多能互补电力系统碳排放及可靠性分析

 多能互补电力系统碳排放及可靠性分析

杨逸轩

河南政辰科技集团有限公司 河南 郑州 450000

摘要：全球气候变暖是当今世界各国面临的主要挑战。为减少温室气体排放，摆脱长期以来依赖化石能源的困境，中国政府率先提出了2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”的宏伟目标，为全球气候治理树立了积极正面的形象。“双碳”目标的提出，对于优化我国产业结构，实现低碳可持续发展具有积极推动作用，同时也预示着在未来相当长一段时间内全社会各行各业将肩负起节能减排与绿色发展的历史重任。据统计，电力系统是我国碳排放的主要来源，其二氧化碳排放约占全社会碳排放总量的50%左右，面临着前所未有的减碳压力。为了实现电力低碳发展，开展碳排放的分析统计工作尤为重要。目前，电力系统的碳排放计算主要包括宏观统计法和碳流分析法。基于此，本篇文章对多能互补电力系统碳排放及可靠性进行研究，以供参考。

关键词：多能互补；电力系统；碳排放；可靠性分析

引言

面对日益严峻的能源和环境问题，如何以高效、环保的方式满足能源需求已成为世界各国关注的焦点。结合零排放的可再生能源技术与高能效的冷热电联供技术的多能互补系统，已成为解决上述难题的可行举措。按照供能特点和规模可将多能互补系统分为基地型和终端型。其中，终端型多能互补系统是一种直接面向用户的能源转换系统，可因地制宜、就近就地利用当地能源资源，是未来能源系统发展的重要方向。为充分挖掘多能互补系统的优势，较多学者基于不同建模思路对设备的装机容量和运行策略进行了优化。

1研究背景

近年来，环境污染和能源危机等问题日趋严重，为世界能源产业带来了巨大挑战，以可再生能源为主体的能源结构转型已经成为我国乃至全世界的主要研究方向。随着能源互联网的发展和能源市场化的推进，能源领域出现了新的商业模式与参与主体。多能互补作为能源互联网的物理载体，在能效提升，绿色环保等方面展现了极大的优势，可以有效实现多能流的梯级利用，提高系统的经济效益。在此背景下，构建多能互补系统，推动综合能源服务发展，成为我国能源系统转型重点发展方向;其中，多能互补对于解决大电网出现故障，无法保障稳定供能等问题具有重要意义。容量配置优化一直是多能互补的重点研究内容，在孤岛模式具有更重要的作用。通过建立柔性负荷模型，以经济成本最小和一次能源消耗量最少为优化目标，优化系统配置，有效提高了系统的经济性，减少了一次能源的消耗。考虑系统的经济、环保、可靠性，提出电热能量交易的容量配置优化方案，降低了系统运行成本。提出了多区域多能互补系统的两阶段优化配置方法，将多区域和单目标规划进行对比，体现出多区域多能互补系统规划的优越性。建立了风-光氢多能互补系统优化模型，并考虑了电动汽车的随机充电需求，对系统进行容量配置规划，提高了系统经济性。将系统中能源设备的配置及运行约束进行统一化表达，考虑设备替换的分期规划，以经济性最优为目标，求解结果证明该方法减少了系统的设备资金和运行成本。

2碳排放和可靠性约束

2.1碳排放约束

2020年，我国单位国内生产总值碳排放强度比2005年下降48.4%，超额完成承诺的40%-45%的目标，并于当年举行的气候雄心峰会上再次承诺，2030年我国单位国内生产总值CO2排放将比2005年下降65%以上。电力行业的碳减排需要长时间的结构调整与技术突破，不同的时期会有不同的碳排放指标要求。本文分别以300g/kWh，100g/kWh，0g/kWh的碳排放指标作为系统的碳排放目标约束。

2.2可靠性约束

随着可再生能源装机比例提高，系统有着更低的CO2排放，然而受到气象条件的影响，光伏及风电的出力具有波动性及随机性，大规模的接入会增加电力系统运行的波动。接入储能时，可以平抑这种输出波动，并作为应急电源减少停电概率等，为了对不同电力系统的可靠性进行定量描述，需要对电力系统进行可靠性评估。目前我国新能源装机比例为43.5%，本文以40%可再生能源装机容量时的可靠性指标作为更高比例可再生能源装机比例系统的可靠性目标约束。

3算例分析

3.1可靠性分析

高比例可再生能源装机系统在接入一定输出功率的储能后，系统均可以满足可靠性指标的要求，实现了对不同系统可靠性的统一。可以看到，该能源基地中可再生能源装机比例每升高20%，则需要接入850-875MW输出功率的储能，以保证系统的可靠性。

表1满足可靠性约束的储能输出功率

3.2碳排放分析

可以看到，当碳排放约束目标为300g/kWh时，可再生能源装机比例需要达到80%左右，而更低的可再生能源装机比例则需要进行CO2捕集。当碳排放约束目标为100g/kWh时，则需要更高比例的可再生能源装机或更高的CO2捕集率。而要达到零碳排放的目标时，则需要将可再生能源装机比例增加至100%或者采用一定比例生物质燃料并进行碳捕集的方式来完成。

表2满足碳排放约束的碳捕集率及生物质比例

4基于多能互补提升电力系统碳排放及可靠性的建议

4.1探索储能新方式，增加电力系统灵活性

目前，储能主要分为以下几种主流形式：机械储能、电化学储能、化学储能、电气储能、热储能等。其中，抽水蓄能作为机械储能的一种，是目前公认的最成熟、最可靠、最清洁、最经济的储能手段，在调峰调频、削峰填谷、事故备用和黑启动等方面具有很大的优势。在“双碳”目标的驱动下，风、光新能源占比将会逐步攀升。然而，风、光新能源并网会对电网的安全、稳定运行带来极大压力。为了适应新型电力系统建设和大规模高比例新能源发展需要，电力系统亟待建设大规模储能设施，以增加电力系统灵活性。因此，需要根据不同地区特点，探索能够大规模开发，并且安全、高效的新型储能技术，如建设常规抽水蓄能电站、梯级储能工厂（梯级水电站+大泵）以及智能光伏、风电制氢设施等。

4.2加快水—风—光—储一体化清洁能源基地建设，推进多能互补运行管理

利用水电的灵活性以及水能、风能与太阳能资源的天然互补性配套发展风电和光伏，是降低新能源并网冲击性、提升资源利用率的有效方式。国内外大量研究表明，当不同能源或者不同区域电厂间存在互补性时，将二者进行聚合形成互补发电系统，可以更好地提高系统发电量和可靠性，同时降低发电成本。尽管风、光电的随机波动性对其发展具有一定的限制，但通过配套发展抽水蓄能电站、储能电站等储能设施，实行水—风—光—储多能互补运行管理，可弥补这一不足，最终缓解新能源装机规模大与弃电率高的矛盾。一方面既要科学规划配置风、光新能源装机，另一方面还需配套升级水电系统的灵活性，如因地制宜发展梯级水电站、抽水蓄能电站，对已有水电站进行机组扩容，在梯级水电站之间增设大型泵站以形成梯级储能工厂等，最终形成水—风—光—储多种能源深度融合的有机能源体系。

结束语

在未来的工作中，将进一步研究多能互补的综合效益，如考虑环境效益、能源效益及设备响应指令快慢的问题等;同时，在电负荷需求响应的基础上，进一步考虑综合需求响应(冷、热、电、气)对系统的影响。

参考文献

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