基于碳排放流的配電系統低碳優化運行方法研究.pdf

Abstract Low-carbon and energy-efficient development has become the energy internet’s core development pattern. It is also the of the speed-to-quality development transition of power industry. In recent years, distribution system has been more and more important in the whole industry and various kinds of distributed generation and energy storage technologies have been widely used. The operation of distribution networks always relies on main networks. For the carbon cost of the electricity from the main network is difficult to measure, it is quite a tough challenge to establish low-carbon oriented optimal operation s for distribution networks. With the application of carbon flow theory, this paper analyzed distribution and calculation characteristics of carbon emission flow in distribution networks and established carbon emission flow analysis model for energy storage component. On this basis, an optimization model for distribution network operation was established with the total carbon emission corresponding to electricity consumption as optimization target. This optimization model was tested on the IEEE 33 nodes system and the results prove that this model can provide effective reference and experience for low-carbon oriented optimal operation of distribution networks. Keywords low-carbon electricity; carbon emission flow; distribution system; energy storage components; optimal operation 摘 要新時代下，低碳高效的發展模式既是能源互聯網的 發展宗旨，也是電力工業從高速發展轉向高質量發展的重要 表現形式。近年來，配電網發展在整個電力行業中的角色越 發重要，各類新型分布式能源發電技術與儲能技術的應用越 來越廣泛。由于配電網依托主網運行，其在供電過程中的碳 排放難以準確統計，對面向低碳的配電網優化運行策略提出 了嚴峻挑戰。通過引入碳排放流理論，分析了碳排放流在配 電網系統中的分布規律與計算特點，并建立了儲能元件的碳 排放流分析模型，在此基礎上，以配電網用電碳排放為目標 函數，建立了配電網低碳優化運行模型，并通過IEEE 33節點 系統進行了驗證。提出的模型可為建立配電網低碳優化運行 方法提供有效參考和借鑒。 關鍵詞低碳電力；碳排放流；配電系統；儲能元件；優化 運行 0 引言 電力工業是國民經濟的基礎產業。新時代下，隨 著國際能源變革步伐加快，能源“四個革命、一個合 作”進一步推進，中國從高速發展向高質量發展的轉 變也對電力工業轉型升級提出了新要求。電力工業發 展的主要目標由長期以來的保障供應為主，轉變為構 建清潔低碳、安全高效、靈活智能的現代電力工業體 系 [1] 。根據中國提出的2020年“非化石能源消費占一 次能源消費比例達到15”發展目標，清潔低碳是電 力工業發展的重點之一 [2-4] 。 配電網是連接輸電網和終端用戶的橋梁。隨著各 類智能電網技術的不斷進步，各類分布式電源和儲能 元件在配電系統中獲得廣泛應用 [5,6] ，這些新技術為 配電網的運行帶來了新的優化空間。從低碳發展的視 角來看，配電系統可將低碳目標作為優化運行的考慮 要素。 基于碳排放流的配電系統低碳優化運行方法研究 周天睿 1,  2 ，康重慶 1 （1. 清華大學電機系，北京市 海淀區 100084； 2. 電力規劃設計總院，北京市 西城區 100120） Research on Low-carbon Oriented Optimal Operation of Distribution Networks Based on Carbon Emission Flow Theory ZHOU Tianrui 1,2 , KANG Chongqing 1 1. Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Electric Power Planning and Engineering Institute, Xicheng District, Beijing 100120, China 基金項目國家自然科學基金/重點國際地區合作研究 項目（51620105007）。 Major International Joint Research Project of National Natural Science Foundation of China No. 51620105007. 全球能源互聯網 Journal of Global Energy Interconnection 第2卷 第3期 2019年5月 Vol. 2 No. 3 May 2019 文章編號2096-5125 2019 03-0241-07 中圖分類號TM711 文獻標志碼A DOI10.19705/ki.issn2096-5125.2019.03.005 242 全球能源互聯網 第2卷 第3期 近年來，面向低碳的配電系統相關研究主要集中 在宏觀論述與規劃層面 [7-10] ，或者從指標體系建立的 角度分析配電系統綜合低碳效益的評估框架，或者從 規劃層面建立面向低碳的配電系統規劃方法，也有文 獻研究考慮碳排放交易的最優電源容量配置方法。 然而，在面向低碳的配電系統研究中，基于低碳 效益評價的配電系統優化運行研究相對較少。主要原 因是配電系統的運行多依賴主網供電，而配電系統所 在主網的碳排放強度根據運行方式不同時常變化，即 使支撐主網的電源結構已知，當主網的運行狀態發生 變化時，配電系統接入系統節點的單位用電碳排放量 （碳勢）可能發生變化，此時即使配電系統從主網中 獲得同樣的電量，主網為這部分電量所產生的碳排放 量也將存在差異。這使得配電系統中電力消費所造成 主網側碳排放的精確統計始終存在疑難，限制了面向 低碳的配電系統優化運行的建模與低碳效益評價。 由此，在配電系統運行中引入碳排放流理論具有 重要的意義。碳排放流理論的建立為電力系統中碳排 放的分析提供了新的思路。碳排放流被視為依附于電 網中有功潮流存在的一種虛擬網絡流，用于表征某 一支路上所流過功率對應的碳排放 [11] 。經過不斷的研 究，碳排放流的理論體系、分析方法與計算方法得到 了進一步的完善 [11-16] ，并通過各類輸電系統進行了驗 證，實現了根據任意已知的系統潮流分布得到系統任 意節點的實時碳勢。在引入碳排放流后，當主網運行 方式發生改變時，配電系統接入系統節點碳勢的改變 實時可知，配電系統的運行策略將有據可依，進而實 現面向低碳的優化運行。 由此，本文將嘗試根據配電系統的特性，研究碳 排放流在配電系統中的分布特點，并建立儲能元件的 碳排放流計算模型，分析在低碳目標下儲能元件的運 行策略，進而提出面向低碳目標的配電系統運行優化 方法。 1 配電系統中的碳排放流分析方法 1.1 配電系統中碳排放流的分布特點 根據已有的研究結論，所有從節點流出的潮流的 碳流密度與該節點的碳勢相等，以此可推導出任意 潮流分布下電力系統碳排放流分布的求解方法 [10-11,13] 。 相比輸電網，大部分配電系統具有顯著的輻射狀特 征。從潮流計算的角度，配電系統不具備線路電抗遠 大于電阻的特征，這使得配電系統潮流計算、尤其是 網損的分布有其自身的特點。從排放流計算的角度來 看，配電系統開環運行的特點使網絡中不存在環流， 當網絡中不存在儲能以及分布式能源時，任一節點僅 接受來自上游唯一節點的潮流流入，在此情況下，配 電系統網損不影響系統節點碳勢，所有節點的碳勢均 等于主網的節點碳勢。 當系統中存在分布式發電機組以及處于放電狀態 的儲能元件時，分布式機組和儲能元件所在節點的碳 勢會受到該機組和儲能元件的影響，但在該節點的下 游，若無其他分布式機組及儲能元件，則其下游所有 其他節點碳勢均等于該節點的碳勢。因此對輻射狀的 配電系統，碳排放流計算可采用順序計算的方法，省 去矩陣求逆運算，簡化了分析計算量。 1.2 儲能元件的碳排放流分析模型 在配電系統中，除分布式能源外，儲能元件的應 用亦越來越廣泛，其運行目標多以削峰填谷、提高負 荷率為主。從低碳角度來看，儲能元件充放電的過程 也會對配電系統的碳排放產生影響。當儲能元件充電 時，其積累電量的過程同時也是積累碳排放的過程； 當儲能元件放電時，其放電的過程又是將之前充電的 碳排放注回配電系統的過程，其中還需考慮儲能的轉 化效率。為了能提出全面的配電系統面向低碳目標的 運行策略，有必要結合儲能元件的特性建立其充放電 過程的碳排放流分析模型。 應用于配電系統中的儲能元件既可處于放電狀態 也可處于充電狀態。在電力系統運行中，通常關注儲 能元件的以下幾類參數最大充電功率（P Imax ）、最大 放電功率（P Omax ）、最大充電電量（Q max ）、綜合效率 （η）、響應時間（τ）、儲能元件向配電系統注入的功 率（P s ）和儲能設備的荷電狀態（SOC）。 簡化起見，本文認為儲能元件共有三個工作狀 態充電狀態（P s 滿足 ）、放電狀態（Ps 滿足 ）和準離網狀態（ ），并且認 為儲能元件的響應時間足夠快，在單個時段中可從最 大充（放）電功率的狀態轉換至準離網狀態。 儲能元件在充電狀態下，可將其視為負荷，其電 碳特性與其所在節點的實時碳勢以及充電功率相關， 通過計算可得到其在充電過程中累積的電量與碳流 量；在放電過程中，儲能元件將被視為分布式機組， 而該機組的碳勢求解是儲能元件碳排放流建模的主要 問題。 根據儲能元件的性質，當其處于充電狀態時，其 Vol. 2 No. 3 周天睿等基于碳排放流的配電系統低碳優化運行方法研究 243 內部的電量和碳流量隨時間累積。設Q 0 和F 0 表示儲能 設備在上一次由放電狀態變為充電狀態時（T 0 時刻） 剩余的電量與碳流量，根據荷電狀態的定義，有 SOC Q 0 /Q max 。當儲能設備從T 0 時刻充電至T時刻， 然后變為放電狀態時，放電碳勢可通過下式計算 （1） 式中 表示在時刻T儲能元件充電結束，變為放 電狀態時的放電碳勢； 和 分別代表 儲能設備在充電過程中累積的電量與碳流量； 為儲 能充放電的轉換效率。 將式（1）中的積分項轉化為求和項，上式可表 示為 （2） 式中e i N表示在第N個充電時段后儲能元件從充電 狀態轉換為放電狀態時的放電碳勢；P i 、e i 分別為在 第i個充電時段時的充電功率和碳勢；Δt為時段長度。 2 面向低碳的配電系統優化運行模型 2.1 目標函數 設配電系統中共有K臺分布式發電機組，M個儲 能元件。優化運行模型以T個時段內的總碳排放成本 最小為目標，具體表述為 （3） 式中E T 表示連續T個時段內的碳排放成本；P Gk,t 、 e Gk,t 分別表示第k臺分布式發電機組在第t時段的有功出 力和機組碳勢；P G0 , t 、e G0 , t 分別表示在第t時段來自主 網的有功功率和主網碳勢。 根據前文所述，碳流是潮流分布的函數，節點碳 勢會受潮流分布影響。在目標函數中出現的碳勢e Gk,t 僅由配電系統內的機組參數決定，e G0 , t 僅由主網運行 狀態決定，兩者均不受配電系統運行狀態影響，則公 式（3）所示目標函數為線性函數。 2.2 約束條件 1）潮流方程約束。首先，模型在任意時段均需 要滿足配電系統潮流方程。即 （4） 式中P i,t 、Q i,t 分別代表節點i在第t時段注入的有功功 率與無功功率；U i,t 、U j,t 分別代表節點i與節點j在第t 時段的電壓；G ij 、B ij 分別表示節點i、j的電導、電納； θ ij,t 表示節點i、j在第t時段間的相角差。 2）線路潮流約束。 （5） 式中S l,t 為在第t時段流過第l條支路上的復功率； S lmax 為第l條支路可傳輸的最大功率。 3）電壓約束。 （6） 式中U imin 、U imax 分別為節點i的電壓上下限。 4）分布式電源發電功率約束。 （7） 5）分布式電源爬坡約束。 （8） 式中P DGkmax 和P UGkmax 分別為每個時段內機組可向下 和向上調節的最大出力。 6）儲能元件運行約束。儲能元件運行約束主要 分為容量約束和電量約束兩類。其中，容量約束為儲 能的充放電功率限制，對第m個儲能元件，有 （9） 式中P sm,t 為第m個儲能元件在第t時段的充電功率； P Imax,m 、P Omax,m 分別為該儲能元件的最大充電、放電 功率。 電量約束分為兩部分，若儲能元件處于充電 狀態 （10） 式中Q max,m 為第m個儲能元件的最大充電電量；Q sm,t-1 為在上一時段（第t-1時段）儲能元件中已儲存的電 量； 為每個時段的時長。 若儲能元件處于放電狀態時 （11） 3 優化模型的求解方法 3.1 單個時段內優化問題的簡化求解方法 上文建立模型的主要求解要點是確定每個時段內 分布式機組的出力以及儲能的工作狀態，以確定分布 244 全球能源互聯網 第2卷 第3期 式機組的出力序列以及將儲能元件視為發電機或視為 負荷，從而通過碳排放流分析得到最優解。從低碳運 行的角度，在每一個時段內，可根據以下思路對優化 模型進行簡化 1）分布式能源機組具有固定的機組碳勢。若系 統中分布式機組所接入節點的碳勢高于或等于分布式 能源的機組碳勢，會對系統產生正的低碳效益，則分 布式機組應當并網發電，并且在不影響配電系統電壓 穩定的前提下以最大可能出力發電。同理，若系統中 分布式機組所接入節點的碳勢低于分布式能源的機組 碳勢，則分布式機組應當離網。 2）與分布式機組類似，儲能元件的工作狀態也 與其所在節點的碳勢相關。當儲能元件所在節點的碳 勢高于儲能元件當前狀況下的放電碳勢，并且儲能元 件所存電量不為零時，儲能元件將被置為放電狀態； 當儲能元件所在節點的碳勢低于儲能元件當前狀況下 的放電碳勢，并且儲能元件所存電量小于最大值時， 儲能元件將被置為充電狀態；當儲能元件所在節點的 碳勢等于儲能元件當前狀況下的放電碳勢時，儲能元 件將被置為離網狀態；特別地，當儲能元件內電量為 零時，儲能元件無法放電，由式 （2） 無法計算放電碳 勢，放電碳勢無意義。此時儲能元件將被置為充電狀 態，以確保在下一個時段放電碳勢存在，并決定儲能 元件的運行策略。 由以上分析，在單個時段內優化問題簡化求解的 具體步驟為 1） 讀取本時段負荷數據、上一時段的儲能元件電 量、碳流量數據和分布式機組出力數據。 2） 先假定儲能元件均處于準離網狀態，通過調用 通用軟件可求解上述模型得到各分布式機組出力和主 網注入功率。 3） 根據碳排放流計算方法計算配電系統各節點 碳勢。 4） 比較儲能元件的放電碳勢e sm 與儲能元件所在 節點的碳勢e i ，確定儲能元件的運行狀態若e sm e i ，則 儲能元件置位充電狀態；若e sm e i ，則儲能元件仍為離 網狀態。 5） 當所有儲能元件的狀態被確定后，將置為充電 狀態下的儲能元件設為充電狀態，等效為最大充電功 率的負荷；將置為放電狀態下的儲能元件等效為分布 式機組，碳勢為放電碳勢；離網狀態下的儲能元件從 系統中去除。 6）重新調用通用軟件求解本時段內的優化模型， 得到各分布式能源、主網注入功率以及儲能元件的充 （放）電功率，并根據碳排放流計算方法修正配電系 統中各節點的碳勢。 7）比較修正后儲能元件所在節點的碳勢與儲能 裝置的放電碳勢，校驗其是否滿足第4）步的判斷。 若不滿足，則重新執行第4）步至第6）步；若滿足， 則求解結束。 8）根據公式（3）計算該時段內碳排放量，作為 本時段優化結果。并更新儲能元件電量、碳流量數據 和分布式機組出力數據以供下一時段優化求解。 具體求解流程如圖1所示 圖 1 模型求解流程圖 Fig. 1 Flow chart of model solution 3.2 多時段耦合問題的簡化方法 通常，多時段優化問題的求解需考慮時段間的耦 合問題。對于本文提出的優化模型，僅分布式機組與 儲能元件的出力序列存在相鄰時段的耦合，可根據以 下思路對多時段耦合問題進行簡化 1）考慮到配電系統中的可控分布式機組多為燃 Vol. 2 No. 3 周天睿等基于碳排放流的配電系統低碳優化運行方法研究 245 氣機組，此類機組的起停和爬坡性能突出，若時段長 度足夠，有P DGkmax P UGkmax P Gkmax 。此時模型中的爬 坡約束不起作用。 2）考慮到儲能裝置的調節能力和狀態切換速度 同樣突出，對于儲能元件，無需另行設計儲能元件的 運行爬坡約束，僅根據公式（10）和（11）逐時段更 新儲能元件運行的充放電約束條件即可。 綜上，考慮到分布式發電與儲能元件的特性，本 優化模型中時段間的耦合并不對模型求解產生實質影 響，可采用逐時段更新儲能運行邊界條件并優化求解 的方式得到系統總的優化運行結果。 4 算例分析 4.1 基礎邊界條件 本文算例采用經過修改的IEEE 33節點系統，如 圖2所示。系統中增加了三臺分布式燃氣機組G1、G2 和G3，以及一臺儲能電池組S。 圖 2 參考系統示意圖 Fig. 2 Schematic diagram of reference system 按標準系統參數，系統最大負荷為3715 kW，電 壓額定值為12.6 kV。系統中各分布式機組的參數如表 1所示 表 1 系統中分布式燃機的運行參數 Table 1 Operating parameters of distributed gas turbines 參數名稱 G1 G2 G3 最大輸出功率/kW 150 200 100 最小輸出功率/kW 0 0 0 機組碳勢/（kgCO 2 /kWh） 0.55 0.6 0.65 設定系統中儲能元件S的最大充電功率為50 kW， 最大放電功率為50 kW，充放電轉換效率為75，最 大可存儲電量為1000 kWh。初始狀態下，儲能元件荷 電狀態為20，所含碳流量為105 kgCO 2 ，折合放電碳 排放強度為0.7 kgCO 2 /kWh。 優化決策變量為一天24 h內的分布式燃機和儲能 元件的運行狀態，共24個時段。優化運行目標為全系 統全天的總碳排放量最低。 系統中1號節點（主網）碳勢在每個時段的取值 已給定，如圖3所示 圖 3 參考系統接入系統節點碳勢 Fig. 3 Carbon flow intensity of the node of access system of the reference distributed system 4.2 優化結果 本算例使用MATLAB R2013a，調用CPLEX進行 求解。得到各時段分布式燃機的出力如圖4所示 圖 4 分布式燃氣出力曲線 Fig. 4 Output curve of distributed gas turbines 從上圖結果中可看出，在第1至第9時段、第20至 24時段中（稱之為主網低碳時段，后文同），來自主 網的電能中含有較高比例的低碳電能，主網碳勢較 低，此時，分布式機組開機會擠占主網低碳電能在配 電系統中的消納空間，所以在主網低碳時段分布式燃 機不向系統輸入電能。而在第10至第19時段（稱之為 主網高碳時段，后文同），主網碳勢開始升高，說明 此時來自主網的電能中火電比例開始上升。為降低全 系統碳排放，分布式燃機在這些時段中將根據自身碳 排放強度及主網碳勢逐步增加出力以降低來自主網的 高碳強度火電的使用。 246 全球能源互聯網 第2卷 第3期 圖5為系統儲能元件的運行優化結果。從圖中可 看出，在主網低碳時段，儲能元件處于充電狀態，吸 納低碳電能，在主網高碳時段，儲能元件將釋放其中 存儲的低碳電能，降低主網高碳時段的高碳電能使 用，實現低碳減排。 圖 5 儲能元件優化運行結果 Fig. 5 Optimized output curve of energy storage component 進一步，從儲能元件放電碳勢的變化中也可看 出當儲能元件處于充電狀態時，其放電碳勢高于其 所在節點的碳勢，使得其在充電過程中的放電碳勢不 斷下降。當儲能元件的放電碳勢低于其所在節點的碳 勢（第11至19時段）時，儲能將處于放電狀態，并且 其放電碳勢保持恒定，至第20時段，其所在節點碳勢 低于放電碳勢，儲能元件將重新置為充電狀態，而放 電碳勢將根據公式（2）重新計算。根據本算例的計 算結果，當儲能所在節點碳勢低于0.55 kgCO 2 /kWh時 儲能元件就可置為充電狀態，考慮到公式（2）中儲 能元件充放電效率對放電碳勢的影響，在開始充電的 一段時間里儲能元件的充電碳勢將有所上升，然后根 據主網碳勢情況緩慢下降。 經過優化后，系統平均用電碳排放強度和主網碳 勢的對比如圖6所示。 從圖6中可以看出，在主網低碳時段（第1至第9 時段、第19至第24時段），系統充分吸納主網低碳電 能，平均用電碳排放強度和主網碳勢相等，而在主網 高碳時段（第11至第19時段），系統充分調用自身相 對低碳的資源，以實現系統在全時段內的低碳優化。 5 面向低碳的配電系統優化運行工程應用 本文提出的方法已經應用于江西省共青城的智 能配用電示范園區中。江西省共青城的智能配用電 示范園區是國家級智能電網示范項目，與上海崇明 島、天津濱海新區等示范工程齊名?；谠撌痉豆?程的共青城智能電網可視化平臺已經通過國家電網 公司科技部的驗收，本文工作的工程應用便依托該 可視化平臺建立 [17] 。 6 結論 現有的配電系統優化運行方法由于無法準確描述 來自主網電能的碳排放強度（即主網碳勢），故難以 實現面向低碳目標、含分布式電源和儲能元件的配電 系統優化運行決策。本文將電力系統碳排放流的理論 應用于配電系統中，分析了配電系統中碳排放流計算 的特點。針對儲能元件的運行特性，描述了儲能元件 的充放電過程對系統碳排放的影響及分析方法，提出 了儲能元件的碳排放流計算模型。進一步，以配電系 統碳排放最小為目標，建立了面向低碳的配電系統優 化運行模型，分析了在低碳目標下分布式能源和儲能 元件的運行策略，提出了該模型的求解思路，并通過 IEEE 33節點系統對本章提出的方法進行了驗證。 通過優化，算例系統在不改變用電量的前提下， 其用電碳排放強度實現了高碳時段的下降和低碳時段 的保持，系統中的低碳資源得到了充分的利用。希望 本文將碳排放流引入配電網系統的嘗試可為低碳電力 領域的研究者們提供新的思路，推動圍繞配電網與用 戶側面向低碳相關研究的進步。 參考文獻 [1] 電力規劃設計總院. 中國電力發展報告2017[M].北京中國 電力出版社，2018. 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