新型配電網的低碳性評估與減碳措施研究

陳弈先,荊瀾濤,葉 鵬,鄧士禹,韓震燾

(1.沈陽工程學院電力學院,遼寧 沈陽 110136;2.國網沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110052;3.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院,遼寧 沈陽 110015)

0 引言

各領域行業使用化石燃料導致環境污染和溫室效應問題不斷加重,不同地區正在對能源生產和消費方式進行重大改革[1]。中央財經委在2021年一季度末指出,應當對新型電力系統的新能源進行構建。目前我國正在積極建設以新能源為主導的新型電力系統,主要涉及高比例分布式新能源大規模并網、加速傳統化石能源以電替代、改善負荷間互動、促進交直流配電、電力電子設備快速發展等[2-3]。因此,在新型電力系統中,配電網已成為促進碳減排、推動我國電力系統低碳化的關鍵手段。同時,它也是實現發電側和用電側低碳效益的重要平臺。在發電側,關鍵路徑是能夠接入大規模的分布式電源,目的是能夠就地消納清潔能源。未來的發展趨勢就是電能逐步由工業智能化和清潔化能源所代替[4],這種趨勢在電動汽車充電網絡的發展和以碳減排為導向的用戶電力服務機制的實施中表現得尤為明顯,還包括電采暖代替傳統集中供熱、港口岸電電力發電替代燃油發電、負荷監測、需求側響應等技術手段[5],從而減少對化石燃料的依賴,促進供需兩端碳循環的良性互動。

與傳統配電網相比,新型配電網的組成要素、網絡拓撲結構、運行方式都更為復雜[6],這就導致影響新型配電網低碳因素增多,交織且復雜,僅依靠傳統配電網的指標體系以及評估方法將難以適應未來新型電力系統的發展要求。因此,構建適用于新型配電網低碳性指標體系和評價方法量化評估新型配電網的低碳水平,通過采取有效措施提升新型配電網的碳減排能力,對指導低碳新型配電網規劃的運行具有重要的研究意義。

本文深度整理了面向新型配電網的低碳性評估體系。首先,對新型配電網低碳性的內涵進行了解釋。其次,對評估低碳性的指標體系進行歸納,對具體評估配電網的方法進行了總結。最后,提出了新型配電網的減碳手段。應對高比例新能源的評估低碳性體系能夠有效體現新型配電網環境的多樣性,與傳統方法相比具有顯著優勢。

1 新型配電網低碳性的內涵

新型配電網的核心目標是實現低碳化。隨著依賴化石燃料的傳統配電網向以低碳能源為動力的新型配電網轉型升級,低碳轉型的任務變得更加緊迫和具有挑戰性。單純依靠傳統的電源側和電網側調控方式,不足以滿足新能源大規模并網消納的需求。新型配電網通過利用負荷側管理和新型儲能技術來構建“源-網-荷-儲”協同消納新能源的架構。這種方式使新型配電網適應大規模高比例新能源的持續增長和利用。其低碳性的內涵可以從電源側、電網側、負荷側及儲能側4個方面去描述,如圖1所示。

圖1 新型配電網低碳性的內涵

a.電源側。達成雙碳目標需要高度關注高比例新能源并網。截至2021年底,我國可再生能源發電占總裝機比例為45.8%,全年可再生能源發電量占總發電量的29.9%,表明大規模風電光伏等可再生能源將代替傳統交流電源主導電源側[7]。但由于可再生能源發電帶有不可預測、不同性及間歇性等特點,通過接入大量分布式再生能源,會嚴重影響到配電網的穩定安全運行[8]。因此,分布式電源消納將在配電網評估工作中成為電能質量、供電可靠性之外另一關鍵指標,這就需要將新能源的滲透率與當地負荷需求結合起來,促進就地消納,最大限度地減少遠距離輸電損耗,間接減少碳排放的產生。此外,火電機組要進行優化升級并采用碳捕集等低碳技術,提高火電發電效率,為新能源主導的新型配電網提供可靠經濟的后備容量支撐。

b.電網側。網絡損耗是電網側自身的碳排放主要來源。隨著電源結構和用戶負荷變化,電網結構和配電網的作用將從局部控制轉變為系統調節。新型配電網將從交流電網過渡為柔性交直流混合配電網,對清潔能源降低的技術成本進行縮減,達成高可靠性、低損耗的控制和輸電,與各類新型負荷進行有效的適應承載[9]。由于每年用戶的電力需求量在不斷增加,導致減少由網絡損耗產生的碳排放量的可以忽略不計。因此,需要引入新型低碳配電設備[10](包括高溫超導輸電電纜、節能變壓器等)、網損優化等技術降低電能傳輸損耗,從而促進高效低損耗新型配電網的形成。

c.負荷側。負荷側的低碳特征主要體現在終端能源消費中的電能占比和節電技術的應用。因此,電能替代及電動汽車的應用已成為當前減少負荷側碳排放的重要戰略手段。在新型配電網的背景下,將會繼續擴大并深化電能替代廣度深度,增強以電能為核心的供冷供熱能源系統的多元匯聚和交互能力,提高能源效率,促進多種能源負荷的彈性替代,實現柔性化發展[11]。新型配電網通過接入大量電動汽車實現碳減排主要通過2個方面,一方面,電能直接代替化石能源,直接減少碳排放的產生;另一方面,電網可以為電動汽車提供電能,并將多余能量儲存在電動汽車儲能裝置中,實現終端削峰填谷,間接減少與發電側相關的因能源消耗產生的碳排放。隨著新能源汽車等直流負荷的快速發展,用電負荷變得越來越復雜且多樣化。以需求側響應和復合監控等方式立足于用戶中心,進一步促進設備調控和能耗降低水平的提升[12-13]。在深入分析用戶用電消耗消費的前提下,建立碳排放檔案。通過價格機制的優化對不同主體在電力市場中的調峰資源進行深入挖掘,實現終端用戶層面的節能減排,從而間接減少碳排放。這些措施共同減少了碳排放總量,促進了低碳經濟的發展。

d.儲能側。儲能是新型配電網的重要組成部分,也是實現雙碳目標關鍵技術。它可以促進分布式電源消納和接入,減少線損和額外發電容量,從而減少用電成本和用地需求,達到碳減排和能效利用的目標。同時,儲能技術在不同的電力環節、時間尺度、應用場景對需求以及需要發揮的功能都有所不同。例如,電化學儲能作為電源側的短期儲能,通過儲熱為光熱發電提供靈活性,平滑可再生能源出力,參與調頻調峰;以壓縮空氣、氫等作為長期儲能,為電力系統進行調節;在電網側部署基于電化學和抽水蓄能的短期儲能系統,用于確保電網安全和緊急備用;在負荷側,電動汽車作為短時儲能用于日內需求響應。新型配電網將以儲能為基礎,在提高新型配電系統的彈性和維持安全穩定運行方面發揮關鍵作用[14],從而構建清潔低碳、安全高效的電力系統,以實現大規模新能源的廣泛接入。

2 新型配電網低碳性評估指標

歸納新型配電網低碳性指標體系見表1。一級指標結合新型配電網低碳性內涵,從電源側、電網側、負荷側和儲能側4個方面說明低碳性的宏觀表現,以此作為新型配電網低碳性評估評價指標體系的基礎。二級指標從新型配電網一級指標對應的系統屬性入手,闡述系統碳排放產生的原因,給出降低碳排放的思路,并說明低碳運行的方法。

表1 新型配電網低碳性指標體系

a.低碳電源指標主要反映電源側的可再生能源裝機量、發電量及新能源的接納程度。目前,在傳統的配電網對電源評估中一般考慮可靠性指標,以此對配電網電源的充裕度和安全運行性進行衡量。文獻[15]從用戶側的角度對供電可靠性評估指標進行擴展,通過用戶停電時間次數、重復停電概率、部分設備停運次數和電壓合格率等指標來反映可靠性以及電能質量。文獻[16]在文獻[15]的基礎上,通過對用電可靠性指標體系進行擴展,提出了單位負荷用電故障率、單位負荷用電故障時間和電壓暫降率3個新的指標,并采用負荷量作為權重來求取均值,以更全面地反映電能質量情況。同時,將用電可靠性指標體系劃分為用電故障頻次、電能質量、缺電量和用電故障時間4類指標,從不同角度對用電可靠性進行評估。在此基礎上,為反映出新型配電網電源的低碳水平,文獻[17]選擇已并網可再生能源裝機比例、可再生能源發電量比例、可再生能源接納能力以及可再生能源出力比例作為低碳電源的評估指標。但是以上指標未考慮可再生能源的消納能力,因此文獻[18]考慮分布式能源的棄電率、削減率及滲透率來反映分布式能源的消納率。

b.低損網絡指標主要反映功率損耗、電能質量和傳輸效率。常見反映配電網低損網絡指標有網損率、設備利用率及容載比等。此外,文獻[19]考慮了電網結構堅強性、抗攻擊和自愈能力、電能質量和智能電網線損優化能力等,分別反映了電網結構的堅強程度、設備抵抗外界攻擊分離或自動回復正常的能力及提高電能質量和減少線路的磨損。文獻[20]針對新型配電網的網損影響因素的5個方面,歸納總結了降損方式。但是上述指標并沒有考慮電網設備的運行效率,文獻[21]將從裝備和運行2個角度進行細致的劃分,將峰谷差、輸變電設備的利用效率作為了主要考慮指標,低損網絡指標也因此更加完善。

c.低碳負荷指標主要反映需求側響應能力,終端低碳智能水平、電能替代和碳減排能力。常見的指標有電動汽車使用情況、負荷控制比例、智能用電設備使用情況等。目前學者已針對負荷側的評估指標開展了一定研究,并取得了一定成果。文獻[22]針對智能電網的低碳性進行研究,提取智能電網在電源側、電網側和負荷側3個環節的低碳要素,建立了智能電網低碳性指標體系,其中負荷側的指標體系是從電力市場、負荷曲線、電動汽車及需求響應4個方面建立的,并提出相應指標。文獻[23]在此基礎上,引入了負荷峰谷量、負荷側碳減排指標、用戶需求側管理,對智能電網的低碳效益及實施需求側管理在負荷側取得的碳減排效益進行評價。上述指標中,并未全面考慮電能替代及新型配電網相關特性。文獻[21]將負荷側電能替代指標層分為電代煤、電代油及電代氣3個方面,并選取電鍋爐使用占比、電動汽車數量占比及電氣混合鍋爐數量占比等指標。

d.低碳儲能指標主要反映在配電網中的應用情況,包括儲能電站容量及其全網功率的占比。文獻[24]考慮了儲能的經濟性,選取了儲能裝置的全壽命周期內的凈收益、投資回收年限和投資回報率作為評估指標,分析儲能的經濟效益。文獻[25]提出了可再生能源的出力變化及滲透率、儲能裝置的容量占比和功率占比的新型配電網新型指標。

3 新型配電網低碳性評估方法

新型配電網的低碳性評估方法一般包括綜合評價方法、碳排放分析法和仿真模擬法。綜合評價法包括組合賦權法、模糊綜合評價和云模型綜合評價等,可以同時對多個層次、多個指標進行評估。碳排放分析法包括宏觀統計法、全生命周期法和碳排放流法,可直接對碳排放進行量化與分攤。仿真模擬法可以基于歷史數據和評估指標的特征,對多種運行場景下的評估規劃方案進行仿真,得到評估結果。為此重點探討了評估低碳性的具體方法,同時對各類方法的優缺點及適用條件進行解釋。

3.1 綜合評價法

綜合評價法可針對新型配電網的整體,通過選擇指標體系從多方面、多層次、全面對低碳性進行綜合評價。文獻[26]結合全生命周期法分析了電網規劃、運行、建設及設備的低碳環節,提出低碳性評價指標體系,建立低碳電網綜合評價模型,得到的評價結果對低碳化電網的規劃運行提供指導。但是提出的評價方法未充分考慮主觀和客觀賦權的影響。因此,組合賦權法得到學者們更多關注。該方法在確定評價指標權重上,能夠兼顧決策者的主觀傾向和客觀定量的數理模型及原始數據,使得權重具有較高的客觀性和合理性。文獻[27]采用了一種層次分析法和熵權法結合的組合賦權法,對考慮火電升級改造、新能源并網及電能替代的新型配電網的電源、電網和負荷側的低碳性進行綜合評價。該方法通過線性組合計算綜合權重,將專家意見與熵權法相結合,減少了層次分析法的主觀傾向,使評價結果更加客觀可靠。

考慮到低碳性指標的模糊性,可綜合應用模糊數學的隸屬度理論,構建基于新型配電網的模糊綜合評價模型。文獻[17]從電源側、電網側、負荷側及削峰能力4個角度構建了新型配電網低碳性指標體系,采用組合賦權法確定指標權重,同時考慮了指標模糊性,通過構造隸屬函數和模糊綜合評價模型,對新型配電網低碳性評估指標體系進行了評分。這種方法可對模糊且復雜信息進行量化描述,做出合理化評估。

一些學者已經在模糊綜合評價法與云模型之間實現了轉化,從而將云模型引入作為一種新的綜合評估方法[28]。文獻[28]采用結合云模型和可行性分析的綜合評價方法,考慮了低碳性和智能用電設備等指標,構建新型配電網綜合評估指標體系,通過采用將專家評價語言轉化為云模型的方法來減小指標模糊性的誤差。文獻[29]將梯度云模型代替模糊綜合評價方法中的隸屬度函數。

綜上所述,指標權重計算在綜合評價中主觀性較為明顯,并且缺乏對風電、光伏等分布式新能源電源、智能用電設備、電動汽車及儲能等新型負荷導致的碳減排量進行明確的定義和計算。這一方法可在多類方案中進行運用,通過系統的評分選擇更為科學的方案。

3.2 碳排放分析法

碳排放分析法可以評估新型配電網發電側、電網側及負荷側中低碳環節所產生的碳排放量,主要方法包括宏觀統計法、全生命周期法、碳排放流法。文獻[30]對宏觀統計法進行了選用,先對不同類型能源的消耗量進行統計。然后基于典型的化石能源排放因子對統計周期內系統的碳排放總量進行計算。宏觀統計法有著較高的操作性,較為簡便,能夠對一段時間內系統的碳排放總量進行明確。但是這一方法并未考慮配電網發電的技術過程,需要燃料在相應周期內的消耗數據為統計支撐,相應的就無法細致地分析電網低碳環節碳排放。

全生命周期法能夠將不同時間段能源設施的碳排放明細給出,以此對碳排放總量影響到各方面因素進行分析,進而指明減排具體方向[31-32]。文獻[33]采用全生命周期法,考慮整個生命周期的新型配電網中分布式能源、電動汽車及儲能等碳排放影響,從經濟、社會及環境3個方面建立配電網低碳效益評價體系,引入全生命周期方法也使得評估體系更加完善,從而實現配電網低碳化管理。

相較于宏觀統計法,全生命周期法彌補了其需要考慮燃料消耗碳排放的缺陷,并使得分析和計算碳排放在時間維度上得到了拓展[34]。但是全生命周期法并沒有系統化考慮新型配電系統的物理特性,難以明晰新型配電系統中碳排放在時間和空間的流動機制。

碳排放流法可以有效分析地區之間由于貿易和電力輸送引起的碳排放轉移,有助于厘清碳排放責任[35-36]。文獻[37-38]構建了電力系統的碳排放流分析與計算方法的理論體系,該理論量化了電力網絡中的碳排放流機理與分布特性。文獻[39]具體探討了碳排放流在考慮了分布式電源及儲能元件的新型配電網中的分布特性,結合配電網結構特點簡化了計算量,建立了儲能元件的碳排放流分析模型和配電網低碳運行模型。在此基礎上,文獻[40]克服了“源、荷”側碳排放無法公平進行分攤及僅適用于無損網絡的缺點,實現了對新能源減少碳排放的精確計算。

綜上所述,應用碳排放流法對低碳性進行評估的優點是測量和計算某個過程或系統中排放的碳排放量,可以準確估計碳排放量,但只是停留在理論層面,還需進一步將碳排放計算與分析方法與實際工程相結合。

3.3 仿真模擬法

仿真模擬法是結合碳排放計算的相關理論,建立較為全面的新型配電網低碳性仿真與評價系統的方法。文獻[41]基于碳排放分析方法,得出碳排放統計和碳排放流計算相關的數據,建立基于實際工程的規劃方案和電力需求預測結果的新型配電網低碳性仿真與評價平臺,對改善后的低碳效益進行評價。

綜上所述,這種方法原理相對簡單,通常需要與碳排放分析法相結合,可以有效地應用于評估配電網實際低碳性。但是針對各類型配電網需要分別建立仿真模型,因此在場景適用方面有所局限,且具體仿真過程中工作量較大。

4 新型配電網的減碳措施

提升新型配電網的碳減排能力需要實現電源、電網、負荷與儲能設備之間的協調運行,對其進行合理的規劃配置,如圖2所示,本節在新型配電網“源網荷儲”的不同環節都采取了針對性措施,最大程度地降低接入新能源對電網的影響,從而減少碳排放量。

圖2 新型配電網的減碳措施

a.“源”側減碳措施。隨著國家在新能源領域的不斷推進和發展,清潔能源逐漸成為發電側低碳電源規劃和管理的重要途徑,通過電網與多種能源的協同調控,并充分利用能源之間的互補特性,從而提高能源的發電效率,實現電源側的碳減排。文獻[42]建立了一種低碳電源的規劃模型,以電力、電量及碳減排量等約束條件,考慮了能源間互補協調和電網的協同調控,以實現年綜合成本最小及碳排放量最小的多目標優化。文獻[43]考慮了風光火多能融合互補環境下的碳捕集電廠,并以低碳效益最大化為目標建立了碳捕集系統與風電的協調投資模型。

b.“網”側減碳措施。對于線損降低、電壓質量和可靠性提升,電網絡拓撲結構的優化調整是關鍵的技術手段,也是促進經濟性和安全性提升的有效路徑。通過對配電網重構策略進行合理制定,能夠有效降低輸電損耗,同時提高電源發電效率,從而減少了系統碳排放量。

c.“荷”側減碳措施。負荷側需求響應具備相應的削峰填谷功能。同時,改善用戶的用電行為,可降低用電碳排放量,用電行為的調整也會為企業促進系統的清潔能源消納,降低整體碳排放水平。合理利用電動汽車是新型配電網負荷側碳減排的主要方式。文獻[44-45]建立電動汽車的低碳效益的近似線性模型,指出清潔能源與電動汽車充放電協調調度可以有效實現碳減排。

d.“儲”側減碳措施。儲能作為一種靈活性資源參與配電網的功率供需平衡調節,充電過程中等同于負荷,放電時等同于電源。通過對儲能裝置進行配置,同時對充電放電策略進行合理制定,以此改變配電網潮流分布,能夠對節點電壓進行有效調節,可有效降低分布式電源出力高峰時段的功率滲透率,從而間接達到減碳效果。

5 結語

本文針對新型配電網提出了系統化的低碳性理論評估體系,對新型配電網低碳性的內涵、評估指標和評估方法3個方面的當前研究現狀進行了總結,并對提升新型配電網的減碳措施進行歸納分析。隨著新型電網和低碳經濟的發展,評價內容中必須考慮更多的環境和技術創新問題。近年來,碳交易市場不斷發展也為配電網評估增加更多例如經濟學、博弈論等新內容。進一步評估研究工作可針對評估中發現的配電網薄弱環節,開展符合實際的電網規劃改造技術論證,通過配電網規劃和改造獲得更大的社會效益。