一種基于等排放微增率的電力系統碳排放權分配機制研究

陳　強　上海電力設計院變電部

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一種基于等排放微增率的電力系統碳排放權分配機制研究

陳強上海電力設計院變電部

摘要：分析了火電機組的碳排放特性，提出了一種多機組碳排放權分配的等排放微增率原則，證明了基于該原則的碳排放權分配可以使系統的減排效果達到最優。通過引入算例，對基于等排放微增率的碳排放權分配機制和基于排放績效的碳排放權分配機制進行了計算分析，從分配結果來看，基于等排放微增率的分配機制的減排效果要優于排放績效的分配機制。另外，基于等排放微增率的分配機制能夠很好的融合到機組出力計劃的編制中，具有較好的適應性。

關鍵詞：碳排放權；分配；等排放微增率；機組出力計劃

由于電源結構中70%以上由火電構成，我國電力行業的CO2排放量約占總排放量的40%[1]，單位電排放水平與發達國家相比有著巨大的差距，因此電力行業有著巨大的碳減排潛力。電力系統通過建立碳排放管理體系來挖掘電力系統現有減排潛力、優化資源配置，實現碳減排。作為碳排放管理體系中的重要一環，碳排放權的交易與分配越來越引人關注。

在碳排放權交易方面，文獻[2]采用模仿者動態算法模擬發電公司追求利潤最大化的行為，通過算例分析得出了碳排放權交易機制的引入對電力市場運營的影響。文獻[3]通過隨機生產模擬估計CO2配額價格，建立發電公司的最優報價策略的機會規劃約束模型并進行了求解。文獻[4]將電力輸送視為碳匯流，并以此提出了基于碳交易的需求側備用交易原理，通過設計需求側備用的日前調度框架建立了考慮碳排放約束的優化調度模型。碳排放權的分配則是碳排放權的一次分配，是碳排放權交易的基礎。文獻[5]提出了一種碳排放權拍賣方案，從期望收益等角度分析了嚴格競標和策略競標對發電廠帶來的影響。文獻[6]從SO2排放控制領域引入了排放績效概念，提出了一種基于排放績效的碳排放配額分配機制并進行了實證分析。文獻[7]介紹了基于發電量的排放權分配模型和基于發電類型的碳排放權分配模型，并對兩種模型進行了分析比較。

本文從火電機組碳排放特性出發，對火電機組的碳排放特性進行了研究分析，建立電力系統碳排放的最優化模型，根據優化模型的求解過程引入等排放微增率概念，提出了一種基于等排放微增率的碳排放權分配機制。通過該機制的分配，在理論上可以達到電力系統減排計劃的最優解。通過與其他幾種機制的比較分析各種分配機制在分配效率、減排效果等方面的差異，對于建立合理碳排放權分配機制，推動電力系統低碳減排有著重要意義。

1　機組的碳排放特性分析

電力系統的碳排放特性分析為碳排放管理提供理論依據。電力系統的碳排放來源主要有煤電、燃氣發電以及生物質能發電等，而由于燃氣發電占比較低，生物質能發電釋放的CO2本來就會在自然界降解釋放，本文只考慮火電機組的碳排放特性。

對于火電機組而言，火電機組的碳排放特性主要受發電煤耗、煤的燃燒率以及煤的含碳量等因素影響。火電機組的煤耗與發電出力成二次函數關系，如式（1）所示。火電機組煤耗曲線的獲得一般是對離散的煤耗數據進行二次函數擬合獲得的。

式中，a 、b 、c 為機組煤耗特性參數，P為機組的出力水平，單位為MW。

由于煤炭在鍋爐內不可能完全燃燒生成CO2，一部分形成碳顆粒以飛灰和爐渣的形式被帶出爐膛，因此煤炭的燃燒率對于機組的碳排放有一定的影響。另外，煤炭中的含碳量也是影響機組排放的因素。假設煤炭燃燒產生的熱全部來自碳元素的燃燒，煤炭的含碳量可由煤炭的熱值除以碳的熱值獲得。

綜上，考慮機組煤耗特性、燃燒率以及煤炭含碳量，機組的排放特性曲線如式（2）、式（3）所示：

式中，F(P)為機組的煤耗特性，δ為排放質量轉化系數，η為機組煤的燃燒率，ε為煤的含碳量，μ為CO2與碳的相對原子質量比，取44/12。

2　碳排放權分配方法

2.1基于排放績效的分配方法

排放績效機制是電力行業控制氣體排放的一種新機制，目前主要應用在SO2排放控制領域[6]。發電績效標準（generation performance standard，GPS）是機組每發1 kWh的電所造成的排放量，電力系統CO2的排放績效由下式確定：

式中，Q為系統的CO2排放量，E為系統的總發電量。

排放績效可以從單個電廠和系統角度進行計算，也可以從當前和未來的角度進行分析。基于排放績效的CO2排放配額分配首先要每個電廠上報當前實際發電量和實際碳排放情況，通過計算系統的碳排放量和當前排放績效來評估當前的系統碳排放水平。在考慮可行性的基礎上，確定系統未來的碳排放量及未來發電量，以此來確定系統未來的排放績效，結合電廠的實際發電量來完成碳排放配額分配。基于排放績效的配額分配流程如圖2所示。

圖1　基于排放績效的分配流程

2.2基于等排放微增率的分配方法

設系統內有n臺機組，每臺機組相應的每小時碳排放量可以由機組出力根據式（2）求得。建立排放最優模型，目標函數為碳排放總量，通過求解該最優化模型可求得系統的機組組合計劃和出力計劃。

模型的等式約束條件是保持功率平衡，運用拉格朗日乘子法建立增廣目標函數：

式中，PL為系統總負荷，MW。

模型的不等式約束有機組出力約束和爬坡速率約束，即：

式中，S表示開機機組集合，Paj為開機機組j的爬坡特性。

在確定的機組組合下，當機組出力約束和爬坡速率約束都滿足時，系統碳排放量最小的條件是使L最小化，即：

由此可知，當各機組的碳排放微增率λ都相等時系統的碳排放特性達到最優，此時系統的每小時碳排放量最小，可確定每臺機組的出力Pj：

通過式（8）可知，通過等排放微增率得到的機組出力與通過等煤耗微增率得到機組出力有著明顯的不同。將Pj代入對應機組的碳排放特性曲線即可得到相應的碳排放量Qj(Pj)，這就是多機組碳排放權分配的等排放微增率原則。

3　算例分析

本章通過引入算例，分別運用排放績效法和等排放微增率法對一個日發電計劃進行碳排放權分配。某系統確定的當年CO2排放績效為905.8 g/kWh，其負荷由6臺發電機來承擔，其中1000 MW機組1臺、600 MW機組2臺、300 MW機組3臺，機組排放參數如表1所示。

系統負荷的某日負荷可簡化為高峰、中間和低谷三個時段，如圖2所示。對于等排放微增率分配，建立最優化模型并對等排放微增率、機組組合及每個機組的出力進行求解，將求解得到的機組出力代入排放特性曲線就可完成碳排放權分配。分配結果如表2所示。

表1　算例機組排放參數

表2　基于等排放微增率法分配結果

圖2　算例日負荷曲線

基于排放績效分配首先煤耗最優原則確定機組組合，并在此基礎上對機組進行等煤耗微增率有功分配，得到每個機組計劃發電量，再結合系統的排放績效將碳排放權分配到機組。兩種分配機制的分配效果比較如表3所示。

表3　兩種分配機制的分配效果比較

通過對比可知，基于等排放微增率的碳排放權分配機制的減排效果要比基于排放績效的分配機制低4.92%，而且基于等排放微增率的碳排放權分配機制能夠直接融入到機組出力計劃的制定，適應性較強。

4　結論

本文首先分析了機組的碳排放特性，提出了多機組碳排放權分配的等排放微增率原則，然后基于這種原則進行了算例分析，并與基于排放績效的碳排放權分配機制進行了比較。經過算例分析可知，基于等排放微增率的碳排放權分配機制在減排效果上要好于基于排放績效的碳排放權分配機制。另外，通過算例還可以看到，基于等排放微增率的碳排放權分配機制能夠很好的融入到發電計劃的制定流程中，具有較強的適應性和可行性。

參考文獻

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建筑節能專欄

Study on One Kind of Electrical Power System Carbon Emission Right Allocation Mechanism Based on Equal Emission Increment Rate

Chen Qiang
Shanghai Electrical Power Design Institute Power Station Department

Abstract:The article analyzes carbon emission characteristics of coalfired unit and puts forward the equal emission increment rate principle of multi-units carbon emission right allocation, which is proved by optimal system emission reduction achievement based on the equal emission increment rate principle. Through introduced calculation cases, it analyzes and calculates carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle. From the results of allocation, carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle is better than emission performance allocation mechanism. Meanwhile carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle could be well integrated into unit output plan draw-up, which is good at adaptability.

Key words:Carbon Emission Right, Allocation, Equal Emission Increment Rate, Unit Output Plan

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.003