基于碳排放流的綜合能源系統(tǒng)碳排放監(jiān)測方法

劉子華，曹瑞峰，趙志揚，李哲，婁偉明，陳婷，邢海軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.上海電力大學 電氣工程學院，上海 200090）

0 引言

全球氣候變化已成為人類社會面臨的一個重大難題，由溫室氣體排放導致的溫升亟待控制。為減緩氣候變化，降低溫室氣體排放，我國承諾“碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。電力行業(yè)作為碳排放的重點領域，也是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的主力軍，將承擔更大的減排責任，以電力行業(yè)晚達峰支撐全社會盡早達峰。其中，綜合能源系統(tǒng)以多種形式能源進行生產(chǎn)、輸送和消費，實現(xiàn)多種能源之間的互動，是實現(xiàn)低碳的強有力工具。利用綜合能源多能耦合機制促進協(xié)同互補運行，能夠有效提升區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，此前已有較多研究，而區(qū)域能源系統(tǒng)的減碳潛力研究則較少［1-5］。碳計量作為“碳達峰、碳中和”的重要手段，需要精準地計量數(shù)據(jù)，并融入碳中和能源管理平臺，實現(xiàn)碳足跡的可視化，進而有針對性地對電力系統(tǒng)進行節(jié)能降碳，實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。從“匯”與“源”的角度來看，碳監(jiān)測獲取的基礎信息包括碳匯狀況、環(huán)境中溫室氣體濃度和溫室氣體排放強度三方面?！芭欧攀窃搭^，是‘加’的過程，碳匯是消解，是‘減’的過程，而環(huán)境中濃度可以理解為加減后的存量?！蓖ㄟ^碳監(jiān)測，能夠起到主動適應氣候變化需求，加強氣候變暖對我國承受力脆弱地區(qū)影響的觀測和評估，也可以促進社會從各個方面落實減污降碳、源頭治理要求，因此碳監(jiān)測具有重要意義［6］。

目前，綜合能源系統(tǒng)中的碳計量與監(jiān)測方式主要為宏觀統(tǒng)計法［7-10］。宏觀統(tǒng)計法多用于國家層面電力系統(tǒng)宏觀碳排放量的統(tǒng)計，可以得到系統(tǒng)在較長周期內(nèi)的碳排放總量，直接且實用。然而，此方法未考慮電力系統(tǒng)具體的碳排放過程，難以實現(xiàn)電力系統(tǒng)碳排放的精細化分析，且易受總量統(tǒng)計以及碳排放因子測算誤差影響。

此外，部分學者從全生命周期法的時間角度對系統(tǒng)的碳排放量進行統(tǒng)計。一種產(chǎn)品從原材料開采生產(chǎn)開始，到加工、制造、運輸，再到消費者使用、回收，最終進入循環(huán)或作廢棄物處理，這一整個過程稱為產(chǎn)品的全生命周期［11］。在電力系統(tǒng)碳排放計量中應用LCA（生命周期評價）進行考慮，可以有效規(guī)避僅關注燃料消耗產(chǎn)生的碳排放的局限性［12-13］。但是，電力系統(tǒng)碳排放具有動態(tài)轉(zhuǎn)移特性，LCA仍然缺乏這方面的考慮，無法清晰描述時空轉(zhuǎn)移特性［14］。

碳排放流法從空間角度處理碳排放與系統(tǒng)潮流之間的關系，可以得到特定時間點或時間段的系統(tǒng)碳排放區(qū)域分布，進行系統(tǒng)各節(jié)點實時、準確、全面的監(jiān)測［15-16］。用碳排放流法能夠?qū)l(fā)電側(cè)碳排放分攤到各節(jié)點負荷、各支路功率以及網(wǎng)絡損耗，從而實現(xiàn)碳排放具體流向的準確追蹤與溯源［17］。

因此，本文提出面向電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)的碳排放監(jiān)測方法。首先，分別建立電網(wǎng)與氣網(wǎng)碳排放流的碳監(jiān)測模型，接著通過EH（能源樞紐）形成電-氣耦合，進而研究電-氣耦合下的綜合能源系統(tǒng)的碳排放監(jiān)測，獲取動態(tài)實時的碳排放信息。

1 碳排放流原理

1.1 碳排放流概念

碳排放流的概念最早用于分析地區(qū)間由貿(mào)易引起的碳排放轉(zhuǎn)移。從空間角度處理碳排放與系統(tǒng)潮流之間的關系，可以得到特定時間點或時間段的系統(tǒng)碳排放區(qū)域分布。

碳排放流被定義為與能源系統(tǒng)中的能量流相關的不加選擇的CO2（二氧化碳）排放，其中碳排放在發(fā)電側(cè)產(chǎn)生，碳排放流的目的是將能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換方的所有碳排放量累積到各節(jié)點及需求方。因此，每噸CO2排放量為綜合能源系統(tǒng)從能源產(chǎn)生、輸送、轉(zhuǎn)化到終端消費全過程的能量流進行核算。在綜合能源系統(tǒng)中，既有天然氣、煤炭等一次能源，也有電力、熱力、制冷等二次能源。因此，碳排放包括實際碳排放（如燃氣燃燒）和虛擬碳排放（如與電相關的碳排放）。對于一次能源網(wǎng)絡，碳排放流表示將在后期轉(zhuǎn)換或消費過程中發(fā)生的碳排放流量。對于二次能源網(wǎng)絡，碳排放流表示能量產(chǎn)生時系統(tǒng)的碳排放流量［18］。

1.2 碳排放流基本原則

對電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)碳排放進行監(jiān)測的關鍵是建立碳排放流理論及其計算模型，用以合理分析綜合能源系統(tǒng)的碳排放。

潮流追蹤法的核心原則是比例共享原則，依托潮流追蹤法建立碳排放流模型更加合適且準確［19］。下面用一個連接有4條支路的節(jié)點m進行說明。如圖1所示，節(jié)點m的進線1和進線2的功率分別為P1和P2，出線3和出線4的功率分別為P3和P4。根據(jù)比例共享原則，輸出支路的功率由各輸入支路按功率比例提供，輸入支路的功率也由各輸出支路按功率比例分配。即出線功率P3由進線1提供的功率為由進線2提供的功率為而進線功率P2在支路3中分配的功率為在支路4中分配的功率為

圖1 比例共享原則Fig.1 Proportional sharing principle

同時，在該方法中需要考慮以下兩個基本原則。

1）能量合并原理：在綜合能源系統(tǒng)中，當來自不同分支的能量注入到一個節(jié)點時，流入的碳排放是混合的，這個節(jié)點的碳強度被認為是所有流入支路碳流強度的加權(quán)平均值。

2）能量調(diào)度原則：根據(jù)比例共享原則，從一個節(jié)點流出的能量按等比例分享該節(jié)點的能量注入。以節(jié)點n為例，第j個流出分支的能量流來自第i個流入分支的份額可以表示為：

結(jié)合式（1）和式（2），就可以得到節(jié)點n的每個流出分支的支路碳流強度等于該節(jié)點的碳勢。需要注意的是，如果存在向節(jié)點n注入能量流的發(fā)電機，則每個發(fā)電機都可以看作是一個流入分支，將發(fā)電機的支路碳流強度替換為發(fā)電機的碳流強度，以上兩個原則仍然成立。

2 碳排放監(jiān)測模型

2.1 電網(wǎng)碳排放監(jiān)測模型

從電網(wǎng)角度來看，因為發(fā)電技術(shù)不同，所以會導致不同的碳排放特性與碳排放量。故依托潮流構(gòu)建電網(wǎng)碳排放流程理論體系。從表面上看，電網(wǎng)的碳排放流是在給每條支路的潮流概念上再添加一個碳流的標記。從表層看，CO2是由發(fā)電廠排放到大氣中的；但是從深層次來說，CO2排放是由用戶側(cè)消費所驅(qū)動產(chǎn)生的。因為碳流與潮流是緊密聯(lián)系的，可以認為碳流隨潮流一起流動，共同從發(fā)電廠流出并最終流入到負荷節(jié)點上。

目前，隨著碳排放流理論的逐步完善以及研究的不斷深入，可以發(fā)現(xiàn)碳排放流模型基于比例分擔原則能起到比較好的效果。以下結(jié)合圖2簡述碳排放流理論的概念與計算。

圖2 電網(wǎng)碳排放流示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbon emission flow of power grid

碳流率指的是單位時間t內(nèi)通過電網(wǎng)節(jié)點或者是電網(wǎng)支路潮流所對應的碳流排放，用R表示。

式中：C表示流入的CO2排放量；t表示時間。

碳流密度指的是單位電量所對應的CO2排放量。

發(fā)電機組碳排放強度指的是發(fā)電廠依據(jù)發(fā)電特性實時發(fā)電所產(chǎn)生的CO2排放強度。

支路碳流密度指的是在電網(wǎng)支路中傳輸單位電量導致發(fā)電廠側(cè)所需排放的CO2量，即支路碳流率與有功潮流的比值，用δ表示。

式中：P為支路對應的有功功率。

支路碳流密度應與流入該支路首節(jié)點的碳勢相等。節(jié)點碳勢指的是將節(jié)點消耗單位電量所造成的等效于發(fā)電側(cè)的碳排放量，等于所有流入節(jié)點的支路的碳流密度關于有功功率的加權(quán)平均，例如節(jié)點n的碳勢為：

式中：En為電網(wǎng)節(jié)點n的碳勢；Pk，n為注入電網(wǎng)節(jié)點n的第k條支路的功率；PG，n為電網(wǎng)節(jié)點n所接發(fā)電機的輸出功率；δk，n為注入電網(wǎng)節(jié)點n的第k條支路的碳流密度；K為與此節(jié)點相連的注入功率的支路數(shù)量；EG，n為電網(wǎng)節(jié)點n所接發(fā)電機的碳排放強度。

例如針對圖2，節(jié)點6碳勢為：

式中：P1，6為注入電網(wǎng)節(jié)點6的第1條支路的功率；δ1，6為注入電網(wǎng)節(jié)點6的第1條支路的碳流密度；PG，6為電網(wǎng)節(jié)點6所接發(fā)電機的輸出功率；EG，6為電網(wǎng)節(jié)點6所接發(fā)電機的碳排放強度。

節(jié)點負荷的碳排放量可以通過節(jié)點碳勢計算得到：

式中：Tn為節(jié)點n的碳排放量；Ln為節(jié)點n的負荷量。

2.2 氣網(wǎng)碳排放監(jiān)測模型

在綜合能源系統(tǒng)的氣網(wǎng)中，因為天然氣燃燒后會產(chǎn)生CO2，因此需要建立燃氣網(wǎng)的碳排放流模型。氣網(wǎng)的碳排放流模型與電網(wǎng)碳排放流類似，同理，根據(jù)能量分配原則，每條管道的支路碳流密度等于其流入節(jié)點的節(jié)點碳勢。氣網(wǎng)碳排放流如圖3所示，滿足如下關系：

圖3 氣網(wǎng)碳排放流示意圖Fig.3 Schematic diagram of carbon emission flow of gas network

式中：Egas，n為天然氣網(wǎng)絡節(jié)點n的碳勢；Q?，n為氣井的氣流量；δ?，n為氣井的碳排放強度；Qgas，k為管道k氣流量；δgas，k為管道k中氣流量的碳勢；Kg為節(jié)點n處流入氣流量的支路數(shù)量。同理，氣網(wǎng)節(jié)點n的碳勢等于所有流入節(jié)點的支路碳流密度關于氣網(wǎng)潮流的加權(quán)平均。

3 電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)碳排放監(jiān)測方法

綜合能源系統(tǒng)碳足跡監(jiān)測流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 系統(tǒng)碳排放監(jiān)測流程Fig.4 Flow chart of system carbon emission monitoring

1）計算系統(tǒng)潮流，統(tǒng)計發(fā)電機組碳排放強度向量EG。

2）生成支路潮流分布矩陣PB、機組注入分布矩陣PG、負荷分布矩陣PL和節(jié)點有功通量矩陣PN。

3）判斷PN的絕對值是否等于0。若PN等于0，將與PN中對角元為0的所在行對應節(jié)點相連的機組和線路從電網(wǎng)中去除，并返回到步驟2；若PN不等于0，計算節(jié)點碳勢En、系統(tǒng)支路和各節(jié)點的碳流分布。

4）根據(jù)碳排放流理論對所得區(qū)域能源系統(tǒng)中的碳流分布進行碳足跡監(jiān)測，展示碳足跡數(shù)據(jù)及趨勢。

其中，源側(cè)產(chǎn)生的碳排放傳輸?shù)紼H的輸入端后，還需要將其通過EH內(nèi)部能流網(wǎng)絡分配至負荷端，因此需對EH進行碳排放流建模。EH結(jié)構(gòu)如圖5所示，每個EH的輸入端為上級電網(wǎng)和上級氣網(wǎng)輸送過來的能源；內(nèi)部元件主要包括光伏、電轉(zhuǎn)氣設備、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐、熱泵和儲能等；輸出端由電、氣、熱負荷組成。

圖5 EH結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of EH

EH中包含多個能量轉(zhuǎn)換器，將EH中的能量轉(zhuǎn)化過程建模為具有單個或多個輸入和輸出端口的單元，與上級電網(wǎng)及上級氣網(wǎng)中的節(jié)點碳勢產(chǎn)生聯(lián)系。其中，電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐為單輸入單輸出設備，熱電聯(lián)產(chǎn)為單輸入多輸出設備。對系統(tǒng)內(nèi)各能量轉(zhuǎn)換公式及碳排放平衡約束組合求解，可得EH負荷端的碳勢以及碳排放量。

電轉(zhuǎn)氣設備將輸入的電能轉(zhuǎn)換為天然氣，熱泵將輸入的電能轉(zhuǎn)換為熱能，燃氣鍋爐將輸入的天然氣轉(zhuǎn)換為熱能，碳排放流模型如下：

式中：、、分別為電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐輸入端的碳勢；、、分別為電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐輸出端的碳勢；、、分別為電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的輸入能流功率；、、分別為電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的輸出能流功率。

上述轉(zhuǎn)換設備的輸入輸出約束如下：

式中：ηptg、ηeb、ηgb分別為電轉(zhuǎn)氣設備、熱泵、燃氣鍋爐的轉(zhuǎn)換效率。

熱電聯(lián)產(chǎn)作為單輸入多輸出設備，將輸入的天然氣轉(zhuǎn)換為電能及熱能，其碳排放流模型及設備轉(zhuǎn)換約束如下：

式中：為熱電聯(lián)產(chǎn)輸入端的碳勢；為熱電聯(lián)產(chǎn)輸入端的能流功率；和分別為熱電聯(lián)產(chǎn)熱、電輸出端的碳勢；和分別為熱電聯(lián)產(chǎn)熱、電輸出端的能流功率；ηchp，h和ηchp，p分別為熱電聯(lián)產(chǎn)的熱、電轉(zhuǎn)換效率。

依據(jù)碳排放平衡原則，EH負荷端的碳排放與輸入的碳排放應保持平衡，約束如下：

式中：δv為光伏輸入的碳排放強度，一般認為光伏為清潔能源，本文取值為0 kg/MWh；Pv為光伏的輸出功率；Le，j、Lg，j、Lh，j分別為第j個EH的電、氣、熱負荷；δle，j、δlg，j、δlh，j分別為第j個EH的電、氣、熱負荷對應的碳勢。

4 算例分析

對包含6節(jié)點電網(wǎng)、6節(jié)點天然氣網(wǎng)和3個EH的綜合能源系統(tǒng)進行碳排放監(jiān)測。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，G1—G3為電廠燃煤機組，EH1—EH3為能量樞紐，GW1、GW2為天然氣氣井。虛線部分代表通過EH中的轉(zhuǎn)換設備形成電網(wǎng)與氣網(wǎng)的耦合。EH1基礎數(shù)據(jù)曲線如圖7所示，EH2和EH3的負荷為EH1的一半。燃煤機組G1—G3碳排放強度分別取800 kg/MWh、600 kg/MWh、400 kg/MWh。GW1和GW2的碳排放強度均取200 kg/MWh。其中，電網(wǎng)及其氣網(wǎng)潮流計算模型參照文獻［20］建立。

圖6 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Diagram of the integrated energy system structure

圖7 EH1基礎數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Basic data curve of EH1

首先進行電網(wǎng)及氣網(wǎng)的潮流計算，得到電網(wǎng)碳流計算相關參數(shù)PB、PG、PL、PN以及氣網(wǎng)碳流計算相關參數(shù)QB、QG、QL、QN；進而監(jiān)測綜合能源系統(tǒng)中電網(wǎng)各節(jié)點、氣網(wǎng)各節(jié)點的碳勢及從EH角度產(chǎn)生的全天總碳排放量，監(jiān)測結(jié)果見圖8—11。

圖8 電網(wǎng)碳排放強度Fig.8 Carbon emission intensity of power grid

圖9 電網(wǎng)碳排放量Fig.9 Carbon emissions of power grid

圖10 氣網(wǎng)碳排放強度Fig.10 Carbon emission intensity of gas network

圖11 氣網(wǎng)碳排放量Fig.11 Carbon emissions of gas network

EH中的各設備將電網(wǎng)與氣網(wǎng)進行耦合，結(jié)合碳排放流分析法，產(chǎn)生的碳排放傳輸?shù)紼H的輸入端后，需要將其分配至各EH負荷端以進行荷側(cè)的具體監(jiān)測。通過各個能量轉(zhuǎn)換公式的組合求解，可得出EH負荷端的碳勢以及碳排放量。

圖12—14分別為EH電、氣、熱負荷碳排放強度監(jiān)測情況?？梢钥闯觯寂欧艔姸入S潮流變化而改變，EH2與EH3所設定的電、氣、熱負荷及轉(zhuǎn)換設備均一致，然而因所處的節(jié)點不同，碳勢不一致，進而導致監(jiān)測到的日碳排放強度曲線不同。

圖12 EH電負荷碳排放強度Fig.12 Carbon emission intensity of EH electric load

圖13 EH氣負荷碳排放強度Fig.13 Carbon emission intensity of EH gas load

圖14 EH熱負荷碳排放強度Fig.14 Carbon emission intensity of EH thermal load

圖15為電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)碳排放量監(jiān)測情況?？梢钥闯?，總體與負荷變化趨勢一致，能真實反映負荷端的碳排放情況。

圖15 電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)碳排放量Fig.15 Carbon emissions of IEGS

5 結(jié)語

本文建立了電-氣綜合能源系統(tǒng)碳排放監(jiān)測模型，采用碳排放流法分別對電網(wǎng)及氣網(wǎng)進行建模，并對電-氣耦合綜合能源系統(tǒng)中的設備進行分析，提出一種電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)碳排放監(jiān)測方法。通過算例驗證分析，得出以下結(jié)論：根據(jù)系統(tǒng)本身的電網(wǎng)潮流及氣網(wǎng)潮流，利用碳排放流法進行碳流分析，可以同時明晰系統(tǒng)時間與空間上的碳足跡，克服傳統(tǒng)碳計量方法統(tǒng)計過于宏觀的局限性；通過對電-氣耦合的綜合能源系統(tǒng)各個節(jié)點的碳排放強度及碳排放量進行實時監(jiān)測，可為精準降碳及需求側(cè)降碳提供信息基礎。