低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行優(yōu)化策略

回俊龍，凌云頔

(國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，長春 130000)

應(yīng)對經(jīng)濟全球化發(fā)展及氣候變化，應(yīng)發(fā)展清潔低碳綠色經(jīng)濟。低碳節(jié)能電力工程技術(shù)是推動電力低碳技術(shù)轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要策略。

1 低碳電力技術(shù)

低碳綠色電力勘測技術(shù)是在地區(qū)建設(shè)項目中進行勘測應(yīng)用設(shè)計，即組織展開低碳電力技術(shù)在本地區(qū)建設(shè)項目的勘測應(yīng)用研究規(guī)劃，落實低碳綠色發(fā)展理念，探索新生產(chǎn)材料、新生產(chǎn)裝備、新生產(chǎn)工藝、新生產(chǎn)技術(shù)、新生產(chǎn)流程的綜合應(yīng)用。對低碳施工技術(shù)在建筑施工中的實際應(yīng)用情況進行前期策劃，實施建筑一體化低碳施工，在施工、調(diào)整試驗、驗收考核階段推行符合低碳技術(shù)應(yīng)用要求的“四節(jié)一環(huán)保”潔凈化施工。通過以上設(shè)計、施工等措施，達到資源節(jié)約、環(huán)境保護、水土保持、生態(tài)保護的目的，加強過程質(zhì)量管理，實現(xiàn)安全建設(shè)工程總目標[1]。

低碳電力理念的廣泛引入對于我國電力行業(yè)發(fā)展具有重要意義。低碳電力經(jīng)濟技術(shù)的研究成果應(yīng)緊扣低碳電力行業(yè)的本質(zhì)屬性，分析低碳電力經(jīng)濟對我國電力行業(yè)的深刻影響，促進低碳發(fā)展為主要目標，建立電力發(fā)展創(chuàng)新模式，促進現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展。

表1為低碳電力技術(shù)概況。

表1 低碳電力技術(shù)概況Tab.1 General situation of low carbon power technology

碳排放的計算與評估。碳排放的計算與評估是低碳電力的技術(shù)基礎(chǔ)，需從電力行業(yè)入手，探究碳排放的定量計算方法，了解電力行業(yè)碳排放發(fā)展現(xiàn)狀，對未來的排放趨勢進行預(yù)測。

網(wǎng)絡(luò)化的碳排放分析方法。除了對電力系統(tǒng)碳排放的總量特性進行分析外，還需引入網(wǎng)絡(luò)碳排放流的概念與分析理論，將電力系統(tǒng)的碳排放與電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)相結(jié)合，研究網(wǎng)絡(luò)化的碳排放分析方法與計算模型，掌握電力系統(tǒng)中影響碳排放的關(guān)鍵因素，對電力系統(tǒng)面向低碳目標的運行方式和電網(wǎng)規(guī)劃提出針對性的指導(dǎo)。

要促進可再生能源的低碳技術(shù)應(yīng)用，如風能、太陽能、水能發(fā)電等，優(yōu)化低碳經(jīng)濟能源結(jié)構(gòu)，促進總體能源結(jié)構(gòu)的升級。

2 低碳電力技術(shù)及碳交易機制的影響

低碳技術(shù)中，CCS在電力行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，其能夠?qū)崿F(xiàn)對排放源釋放的二氧化碳氣體的分離與捕集，在管道支持下實現(xiàn)運輸與封存，避免大量二氧化碳排放至空氣中造成溫室效應(yīng)。火電廠通常會開展碳捕集設(shè)備的加裝工作，以實現(xiàn)對碳排放量的有效控制，為減少碳減排提供極大助力。在碳捕集技術(shù)的支持下，電力系統(tǒng)運行與規(guī)劃發(fā)展產(chǎn)生了較大變化。規(guī)劃過程中，低碳技術(shù)可使碳排放量降低，但會增加電廠運營成本，需從減排的社會效益與成本控制的經(jīng)濟效益方面入手，進行權(quán)衡考慮，結(jié)合自身發(fā)展需求來響應(yīng)減排政策。在運行優(yōu)化方面，電廠引進碳捕集技術(shù)，其運行機制相對其他電廠來說更為靈活、更具潛力，但是運行模式的改變會增加電力系統(tǒng)的調(diào)度難度。

引入碳交易機制，電力系統(tǒng)能夠更靈活地解決碳減排與經(jīng)濟效益之間的矛盾，對運行成本的優(yōu)化具有積極意義。在電力系統(tǒng)產(chǎn)生富余碳排放額度時，通過出售額度的方式可實現(xiàn)經(jīng)濟效益的增長，有效緩解電力系統(tǒng)的運維成本壓力。在碳排放額度不滿足需求的情況下，電廠則需按規(guī)范要求支付罰款并進行額度購買，這將使電廠的運維成本進一步增加。在規(guī)劃運行時，要將碳交易機制納入工作范圍，考慮傳統(tǒng)因素，基于碳排放額度的影響對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)規(guī)劃進行適當調(diào)整。運行過程中，電力公司需要做好發(fā)電機組的調(diào)度管控，在發(fā)展新能源的基礎(chǔ)上進一步推行碳捕集電廠的建設(shè)發(fā)展，確保碳減排工作的有序推進。

3 低碳發(fā)電技術(shù)特性

低碳發(fā)電技術(shù)是促進我國電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。低碳發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用選擇，除了受能源成本、效益、風險與技術(shù)成熟度等因素的影響，還與能源儲備、資源環(huán)境、電力行業(yè)發(fā)展情況密切相關(guān)。低碳發(fā)電技術(shù)尚不成熟，具有發(fā)展風險大、成本高、效果不確定等特點，主要類型包括清潔風能發(fā)電應(yīng)用技術(shù)、igccs發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)等高效風能發(fā)電應(yīng)用技術(shù)，核電、水電、光伏、生物質(zhì)熱能發(fā)電等低碳風能發(fā)電應(yīng)用技術(shù)。應(yīng)分析各種發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟效益、制約因素與應(yīng)用前景，結(jié)合我國電網(wǎng)規(guī)劃與能源調(diào)度各個環(huán)節(jié)，使電力系統(tǒng)碳排放在2025年達到頂峰[2]。

4 低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃

電力系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計主要是對電力系統(tǒng)實際運行的一種模擬，需要立足于實際，解決實際應(yīng)用問題，模擬電網(wǎng)建設(shè)運行，找到電網(wǎng)建設(shè)中的薄弱點，確定電網(wǎng)重點建設(shè)項目及建設(shè)總體方案、規(guī)模和施工時序，確定電網(wǎng)項目的實際投資額和具體需求。

低碳儲能電力系統(tǒng)的總體規(guī)劃主要包括對開發(fā)低碳儲能電源與建設(shè)低碳智能電網(wǎng)的規(guī)劃。在能源系統(tǒng)碳排放中，電力系統(tǒng)的碳排放約占40%，應(yīng)通過征收電能資源替代稅的方式有效減少電力終端用戶的直接能源碳排放[3]。從低碳智能電源的應(yīng)用來說，其與發(fā)電負荷變化預(yù)測有著直接的關(guān)系，如果在智能電網(wǎng)投入運營之后再開始進行節(jié)能改造，將增加運營成本，降低發(fā)電機組工作功率與能源效率。因此，改造配套措施應(yīng)基于前期的技術(shù)論證與規(guī)劃來開展，避免受到外部因素的影響，促進其應(yīng)用。

電源和電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成，應(yīng)對電力系統(tǒng)運行進行科學合理規(guī)劃，促進電源低碳化發(fā)展。在安裝電源時，要根據(jù)電力系統(tǒng)實際負荷進行安全建設(shè)，綜合考慮系統(tǒng)建設(shè)成本及后期運行管理，對電力系統(tǒng)的電源設(shè)計展開合理規(guī)劃評估。

5 低碳電力系統(tǒng)的優(yōu)化策略

5.1 優(yōu)化啟停發(fā)電機組

優(yōu)化各個發(fā)電機組在啟動調(diào)度期內(nèi)每個特定時間段的電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，對發(fā)電機組進行優(yōu)化啟停整合。規(guī)劃發(fā)電機組的目的是將電力系統(tǒng)的實踐運營成本降至最低，不同電力機組之間的組合將直接影響電力系統(tǒng)發(fā)電能耗，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)碳排放量與總額之間存在一定的差異[4]。

5.2 優(yōu)化調(diào)度發(fā)電機組模式

優(yōu)化電力調(diào)度管理可保證電力發(fā)電機組的正常運營，要合理協(xié)調(diào)火力發(fā)電機組的電源發(fā)電量，將電力燃料發(fā)電成本降到最低。除了優(yōu)化電力運行管理模式以外，還要充分考慮環(huán)境資源保護，基于節(jié)能低碳綠色經(jīng)濟發(fā)展理念，優(yōu)化調(diào)度發(fā)電機組模式。

5.3 優(yōu)化含碳捕集電廠

碳捕集與封存裝置的運行機制非常復(fù)雜，具有一定的應(yīng)用局限性。針對新型含碳捕集熱電聯(lián)產(chǎn)燃氣機組的碳利用和運行經(jīng)濟性問題，應(yīng)構(gòu)建集風電、電轉(zhuǎn)氣(powerto-gas，P2G)一體的虛擬電廠，以虛擬電廠收益最大化為目標，以CO2捕集率、熱電比、電轉(zhuǎn)氣功率為決策變量，建立虛擬電廠優(yōu)化運行模型。這種聚合模式的虛擬電廠可獲得更高的經(jīng)濟效益、更好的風電消納效果、更低的碳排放[5]。

6 低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃展望

電網(wǎng)與電源是電力系統(tǒng)規(guī)劃過程中密不可分的兩部分，低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃需要做好兩方面的協(xié)調(diào)配合。在電源方面，電力公司要做好容量、布局的充分預(yù)測，確保電壓等級、輸電容量、線路走向等符合城市發(fā)展需求；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對于電源裝機工作具有較大影響，在低碳經(jīng)濟體系中，要綜合考慮電網(wǎng)和電源因素，確保碳減排的電力負荷穩(wěn)定供應(yīng)[6-8]。

輸電網(wǎng)與發(fā)電廠協(xié)調(diào)配合，才能實現(xiàn)就近并網(wǎng)，避免因大量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生不必要的線路損耗，在滿足正常用電需求的情況下降低碳排放量。電力系統(tǒng)規(guī)劃目標是滿足市場電力需求，特別是滿足消費者的電能需求，由此可見，碳排放的根源在于電力負荷，輸電網(wǎng)的合理規(guī)劃能夠從分布和流動方面對碳排放進行引導(dǎo)。應(yīng)重點控制電網(wǎng)與電源協(xié)調(diào)規(guī)劃，推動低碳經(jīng)濟發(fā)展，減少碳排放。進一步開發(fā)可再生清潔能源，潮汐能、風能等通常來自于偏遠區(qū)域，應(yīng)根據(jù)電力負荷需求建設(shè)輸電線路，做好可再生電網(wǎng)專用輸電線路的規(guī)劃[9]。

很多專業(yè)人員對電力系統(tǒng)電源開展了規(guī)劃研究，規(guī)劃設(shè)計和方法已初獲成果，但對于電網(wǎng)與電源協(xié)調(diào)方面的規(guī)劃相對較少，未來需要進行更深入的研究。其中，可再生風電應(yīng)作為核心技術(shù)，為低碳電力規(guī)劃提供了助力，應(yīng)針對風電能源并網(wǎng)進行充分評估分析，在滿足布局規(guī)劃要求的情況下，盡可能提高電網(wǎng)接納新能源的能力。目前，碳捕集技術(shù)設(shè)備已應(yīng)用于火電廠中，而火電廠系統(tǒng)運行分析的算法模型較為簡易，應(yīng)將完全捕集分析轉(zhuǎn)化為動態(tài)捕集分析，確保火電廠的優(yōu)化配置計算結(jié)果與實際相符。跨區(qū)輸電將成為配置大區(qū)資源的重要途徑，應(yīng)對電力聯(lián)網(wǎng)規(guī)模進行分析，對電量輸送、電源類型應(yīng)用進行綜合優(yōu)化。要加強電網(wǎng)和電源協(xié)調(diào)規(guī)劃，提升電力系統(tǒng)的運行可靠性[10]。

電力行業(yè)在針對電力系統(tǒng)在低碳經(jīng)濟體系中的運行優(yōu)化情況進行了較多研究，相關(guān)成果推動了運行優(yōu)化水平的有效提升。在后續(xù)研究工作中，電力公司需要對碳捕集、碳交易相關(guān)技術(shù)進行深入分析，進一步優(yōu)化發(fā)電機組的啟停和組合模式，針對性地建立相應(yīng)的優(yōu)化模型和算法體系。在碳捕集方面，要充分考慮系統(tǒng)接入碳捕集后的變化情況，從安全、經(jīng)濟、低碳等多方面入手，綜合考慮碳捕集電廠的價值，考慮新能源電廠與碳捕集電廠的協(xié)調(diào)配合與運行優(yōu)化模式，建立常規(guī)機組與碳捕集機組的配合運行模式。相關(guān)部門應(yīng)有針對性地推出運行調(diào)度政策，為低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃提供動力[11-12]。

7 結(jié)語

我國低碳能源電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，需要在規(guī)劃、措施、行動、監(jiān)管等方面進一步協(xié)調(diào)，不斷優(yōu)化低碳電力系統(tǒng)，促進能源可持續(xù)發(fā)展。