基于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

馬昭 趙會(huì)茹 霍慧娟

[摘要]電力行業(yè)是碳減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，也是推進(jìn)能源綠色轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)。推進(jìn)電力行業(yè)提前碳達(dá)峰，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)具有全局性意義。首先，結(jié)合電力系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀及未來發(fā)展，以電力碳達(dá)峰為邊界構(gòu)建電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型。然后，運(yùn)用曼-肯德爾（Mann-Kendall）趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，提出實(shí)現(xiàn)地區(qū)電力碳達(dá)峰的電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方案，模擬區(qū)域電力碳排放軌跡。最后以山西省為例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰的地區(qū)電力系統(tǒng)配置方案。結(jié)果表明，山西省風(fēng)電、光伏發(fā)電以及新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將快速增長，電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力不斷增大，多種電網(wǎng)靈活性資源需協(xié)同發(fā)展?！笆奈濉钡健笆濉逼陂g，該區(qū)域電力二氧化碳排放量將經(jīng)歷前期快速增長、中期波動(dòng)下降、后期穩(wěn)定下降3個(gè)階段，到2027年二氧化碳排放量將達(dá)到峰值。

[關(guān)鍵詞]碳達(dá)峰;電力系統(tǒng);優(yōu)化配置;生產(chǎn)模擬

一、 引言

面對(duì)全球氣候急劇變化，自然災(zāi)害、極端天氣頻發(fā)，世界各國紛紛出臺(tái)碳達(dá)峰、碳中和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，推進(jìn)能源體系低碳化轉(zhuǎn)型發(fā)展。在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，中國宣布二氧化碳排放將“力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”1。此后，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)先后被列入“十四五”規(guī)劃、政府工作報(bào)告等重要會(huì)議和政府文件中，并在能源、建筑、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域落地實(shí)施，此舉彰顯出我國應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推動(dòng)世界綠色低碳發(fā)展的大國擔(dān)當(dāng)。我國仍然是發(fā)展中國家，以煤炭、石油為主的能源供給結(jié)構(gòu)使得二氧化碳排放總量長期處于較高水平，目前年排放量已超過100億噸，其中電力行業(yè)碳排放占比約為42.5%2，是我國碳排放總量最大的單一行業(yè)。未來隨著電氣化水平的不斷提升，交通、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域通過電能替代的方式減少了對(duì)化石能源的直接使用，使得部分碳排放轉(zhuǎn)移至電力系統(tǒng)，電力行業(yè)將承擔(dān)最主要的碳減排指標(biāo)和更大的減排責(zé)任。控制電力行業(yè)碳排放量、推動(dòng)電力行業(yè)提前碳達(dá)峰是實(shí)現(xiàn)全社會(huì)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的主要路徑和關(guān)鍵措施。

發(fā)展清潔電力，大規(guī)模提高可再生能源的接入比例，是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳達(dá)峰的必然選擇。這意味著中國將在未來十年加速實(shí)現(xiàn)能源電力領(lǐng)域的深度低碳轉(zhuǎn)型，強(qiáng)化風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源大力發(fā)展的目標(biāo)，以風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電為主的清潔、低碳電力系統(tǒng)將逐步取代以傳統(tǒng)化石能源發(fā)電為主的高碳排放電力系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳排放更早達(dá)到峰值，并盡可能將峰值控制在相對(duì)較低的水平。由此，本文將2030年前實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰目標(biāo)作為電力規(guī)劃的硬約束，建立電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型;并以山西省為例，對(duì)區(qū)域電力發(fā)展趨勢(shì)深入分析，通過優(yōu)化清潔能源、傳統(tǒng)電源以及儲(chǔ)能設(shè)施的規(guī)模，提出該地區(qū)電力系統(tǒng)碳達(dá)峰的具體實(shí)施方案，為實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)“雙碳”目標(biāo)提供理論支撐。

二、 文獻(xiàn)綜述

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于中國電力行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)深度減排開展了很多研究。現(xiàn)有研究中大多是從宏觀角度出發(fā)分析電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中遇到的問題和挑戰(zhàn)，關(guān)注減排目標(biāo)下電力系統(tǒng)未來的技術(shù)組合，并提出相應(yīng)的對(duì)策建議。舒印彪等分析了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型亟待解決的重大問題，提出科學(xué)確定煤電發(fā)展定位，解決好煤電發(fā)展問題是我國穩(wěn)妥實(shí)現(xiàn)電力低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵;處理好電力平衡與供應(yīng)保障問題具有很大挑戰(zhàn)，需要在統(tǒng)籌平衡、功能互補(bǔ)的前提下，注重能源綠色低碳轉(zhuǎn)型與靈活性調(diào)節(jié)資源補(bǔ)短板并重，實(shí)現(xiàn)各類電源協(xié)同發(fā)展。提出實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)需要優(yōu)化電力行業(yè)頂層設(shè)計(jì)，穩(wěn)妥規(guī)劃電力轉(zhuǎn)型節(jié)奏，完善利益平衡、統(tǒng)籌兼顧的市場(chǎng)機(jī)制，建立綠色金融政策保障體系[1]。李暉等分析了面向“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的中長期能源電力發(fā)展趨勢(shì)，提出了通過需求側(cè)響應(yīng)釋放系統(tǒng)調(diào)節(jié)潛力、新能源布局向中東部傾斜、提升輸電通道利用效率、優(yōu)化電網(wǎng)格局及主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等電力系統(tǒng)發(fā)展建議[2]。張小麗等認(rèn)為電力行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施壽命周期較長，建議電力行業(yè)要盡早制定長期低碳戰(zhàn)略，針對(duì)關(guān)鍵的電力行業(yè)低碳電力技術(shù)來制定相關(guān)的技術(shù)發(fā)展路線圖[3]。電力低碳轉(zhuǎn)型要與整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)變革相一致，電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展需要在能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總體框架下給出系統(tǒng)性的政策實(shí)施建議。李政等認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從現(xiàn)在起就超前部署相關(guān)措施和政策，包括保障可再生能源的發(fā)展、加強(qiáng)CCS/PBECCS的研發(fā)與部署、保障電力低碳轉(zhuǎn)型所需投資等[4]。

還有部分學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)碳減排目標(biāo)下中國電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑開展研究[5-6]。莊貴陽等在解讀新發(fā)展格局與2030年前碳排放達(dá)峰邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析碳達(dá)峰的政策內(nèi)涵，中國碳達(dá)峰的深層次問題是能源問題，要求源、網(wǎng)、荷同步發(fā)力，高比例發(fā)展非化石能源，以能源脫碳推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色低碳轉(zhuǎn)型[7]。張小麗等認(rèn)為未來中國電源結(jié)構(gòu)逐步低碳化，電力部門在碳排放達(dá)峰后，進(jìn)一步加速脫碳來支撐中國的低碳轉(zhuǎn)型[3]。金晨等將中國劃分為7個(gè)區(qū)域電網(wǎng)，認(rèn)為各區(qū)域在新能源出力、儲(chǔ)能及電網(wǎng)互聯(lián)等方面應(yīng)聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃，充分發(fā)揮其在不同空間及時(shí)間尺度上的靈活調(diào)節(jié)作用[8]。張運(yùn)洲等構(gòu)建了適用于近中期的電力低碳發(fā)展源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型，認(rèn)為“十四五”期間，中國電力低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程提速，“十五五”期間，電源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，電力系統(tǒng)碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降[9]。李政等認(rèn)為若按照當(dāng)前的電力發(fā)展趨勢(shì)，中國將不能實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》規(guī)定的2℃/1.5℃目標(biāo)，必須在當(dāng)前基礎(chǔ)上加大可再生能源擴(kuò)張，未來30年風(fēng)電和光伏發(fā)電需要逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁﹄娫碵4]。

總體來看，現(xiàn)有研究主要是從全國實(shí)現(xiàn)碳排放目標(biāo)的角度提出整個(gè)電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型方向，而各地區(qū)實(shí)際資源稟賦不盡相同，這也決定了各地區(qū)在實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰的方案上存在差異，習(xí)近平指出“支持有條件的地方和重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)企業(yè)率先達(dá)峰”1，但是目前學(xué)界針對(duì)具體地區(qū)電力系統(tǒng)如何優(yōu)化配置來實(shí)現(xiàn)該地區(qū)電力碳達(dá)峰的研究較少。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是將電力二氧化碳排放與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬耦合求解，得到滿足電力碳達(dá)峰目標(biāo)的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置方案。

三、 電力系統(tǒng)模擬方法

電力系統(tǒng)是由電源、電網(wǎng)和電力負(fù)荷組成的電能生產(chǎn)、輸送和轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一系統(tǒng)，發(fā)電、送電和用電是在同一瞬間進(jìn)行并完成的連續(xù)過程。由于電力系統(tǒng)的特殊性和安全性，對(duì)于電力系統(tǒng)的研究絕大多數(shù)都是在電力系統(tǒng)仿真模型上進(jìn)行的，按照模擬方法不同，可分為物理模擬與數(shù)學(xué)模擬兩大類。在物理模型上的仿真稱為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬，在計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型上的仿真稱為電力系統(tǒng)數(shù)字模擬，后者也稱為電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬，這兩種方法都是研究和分析電力系統(tǒng)的重要手段。

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是在基于相似理論建立的電力系統(tǒng)物理模型上開展研究，物理模型模擬并不改變?cè)拖到y(tǒng)物理量的性質(zhì)，只是模型系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的物理量大小不同，模型系統(tǒng)與原型系統(tǒng)具有相同的物理過程。

電力系統(tǒng)數(shù)字模擬是用數(shù)學(xué)模型來研究物理現(xiàn)象的過程，依據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)理論，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的物理過程建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行求解計(jì)算，從而得到模擬結(jié)果。電力系統(tǒng)數(shù)字模擬不受原型系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，對(duì)于不同研究對(duì)象只須在數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行適當(dāng)修改，數(shù)字模擬具有較好的經(jīng)濟(jì)性和通用性。

本文采用電力系統(tǒng)數(shù)字模擬開展研究，模型建立過程中遵循如下原則：

（1）電力系統(tǒng)必須保持發(fā)電功率和用電功率實(shí)時(shí)相等。（2）新能源發(fā)電最大理論出力取決于地區(qū)風(fēng)光資源特性，參考新能源歷史出力能力。（3）火電機(jī)組最小運(yùn)行方式參照華北能源監(jiān)管局的核定結(jié)果。（4）各電源數(shù)學(xué)模型根據(jù)其自身運(yùn)行特性進(jìn)行建立。

四、 電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型

由于電能不能大規(guī)模儲(chǔ)存，電力平衡成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的剛性約束，因此在研究電力系統(tǒng)規(guī)劃配置問題時(shí)，電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬是保證電力系統(tǒng)電力平衡必不可少的工具與方法[10-11]。本文提出的模型旨在優(yōu)化地區(qū)電力系統(tǒng)中長期發(fā)展規(guī)劃（見圖1），以地區(qū)負(fù)荷、電源裝機(jī)結(jié)構(gòu)以及各類電源運(yùn)行參數(shù)和出力特性作為輸入?yún)?shù)，根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，考慮電力負(fù)荷分配過程中各種發(fā)電技術(shù)的運(yùn)行特點(diǎn)和約束條件，最終得出可以滿足電力碳達(dá)峰條件的最優(yōu)電源裝機(jī)類型、容量以及建設(shè)時(shí)序等。

1. 目標(biāo)函數(shù)

為了保證風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源高比例接入電網(wǎng)后，充分利用電力系統(tǒng)的消納能力，積極提升新能源發(fā)展空間，本模型以計(jì)算期內(nèi)風(fēng)電和光伏發(fā)電棄電量之和最小作為目標(biāo)函數(shù)。

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

2. 風(fēng)電和光伏發(fā)電運(yùn)行約束

風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量受到當(dāng)?shù)刈畲罂砷_發(fā)容量和電站建設(shè)速度的雙重限制，模型中設(shè)定了每年的新增風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量上限。風(fēng)電和光伏發(fā)電出力主要受該發(fā)電技術(shù)某時(shí)刻理論最大出力的約束。

[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]為[t]時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組出力;[Ppv，t]為[t]時(shí)刻光伏發(fā)電出力;[Pwind，t，max]為[t]時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組最大出力;[Ppv，t，max]為[t]時(shí)刻光伏發(fā)電最大出力，[?Pwind，t]為[t]時(shí)刻風(fēng)電棄電量;[?Ppv，t]為[t]時(shí)刻光伏發(fā)電棄電量。

3. 火電機(jī)組運(yùn)行約束

該地區(qū)火電機(jī)組包括燃煤發(fā)電機(jī)組、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組，火電機(jī)組運(yùn)行需滿足最小技術(shù)出力、最大技術(shù)出力、爬坡能力、滑坡能力以及最小啟停的約束[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]為[t]時(shí)刻火電機(jī)組出力;[Pfire，min]為火電機(jī)組出力下限;[Pfire，max]為火電機(jī)組出力上限;[Pfire，down]為火電機(jī)組滑坡能力;[Pfire，up]為火電機(jī)組爬坡能力;[Ifire，t]為機(jī)組啟停狀態(tài)變量，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)為1，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)為0;[TOfire]為機(jī)組啟停的最小開機(jī)時(shí)間;[TSfire]為機(jī)組啟停的最小停機(jī)時(shí)間。

4. 常規(guī)水電運(yùn)行約束

常規(guī)水電機(jī)組運(yùn)行約束與火電類似，另外還需要滿足水電站水容量的約束，水電站總出力應(yīng)不超過水電站某時(shí)刻水量可以發(fā)出的最大電力。

[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]為[t]時(shí)刻常規(guī)水電機(jī)組出力;[Pcon，min]為常規(guī)水電機(jī)組出力下限;[Pcon，max]為常規(guī)水電機(jī)組出力上限;[Pcon，down]為常規(guī)水電機(jī)組滑坡能力;[Pcon，up]為常規(guī)水電機(jī)組爬坡能力;[Wcon，t]為常規(guī)水電站某時(shí)刻水量可以發(fā)出的最大電力;[Icon，t]為常規(guī)水電機(jī)組啟停狀態(tài)變量，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)為1，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)為0;[TOcon]為機(jī)組啟停的最小開機(jī)時(shí)間;[TScon]為機(jī)組啟停的最小停機(jī)時(shí)間。

5. 儲(chǔ)能電站運(yùn)行約束

儲(chǔ)能電站作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，能夠通過平衡機(jī)組出力與用戶需求在時(shí)間上的差異，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，平抑可再生能源出力的波動(dòng)性，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性[14]。儲(chǔ)能電站運(yùn)行需滿足儲(chǔ)能充放電功率、儲(chǔ)能電站容量上限、充電和放電過程不能同時(shí)發(fā)生等約束。抽水蓄能電站運(yùn)行約束與儲(chǔ)能電站運(yùn)行約束類似。

[Wt=Wt-1+ηch×Pch，t-Pdis，tηdis] （15）

[0≤Wt≤Wmax] （16）

[0≤Uch，t×Pch，t≤Pch，max] （17）

[0≤Udis，t×Pdis，t≤Pdis，max] （18）

[Uch，t+Udis，t≤1] （19）

式中[Wt]為[t]時(shí)刻儲(chǔ)能電站中存儲(chǔ)的電量;[Wmax]為儲(chǔ)能電站容量上限;[ηch]為儲(chǔ)能電站充電效率;[ηdis]為儲(chǔ)能電站放電效率;[Pch，t]為[t]時(shí)刻儲(chǔ)能電站充電功率;[Pdis，t]為[t]時(shí)刻儲(chǔ)能電站放電功率;[Uch，t]、[Udis，t]為0/1變量，分別為[t]時(shí)刻儲(chǔ)能電站充放電狀態(tài)。

6. 碳排放約束

電力碳排放來源于含碳燃料燃燒時(shí)所釋放的二氧化碳，主要包括燃煤和燃?xì)?。電力二氧化碳排放量等于所有含碳燃料的消耗量乘以相?yīng)的排放因子。

[Qcar，j=t=1T（Pjcoal，t×Ajcoal×Bcoal+Pjgas，t×Ajgas×Bgas）] （20）

[j≤year] （21）

式中[j]為計(jì)算年份;[year]為設(shè)定的最晚電力碳達(dá)峰年份;[Qcar，j]為該地區(qū)第[j]年二氧化碳排放量;[Aicoal]為該地區(qū)第[j]年平均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗;[Bcoal]為單位重量標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放因子;[Aigas]為該地區(qū)第[j]年燃?xì)獍l(fā)電的平均發(fā)電氣耗;[Bgas]為單位重量燃?xì)獾亩趸寂欧乓蜃印?/p>

7. 電力平衡約束

[Pload，t+DRt-VFt=Pcoal，t+Pgas，t+Pbio，t+Pwind，t+Ppv，t-Pch，t+Pdis，t] （22）

式中[Pload，t]為[t]時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷大小;[DRt]為[t]時(shí)刻參與削峰響應(yīng)的負(fù)荷;[VFt]為[t]時(shí)刻參與填谷響應(yīng)的負(fù)荷;[Pcoal，t]為[t]時(shí)刻燃煤發(fā)電出力;[Pgas，t]為[t]時(shí)刻燃?xì)獍l(fā)電出力;[Pbio，t]為[t]時(shí)刻生物質(zhì)發(fā)電出力。

五、 模型檢驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提方法與模型的有效性，采用曼-肯德爾（Mann-Kendall）趨勢(shì)檢驗(yàn)判斷碳排放峰值年以后碳排放量是否有顯著下降趨勢(shì)，當(dāng)具有顯著下降趨勢(shì)時(shí)，證明本文模型給出的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果是可靠的。Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦并已經(jīng)廣泛應(yīng)用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。

在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)[H0]為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（[X1，X2，Xn]），是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本;備擇假設(shè)[H1]是雙邊檢驗(yàn)。對(duì)于所有的[i，j≤n]，且[i≠j]，[Xi]和[Xj]的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算公式如下：

[S=i=1n-1j=i+1nsgn（Xj-Xi）] （23）

其中，[sgn（）]為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)[Xj-Xi]小于、等于或大于零時(shí)，[sgn（Xj-Xi）]分別為-1、0或1。統(tǒng)計(jì)量S服從正態(tài)分布，其均值為[E（S）=0]，方差[Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18]。標(biāo)準(zhǔn)化后的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z計(jì)算公式如下：

[Z=S-1Var（S）S>00S=0S+1Var（S）S<0] （24）

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平[α]，若[|Z|≥Z1-α2]，則原假設(shè)[H0]是不可接受的，即在置信水平[α]上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z為正值表示碳排放量為上升趨勢(shì)，負(fù)值表示碳排放量為減少趨勢(shì)。

六、 案例分析

本文以山西省電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，該電力系統(tǒng)接入了風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、水電、生物質(zhì)發(fā)電等6種電源以及儲(chǔ)能。首先分析該地區(qū)負(fù)荷、各類電源的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)據(jù)來源于國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、山西省統(tǒng)計(jì)年鑒、統(tǒng)計(jì)公報(bào)等，然后將分析結(jié)果作為模型輸入?yún)?shù)，最終得到2030年前實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰情景下的各類電源裝機(jī)容量、儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等的優(yōu)化配置結(jié)果。

1. 地區(qū)電力系統(tǒng)發(fā)展分析

（1）地區(qū)負(fù)荷

“十三五”期間山西省電網(wǎng)最大負(fù)荷逐年增長，至2020年出現(xiàn)歷史最大負(fù)荷3225萬千瓦，峰谷差為1618萬千瓦，全社會(huì)用電量達(dá)到2262萬千瓦時(shí)?！笆奈濉钡健笆濉逼陂g，考慮該地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，第一產(chǎn)業(yè)負(fù)荷占比整體平穩(wěn)并緩慢下降;第二產(chǎn)業(yè)負(fù)荷受經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展、“碳達(dá)峰、碳中和”政策及能效提升等因素影響，其占比將逐步降低;第三產(chǎn)業(yè)和居民負(fù)荷將進(jìn)一步升高。預(yù)計(jì)“十四五”“十五五”“十六五”末年最大負(fù)荷將分別達(dá)到4336萬千瓦、5404萬千瓦、6606萬千瓦。

（2）風(fēng)力發(fā)電

在實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的引領(lǐng)下，風(fēng)電、光伏作為可永續(xù)利用的清潔能源，是未來能源發(fā)展的重要方向。該地區(qū)風(fēng)電春冬季出力整體較大，夏季出力整體較小，具有一定的季節(jié)特性。圖2為山西省風(fēng)電日出力特性曲線，可以看出風(fēng)電呈現(xiàn)明顯的反調(diào)峰特性，并且風(fēng)電日出力波動(dòng)幅度較大，沒有明顯規(guī)律可循，與當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源實(shí)時(shí)情況關(guān)系較大。因此，風(fēng)電的快速發(fā)展對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰、運(yùn)行調(diào)整帶來較大影響。

在加快可再生能源開發(fā)利用的同時(shí)，風(fēng)電、光伏發(fā)電的送出和消納問題開始顯現(xiàn)，2019年發(fā)布的《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》為促進(jìn)可再生能源電力發(fā)展和消納建立了長效機(jī)制1。該通知明確了承擔(dān)可再生能源電力配額義務(wù)的責(zé)任主體，在執(zhí)行上亦具有可操作性，這將充分保證《考核辦法》中各項(xiàng)指標(biāo)的完成，促進(jìn)風(fēng)電、光伏風(fēng)電等可再生能源的充分利用，利好風(fēng)電、光伏等新能源運(yùn)營企業(yè)，從而進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源的投資增長。

“十三五”期間，山西省風(fēng)電裝機(jī)新增749萬千瓦，年均新增裝機(jī)增速達(dá)到15%以上，截至2020年底，該地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到1418萬千瓦2。習(xí)近平總書記提出到2030年，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，山西省風(fēng)光資源較為豐富，“十四五”到“十六五”期間，該地區(qū)風(fēng)電、光伏發(fā)電將以更快的速度發(fā)展3。

（3）光伏發(fā)電

山西省是我國太陽能資源較豐富的地區(qū)之一，具備光伏發(fā)電規(guī)模開發(fā)的資源優(yōu)勢(shì)和廣闊的開發(fā)前景。圖3為山西省光伏日出力特性曲線，可以看出，光伏日出力有明顯的規(guī)律性，中午出力較大，傍晚出力較小，夜間沒有出力;光伏發(fā)電由于受太陽光照強(qiáng)度、天氣條件等影響，具有隨機(jī)性、間歇性的不穩(wěn)定特點(diǎn)，難以承擔(dān)基荷發(fā)電。

截至2020年年底，山西省光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模1446萬千瓦，其中90%以上的光伏發(fā)電機(jī)組均投產(chǎn)于“十三五”期間，光伏發(fā)電已成為可再生能源領(lǐng)域增長速度最快的發(fā)電方式之一。預(yù)計(jì)“十四五”到“十六五”期間，山西省光伏發(fā)電規(guī)模仍將進(jìn)一步快速發(fā)展。

（4）燃煤發(fā)電

從世界范圍看，在能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)中，燃煤發(fā)電在電力系統(tǒng)中的定位將從電量型電源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?、電力調(diào)節(jié)型電源。當(dāng)高比例的間歇性、隨機(jī)性可再生電源接入電網(wǎng)，必然需要保留部分機(jī)組作為電力調(diào)節(jié)電源使用。2018年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》1，提出加快推進(jìn)電源側(cè)調(diào)節(jié)能力，實(shí)施火電機(jī)組靈活性改造是提升電源側(cè)調(diào)峰能力的有力措施。

目前，純凝機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)峰能力一般為額定容量的50%左右，典型的抽凝機(jī)組在供熱期的調(diào)峰能力僅為額定容量的20%。通過靈活性改造，將使熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%～50%額定容量;純凝機(jī)組增加15%～20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到30%～35%額定容量。通過加強(qiáng)國內(nèi)外技術(shù)交流和合作，部分具備改造條件的電廠將達(dá)到國際先進(jìn)水平，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到20%～25%[15-17]。隨著清潔能源進(jìn)一步快速發(fā)展和輔助服務(wù)市場(chǎng)的不斷完善，“十四五”“十五五”期間山西省煤電向調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型的速度將比預(yù)期更快，煤電機(jī)組調(diào)峰能力提升工程將加快實(shí)施，推動(dòng)存量煤電逐步由電量型向電力型轉(zhuǎn)變的力度將更大。

燃煤發(fā)電一直是山西省的主力電源，發(fā)揮基荷電廠的作用，承擔(dān)著地區(qū)保障性、支撐性電源的重要作用，但其發(fā)展面臨著碳排放、環(huán)保以及成本優(yōu)勢(shì)漸失等諸多因素的制約。截至2020年底，山西省燃煤發(fā)電裝機(jī)容量為4180萬千瓦2，目前已開工建設(shè)的部分機(jī)組將陸續(xù)在“十四五”期間投產(chǎn)發(fā)電，但是隨著國家對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組審批條件的愈加嚴(yán)苛，預(yù)計(jì)“十五五”和“十六五”期間將不再新增投產(chǎn)燃煤機(jī)組。

（5）燃?xì)獍l(fā)電

與傳統(tǒng)燃煤發(fā)電相比，燃?xì)獍l(fā)電具有很大的優(yōu)勢(shì)，二氧化碳排放量不足燃煤電廠的一半，氮氧化物排放量約為燃煤電廠的10%3，二氧化硫和煙塵排放幾乎為零，環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出，并且燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行靈活，負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，啟停迅速，作為電網(wǎng)調(diào)峰機(jī)組，有助于改善電網(wǎng)的安全性。

但是由于山西省資源稟賦的特點(diǎn)，天然氣資源短缺，進(jìn)口量較大，對(duì)外依存度逐年上漲，價(jià)格成本偏高，在現(xiàn)有情況下，造成燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)氣源成本難以下降，且優(yōu)先保障民生用氣，導(dǎo)致天然氣發(fā)電發(fā)展受限。“十三五”期間，山西省無新增投產(chǎn)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，截至2020年底，燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)規(guī)模334萬千瓦，燃?xì)庵饕善渌貐^(qū)輸送來保障供應(yīng)。為了減少燃?xì)鈱?duì)外依存度，保障能源安全，并且天然氣價(jià)格居高不下，預(yù)計(jì)“十四五”到“十六五”期間，山西省不再新增燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模維持不變。

（6）水力發(fā)電

常規(guī)水電具有增減負(fù)荷增減負(fù)荷速度快、發(fā)電效率高、無污染等特點(diǎn)，是承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用和事故備用等任務(wù)的優(yōu)勢(shì)電源。截至2020年底，山西省常規(guī)水電裝機(jī)223萬千瓦4。但是山西省水電資源相對(duì)匱乏，難以尋找合適的可開發(fā)常規(guī)水電站址，預(yù)計(jì)“十四五”到“十六五”期間，不再新增常規(guī)水電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模維持不變。

目前，抽水蓄能電站成為各電網(wǎng)企業(yè)新建儲(chǔ)能電站的首選，使抽水蓄能電站成為構(gòu)建清潔低碳、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效的現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分。山西地區(qū)風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)展迅猛，建設(shè)抽水蓄能電站可以滿足風(fēng)電、光伏發(fā)電快速增長所增加的部分調(diào)峰需求，為當(dāng)?shù)卮笠?guī)模發(fā)展清潔能源提供了有利條件，保障了電網(wǎng)安全運(yùn)行。國家水電發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)思想是積極穩(wěn)妥發(fā)展水電，科學(xué)有序開發(fā)大型水電，嚴(yán)格控制中小水電，加快建設(shè)抽水蓄能電站。由于山西省水力資源相對(duì)匱乏，常規(guī)水電發(fā)展受限，只有少量站址可以適度發(fā)展抽水蓄能電站。截至2020年底，抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模120萬千瓦，預(yù)計(jì)“十五五”期間新增260萬千瓦5。

（7）生物質(zhì)發(fā)電

生物質(zhì)能作為可再生資源，是全生命周期零碳排放能源，發(fā)展生物質(zhì)能發(fā)電是降低電力碳排放，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有效措施。山西省農(nóng)作物秸稈資源和林業(yè)生物物資資源較為豐富，生物質(zhì)發(fā)電穩(wěn)步發(fā)展。截至2020年底，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模60萬千瓦，在所有電源裝機(jī)中占比相對(duì)較小，考慮到生物質(zhì)發(fā)電受到燃料收集等因素的制約，預(yù)計(jì)“十四五”到“十六五”期間生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)規(guī)模仍將繼續(xù)增長，但總的裝機(jī)容量不會(huì)很大。

（8）儲(chǔ)能

電能具有發(fā)輸供用實(shí)時(shí)平衡的特點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，改變了電力工業(yè)即發(fā)即用的傳統(tǒng)模式，成為提升傳統(tǒng)電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要手段;儲(chǔ)能能夠顯著提高風(fēng)、光等可再生能源的消納水平，推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源加速更替。

隨著新能源發(fā)電裝機(jī)占比逐漸攀升，能源電力結(jié)構(gòu)正在逐步轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能系統(tǒng)因其響應(yīng)速率快、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)，成為能源行業(yè)中提升電能品質(zhì)和促進(jìn)新能源消納的重要支撐手段，受到越來越多的重視。進(jìn)入“十四五”后，山西省加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展，全面推廣“新能源+儲(chǔ)能”的系統(tǒng)友好型新能源電站，新增新能源裝機(jī)原則上必須配置一定比例儲(chǔ)能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與新能源電源的深度融合、聯(lián)合運(yùn)行?？紤]到“十四五”期間，新型儲(chǔ)能成本仍然較高，預(yù)計(jì)該地區(qū)新型儲(chǔ)能將在“十五五”和“十六五”期間迎來快速發(fā)展。

2. 結(jié)果分析

以山西省電力系統(tǒng)分析結(jié)果作為模型邊界條件，其中：“十四五”“十五五”“十六五”末年最大負(fù)荷分別為4336萬千瓦、5404萬千瓦、6606萬千瓦;風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量年均增速不超過20%;燃煤發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組按照計(jì)劃建設(shè)時(shí)序進(jìn)行設(shè)置;“十四五”期間按照新能源新增裝機(jī)容量的10%配置新型儲(chǔ)能，“十五五”和“十六五”期間按照15%配置;燃?xì)獍l(fā)電和常規(guī)水電裝機(jī)容量恒定不變，通過計(jì)算得到山西省在2030年前實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰情境下的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置方案以及電力碳排放軌跡。

（1）電源結(jié)構(gòu)方面，“十四五”“十六五”期間山西省電源裝機(jī)容量年均增速保持在6%左右，“十五五”期間年均增速接近8%，高于“十四五”“十六五”電源裝機(jī)容量年均增速，結(jié)果如圖4所示。

“十四五”期間山西省新增電源裝機(jī)累計(jì)2578萬千瓦，至2025年電源總裝機(jī)容量達(dá)到10239萬千瓦，其中風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2344萬千瓦，光伏裝機(jī)達(dá)到2637萬千瓦，分別占電源總裝機(jī)容量的22.63%、25.46%，較“十三五”末分別新增781萬千瓦和954萬千瓦，年均新增裝機(jī)增速分別為10.57%、12.77%。由于風(fēng)電和光伏的發(fā)電量增量不能完全滿足負(fù)荷持續(xù)增長的需要，“十四五”期間仍有部分燃煤發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)，新增燃煤機(jī)組容量合計(jì)437萬千瓦，至2025年燃煤發(fā)電機(jī)組裝機(jī)達(dá)到4617萬千瓦。“十五五”和“十六五”期間無新增燃煤機(jī)組，新增電源裝機(jī)均為風(fēng)電和光伏發(fā)電機(jī)組?！笆逦濉逼陂g風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)新增1683萬千瓦，光伏裝機(jī)累計(jì)新增3000萬千瓦，年均新增裝機(jī)增速分別為11.43%、16.41%，至2030年風(fēng)電、光伏裝機(jī)分別達(dá)到4027萬千瓦和5637萬千瓦，分別占電源總裝機(jī)容量的26.27%、36.78%?！笆濉逼陂g風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)新增2077萬千瓦，光伏裝機(jī)累計(jì)新增3400萬千瓦，年均新增裝機(jī)增速分別為8.67%、9.90%，較“十五五”新增裝機(jī)增速有所下降，至2035年風(fēng)電、光伏裝機(jī)分別達(dá)到6104萬千瓦和9037萬千瓦，分別占電源總裝機(jī)容量的29.31%、43.39%。

高比例新能源接入電網(wǎng)后，由于風(fēng)電和光伏出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性，山西電網(wǎng)對(duì)靈活性電源的需求將不斷提升，燃煤機(jī)組將由電量型電源逐步向電量型、調(diào)峰型電源過渡，到“十五五”末，將有超過50%的燃煤機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，機(jī)組最小出力達(dá)到30%左右，部分先進(jìn)機(jī)組的最小出力水平將達(dá)到20%左右，參與深度調(diào)峰。抽水蓄能電站容量大，反應(yīng)迅速、靈活，是運(yùn)行可靠且較為經(jīng)濟(jì)的調(diào)峰電源與儲(chǔ)能裝置，但是該地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，適合建設(shè)抽水蓄能電站的站址較少，只有“十五五”期間投產(chǎn)260萬千瓦抽水蓄能機(jī)組。新型儲(chǔ)能作為風(fēng)電和光伏建設(shè)的配套設(shè)施，對(duì)新能源功率的平抑作用明顯?！笆奈濉逼陂g新型儲(chǔ)能將新增211萬千瓦，進(jìn)入“十五五”后，新型儲(chǔ)能相對(duì)新能源的配套比例將進(jìn)一步提高，新型儲(chǔ)能進(jìn)入快速發(fā)展階段，“十五五”期間將新增新型儲(chǔ)能702萬千瓦，“十六五”期間新型儲(chǔ)能裝機(jī)新增821萬千瓦，到“十六五”末，新型儲(chǔ)能將為該地區(qū)提供1736萬千瓦的調(diào)峰能力。

（2）電力需求方面，“十四五”末山西省電力需求為4857萬千瓦，“十五五”末電力需求為6052萬千瓦，“十六五”末電力需求將達(dá)到7399萬千瓦。隨著第三產(chǎn)業(yè)和居民負(fù)荷在整體負(fù)荷中的占比不斷提高，該地區(qū)電網(wǎng)峰谷差不斷拉大，同時(shí)對(duì)調(diào)峰電源的需求也不斷增大，“十六五”時(shí)期主要的調(diào)峰電源包括部分煤電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組、新型儲(chǔ)能電站以及少量裝機(jī)的燃?xì)獍l(fā)電和常規(guī)水電。但是到“十六五”中期，已有的調(diào)峰電源將不能滿足地區(qū)負(fù)荷對(duì)電力的需求，需要配合需求側(cè)響應(yīng)保證電力供應(yīng)，需求側(cè)響應(yīng)的需求比例在5%左右。

（3）電量方面，山西省全社會(huì)用電量需求持續(xù)增長，“十四五”期間所有電源發(fā)電量累計(jì)13367億千瓦時(shí)，“十五五”期間所有電源發(fā)電量累計(jì)17086億千瓦時(shí)，“十六五”期間所有電源發(fā)電量累計(jì)20382億千瓦時(shí)，年最大負(fù)荷年均增長率分別為6.10%、4.50%、4.10%，全社會(huì)用電量年均增速分別為5.75%、4.19%、3.47%，“十五五”較“十四五”期間，“十六五”較“十五五”期間的年最大負(fù)荷和年均發(fā)電量增速均有所下降。主要是該地區(qū)將不斷強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，第一產(chǎn)業(yè)負(fù)荷雖有小幅度提升，但在整體負(fù)荷中的占比較小，第三產(chǎn)業(yè)和居民負(fù)荷在整體負(fù)荷中的占比進(jìn)一步升高，雖然第二產(chǎn)業(yè)負(fù)荷仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但是第二產(chǎn)業(yè)負(fù)荷將向綠色經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，能源消耗效率將不斷提升，能耗強(qiáng)度將明顯下降。結(jié)果如圖5所示。

2021—2035年，非化石能源發(fā)電量占比不斷提升，“十四五”“十五五”“十六五”期間非化石能源累計(jì)發(fā)電量占比分別為26.22%、36.99%、51.01%。從各年不同類型電源發(fā)電量占比情況來看，“十四五”末非化石能源發(fā)電量占比為28.40%，“十五五”末非化石能源發(fā)電量占比提升14.02個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到42.42%，到2033年，即“十六五”中期非化石能源發(fā)電量將超過化石能源發(fā)電量，“十六五”末非化石能源發(fā)電量占比將達(dá)到54.95%。

（4）棄電方面，“十四五”到“十六五”期間，各年新能源棄電率均小于5%，滿足國家和行業(yè)要求。其中，“十四五”期間，隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)比例的升高，新能源棄電率不斷提升;“十五五”期間，260萬千瓦抽水蓄能機(jī)組和15%配置比例的新型儲(chǔ)能陸續(xù)投產(chǎn)，部分燃煤機(jī)組靈活性改造持續(xù)推進(jìn)，使新能源棄電率逐年下降;“十六五”期間，電力負(fù)荷增速放緩，新能源棄電率基本維持在3.50%左右。結(jié)果如圖6所示。

（5）二氧化碳排放方面，山西省“十四五”期間二氧化碳排放總量為7.73億噸，“十五五”為8.45億噸，較“十四五”期間二氧化碳排放總量增加0.72億噸，“十六五”期間二氧化碳排放總量為7.84億噸，與“十四五”期間二氧化碳排放總量基本持平。結(jié)果如圖7所示。

山西省在“十四五”期間，由于負(fù)荷增長較快，燃煤發(fā)電仍是該地區(qū)主要支撐性電源，各年二氧化碳排放量將以較快速度增長，二氧化碳排放量由2020年的1.37億噸增長到2025年的1.68億噸，年均二氧化碳排放增加量約0.6億噸?！笆逦濉焙汀笆濉逼陂g全社會(huì)用電量增速逐步放緩，風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量增加較快，加速對(duì)化石能源發(fā)電量的替代，到2027年，二氧化碳排放量達(dá)到峰值1.72億噸。二氧化碳達(dá)峰后，進(jìn)入平臺(tái)期，二氧化碳排放量開始波動(dòng)下降，2028年二氧化碳排放量1.68億噸，較達(dá)峰年二氧化碳排放量下降0.4億噸，2029年二氧化碳排放量較2028年有少量增加，但基本持平;在“十五五”末該地區(qū)二氧化碳排放量進(jìn)入快速下降階段，到“十六五”末二氧化碳排放量降至1.54億噸，與“十四五”中期二氧化碳排放水平相當(dāng)。未來隨著全社會(huì)用電量逐步趨于飽和，新能源發(fā)電量將進(jìn)一步替代化石能源發(fā)電量，二氧化碳排放量將持續(xù)穩(wěn)定下降。

3. 模型檢驗(yàn)

根據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算公式，對(duì)山西省碳排放峰值年后的碳排放量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，山西省碳排放峰值年后的碳排放量趨勢(shì)檢驗(yàn)值Z=-3.84，小于0，山西省碳排放峰值年后的碳排放量具有顯著下降趨勢(shì)，且在[α=0.05]置信水平下，|Z |=3.84，[Z1-0.052]=1.96，[|Z |>Z1-0.052]，通過Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，說明通過本文模型對(duì)山西省實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的電力系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果是可靠的。

七、 結(jié)論與建議

本文建立了碳達(dá)峰目標(biāo)下的電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬模型，充分考慮了各類電源的運(yùn)行特性、建設(shè)情況以及儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等靈活性資源，在滿足電力電量平衡、碳排放約束的條件下，對(duì)山西省電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析。研究結(jié)論包括：

第一，本文模型可用于模擬地區(qū)電力系統(tǒng)碳排放軌跡，得出電力二氧化碳年排放量存在較快速增長、波動(dòng)下降、持續(xù)穩(wěn)定下降3個(gè)階段。

第二，在實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰的過程中，電源結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，清潔低碳電源比重不斷提高，但各地區(qū)資源稟賦存在差異，新能源發(fā)展應(yīng)因地制宜。

第三，新能源出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性使得電力系統(tǒng)對(duì)調(diào)峰資源的需求越來越大，新能源的建設(shè)進(jìn)度需與地區(qū)調(diào)峰電源、儲(chǔ)能、需求側(cè)響應(yīng)等靈活性資源發(fā)展相匹配，源網(wǎng)荷儲(chǔ)要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展，本文模型可根據(jù)地區(qū)電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力得到電力系統(tǒng)優(yōu)化配置方案，以實(shí)現(xiàn)電力碳達(dá)峰目標(biāo)，為類似地區(qū)電力系統(tǒng)規(guī)劃提供思路。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電力行業(yè)服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措，新能源的大規(guī)模發(fā)展使整個(gè)電力系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行成本提高，但本文未考慮經(jīng)濟(jì)性，后續(xù)可進(jìn)一步完善。

為了保障電力系統(tǒng)碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，本研究提出以下政策建議：

（1）保障新能源的高效發(fā)展。隨著電力負(fù)荷的持續(xù)增長，明確將新能源定位為滿足增量電力需求，積極部署儲(chǔ)能設(shè)施、綜合能源系統(tǒng)、微電網(wǎng)、虛擬電廠等電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，通過多種技術(shù)手段組合來應(yīng)對(duì)高比例波動(dòng)性新能源的接入問題，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）做好煤電發(fā)展定位。推動(dòng)煤電機(jī)組節(jié)能提效升級(jí)，對(duì)具備供熱條件的純凝機(jī)組開展供熱改造，鼓勵(lì)通過技術(shù)創(chuàng)新，探索進(jìn)一步降低機(jī)組最小發(fā)電出力的可靠措施，對(duì)無法改造的機(jī)組逐步淘汰關(guān)停，并視情況將具備條件的轉(zhuǎn)為應(yīng)急備用電源。

（3）保障電力系統(tǒng)所需投資。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，電力行業(yè)對(duì)于電源、電網(wǎng)等技術(shù)的投資需要保持在較高水平，這對(duì)現(xiàn)有投融資機(jī)制是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，需要盡快健全和完善綠色投融資機(jī)制。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“考慮電力供需雙側(cè)不確定性的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合價(jià)值測(cè)度及激勵(lì)機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：71973043）。

作者簡介：馬昭（1980-），男，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)殡娏夹g(shù)經(jīng)濟(jì)與優(yōu)化決策;趙會(huì)茹（1963-），女，管理學(xué)博士，華北電力大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榧夹g(shù)經(jīng)濟(jì)及管理、能源管理;霍慧娟（1987-），女，管理學(xué)博士，研究方向?yàn)楣こ坦芾?、投資決策。

（收稿日期：2021-09-16? 責(zé)任編輯：顧碧言）