新型电力系统的"碳视角":科学问题与研究框架

电力在我国能源消费与碳排放中占据重要地位。电力系统低碳转型,构建以新能源为主体的新型电力系统将对我国碳达峰、碳中和战略目标的实现起到关键作用。该文首先分析了从“电视角”到“碳视角”下电力学科研究体系的转变趋势,并对当前“碳视角”下的电力系统研究概况进行了综述。基于“碳视角”下的电力系统研究路径,从电力系统全环节碳排放计量和“战略-技术-市场”协同低碳化解决方案2个方面,分析了电力低碳转型过程中的关键科学问题。在此基础上,从碳计量与碳追踪、碳规划与碳轨迹、碳减排与碳优化、碳市场与碳交易4个方面提出了新型电力系统“碳视角”的研究框架,并对关键研究内容进行了分析和阐述。     

基于碳卫星与电力排放数据的碳计量

目前,基于温室气体卫星遥感探测技术的碳感知正逐步成为新一代碳计量方法的重要组成部分。然而,从碳卫星数据中准确提取由人类活动产生的碳排放数据是一项至关重要且极具挑战性的任务。文中结合碳卫星与电力排放数据,提出一种新的人工智能算法,以实现准确的碳排放计量。首先,介绍了所使用的包括碳卫星和电力数据在内的多模态数据源,并设计了相应的数据筛选方法。然后,提出了考虑此多模态数据特性的深度学习方法,构建反映碳卫星数据、发电量数据与碳源碳排放量之间函数关系的数据驱动模型。最后,基于美国OCO-2碳卫星的碳浓度遥感数据及美国1 304家火力发电厂的连续烟气监测系统数据验证了所提方法在发电厂碳排放量计量问题上的有效性。     

基于神经网络的电力系统节点碳排放因子预测方法

电力减碳是实现国家“双碳”目标的关键环节。基于碳流分析法的电碳计量方法,能较好地反映发电、电网和用户的真实碳排放情况。然而,碳流分析法的计算量大,时间滞后,难以支撑电力低碳调度和低碳生产等。针对此,提出基于Dropout神经网络的电力系统节点碳排放因子预测方法,并在3个IEEE标准节点系统上,将该方法与传统神经网络、潮流计算进行性能对比。结果表明：该方法准确度高,计算速度快,可用于电力系统低碳调度的辅助决策依据,还可用于电力用户低碳生产和生活的引导信息。     

支撑电力系统全环节碳流追踪的节点导纳矩阵算法研究

为助力电力系统低碳化改革,电力系统碳计量应在测量发电侧直接碳排放的基础上,将碳排放责任从发电侧扩展至负荷侧和线路侧,得到电力系统全环节碳排放分摊责任。该文提出一种利用节点导纳矩阵运算实现碳流追踪的解析算法。结合潮流与碳流的换算关系,经矩阵运算得到电源、负荷及线路网损三者之间碳排放量分布关系的解析表达式。通过IEEE 30节点系统算例及与其他算法的对比分析,验证碳流追踪模型的正确性。此外,比较发电侧、负荷侧及线路侧计量方式下的节点和线路碳排放量,以及引入可再生能源及碳捕集与封存技术后系统全环节碳排放量的分布变化,并针对影响碳减排比例的因素展开分析,为后续碳排放责任分摊及系统低碳改造提供数据支持。     

电热耦合系统全流程碳排放计量技术

电能和热能作为二次能源,供热和供电系统产生的碳排放基本都来自产能侧。同时,随着综合能源的的发展,电热网络的耦合变得紧密。因此,如何界定产能、传输以及用户侧碳排放责任对碳排放进行计量是促进电力网络和热力网络各个环节低碳发展的重要措施。针对这一问题,为改进现有宏观计量的局限性,提出了基于碳排放流的电热耦合网络考虑网络损耗的全流程碳计量方法。创新地将电热耦合系统作为整体,提出了网络中的碳排放流定义和指标,并建立了电热耦合网络以及耦合设备的全流程碳排放流模型。提出了一种涉及能量传输全流程的碳排放计量架构,所提方法能够有效地对电热耦合网中产能环节、传输环节以及用能环节进行碳排放的计量。文中给出了示例系统,验证了模型与算法的准确性。     

双碳背景下用户侧碳计量装置及平台的研发与应用

双碳战略目标的落地实施需要实现用户侧碳排放的精确计量。现有的碳计量方法受制于客观条件的限制更多地聚焦于发电侧而忽略了社会生产消费行为对碳排放的影响。电力需求侧的能源消费行为需要颗粒度更精细的碳计量装置及平台实现碳的实时追踪与溯源。对此将碳价值的时变性与无偏性纳入到实际碳计量工作中,实现油、电、气等综合能源的碳流量的在线精确刻画。通过构建碳减排量计算模型和碳排放激励模型,形成对用户侧碳排放价值的衡量标尺。开发了一套完整的碳计量装置与平台,利用采集到的实时碳数据主动控制与引导用户选择更低碳的生产经营活动,实现低碳需求响应。经过在某企业半年多的运行监测与改造验证了所开发碳计量装置及平台的实用性。     

基于改进碳排放流理论的电力系统动态低碳调度方法

目前,电力系统面临较大减排压力,随着智能电网发展,需求侧资源参与电力系统调度可进一步降低电力系统碳排放。提出了一种日前市场考虑需求响应的低碳动态两阶段优化调度方法。第一阶段,基于机组动态碳排放计量模型,计算发电侧的碳市场交易成本,建立电力系统低碳经济调度优化模型,求解初始调度方案。第二阶段,基于改进的电力系统碳排放流理论,计算用户侧实时碳排量和碳排放成本,考虑以碳价为信号的需求响应,建立低碳经济优化调度模型,优化负荷分布以进一步降低系统碳排放量,并求解获得最终调度方案。最后以改进的IEEE 14节点为例对系统碳排放量和总运行成本进行计算分析,结果表明：所提模型和方法可以降低系统碳排量,验证了其可行性和合理性。     

基于碳排放流的电力系统低碳需求响应机制研究及效益分析

电力碳排放占我国全社会碳排放的四成以上,电力行业是实现“双碳”目标的排头兵。在电力系统碳减排方法的相关研究中,现有研究大多从把控源侧直接碳排放入手,而较少从“碳视角”出发,关注用户用电行为对电力系统碳减排目标的反作用。然而,电力系统“源随荷动”特征使得荷侧才是电力系统碳排放的主要责任人,用户的用电行为将对系统碳排放产生显著影响。为此,该文提出一种引导用户主动响应并降低系统碳排放的电力系统碳减排新机制——低碳需求响应机制。该机制以动态碳排放因子为引导信号,以用户自身减碳意愿或碳市场中的价格因素为激励信号。基于全国电力规划与运行模拟数据以及武汉市某企业负荷数据开展实证分析,分别从系统角度和用户角度验证了低碳需求响应技术具有较大的减碳潜力。最后,从新标准、新技术、新机制三方面对影响低碳需求响应机制实施效果的关键环节进行了研究展望。     

电力碳排放计量技术现状及展望

电力行业是我国碳排放的重点领域,也是实现“双碳”目标的主要“责任人”。精准的电力碳排放计量是评估各地区、各行业、各企业的碳排放量,制定合理可行的碳达峰、碳中和实施路径的基础。文中对电力碳交易、碳排放计量现状进行分析,总结发电侧、电网侧及用户侧碳排放计量的技术现状。针对电力碳排放计量技术在电力低碳调度、低碳需求侧响应等工作中的应用现状,提出优化碳排放计量技术的关键性问题和未来发展方向,为电力行业碳排放计量的进一步研究提供参考和借鉴。     

基于碳排放流理论的电力系统源-荷协调低碳优化调度

在低碳电力的背景下,需求侧资源逐渐参与电力系统调度,为降低电力系统碳排放提供了新思路。建立了一种考虑碳排放流理论和以碳价为价格信号的需求响应电力系统两阶段低碳优化调度模型。首先,以电力系统经济调度为一阶段优化模型。其次,基于Shapley值碳责任分摊方法,计算出各负荷侧碳责任合理范围并由此提出阶梯碳价定制方法,然后基于碳排放流理论计算出负荷侧碳排放责任情况及碳排放成本。再次,构建以碳价为信号的需求响应低碳优化调度为二阶段优化模型,利用负荷侧调节能力降低总碳排放量,从而降低负荷侧碳排放成本。最后,基于改进的PJM-5节点系统分别对全火电机组场景和含风电机组场景进行算例分析,通过仿真算例对不同场景下系统的碳排放量以及碳排放成本进行了分析。同时,在IEEE-118节点系统中进行验证,结果表明所提出模型合理计算了碳排放责任,有效降低了系统碳排放量,验证了所提模型的合理性和可行性。     

园区电力碳排放核算系统

2020年9月,我国确定碳达峰、碳中和的“双碳”战略。能源行业碳排放占我国二氧化碳排放总量的88%,电力行业碳排放超过能源行业排放总量的40%,“双碳”目标下能源行业是主战场,电力行业是主阵地,电网作为电力行业的核心部分,在“双碳”目标的实现中将起到重要作用。园区作为电网的特殊区位结构,实现园区精准电力碳排放核算与监控是贯彻落实“双碳”目标的基础。基于图数据库和图计算,融合“电网一张图”的时空数据建模理念,设计并构建了园区电力碳排放核算系统。基于提出的园区电力碳排放流平衡方程,定义园区发用电碳排放强度、碳减排、碳消费、碳信用和碳积分,构建电力碳排放核算体系。同时,以数据为核心生产要素,打通园区内源网荷储各环节信息,增强各环节的数据服务能力和全景可视化展示能力,实现园区内碳生产、碳流动和碳消耗过程的监控,并提出面向园区的“电碳一张图”构建理念,推动电碳市场的有机融合和协同发展。     

基于碳熵指标的电-热互联综合能源系统碳轨迹追踪方法

“碳达峰·碳中和”目标背景下，节能减排成为中国能源改革的首要任务。碳排放(简称碳排)的宏观计量无法满足能量系统碳排深入研究的需求，精细化的用能侧碳排特征能够有效指导用户低碳用能。文中基于碳熵指标提出了电-热互联综合能源系统的碳轨迹追踪方法。首先，基于“熵”与“碳排”的相似特征引入了“碳熵”概念，用以描述碳排随能量流动的无序化，研究源与荷的碳熵关系。其次，基于电、热系统的叠加特性建立了电-热互联综合能源系统的碳熵模型，形成源荷作用关系的显式表达式，对电-热互联综合能源系统进行碳轨迹追踪，并分析单个碳源作用于用户侧的碳熵分量。最后，以中国吉林省某地区电-热互联综合能源系统为例进行算例分析，验证了碳熵模型的优势及有效性。     

基于碳排放核算的园区级新型电力系统零碳建设要素分析

分析一个区域电力系统中的碳排放,空间维度上涉及“源、网、荷” 三大组成,时间维度上涉及全寿命周 期内的碳排放活动.针对园区级新型电力系统的建设,对碳核算、碳减排、碳抵消三个环节的零碳要素进行阐述.     

用户侧电力碳排放强度的评估原则与模型

针对电力碳足迹评估问题,借鉴生命周期环境影响的评价思路,提出基于潮流追踪理论的用户侧电力碳排放强度评估模型.模型追溯负荷有功源头,计入传输损耗,按电力来源属性评估其清洁程度,使碳排放分析覆盖电力系统运行的各主要环节,而电力设施建设和燃料供应过程不包含在内.评估结果反映了电力消费的间接环境影响,有利于用户了解并管理其碳足迹,可为用户所应承担的碳排放责任及成本提供合理依据,并有利于提高用户响应清洁能源消纳的积极性.仿真算例验证了上述模型的正确性和有效性.     

基于潮流追踪的用户碳排放水平计算与评估方法

新型电力系统用户侧泛在资源分布零散、数量多、容量小以及随机性大的特点,给用户侧精细化碳排放计算造成了困难。为了准确衡量与评估电力系统中用户碳排放水平,首先通过潮流追踪方法分析了电力系统各节点潮流的来源,确定了各节点的间接碳排放责任;然后依照比例共享原则结合不同来源的碳排放强度得到了电力系统碳流分布情况;最后通过提出的负荷侧各项电力碳排放指标,评估了不同节点的清洁程度从而引导用户更多地使用清洁能源以降低自身碳排放。并采用实际电力系统数据进行算例验证,验证了所提方法的合理性与可用性。     

电力碳排放强度的基本概念及其研究进展

“双碳”已经成为国家战略,国家有关部委对碳排放统计核算计量发布一系列政策,提出了明确的工作需求。量化计算电力碳排放强度可以准确掌握我国各个地区的碳排放变化趋势,并开展有针对性的各项碳减排工作以促进绿色经济转型。我国虽然已初步建立了一套碳排放计量方法,并以年为单位开展碳消费清单的核算工作,但该方法的理论体系仍相对落后,在统计能源碳消费层面会产生较大偏差,且核算周期过长,核算结果缺乏时效性,使相关企业对我国发布的碳排放清单核算数据的权威性产生疑问,因此,碳核算工作的机制亟须完善。提出了一种分时分区电力碳排放强度的核算体系,利用电力状态估计和潮流特性,构建电网发用电侧碳排放量的耦合关联计算方法,定义发用电碳排放强度,提出考虑电能替代的区域与边际碳排放强度计算方法,以及采用电力碳排放强度体现绿电交易中的区域碳强度变化,最后探讨了基于图计算的分时分区电力碳排放强度的先进性。     

考虑碳排放流理论的风-碳捕集-电转气联合新型中长期调度方式

为了应对全球气候变化和实现“碳达峰”、“碳中和”目标,针对性实现碳减排和碳排放量化,结合碳排放流技术,研究了一种风-碳捕集-电转气联合的新型中长期调度方式。首先,采用碳排放流理论计算系统各节点的碳势指标;其次,构建碳捕集和电转气与风电的联合特性,同时,以综合成本最小为目标,建立含有风电、水电、抽蓄、碳捕集、电转气的发电系统中长期机组组合模型;最后,基于Gurobi对IEEE 39节点电力系统进行仿真,验证了所提研究方法的有效性。     

基于复功率潮流追踪的电力用户侧碳排放计量

中国电力行业传统的碳排放计量都是以电源为排放源,这种计量方式没有考虑电力的传输过程,用户也无法直观感受到自身消费行为引起的碳排放。为了鼓励绿色电力的接入,明确用户消费电能产生的碳排放量,促进绿色电力证书市场的发展,有必要从用户侧进行碳排放计量。文中在计及网损的复功率潮流追踪模型基础上建立了碳流追踪模型,将无功功率对于有功功率的间接作用通过共同追踪的方式体现,全面分析了电力网络中二氧化碳伴随功率从电源侧向用户侧的"流动"。通过IEEE 57节点算例检验了碳流追踪模型的正确性,碳流追踪结果可以计量引入绿色电力后用户侧各节点以及全网网损的减排比例,亦可为各区域间减排责任的划分提供依据。同时,线路网损产生的碳排放量为低碳电力调度提供了新的参考。     

考虑低碳需求响应的碳捕集燃煤电厂配置-运行协同优化

针对电力系统的低碳经济运行问题,提出一种考虑低碳需求响应的碳捕集燃煤电厂配置-运行协同优化方法。考虑燃煤电厂发电系统和燃烧后碳捕集系统存在强耦合关系,在gCCS平台采集溶剂型碳捕集燃煤电厂的运行数据,采用多元线性回归方法进行模型参数识别,构建其稳态数学模型。应用碳排放流理论计算负荷侧碳排放成本,并根据机组碳排放强度进行碳配额分配,构建低碳需求响应模型。基于此,上层优化模型以电厂配置成本最低为目标函数,满足容量优化配置约束。下层优化模型以运行成本最小为目标函数,满足系统运行约束。采用改进IEEE 24节点系统作为算例进行仿真分析,验证了所提策略的有效性。     

考虑区域碳排放均衡性的电力系统最优阶梯碳价

考虑到碳排放重灾区居民的环境诉求,提出基于区域碳排放均衡性的综合指标碳排放权分配方案,以基准法分配方案和发电厂所在区域的碳排放量为标准,根据熵值法进行碳配额分配。为了研究碳价对电力系统碳排放量的影响,建立了电力系统三阶段最优阶梯碳价模型。第1阶段为正常情况下的机组组合问题,第2阶段为寻找最差的N-1故障场景,第3阶段为最优阶梯碳价的求解模型,通过列与约束生成(CCG)算法和二分法求解。算例分析表明,在减排任务较小时,阶梯碳价能够以较少的碳交易成本控制系统碳排放量;基于综合指标的碳排放权分配方案在平衡区域碳排放差异性方面效果显著。