一种基于等排放微增率的电力系统碳排放权分配机制研究

陈　强　上海电力设计院变电部



一种基于等排放微增率的电力系统碳排放权分配机制研究

陈强上海电力设计院变电部

摘要：分析了火电机组的碳排放特性，提出了一种多机组碳排放权分配的等排放微增率原则，证明了基于该原则的碳排放权分配可以使系统的减排效果达到最优。通过引入算例，对基于等排放微增率的碳排放权分配机制和基于排放绩效的碳排放权分配机制进行了计算分析，从分配结果来看，基于等排放微增率的分配机制的减排效果要优于排放绩效的分配机制。另外，基于等排放微增率的分配机制能够很好的融合到机组出力计划的编制中，具有较好的适应性。

关键词：碳排放权；分配；等排放微增率；机组出力计划

由于电源结构中70%以上由火电构成，我国电力行业的CO2排放量约占总排放量的40%[1]，单位电排放水平与发达国家相比有着巨大的差距，因此电力行业有着巨大的碳减排潜力。电力系统通过建立碳排放管理体系来挖掘电力系统现有减排潜力、优化资源配置，实现碳减排。作为碳排放管理体系中的重要一环，碳排放权的交易与分配越来越引人关注。

在碳排放权交易方面，文献[2]采用模仿者动态算法模拟发电公司追求利润最大化的行为，通过算例分析得出了碳排放权交易机制的引入对电力市场运营的影响。文献[3]通过随机生产模拟估计CO2配额价格，建立发电公司的最优报价策略的机会规划约束模型并进行了求解。文献[4]将电力输送视为碳汇流，并以此提出了基于碳交易的需求侧备用交易原理，通过设计需求侧备用的日前调度框架建立了考虑碳排放约束的优化调度模型。碳排放权的分配则是碳排放权的一次分配，是碳排放权交易的基础。文献[5]提出了一种碳排放权拍卖方案，从期望收益等角度分析了严格竞标和策略竞标对发电厂带来的影响。文献[6]从SO2排放控制领域引入了排放绩效概念，提出了一种基于排放绩效的碳排放配额分配机制并进行了实证分析。文献[7]介绍了基于发电量的排放权分配模型和基于发电类型的碳排放权分配模型，并对两种模型进行了分析比较。

本文从火电机组碳排放特性出发，对火电机组的碳排放特性进行了研究分析，建立电力系统碳排放的最优化模型，根据优化模型的求解过程引入等排放微增率概念，提出了一种基于等排放微增率的碳排放权分配机制。通过该机制的分配，在理论上可以达到电力系统减排计划的最优解。通过与其他几种机制的比较分析各种分配机制在分配效率、减排效果等方面的差异，对于建立合理碳排放权分配机制，推动电力系统低碳减排有着重要意义。

1　机组的碳排放特性分析

电力系统的碳排放特性分析为碳排放管理提供理论依据。电力系统的碳排放来源主要有煤电、燃气发电以及生物质能发电等，而由于燃气发电占比较低，生物质能发电释放的CO2本来就会在自然界降解释放，本文只考虑火电机组的碳排放特性。

对于火电机组而言，火电机组的碳排放特性主要受发电煤耗、煤的燃烧率以及煤的含碳量等因素影响。火电机组的煤耗与发电出力成二次函数关系，如式（1）所示。火电机组煤耗曲线的获得一般是对离散的煤耗数据进行二次函数拟合获得的。

式中，a 、b 、c 为机组煤耗特性参数，P为机组的出力水平，单位为MW。

由于煤炭在锅炉内不可能完全燃烧生成CO2，一部分形成碳颗粒以飞灰和炉渣的形式被带出炉膛，因此煤炭的燃烧率对于机组的碳排放有一定的影响。另外，煤炭中的含碳量也是影响机组排放的因素。假设煤炭燃烧产生的热全部来自碳元素的燃烧，煤炭的含碳量可由煤炭的热值除以碳的热值获得。

综上，考虑机组煤耗特性、燃烧率以及煤炭含碳量，机组的排放特性曲线如式（2）、式（3）所示：

式中，F(P)为机组的煤耗特性，δ为排放质量转化系数，η为机组煤的燃烧率，ε为煤的含碳量，µ为CO2与碳的相对原子质量比，取44/12。

2　碳排放权分配方法

2.1基于排放绩效的分配方法

排放绩效机制是电力行业控制气体排放的一种新机制，目前主要应用在SO2排放控制领域[6]。发电绩效标准（generation performance standard，GPS）是机组每发1 kWh的电所造成的排放量，电力系统CO2的排放绩效由下式确定：

式中，Q为系统的CO2排放量，E为系统的总发电量。

排放绩效可以从单个电厂和系统角度进行计算，也可以从当前和未来的角度进行分析。基于排放绩效的CO2排放配额分配首先要每个电厂上报当前实际发电量和实际碳排放情况，通过计算系统的碳排放量和当前排放绩效来评估当前的系统碳排放水平。在考虑可行性的基础上，确定系统未来的碳排放量及未来发电量，以此来确定系统未来的排放绩效，结合电厂的实际发电量来完成碳排放配额分配。基于排放绩效的配额分配流程如图2所示。

图1　基于排放绩效的分配流程

2.2基于等排放微增率的分配方法

设系统内有n台机组，每台机组相应的每小时碳排放量可以由机组出力根据式（2）求得。建立排放最优模型，目标函数为碳排放总量，通过求解该最优化模型可求得系统的机组组合计划和出力计划。

模型的等式约束条件是保持功率平衡，运用拉格朗日乘子法建立增广目标函数：

式中，PL为系统总负荷，MW。

模型的不等式约束有机组出力约束和爬坡速率约束，即：

式中，S表示开机机组集合，Paj为开机机组j的爬坡特性。

在确定的机组组合下，当机组出力约束和爬坡速率约束都满足时，系统碳排放量最小的条件是使L最小化，即：

由此可知，当各机组的碳排放微增率λ都相等时系统的碳排放特性达到最优，此时系统的每小时碳排放量最小，可确定每台机组的出力Pj：

通过式（8）可知，通过等排放微增率得到的机组出力与通过等煤耗微增率得到机组出力有着明显的不同。将Pj代入对应机组的碳排放特性曲线即可得到相应的碳排放量Qj(Pj)，这就是多机组碳排放权分配的等排放微增率原则。

3　算例分析

本章通过引入算例，分别运用排放绩效法和等排放微增率法对一个日发电计划进行碳排放权分配。某系统确定的当年CO2排放绩效为905.8 g/kWh，其负荷由6台发电机来承担，其中1000 MW机组1台、600 MW机组2台、300 MW机组3台，机组排放参数如表1所示。

系统负荷的某日负荷可简化为高峰、中间和低谷三个时段，如图2所示。对于等排放微增率分配，建立最优化模型并对等排放微增率、机组组合及每个机组的出力进行求解，将求解得到的机组出力代入排放特性曲线就可完成碳排放权分配。分配结果如表2所示。

表1　算例机组排放参数

表2　基于等排放微增率法分配结果

图2　算例日负荷曲线

基于排放绩效分配首先煤耗最优原则确定机组组合，并在此基础上对机组进行等煤耗微增率有功分配，得到每个机组计划发电量，再结合系统的排放绩效将碳排放权分配到机组。两种分配机制的分配效果比较如表3所示。

表3　两种分配机制的分配效果比较

通过对比可知，基于等排放微增率的碳排放权分配机制的减排效果要比基于排放绩效的分配机制低4.92%，而且基于等排放微增率的碳排放权分配机制能够直接融入到机组出力计划的制定，适应性较强。

4　结论

本文首先分析了机组的碳排放特性，提出了多机组碳排放权分配的等排放微增率原则，然后基于这种原则进行了算例分析，并与基于排放绩效的碳排放权分配机制进行了比较。经过算例分析可知，基于等排放微增率的碳排放权分配机制在减排效果上要好于基于排放绩效的碳排放权分配机制。另外，通过算例还可以看到，基于等排放微增率的碳排放权分配机制能够很好的融入到发电计划的制定流程中，具有较强的适应性和可行性。

参考文献

[1] 魏一鸣, 刘兰翠, 范英, 等.中国能源报告（2008）: 碳排放研究[M].北京: 科学出版社, 2008.

[2] 刘国中, 文福拴, 薛禹胜.排放权和可再生能源发展对电力市场的影响[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(7): 21-25.

[3] 刘国中, 文福拴, 薛禹胜. 温室气体排放权交易对发电公司最优报价策略的影响[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(19): 15-20.

[4] 刘晓, 艾欣, 杨俊. 考虑未来碳排放交易的需求侧备用竞价与调度模式设计[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(2): 38-42.

[5] 曾鸣, 何深, 杨玲玲, 等. 碳排放交易市场排放权的拍卖方案设计[J].水电能源科学, 2010, 28(9): 161-163.

[6] 谢传胜, 董达鹏, 贾晓希, 等. 中国电力行业碳排放配额分配——基于排放绩效[J]. 技术经济, 2011, 30(11): 57-62.

[7] 杨玲玲, 马向春. 电力市场环境下碳排放权分配模型的比较研究[J].陕西电力, 2010, 38(2): 5-9.

建筑节能专栏

Study on One Kind of Electrical Power System Carbon Emission Right Allocation Mechanism Based on Equal Emission Increment Rate

Chen Qiang
Shanghai Electrical Power Design Institute Power Station Department

Abstract:The article analyzes carbon emission characteristics of coalfired unit and puts forward the equal emission increment rate principle of multi-units carbon emission right allocation, which is proved by optimal system emission reduction achievement based on the equal emission increment rate principle. Through introduced calculation cases, it analyzes and calculates carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle. From the results of allocation, carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle is better than emission performance allocation mechanism. Meanwhile carbon emission right allocation mechanism based on the equal emission increment rate principle could be well integrated into unit output plan draw-up, which is good at adaptability.

Key words:Carbon Emission Right, Allocation, Equal Emission Increment Rate, Unit Output Plan

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.003