關(guān)指標(biāo)關(guān)系

就電力系統(tǒng)的潮流特點(diǎn)來(lái)看，電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)明顯的環(huán)流，整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不存在分布式電源，即便在任意節(jié)點(diǎn)上，存在潮流流經(jīng)，也不會(huì)引起電力系統(tǒng)碳勢(shì)的變化。而且當(dāng)電力系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)組件和元件的碳勢(shì)會(huì)受到下游碳勢(shì)節(jié)點(diǎn)的影響，因此在計(jì)算時(shí)需要按照碳排放流的順序計(jì)算。圖3為碳勢(shì)變化曲線。

圖3 碳勢(shì)變化曲線

2.2 排放模型

根據(jù)上述電力系統(tǒng)的碳排放流的分布特點(diǎn)，現(xiàn)在分布式能源的條件下，以削峰、荷載率為指標(biāo)，建立電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的碳排放流分布模型。假設(shè)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能元件處于放電狀態(tài)，則在進(jìn)行排放過(guò)程中所能產(chǎn)生的碳排放累積，將會(huì)隨著配電系統(tǒng)的運(yùn)行注回到儲(chǔ)能元件中，為此在建立模型時(shí)，根據(jù)電力系統(tǒng)的配電目標(biāo)和碳排放特點(diǎn)，確定碳排放分析指標(biāo)[4]。當(dāng)電力系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時(shí)，其在運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能元件將會(huì)展現(xiàn)以下特性，最大充電率達(dá)到最大值，放電率同樣達(dá)到峰值。綜合電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率可知，儲(chǔ)能元件將在儲(chǔ)能設(shè)備的供應(yīng)下持續(xù)處于荷電狀態(tài)。簡(jiǎn)而言之，儲(chǔ)能元件在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，將會(huì)在放電（P）、充電（T）以及離網(wǎng)狀態(tài)（SOC）下來(lái)回切換，且能夠在單個(gè)時(shí)段內(nèi)達(dá)到峰值。在電力系統(tǒng)碳排放模型構(gòu)建中，還要考慮網(wǎng)損問(wèn)題，圖4 為基于網(wǎng)損的電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)邊際碳勢(shì)計(jì)算流程，根據(jù)流程，將節(jié)點(diǎn)邊際碳勢(shì)納入考量范圍。

圖4 基于網(wǎng)損的電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)邊際碳勢(shì)計(jì)算流程

2.3 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，總共配備了n 臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)，其中含有m 個(gè)儲(chǔ)能元件，基于上述電力系統(tǒng)儲(chǔ)能元件形態(tài)可知，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到A 時(shí)段時(shí)，總碳排放量將會(huì)達(dá)到最大，根據(jù)式（1）計(jì)算：

式中：A——電力系統(tǒng)峰值時(shí)段；P——放電狀態(tài)；bn——n 臺(tái)分布式電源機(jī)造成的碳勢(shì)，以及電力系統(tǒng)在平穩(wěn)運(yùn)行條件下做的有功功率和主網(wǎng)碳勢(shì)。

根據(jù)上述可知，電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，碳勢(shì)的集合為潮流的表征，在節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)未發(fā)生變化時(shí)，按照目標(biāo)函數(shù)計(jì)算，其在A 時(shí)段下所產(chǎn)生的碳勢(shì)將由配電系統(tǒng)中的機(jī)組參數(shù)和儲(chǔ)能元件運(yùn)行所決定。

2.4 約束條件

在計(jì)算電力系統(tǒng)碳勢(shì)函數(shù)時(shí)，還需要明確模型中的約束條件，基于電力系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)可知，在A 時(shí)段下電力系統(tǒng)產(chǎn)生的有功功率與無(wú)功功率與對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電流值和電壓值對(duì)應(yīng)，且該時(shí)段的電導(dǎo)與電納將會(huì)出現(xiàn)角差。按照線路約束潮流條件，電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，在l 時(shí)段將會(huì)出現(xiàn)最大復(fù)功率，且其所對(duì)應(yīng)支路也將傳輸最大功率，達(dá)到電壓上下限。當(dāng)?shù)趍 個(gè)元件受到充電功率限制時(shí)，儲(chǔ)能元件在該時(shí)間段放電狀態(tài)將會(huì)達(dá)到最大時(shí)長(zhǎng)，且受到最大充電電量的限制，使電力系統(tǒng)中每個(gè)時(shí)段內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行向下和向上調(diào)節(jié)的最大出力[5]。

3 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃

基于上述對(duì)電力系統(tǒng)碳排放量分布特點(diǎn)、低碳需求的分析，現(xiàn)為電力系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃提出相應(yīng)意見(jiàn)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)低碳建設(shè)目標(biāo)，減少電力系統(tǒng)建設(shè)對(duì)資源消耗，響應(yīng)國(guó)家對(duì)電力行業(yè)改革的號(hào)召，在滿足供電需求的同時(shí)，完成電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)轉(zhuǎn)型。

3.1 整體邏輯

基于上述電力系統(tǒng)的規(guī)劃要求，制定電力系統(tǒng)規(guī)劃整體邏輯，其是一種雙層規(guī)劃模型，圖5 為電力系統(tǒng)低碳框架模型，其中碳排放流與碳排放需求是其中的重要指標(biāo)，按照電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能要求以及儲(chǔ)能需求，對(duì)用戶用電行為進(jìn)行優(yōu)化。首先，明確電力系統(tǒng)低碳建設(shè)的上層規(guī)劃，根據(jù)電力系統(tǒng)模型求解，上層結(jié)構(gòu)規(guī)劃中得出了電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)以及裝機(jī)設(shè)備對(duì)于電能的消耗情況，且在一定的裝機(jī)容量下，電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備將會(huì)持續(xù)放電，適應(yīng)電力系統(tǒng)的線路電流傳輸潮流。基于上層架構(gòu)，構(gòu)建下層架構(gòu)，根據(jù)碳流的計(jì)算結(jié)果，每個(gè)電力系統(tǒng)的碳勢(shì)節(jié)點(diǎn)與支路密度相對(duì)應(yīng)，其形成的負(fù)荷曲線也將實(shí)時(shí)更新，然后經(jīng)由負(fù)荷功率的調(diào)整，優(yōu)化電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線[6]。

圖5 電力系統(tǒng)低碳框架模型

3.2 投資模型

投資目的是以最低的運(yùn)行成本構(gòu)建電力系統(tǒng)低碳建設(shè)。因此，在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃過(guò)程中，將投資成本劃分為系統(tǒng)成本、運(yùn)行成本兩項(xiàng)內(nèi)容。按照電力系統(tǒng)的建設(shè)要求，在對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃過(guò)程中，按照電力系統(tǒng)的啟動(dòng)成本計(jì)算，其風(fēng)電場(chǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備成本占據(jù)較大比重。而且在電力系統(tǒng)單位機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能設(shè)備所消耗的成本能夠達(dá)到a，光伏電站成本為b，時(shí)刻機(jī)組群成本為z。儲(chǔ)能發(fā)電成本為e，按照電力系統(tǒng)8760h 運(yùn)行時(shí)序計(jì)算，電力系統(tǒng)的總運(yùn)行成本將會(huì)突破最大值，整體在總成本占比不小于1/3。表1 為成本分成。

表1 成本分成

3.3 規(guī)劃結(jié)果

根據(jù)上述雙層結(jié)構(gòu)規(guī)劃方法，分析電力系統(tǒng)低碳條件下的需求，按照電力系統(tǒng)的裝機(jī)量和的新能源使用情況對(duì)比可知，在雙層結(jié)構(gòu)模型下，電力系統(tǒng)的建設(shè)不僅能夠滿足用戶用電需求，還能夠有效降低用電比例，其整體數(shù)值下降至75%，碳排放強(qiáng)度也得到大幅改善，尤其在碳勢(shì)節(jié)點(diǎn)上存在較多的新能源應(yīng)用，促進(jìn)了新能源消納，減少了傳統(tǒng)機(jī)組、新能源及儲(chǔ)能的建設(shè)浪費(fèi)。圖6 為能源消耗對(duì)比。

圖6 能源消耗對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，電力系統(tǒng)低碳建設(shè)和規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)在前期根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際情況，研究分析低碳需求以及分布特點(diǎn)，再通過(guò)構(gòu)建低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃模型，制定電力系統(tǒng)的建設(shè)方案，進(jìn)一步計(jì)算電力系統(tǒng)的碳排放量，優(yōu)化電力系統(tǒng)碳排放模型，以便在低碳目標(biāo)下，完成對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃，推動(dòng)圍繞配電網(wǎng)與用戶側(cè)面向低碳相關(guān)研究的進(jìn)步，在滿足用戶用電需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)建設(shè)轉(zhuǎn)型。