基于实现碳达峰目标的电力系统优化配置研究

[摘要]电力行业是碳减排的重点领域，也是推进能源绿色转型的中心环节。推进电力行业提前碳达峰，对于实现我国“双碳”目标具有全局性意义。首先，结合电力系统建设现状及未来发展，以电力碳达峰为边界构建电力系统生产模拟模型。然后，运用曼-肯德尔（Mann-Kendall）趋势检验法对模型结果进行验证分析，提出实现地区电力碳达峰的电源装机结构优化配置方案，模拟区域电力碳排放轨迹。最后以山西省为例，设计实现电力碳达峰的地区电力系统配置方案。结果表明，山西省风电、光伏发电以及新型储能装机规模将快速增长，电力系统调峰压力不断增大，多种电网灵活性资源需协同发展。“十四五”到“十六五”期间，该区域电力二氧化碳排放量将经历前期快速增长、中期波动下降、后期稳定下降3个阶段，到2027年二氧化碳排放量将达到峰值。

[关键词]碳达峰;电力系统;优化配置;生产模拟

一、 引言

面对全球气候急剧变化，自然灾害、极端天气频发，世界各国纷纷出台碳达峰、碳中和实现目标，推进能源体系低碳化转型发展。在第75届联合国大会上，中国宣布二氧化碳排放将“力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”1。此后，“碳达峰、碳中和”目标先后被列入“十四五”规划、政府工作报告等重要会议和政府文件中，并在能源、建筑、交通等重点领域落地实施，此举彰显出我国应对全球气候变化、推动世界绿色低碳发展的大国担当。我国仍然是发展中国家，以煤炭、石油为主的能源供给结构使得二氧化碳排放总量长期处于较高水平，目前年排放量已超过100亿吨，其中电力行业碳排放占比约为42.5%2，是我国碳排放总量最大的单一行业。未来随着电气化水平的不断提升，交通、建筑、工业等领域通过电能替代的方式减少了对化石能源的直接使用，使得部分碳排放转移至电力系统，电力行业将承担最主要的碳减排指标和更大的减排责任。控制电力行业碳排放量、推动电力行业提前碳达峰是实现全社会碳达峰、碳中和目标的主要路径和关键措施。

发展清洁电力，大规模提高可再生能源的接入比例，是实现电力行业碳达峰的必然选择。这意味着中国将在未来十年加速实现能源电力领域的深度低碳转型，强化风电、光伏发电等可再生能源大力发展的目标，以风电、光伏等新能源发电为主的清洁、低碳电力系统将逐步取代以传统化石能源发电为主的高碳排放电力系统，以实现电力行业碳排放更早达到峰值，并尽可能将峰值控制在相对较低的水平。由此，本文将2030年前实现电力碳达峰目标作为电力规划的硬约束，建立电力系统生产模拟模型;并以山西省为例，对区域电力发展趋势深入分析，通过优化清洁能源、传统电源以及储能设施的规模，提出该地区电力系统碳达峰的具体实施方案，为实现电力行业“双碳”目标提供理论支撑。

二、 文献综述

近年来，国内外学者对于中国电力行业如何实现深度减排开展了很多研究。现有研究中大多是从宏观角度出发分析电力系统转型中遇到的问题和挑战，关注减排目标下电力系统未来的技术组合，并提出相应的对策建议。舒印彪等分析了实现电力系统低碳转型亟待解决的重大问题，提出科学确定煤电发展定位，解决好煤电发展问题是我国稳妥实现电力低碳转型的关键;处理好电力平衡与供应保障问题具有很大挑战，需要在统筹平衡、功能互补的前提下，注重能源绿色低碳转型与灵活性调节资源补短板并重，实现各类电源协同发展。提出实现双碳目标需要优化电力行业顶层设计，稳妥规划电力转型节奏，完善利益平衡、统筹兼顾的市场机制，建立绿色金融政策保障体系[1]。李晖等分析了面向“碳达峰碳中和”目标的中长期能源电力发展趋势，提出了通过需求侧响应释放系统调节潜力、新能源布局向中东部倾斜、提升输电通道利用效率、优化电网格局及主网架结构等电力系统发展建议[2]。张小丽等认为电力行业基础设施寿命周期较长，建议电力行业要尽早制定长期低碳战略，针对关键的电力行业低碳电力技术来制定相关的技术发展路线图[3]。电力低碳转型要与整个社会经济系统以及能源系统变革相一致，电力行业的低碳转型发展需要在能源经济发展的总体框架下给出系统性的政策实施建议。李政等认为应当从现在起就超前部署相关措施和政策，包括保障可再生能源的发展、加强CCS/PBECCS的研发与部署、保障电力低碳转型所需投资等[4]。

还有部分学者通过建立数学模型对碳减排目标下中国电力系统转型路径开展研究[5-6]。庄贵阳等在解读新发展格局与2030年前碳排放达峰逻辑关系的基础上，分析碳达峰的政策内涵，中国碳达峰的深层次问题是能源问题，要求源、网、荷同步发力，高比例发展非化石能源，以能源脱碳推动经济社会绿色低碳转型[7]。张小丽等认为未来中国电源结构逐步低碳化，电力部门在碳排放达峰后，进一步加速脱碳来支撑中国的低碳转型[3]。金晨等将中国划分为7个区域电网，认为各区域在新能源出力、储能及电网互联等方面应联合优化规划，充分发挥其在不同空间及时间尺度上的灵活调节作用[8]。张运洲等构建了适用于近中期的电力低碳发展源-网-荷-储协调规划模型，认为“十四五”期间，中国电力低碳转型进程提速，“十五五”期间，电源结构进一步优化，电力系统碳排放达峰后稳中有降[9]。李政等认为若按照当前的电力发展趋势，中国将不能实现《巴黎协定》规定的2℃/1.5℃目标，必须在当前基础上加大可再生能源扩张，未来30年风电和光伏发电需要逐渐转变为主力电源[4]。

总体来看，现有研究主要是从全国实现碳排放目标的角度提出整个电力行业的转型方向，而各地区实际资源禀赋不尽相同，这也决定了各地区在实现电力碳达峰的方案上存在差异，习近平指出“支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达峰”1，但是目前学界针对具体地区电力系统如何优化配置来实现该地区电力碳达峰的研究较少。本文的创新点是将电力二氧化碳排放与传统电力系统运行模拟耦合求解，得到满足电力碳达峰目标的电力系统优化配置方案。

三、 电力系统模拟方法

电力系统是由电源、电网和电力负荷组成的电能生产、输送和转化的统一系统，发电、送电和用电是在同一瞬间进行并完成的连续过程。由于电力系统的特殊性和安全性，对于电力系统的研究绝大多数都是在电力系统仿真模型上进行的，按照模拟方法不同，可分为物理模拟与数学模拟两大类。在物理模型上的仿真称为电力系统动态模拟，在计算机数学模型上的仿真称为电力系统数字模拟，后者也称为电力系统生产模拟，这两种方法都是研究和分析电力系统的重要手段。

电力系统动态模拟是在基于相似理论建立的电力系统物理模型上开展研究，物理模型模拟并不改变原型系统物理量的性质，只是模型系统与原型系统的物理量大小不同，模型系统与原型系统具有相同的物理过程。

电力系统数字模拟是用数学模型来研究物理现象的过程，依据电力系统相关理论，对电力系统运行的物理过程建立相应的数学模型，选择适当的数值计算方法在计算机上进行求解计算，从而得到模拟结果。电力系统数字模拟不受原型系统规模和结构复杂程度的限制，对于不同研究对象只须在数学模型上进行适当修改，数字模拟具有较好的经济性和通用性。

本文采用电力系统数字模拟开展研究，模型建立过程中遵循如下原则：

（1）电力系统必须保持发电功率和用电功率实时相等。（2）新能源发电最大理论出力取决于地区风光资源特性，参考新能源历史出力能力。（3）火电机组最小运行方式参照华北能源监管局的核定结果。（4）各电源数学模型根据其自身运行特性进行建立。

四、 电力系统生产模拟模型

由于电能不能大规模储存，电力平衡成为电力系统安全稳定运行的刚性约束，因此在研究电力系统规划配置问题时，电力系统生产模拟是保证电力系统电力平衡必不可少的工具与方法[10-11]。本文提出的模型旨在优化地区电力系统中长期发展规划（见图1），以地区负荷、电源装机结构以及各类电源运行参数和出力特性作为输入参数，根据实际电力系统运行特性，考虑电力负荷分配过程中各种发电技术的运行特点和约束条件，最终得出可以满足电力碳达峰条件的最优电源装机类型、容量以及建设时序等。

1. 目标函数

为了保证风电、光伏发电等可再生能源高比例接入电网后，充分利用电力系统的消纳能力，积极提升新能源发展空间，本模型以计算期内风电和光伏发电弃电量之和最小作为目标函数。

[min=j=year1year2t=1T∆Pjwind，t+∆Pjpv，t] （1）

2. 风电和光伏发电运行约束

风电和光伏发电装机容量受到当地最大可开发容量和电站建设速度的双重限制，模型中设定了每年的新增风电和光伏发电装机容量上限。风电和光伏发电出力主要受该发电技术某时刻理论最大出力的约束。

[0≤Pwind，t≤Pwind，t，max] （2）

[0≤Ppv，t≤Ppv，t，max] （3）

[∆Pwind，t=Pwind，t，max-Pwind，t] （4）

[∆Ppv，t=Ppv，t，max-Ppv，t] （5）

式中[Pwind，t]为[t]时刻风电机组出力;[Ppv，t]为[t]时刻光伏发电出力;[Pwind，t，max]为[t]时刻风电机组最大出力;[Ppv，t，max]为[t]时刻光伏发电最大出力，[∆Pwind，t]为[t]时刻风电弃电量;[∆Ppv，t]为[t]时刻光伏发电弃电量。

3. 火电机组运行约束

该地区火电机组包括燃煤发电机组、燃气发电机组和生物质发电机组，火电机组运行需满足最小技术出力、最大技术出力、爬坡能力、滑坡能力以及最小启停的约束[12-13]。

[Pfire，min×Ifire，t≤Pfire，t≤Pfire，max×Ifire，t] （6）

[-Pfire，down≤Pfire，t-Pfire，t-1≤Pfire，up] （7）

[k=tt+TO-1Ifire，t≥TOfire×Ifire，t-Ifire，t-1] （8）

[k=tt+TO-11-Ifire，t≥TSfire×Ifire，t-Ifire，t-1] （9）

式中[Pfire，t]为[t]时刻火电机组出力;[Pfire，min]为火电机组出力下限;[Pfire，max]为火电机组出力上限;[Pfire，down]为火电机组滑坡能力;[Pfire，up]为火电机组爬坡能力;[Ifire，t]为机组启停状态变量，当机组启动运行时为1，当机组停机时为0;[TOfire]为机组启停的最小开机时间;[TSfire]为机组启停的最小停机时间。

4. 常规水电运行约束

常规水电机组运行约束与火电类似，另外还需要满足水电站水容量的约束，水电站总出力应不超过水电站某时刻水量可以发出的最大电力。

[Pcon，min×Icon，t≤Pcon，t≤Pcon，max×Icon，t] （10）

[-Pcon，down≤Pcon，t-Pcon，t-1≤Pcon，up] （11）

[Pcon，t≤Wcon，t] （12）

[k=tt+TO-1Icon，t≥TOcon×Icon，t-Icon，t-1] （13）

[k=tt+TO-11-Icon，t≥TScon×Icon，t-Icon，t-1] （14）

式中[Pcon，t]为[t]时刻常规水电机组出力;[Pcon，min]为常规水电机组出力下限;[Pcon，max]为常规水电机组出力上限;[Pcon，down]为常规水电机组滑坡能力;[Pcon，up]为常规水电机组爬坡能力;[Wcon，t]为常规水电站某时刻水量可以发出的最大电力;[Icon，t]为常规水电机组启停状态变量，当机组启动运行时为1，当机组停机时为0;[TOcon]为机组启停的最小开机时间;[TScon]为机组启停的最小停机时间。