基于碳排放流的综合能源系统碳排放监测方法.pdf
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1、第 42 卷 第 10 期2023 年10 月Zhejiang Electric PowerVol.42,No.10Oct.25.2023基于碳排放流的综合能源系统碳排放监测方法刘子华1,曹瑞峰2,赵志扬1,李哲1,娄伟明1,陈婷1,邢海军3(1.国网浙江省电力有限公司台州供电公司,浙江 台州 318000;2.国网浙江省电力有限公司,杭州 310007;3.上海电力大学 电气工程学院,上海 200090)摘要:针对电-气耦合的综合能源系统,提出了一种基于碳排放流的碳排放监测方法,将发电侧碳排放分摊到各节点负荷与各支路功率上,从而实现碳排放的准确追踪与溯源。首先介绍了碳排放流原理;接着研究碳排
2、放流在电网及气网中的应用,建立电网及气网碳排放监测模型,并基于碳排放流理论提出一种碳排放监测方法;最后通过仿真表明,该综合能源系统碳排放监测方法能够同时表明系统时间与空间上的碳足迹,克服传统碳计量方法统计过于宏观的局限性。关键词:综合能源系统;碳排放流;碳监测;电-气耦合DOI:10.19585/j.zjdl.202310008 开放科学(资源服务)标识码(OSID):A carbon emission monitoring method for integrated energy systems based on carbon emission flowLIU Zihua1,CAO Ruif
3、eng2,ZHAO Zhiyang1,LI Zhe1,LOU Weiming1,CHEN Ting1,XING Haijun3(1.State Grid Taizhou Power Supply Company,Taizhou,Zhejiang 318000,China;2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd,Hangzhou 310007,China;3.School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Ab
4、stract:A carbon emission monitoring method based on carbon emission flow is proposed for the integrated electricity and gas systems(IEGS).This method distributes carbon emissions on the generation side to various node loads and branch power,thereby achieving accurate tracking and traceability of car
5、bon emissions.Firstly,the principle of carbon emission flow is introduced.Subsequently,the application of carbon emission flow in the power grid and gas network is investigated.A carbon emission monitoring model for the power grid and gas network is established,and a carbon emission monitoring metho
6、d is proposed based on the theory of carbon emission flow.Finally,simulation results demonstrate that this carbon emission monitoring method for the integrated energy system can simultaneously elucidate the temporal and spatial carbon footprint of the system,overcoming the limitations of conventiona
7、l carbon measurement methods that tend to be overly macroscopic.Keywords:integrated energy systems;carbon emission flow;carbon monitoring;integrated electricity and gas0引言全球气候变化已成为人类社会面临的一个重大难题,由温室气体排放导致的温升亟待控制。为减缓气候变化,降低温室气体排放,我国承诺“碳排放力争于2030年前达到峰值,争取2060年前实现碳中和”。电力行业作为碳排放的重点领域,也是实现“碳达峰、碳中和”目标的主力军,
8、将承担更大的减排责任,以电力行业晚达峰支撑全社会尽早达峰。其中,综合能源系统以多种形式能源进行生产、输送和消费,实现多种能源之间的互动,是实现低碳的强有力工具。利用综合能源多能耦合机制促进协同互补运行,能够有效提升区域综合能源系统的经济性,此前已有较多研究,而区域能源系统的减碳潜力研究则较少1-5。碳计量作为“碳达峰、碳中和”的重要手段,需要精准地计量数据,并融入碳中和能源管理平台,实现碳足迹的可视化,进而有针对性地对电力系统进行节能降碳,实现低碳转型。从“汇”与“源”的角度来看,碳监测获取的基础信息包括碳汇状况、环境中温室气体浓度和温室气体基金项目:国网浙江省电力有限公司科技项目(5211T
9、Z220002)第 42 卷排放强度三方面。“排放是源头,是 加 的过程,碳汇是消解,是 减 的过程,而环境中浓度可以理解为加减后的存量。”通过碳监测,能够起到主动适应气候变化需求,加强气候变暖对我国承受力脆弱地区影响的观测和评估,也可以促进社会从各个方面落实减污降碳、源头治理要求,因此碳监测具有重要意义6。目前,综合能源系统中的碳计量与监测方式主要为宏观统计法7-10。宏观统计法多用于国家层面电力系统宏观碳排放量的统计,可以得到系统在较长周期内的碳排放总量,直接且实用。然而,此方法未考虑电力系统具体的碳排放过程,难以实现电力系统碳排放的精细化分析,且易受总量统计以及碳排放因子测算误差影响。此
10、外,部分学者从全生命周期法的时间角度对系统的碳排放量进行统计。一种产品从原材料开采生产开始,到加工、制造、运输,再到消费者使用、回收,最终进入循环或作废弃物处理,这一整个过程称为产品的全生命周期11。在电力系统碳排放计量中应用LCA(生命周期评价)进行考虑,可以有效规避仅关注燃料消耗产生的碳排放的局限性12-13。但是,电力系统碳排放具有动态转移特性,LCA仍然缺乏这方面的考虑,无法清晰描述时空转移特性14。碳排放流法从空间角度处理碳排放与系统潮流之间的关系,可以得到特定时间点或时间段的系统碳排放区域分布,进行系统各节点实时、准确、全面的监测15-16。用碳排放流法能够将发电侧碳排放分摊到各节
11、点负荷、各支路功率以及网络损耗,从而实现碳排放具体流向的准确追踪与溯源17。因此,本文提出面向电-气耦合的综合能源系统的碳排放监测方法。首先,分别建立电网与气网碳排放流的碳监测模型,接着通过EH(能源枢纽)形成电-气耦合,进而研究电-气耦合下的综合能源系统的碳排放监测,获取动态实时的碳排放信息。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区间由贸易引起的碳排放转移。从空间角度处理碳排放与系统潮流之间的关系,可以得到特定时间点或时间段的系统碳排放区域分布。碳排放流被定义为与能源系统中的能量流相关的不加选择的CO2(二氧化碳)排放,其中碳排放在发电侧产生,碳排放流的目的是将能源生产
12、和转换方的所有碳排放量累积到各节点及需求方。因此,每吨CO2排放量为综合能源系统从能源产生、输送、转化到终端消费全过程的能量流进行核算。在综合能源系统中,既有天然气、煤炭等一次能源,也有电力、热力、制冷等二次能源。因此,碳排放包括实际碳排放(如燃气燃烧)和虚拟碳排放(如与电相关的碳排放)。对于一次能源网络,碳排放流表示将在后期转换或消费过程中发生的碳排放流量。对于二次能源网络,碳排放流表示能量产生时系统的碳排放流量18。1.2碳排放流基本原则对电-气耦合的综合能源系统碳排放进行监测的关键是建立碳排放流理论及其计算模型,用以合理分析综合能源系统的碳排放。潮流追踪法的核心原则是比例共享原则,依托潮
13、流追踪法建立碳排放流模型更加合适且准确19。下面用一个连接有4条支路的节点m进行说明。如图1所示,节点m的进线1和进线2的功率分别为P1和P2,出线3和出线4的功率分别为P3和P4。根据比例共享原则,输出支路的功率由各输入支路按功率比例提供,输入支路的功率也由各输出支路按功率比例分配。即出线功率P3由进线1提供的功率为P1P1+P2P3,由进线2提供的功率为P2P1+P2P3;而进线功率P2在支路3中分配的功 率 为P3P3+P4P2,在 支 路 4 中 分 配 的 功 率为P4P3+P4P2。同时,在该方法中需要考虑以下两个基本图1 比例共享原则Fig.1Proportional shari
14、ng principle66 第 10 期刘子华,等:基于碳排放流的综合能源系统碳排放监测方法原则。1)能量合并原理:在综合能源系统中,当来自不同分支的能量注入到一个节点时,流入的碳排放是混合的,这个节点的碳强度eNn被认为是所有流入支路碳流强度Bi的加权平均值。eNn=i+nBiQi/i+nQi(1)式中:+n代表节点n的流入分支集合;Qi表示流入分支i的能量流。2)能量调度原则:根据比例共享原则,从一个节点流出的能量按等比例分享该节点的能量注入。以节点n为例,第j个流出分支的能量流来自第i个流入分支的份额可以表示为:Qj,i=QjQi/s+nQs,j-n(2)式中:-n代表节点n的流出分支
15、集合。结合式(1)和式(2),就可以得到节点n的每个流出分支的支路碳流强度等于该节点的碳势。需要注意的是,如果存在向节点n注入能量流的发电机,则每个发电机都可以看作是一个流入分支,将发电机的支路碳流强度替换为发电机的碳流强度,以上两个原则仍然成立。2碳排放监测模型2.1电网碳排放监测模型从电网角度来看,因为发电技术不同,所以会导致不同的碳排放特性与碳排放量。故依托潮流构建电网碳排放流程理论体系。从表面上看,电网的碳排放流是在给每条支路的潮流概念上再添加一个碳流的标记。从表层看,CO2是由发电厂排放到大气中的;但是从深层次来说,CO2排放是由用户侧消费所驱动产生的。因为碳流与潮流是紧密联系的,可
16、以认为碳流随潮流一起流动,共同从发电厂流出并最终流入到负荷节点上。目前,随着碳排放流理论的逐步完善以及研究的不断深入,可以发现碳排放流模型基于比例分担原则能起到比较好的效果。以下结合图2简述碳排放流理论的概念与计算。碳流率指的是单位时间t内通过电网节点或者是电网支路潮流所对应的碳流排放,用R表示。R=dCdt(3)式中:C表示流入的CO2排放量;t表示时间。碳流密度指的是单位电量所对应的 CO2排放量。发电机组碳排放强度指的是发电厂依据发电特性实时发电所产生的CO2排放强度。支路碳流密度指的是在电网支路中传输单位电量导致发电厂侧所需排放的CO2量,即支路碳流率与有功潮流的比值,用表示。=RP(
17、4)式中:P为支路对应的有功功率。支路碳流密度应与流入该支路首节点的碳势相等。节点碳势指的是将节点消耗单位电量所造成的等效于发电侧的碳排放量,等于所有流入节点的支路的碳流密度关于有功功率的加权平均,例如节点n的碳势为:En=k=1KPk,nk,n+PG,nEG,nk=1KPk,n+PG,n(5)式中:En为电网节点n的碳势;Pk,n为注入电网节点n的第k条支路的功率;PG,n为电网节点n所接发电机的输出功率;k,n为注入电网节点n的第k条支路的碳流密度;K为与此节点相连的注入功率的支路数量;EG,n为电网节点n所接发电机的碳排放强度。例如针对图2,节点6碳势为:E6=P1,61,6+PG,6E
18、G,6P1,6+PG,6(6)式中:P1,6为注入电网节点6的第1条支路的功率;1,6为注入电网节点6的第1条支路的碳流密度;PG,6为电网节点6所接发电机的输出功率;EG,6为图2 电网碳排放流示意图Fig.2Schematic diagram of carbon emission flow of power grid67第 42 卷电网节点6所接发电机的碳排放强度。节点负荷的碳排放量可以通过节点碳势计算得到:Tn=EnLn(7)式中:Tn为节点n的碳排放量;Ln为节点n的负荷量。2.2气网碳排放监测模型在综合能源系统的气网中,因为天然气燃烧后会产生CO2,因此需要建立燃气网的碳排放流模型。
19、气网的碳排放流模型与电网碳排放流类似,同理,根据能量分配原则,每条管道的支路碳流密度等于其流入节点的节点碳势。气网碳排放流如图3所示,满足如下关系:Egas,n=Q,n,n+k=1KgQgas,kgas,kQ,n+k=1KgQgas,k(8)式中:Egas,n为天然气网络节点n的碳势;Q,n为气井的气流量;,n为气井的碳排放强度;Qgas,k为管道k气流量;gas,k为管道k中气流量的碳势;Kg为节点n处流入气流量的支路数量。同理,气网节点n的碳势等于所有流入节点的支路碳流密度关于气网潮流的加权平均。3电-气耦合的综合能源系统碳排放监测方法综合能源系统碳足迹监测流程如图4所示,具体步骤如下:1
20、)计算系统潮流,统计发电机组碳排放强度向量EG。2)生成支路潮流分布矩阵PB、机组注入分布矩阵 PG、负荷分布矩阵 PL和节点有功通量矩阵PN。3)判断PN的绝对值是否等于0。若PN等于0,将与PN中对角元为0的所在行对应节点相连的机组和线路从电网中去除,并返回到步骤2;若PN不等于0,计算节点碳势En、系统支路和各节点的碳流分布。4)根据碳排放流理论对所得区域能源系统中的碳流分布进行碳足迹监测,展示碳足迹数据及趋势。其中,源侧产生的碳排放传输到EH的输入端后,还需要将其通过EH内部能流网络分配至负荷端,因此需对EH进行碳排放流建模。EH结构如图5所示,每个EH的输入端为上级电网和上级气网输送
21、过来的能源;内部元件主要包括光伏、电转气设备、热电联产、燃气锅炉、热泵和储能等;输出端由电、气、热负荷组成。EH中包含多个能量转换器,将EH中的能量转化过程建模为具有单个或多个输入和输出端口图4 系统碳排放监测流程Fig.4Flow chart of system carbon emission monitoring图3 气网碳排放流示意图Fig.3Schematic diagram of carbon emission flow of gas network68 第 10 期刘子华,等:基于碳排放流的综合能源系统碳排放监测方法的单元,与上级电网及上级气网中的节点碳势产生联系。其中,电转气设备
22、、热泵、燃气锅炉为单输入单输出设备,热电联产为单输入多输出设备。对系统内各能量转换公式及碳排放平衡约束组合求解,可得EH负荷端的碳势以及碳排放量。电转气设备将输入的电能转换为天然气,热泵将输入的电能转换为热能,燃气锅炉将输入的天然气转换为热能,碳排放流模型如下:outptgQoutptg=inptgPinptg(9)outebHouteb=inebPineb(10)outgbHoutgb=ingbQingb(11)式中:inptg、ineb、ingb分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉输入端的碳势;outptg、outeb、outgb分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉输出端的碳势;Pinptg、Pi
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