基于碳排放流的综合能源系统碳排放监测方法

刘子华，曹瑞峰，赵志扬，李哲，娄伟明，陈婷，邢海军

（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）

0 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，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提供的功率为由进线2提供的功率为而进线功率P2在支路3中分配的功率为在支路4中分配的功率为

图1 比例共享原则Fig.1 Proportional sharing principle

同时，在该方法中需要考虑以下两个基本原则。

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，这个节点的碳强度被认为是所有流入支路碳流强度的加权平均值。

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：

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。

图2 电网碳排放流示意图Fig.2 Schematic diagram of carbon emission flow of power grid

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。

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δ表示。

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：

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；δk，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：

式中：P1，6为注入电网节点6的第1条支路的功率；δ1，6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：

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。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：

图3 气网碳排放流示意图Fig.3 Schematic diagram of carbon emission flow of gas network

式中：Egas，n为天然气网络节点n的碳势；Qϖ，n为气井的气流量；δϖ，n为气井的碳排放强度；Qgas，k为管道k气流量；δgas，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：

图4 系统碳排放监测流程Fig.4 Flow chart of system carbon emission monitoring

1）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。

图5 EH结构Fig.5 Structure of EH

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、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：

式中：、、分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉输入端的碳势；、、分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉输出端的碳势；、、分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉的输入能流功率；、、分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉的输出能流功率。

上述转换设备的输入输出约束如下：

式中：ηptg、ηeb、ηgb分别为电转气设备、热泵、燃气锅炉的转换效率。

热电联产作为单输入多输出设备，将输入的天然气转换为电能及热能，其碳排放流模型及设备转换约束如下：

式中：为热电联产输入端的碳势；为热电联产输入端的能流功率；和分别为热电联产热、电输出端的碳势；和分别为热电联产热、电输出端的能流功率；ηchp，h和ηchp，p分别为热电联产的热、电转换效率。

依据碳排放平衡原则，EH负荷端的碳排放与输入的碳排放应保持平衡，约束如下：

式中：δv为光伏输入的碳排放强度，一般认为光伏为清洁能源，本文取值为0 kg/MWh；Pv为光伏的输出功率；Le，j、Lg，j、Lh，j分别为第j个EH的电、气、热负荷；δle，j、δlg，j、δlh，j分别为第j个EH的电、气、热负荷对应的碳势。

4 算例分析

对包含6节点电网、6节点天然气网和3个EH的综合能源系统进行碳排放监测。该系统结构如图6所示，G1—G3为电厂燃煤机组，EH1—EH3为能量枢纽，GW1、GW2为天然气气井。虚线部分代表通过EH中的转换设备形成电网与气网的耦合。EH1基础数据曲线如图7所示，EH2和EH3的负荷为EH1的一半。燃煤机组G1—G3碳排放强度分别取800 kg/MWh、600 kg/MWh、400 kg/MWh。GW1和GW2的碳排放强度均取200 kg/MWh。其中，电网及其气网潮流计算模型参照文献［20］建立。

图6 综合能源系统结构Fig.6 Diagram of the integrated energy system structure

图7 EH1基础数据曲线Fig.7 Basic data curve of EH1

首先进行电网及气网的潮流计算，得到电网碳流计算相关参数PB、PG、PL、PN以及气网碳流计算相关参数QB、QG、QL、QN；进而监测综合能源系统中电网各节点、气网各节点的碳势及从EH角度产生的全天总碳排放量，监测结果见图8—11。

图8 电网碳排放强度Fig.8 Carbon emission intensity of power grid

图9 电网碳排放量Fig.9 Carbon emissions of power grid

图10 气网碳排放强度Fig.10 Carbon emission intensity of gas network

图11 气网碳排放量Fig.11 Carbon emissions of gas network

EH中的各设备将电网与气网进行耦合，结合碳排放流分析法，产生的碳排放传输到EH的输入端后，需要将其分配至各EH负荷端以进行荷侧的具体监测。通过各个能量转换公式的组合求解，可得出EH负荷端的碳势以及碳排放量。

图12—14分别为EH电、气、热负荷碳排放强度监测情况。可以看出，碳排放强度随潮流变化而改变，EH2与EH3所设定的电、气、热负荷及转换设备均一致，然而因所处的节点不同，碳势不一致，进而导致监测到的日碳排放强度曲线不同。

图12 EH电负荷碳排放强度Fig.12 Carbon emission intensity of EH electric load

图13 EH气负荷碳排放强度Fig.13 Carbon emission intensity of EH gas load

图14 EH热负荷碳排放强度Fig.14 Carbon emission intensity of EH thermal load

图15为电-气耦合的综合能源系统碳排放量监测情况。可以看出，总体与负荷变化趋势一致，能真实反映负荷端的碳排放情况。

图15 电-气耦合的综合能源系统碳排放量Fig.15 Carbon emissions of IEGS

5 结语

本文建立了电-气综合能源系统碳排放监测模型，采用碳排放流法分别对电网及气网进行建模，并对电-气耦合综合能源系统中的设备进行分析，提出一种电-气耦合的综合能源系统碳排放监测方法。通过算例验证分析，得出以下结论：根据系统本身的电网潮流及气网潮流，利用碳排放流法进行碳流分析，可以同时明晰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；通过对电-气耦合的综合能源系统各个节点的碳排放强度及碳排放量进行实时监测，可为精准降碳及需求侧降碳提供信息基础。