中国电力行业碳减排综合优化

,Jul52013y2

:/DOI10.7500AEPS201209194

中国电力行业碳减排综合优化

(1.浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027;2.西南电力设计院,四川省成都市610065;

)3.南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市211102

戴暋攀1,邹家勇2,田暋杰3,刘暋田1,周暋浩1

摘要:承担着C2010年中国电力行业COO2排放量约占总排放量的一半,2减排和缓解气候变化

的主要责任。首先,简要介绍了中国电力行业C然后分别从发电侧、需求侧、电网侧O2排放现状,对各减排措施的应用和发展进行分析和评价。在此基础上,提出电力行业碳减排综合优化模型,将需求侧和电网侧的节能潜力等效成虚拟能源,并与发电侧的常规能源进行统一规划,获得经济效益和减排效益综合最优的能源配置方案。采用该模型对中国电力行业的发电能源(包括常规能源和虚拟能源)进行综合优化,结果表明,电力需求侧管理项目的推广和智能电网的建设可对中国电力行业C在电力“十二五暠规划的基础上,O2015年和2020年可分别减少2减排作出较大的贡献,CO0灡0%和12灡6%。2排放1关键词:碳减排;电力行业;需求侧管理;智能电网

0暋引言

全球气候变化是人类社会实现可持续发展所面临的重要挑战,人类消耗化石能源所排放的CO2及其他温室气体是导致气候变暖的根本原因。如果不采取有效措施,能源相关的CO050年将2排放到2向国际社会承诺:到2020年单位国内生产总值(碳排放强度比2同GDP)005年降低40%~45%,增加一倍以上。节能减排已成为人类可持续发展的必然趋势。作为世界上C中国已O2排放第一大国,

的减排潜力。文献[提出发电和用电环节低碳化6]

贡献率评价方法。文献[分析了中国低碳要素7灢8]

的引入对电力调度和电源规划的影响。文献[基9]于美国、德国等D提出中国开展DSM实施经验,SM]项目的建议。文献[提出针对电网低碳效益的评10估框架与标准化模型,证明发展高效的输配电技术和降低电网输电损耗对电网减排发挥重要作用。国内外对于电力行业减排措施和等已有了较为深入的研究,然而,站在整个电力行业的角度对碳减排进行整体优化的研究还较少。综合资源规划(和基于其改进的综合资源战略规划(将IRP)IRSP)

11灢15]

。但是I案[RP和IRSP都忽略了电网侧的减排

时将非化石能源在一次能源中的比重提高到

[]

15%1。根据国际能源组织(IEA)统计结果,2010年中国电力和热能生产的CO2排放量达到

[]

,占中国C35灡8亿tO9灡3%2。因2排放总量的4

此,推进电力行业碳减排对于中国乃至全球实现碳减排目标都具有重要的意义。

现有的电力行业碳减排研究主要包括火电厂能效的提高、可再生资源的开发利用、碳捕集技术的发展、电力需求侧管理(的推广和智能电网建设DSM)

]等。文献[对火电机组的经济性和节能潜力进行3了分析,为进一步降低机组煤耗率、提高机组的经济

性提供依据。文献[认为提高火电机组能效是低4]成本实现C对中国电O5]2减排有效的措施。文献[力行业可再生能源的发展及其对CO2减排的影响进行分析,证明可再生能源的大规模接入具有巨大

发电侧和需求侧资源作为一个整体进行资源优化,

降低整体能源消耗,获得成本最低的资源配置方潜力。本文综合考虑发电侧、需求侧、电网侧的减排潜能,提出电力行业碳减排综合优化模型,将需求侧和电网侧的虚拟能源和发电侧的常规能源进行统一规划,利用多目标规划获得成本和CO2排放综合最优的能源配置方案,并基于电力“十二五暠规划,应用该模型对中国电力行业发电能源进行综合优化。

1暋中国电力行业碳排放现状

中国正处在工业化、城镇化快速发展的关键阶段,电力需求快速增长,截至2011年底全年发电量达47是世界第二大电力生产国,同21灡7TW·h,时,中国电力生产所利用的一次能源以煤炭为主,达

[6]

。中国电力行业C到总发电量的80%1O2排放量

—1—

收稿日期:2012灢09灢21;修回日期:2013灢03灢19。

()2013,3714

暋

从1992年的7灡96亿t增长到2010年的

[]

,增长了3如图1所示,35灡77亿t49%2,CO2排放

量与发电量增长趋势基本一致。

动力联产以及更高参数的超超临界发电等。另外,

由于电力需求的快速增长,火电机组装机容量随之增长,虽然减排措施降低了C但电力O2排放强度,4 50075)tgh3 50065W55󰒓/TG(/G2 5004535󱬒+󱥦2󰦥1 50025O15C50019921995199820012004200720105󱯊K

󰦥+G󰋗+󰡯>󰏮CO2󱥦󱬒G

󰜼󰳑CO2󱥦󱬒G

Fig.1暋S图tat1is暋tic发电量及alcuCrOvesoCfOe2le排放量统计图

ctriciteneratio2

emissionsyg

nand保障电力充足、稳定供应是电力行业的首要职

责,发展仍是当前电力行业的首要任务,因此,必须在保障社会经济发展对电力需求的前提下采取有效措施减小期间(2006CO年2排放,

从而缓解气候变化。“十一五暠到,电力行业通过发展非化石能源、降低供电煤耗和线损等措施累计减排2010年)约17灡4亿如附录施减排A图t,A各减排措施下的7]

CO2减排量贡献比重

CO2[业有较大差距COCO2最11所示,其中通过降低供电煤耗措多,

达到2减排已经取得一定成效51%[17]

,。但是离减排目标还虽然中国电力行,需要综合发展各种碳减排措施。

暋减排措施分析

电力行业按能量传输过程可以分为发电侧、需求侧和电网侧3个环节。电力行业CO2排放主要集中在发电环节,且直接产生于发电环节(即化石能

源的燃烧),需求侧的不合理使用以及电网的损耗增加发电侧的能源消耗,间接增加减排措施也可分为发电侧减排C、需求侧减排和电O2的排放。因

此,网侧减排.1暋发电侧减排措施

3个方面。

发电侧减排措施主要可以归为以下高化石能源利用3类:获和封存(1

C)技术应用效率;栚调。整能源结构;栛CO栙提2捕

中国电力生产以煤电为主)提高化石能源利用效率CS,且现存较多数量的小煤电机组,因此,以大容量高效率的先进机组替代高耗能的小煤电机组受到了高度的重视和推广。然而,减排潜力随着现役机组转化效率的提高而降低,此时更加先进高效的发电方式需要发展—2—

IGCC)发电、以煤气化为核心的化工,如整体煤气化联合循环(行业总的化石能源消耗量与CO2排放总量仍会快速增长2采用天然气等低碳燃料或可再生能源)。

调整能源结构、核能等近零排放能源替代煤炭发电实现能源结构调整,是实现减排远景目标最重要的措施。天然气发电的单位电能CO2排放比传统火电机组降低[8]

5

0%~减排的可行措施0%1

,因此提高天然气等低碳燃料使用比重是碳。然而,中国天然气资源不足,导致国内的燃气发电装置和发电量很少,其减排作用相对有限。可再生能源和核能发电是较为现实可行的减排措施,中短期内应重点发展水电、核电、风电等技术成熟、成本相对较低的发电方式。同时,通过加大研究投入,攻克太阳能、海洋能发电等的技术和成本瓶颈,实现其在中远期应用。

3)CO2排放量

SCS技术应用

CC技术可以减少火力发电站[18]

80%~95%的

认的未来可为全,拥有巨大的减排潜力球减排作出重大贡献,是国际上公的技术。但是,在现有的技术水平下高、能耗太大等问题,只能建设小范围的示范工程CCS技术存在投资成本太

,

作为未来.2暋需求侧减排措施

CO2减排的技术储备。

需求侧减排最有效的措施是实施计相应的激励机制和,引导电力用户节约用电DSM,通过设,提高电能利用效率,减少电力消费,从而间接减少电

力行业源消费CO2排放。文献[

19]表明DSM可以减小能.3暋电网侧减排措施

5%~15%,拥有相当大的减排潜力。电网是连接发电侧和需求侧的桥梁,也是实现发电侧与需求侧减排效益的重要载体。智能电网的建设和发展为非化石燃料电力资源(包括核电、水电、风电等各类近零排放能源)的大规模接入及

SM实施提供了条件,

是未来实现减排目标、缓解气候变化的重要手段。特高压、柔性输电、低碳电力

调度、分布式发电,以及与用户的实时双向交互等智能电网技术的推广和应用,将大大降低电能输送过程中的损失率,具有巨大的减排潜力。

暋电力行业碳减排综合优化模型

为实现电力行业的减排措施都是远远不够的CO2减排这一目标,

任何单一,必须将电力行业各种可行的减排措施进行综合考虑。本文将需求侧和电

6C2222D3·绿色电力自动化·暋戴暋攀,等暋中国电力行业碳减排综合优化

网侧的节能潜力等效为虚拟能源,与发电侧的常规

能源进行统一规划,建立电力行业碳减排综合优化模型。模型以成本最低和CO2排放最小为目标函数,通过多目标优化计算,获得经济效益和减排效益综合最优的能源配置方案,如图2所示。

暋暋碳排放最少目标函数是在满足用电需求的情况

下,最小,即CO2排放量fCO2式中:毴On为第y年第n类发电能源C2排放系数。y每年常规能源和虚拟能源的发电量之和不小于电量需求预测值,即

n=1

minfCO2=暺暺8760Py毴nnyy=1n=1

YN()4

3.2暋约束条件

)电量需求约束1

N60P暺87

ny…,2,Y曒Ey暋y=1,()5

Fig.2暋I图nt2eg暋ramt电力行业碳减排综合优化模型

eitdoig

ap

ttiiomniiznatipoonmwerosdeecltoorfCO2emission电网侧虚拟能源主要通过特高压、低碳电力调

度、分布式发电等智能电网技术降低线损实现义为智能电网虚拟能源(用项目归总DSM项目实现,例如,S将所有推广节能灯的GVE)。需求侧虚拟能源,可定

为节能灯虚拟能源(能源主要有LVE、节能电机虚拟能源LVE)

。(MV用户DSM变压E侧)

、虚节能拟(器虚拟能源(F.1C暋VE目标函数

)、高效家电虚拟能源TVE)、变(A频VE调)速等器。虚拟能源目标函数包括成本最低和碳排放最少。成本最低目标函数是在满足用电需求的情况2个目标函数下,总成本净现值fCOST最低,即

Y暋暋minfCOST=éy暺=1êêë

(AI+AO)(1+1r)yùúúû(1)ANI=暺n=1

Ayn,CI(Cyn-Cn,0)(2)ANO=暺n=18760Cyn,OPPyn(3

)式中:y为年份;Y为计算的总年数;N为发电能源总数,包括常规能源和虚拟能源;Ayn,类发电能源单位容量初始投资成本等年值CI为第y年第

;Cyn,为第y年第n类发电能源单位发电量运行成本;COPyn为第y年第n类发电能源装机容量;Cn,0为第n类发电能源已有装机容量;Pyn为第y年第n类发电能源平均发电出力;r为资金折现率。

式中:2

E整个电力行业装机总容量)y最大负荷约束为第y年电量需求预测值。,包括常规资源和虚拟资源,必须大于满足一定备用的最大负荷需求,即

暺NCyn曒(Dn=1

1+R)Dy暋y=1,2,…,Y(6

)式中:y为第y年最大负荷预测值;R为系统备用

容量系数。

3

每)出力约束一类能源的年发电量不能超过其发电量上限,即

n=1电能源的年运行小时数,2,87N6;y0Pyn=1曑。

,

2C,nTn式中:…,y…,Y;T(n为第n类发7)4

由于技术)装机规模约束、资金、等因素的,每年各类能源的装机容量不能超过一定的限度,即

NCyn曑Cn,式中:n=1第n类发电能源允许的最大装机容量,2,…,;yy=1,2,m…,axY;C(yn,max为第y8年)5

根据规划要求)能源结构约束。

,第y年非化石能源发电量比例要求大于下限,即

mn式中:第暺m2

1=mPyn曒毩2

y类到1

第m2暺n=1

Pyn暋y=1,2,…,Y(9

)类能源为常规能源,第m到第m规能源;毩1类

2类能源为非化石常y为第y年非化石能源发电量比例下限。

6每年)CO2排放约束

暺NCO2排放量不应超过允许排放上限,

即n=1

87

60Pyn毴yn曑My暋y=1,2,…,Y(10

)式中:My为第y年CO2排放量上限。

—3—

3n()2013,3714

暋

4暋案例分析

4.1暋计算数据根据电力“十二五暠规划目标,预计到2015年全国用电量将达到62最大负荷将达到70TW·h,

总发电装机容量达到1到1灡04TW,灡437TW;

最大负荷2020年全国用电量将达到8200TW·h,

将达到1灡377TW,总发电装机容量达到

[6]

。21灡885TW1015年和2020年各发电能源装机

[6]

。文容量和CO1所示12排放系数如附录A表A

]献[给出了火电行业C16O2010年煤2排放系数,4.2暋装机规模约束参数设置

电力行业碳减排综合优化模型是在“十二五暠规划目标的基础上,通过引入虚拟能源对常规能源进行再优化配置。可以认为“十二五暠规划目标中的各常规能源装机容量是综合考虑技术、资金、等因素的较优结果,因此,可以将“十二五暠规划目标中的各常规能源装机容量值作为综合优化模型的常规能源装机规模约束。以下着重介绍各虚拟能源装机规模约束。

4.2.1暋LVE

电发电量约占火电发电量的火电行业CO2排放强度约为煤电的一半CO2排放系数作为95煤%电,因此近似可以将排放系数。气电

[15]

排放强度按煤电的,算例中气电C以“十二五暠规划数据为基础50%进行折算。

O2

,应用电力行业碳减排综合优化模型对中国电力行业20年的发电能源进行综合优化。计算20模15年和0型中的常规能源包括煤电、气电、水电、核电、风电、太阳能、生物质能共CVE,AVE7,类,虚拟能源包括SGVE这6类。

LVE,MVE,TVE,综合优化模型主要参数如表1所示。各常规能源和虚拟能源(运行成本参考文献SGV的单位容量投资成本和[E除外)

见15],SGVE投资成本估算具体文献4灡2[灡6量和装机容量进行估算16

]节,其他常规能源的年利用小时数根据发电。煤电、

水电、核电的年利用小时数取自,相关数据均取自文献[他虚拟能源的年利用小时数参考文献GVE的年利用小时数为全年时间,即[8716

]其。系统备用容量系数R=20%,资金折现率15

r]。60h=1算例中,0%。

Tamb表loe1d1暋el暋电力行业碳减排综合优化模型主要参数

ofCMaiOnparametersofinte2emissionmitigatiognriatnedop

owpetrimsiezcattoiron种类寿命/煤电2a

(投资成本元37·/运行成本/kW-1)(元·(k0W·)年利用小

-1)时数/h气电水电2532252核电4504524h

02291风电5110740

0灡0灡330234318太阳能30生物质能20195000灡0灡10287824L2551500000灡206暋941MVVEE12400300灡0灡0883714393040432

02556FTCVVE

301AVEE10505152

04000SGVE10013000400300000025000

20000870600—4—

将全国所有推广节能灯的DSM项目归总L白炽灯耗VE。中国照明用电约占全国用电量的电占60%,节能灯耗电占40%1[21

3%]

同的照明度情况下,节能灯较白炽灯节能6。,

其中为

0%在相80%[13]

。通过节能灯DSM项目的推广,设到

~

2015年和成2节020年可分别将能灯,一年就3能0%和分别60节%的白炽灯置换约电量9为4灡258TW00h·h和计算2,4算8TW例中·LhV。E按的照装年机利规用模小约时束数在240.125年和.2暋MV20E

20年分别取37灡92GW和99灡19GW。电机应用范围非常广,其用电量占工业用电量

的重大的减排意义60%左右[20]

,。因此推广节能电机国内电机效率低于国外平均水平

DSM项目具有3电机的效率分别提高%~5%[20]

,可以假设到3%和20515年和%,2020年将10%

15年和2020年分别取此时MVE的装机

规模约束在4灡.523GW.3暋T。

202灡08GW和4VE

由于受经济发展速度、改造规模等因素的,国内仍有大量的高耗能变压器在使用,如高耗能变压器占配电容量的28%,如果将S7及以下S7及以下高耗能变压器更换为非晶合金节能变压器,可以

减少损耗机规模约4束0在%以上[20]

。经计算,算例中TVE的装

4.2.4暋FCV。

2015年和2020年分别取和68灡9GW35灡1GWE

变频调速器通过改变电动机电源频率改善电动机的启动性能和运行特性,可提高电动机运行效率

25%~[0]

束在304.25GW2%20.5暋A。

15年。经计算和2020,算例中年分别FC取VE的装机规模

约16灡6GW和43灡VE

随着科技的不断进步,高能效家电越来越常见,可通过和补贴等方式推广高能效家电

DSM项目,实现减排目标。算例中AVE的装机规

2FS·绿色电力自动化·暋戴暋攀,等暋中国电力行业碳减排综合优化

模约束在2015年和2020年分别取12灡5GW和

24灡6GW。

4.2.6暋SGVE

根据电力“十二五暠规划目标,2015年和

[6]

。智能2020年线损率目标分别为6灡6%和6灡5%1

煤电仍是满足电力需求增暋暋由于发电资源,

长的主要发电方式,同时,水电、风电、核电等成本较低的清洁能源发电取得了较快的发展,太阳能和生物质能由于成本较高,发展较为缓慢。各虚拟能源新增装机容量见图4,LVE,FCVE,TVE,AVE等由于成本较低且节能潜力较大,得到了较大发展。

电网的建设可较大程度降低电网的线损率,

1000kV特高压交流输电的线路损耗约为500kV

线路的25%,暲800kV特高压直流输电线路损耗

[1]

。此外,约为暲5柔性输电以00kV线路的39%2及与用户实时交互技术的推广应用,可以改善电力

负荷曲线,优化潮流分布,从而减少电网线损。因此《展智能电网国家电网公司绿色发展,国内推行智能电网具有巨大的减排空间,8%和25灡0175年和》展望,通过全面发。根据灡灡%,比2“

0十20二年五线暠损规率划可目分标别减降低到5小达到灡88%%,9。其碳减排量占智能电网减排总量的60从亿美2010年到元22]

202灡4%~低线损的投资将达到年均,根据20减年2灡排国3贡内亿献智~2率能灡7折电亿美元算网,投用资于将

[。降因

此,综合全国发电量和SGV电网发展程度SGVE的投资成本约为E年利用小时数计算可得,算例中假设通过智能电网建设可使300元/kW。考虑智能线损率在规划基础上降低6灡24TW020年·可分别节约电0灡2量%h。经计算,算例中S1,G2灡因V5此ETW,在2的装·01机h5年和和规模

约束在灡2015年和2020年分别取1灡43GW和.837GW暋结果分析

。基于模糊多目标规划方法求解式(个目标函数[1

5]

1)和式(4

)这化结果。结,得到中国电力行业碳减排综合优灡灡31TW66TW;20,2其果0年总装中显常示规,20机能15容源年总装机容量将达到量1灡将26达6到TW,虚拟能源中常规能源其规能源新增装机容量如图1灡630TW,虚拟能源1灡837TW,

3所示。

0灡207TW。各常Fig.3暋Newl图yi3n暋sta常规能源新增装机容量

lledcapacityofconventionalenergy

Fig.4暋I图nst4al暋le虚拟能源装机容量

dcapacityofvirtualenergy

表可减少A2“十二五所示。暠可知规划,和相对综“合十二五优化结暠规划结果果对比如,煤电装机容量2附01录5年A

煤电装机容量灡78亿t,占1O42排放量的93GW5GW,减少1C0灡,O0减2%少排放量;20C20O2排放量C年可减少占CO2排放量的5

灡73亿t,20灡094%44亿元减少1

到2灡优6%化。后同的时10,83总成71本亿净元现,

值减由少各虚拟能源对。

CO2减排贡献情况如表2所示排总量的015年虚拟能源智能电网建设对电力行业有着巨大的减排潜力4灡21亿60t灡4占减排总量的%;C20O22减排量达到0年虚拟能源2灡28亿t,占减,

73灡4%。C因此O2减,排量达

到,DSM和。

Table2暋Emissio表n2re暋du虚拟能源减排贡献

ctioncontributionofvirtualenergy

种类减排量/亿2015年

比例//20亿20年

减排量LVE

0t比例/MVTVE

E0灡20灡灡4%0灡7715t7

10灡342灡灡2%0灡086340942210灡915375524

FACVVEE0灡8灡20灡灡881431S0灡311915灡0144灡合计GVE2灡923灡02986326

2灡4灡160灡460灡31613706灡224灡灡12202275

72灡43灡灡14

因此,在调整发电侧能源结构、提高发电侧化石

燃料转化效率的同时,加快智能电网和需求侧项目的建设,是当前电力行业。通过对中国电力行业碳减排进行综合优化CO2减排最有效的措

DSM

施,实现了在满足社会用电需求的同时,减少(尤其是煤电厂)装机容量,C很好地解决

O2排放和常规发电厂—5—

023111421012()2013,3714

暋

identificationofCOmissionforpowersstemandanalsisofyy2e

]itslowcarboncontribution[J.AutomationofElectricPower灢():电力系统自动化,2010,341218灢23.

,,,CHENQixinKANGChoninXIAQinetal.Mechanismgqgg

了资源、资金、环境等因素社会发展的问题,有

利于全社会可持续发展目标的实现。

5暋结论

中国电力行业承受着巨大的碳减排压力,本文在分析各种减排措施的基础上建立电力行业碳减排综合优化模型,将需求侧和电网侧的节能潜力等效成虚拟能源,并与发电侧的常规能源进行统一规划,通过多目标优化,获得经济效益和减排效益综合优化的能源配置方案,主要结论如下。,():Sstems2012,36218灢25.y

[]陈启鑫,]康重庆,夏清,等.低碳电力调度方式及其决策模型[7J.

andmodellinroachtolowcarbonpowerdisatch[J].gappp灢

,():AutomationofElectricPowerSstems2010,341218灢23.y,KAN,X,CHENQixinGChoninIAQinetal.Keowgqggyl灢

[]陈启鑫,康重庆,夏清,等.电力行业低碳化的关键要素分析及其8

]():对电源规划的影响[电力系统自动化,J.2009,331518灢23.

carbonfactorsintheevolutionofpowerdecarbonisationand

求的同时实现成本和1

)电力行业碳减排综合优化模型在满足电力需CO2减排综合最优,深入挖掘减排潜能综合优化模型对中国的发电能源进行综合优化2

)以。

“十二五暠规划数据为基础,采用电力行业,结果表明,3%)和20为实现电力行业112灡5年和6%。

2020年可分别减少CO2排放0灡0CO2减排这一目标,任何单一的措施都是远远不够的,需要重视各种减排措施的综合应用。DSM和智能电网对电力行业有着巨大的减排潜力,是实现减排目标的重要措施,其中节能灯、变频调速器、节能变压器和高效家电等项目成本较低且有着较大的减排潜力,值得大力优DSM先发展。

附录见本刊网络版(://om.cn/aeps/ch/index.ashttxp)。aeps.sgepri.sg

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,田暋杰(男,博士,教授级高级工程师,主要研1969—),周浩(男,通信作者,教授,博士生导师,主要—)

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研究方向暋:电力196经3济和高电压技术。E灢mail:zhouhao_ee@

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