新型配电网的低碳性评估与减碳措施研究

陈弈先,荆澜涛,叶 鹏,邓士禹,韩震焘

(1.沈阳工程学院电力学院,辽宁 沈阳 110136;2.国网沈阳供电公司,辽宁 沈阳 110052;3.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院,辽宁 沈阳 110015)

0 引言

各领域行业使用化石燃料导致环境污染和温室效应问题不断加重,不同地区正在对能源生产和消费方式进行重大改革[1]。中央财经委在2021年一季度末指出,应当对新型电力系统的新能源进行构建。目前我国正在积极建设以新能源为主导的新型电力系统,主要涉及高比例分布式新能源大规模并网、加速传统化石能源以电替代、改善负荷间互动、促进交直流配电、电力电子设备快速发展等[2-3]。因此,在新型电力系统中,配电网已成为促进碳减排、推动我国电力系统低碳化的关键手段。同时,它也是实现发电侧和用电侧低碳效益的重要平台。在发电侧,关键路径是能够接入大规模的分布式电源,目的是能够就地消纳清洁能源。未来的发展趋势就是电能逐步由工业智能化和清洁化能源所代替[4],这种趋势在电动汽车充电网络的发展和以碳减排为导向的用户电力服务机制的实施中表现得尤为明显,还包括电采暖代替传统集中供热、港口岸电电力发电替代燃油发电、负荷监测、需求侧响应等技术手段[5],从而减少对化石燃料的依赖,促进供需两端碳循环的良性互动。

与传统配电网相比,新型配电网的组成要素、网络拓扑结构、运行方式都更为复杂[6],这就导致影响新型配电网低碳因素增多,交织且复杂,仅依靠传统配电网的指标体系以及评估方法将难以适应未来新型电力系统的发展要求。因此,构建适用于新型配电网低碳性指标体系和评价方法量化评估新型配电网的低碳水平,通过采取有效措施提升新型配电网的碳减排能力,对指导低碳新型配电网规划的运行具有重要的研究意义。

本文深度整理了面向新型配电网的低碳性评估体系。首先,对新型配电网低碳性的内涵进行了解释。其次,对评估低碳性的指标体系进行归纳,对具体评估配电网的方法进行了总结。最后,提出了新型配电网的减碳手段。应对高比例新能源的评估低碳性体系能够有效体现新型配电网环境的多样性,与传统方法相比具有显著优势。

1 新型配电网低碳性的内涵

新型配电网的核心目标是实现低碳化。随着依赖化石燃料的传统配电网向以低碳能源为动力的新型配电网转型升级,低碳转型的任务变得更加紧迫和具有挑战性。单纯依靠传统的电源侧和电网侧调控方式,不足以满足新能源大规模并网消纳的需求。新型配电网通过利用负荷侧管理和新型储能技术来构建“源-网-荷-储”协同消纳新能源的架构。这种方式使新型配电网适应大规模高比例新能源的持续增长和利用。其低碳性的内涵可以从电源侧、电网侧、负荷侧及储能侧4个方面去描述,如图1所示。

图1 新型配电网低碳性的内涵

a.电源侧。达成双碳目标需要高度关注高比例新能源并网。截至2021年底,我国可再生能源发电占总装机比例为45.8%,全年可再生能源发电量占总发电量的29.9%,表明大规模风电光伏等可再生能源将代替传统交流电源主导电源侧[7]。但由于可再生能源发电带有不可预测、不同性及间歇性等特点,通过接入大量分布式再生能源,会严重影响到配电网的稳定安全运行[8]。因此,分布式电源消纳将在配电网评估工作中成为电能质量、供电可靠性之外另一关键指标,这就需要将新能源的渗透率与当地负荷需求结合起来,促进就地消纳,最大限度地减少远距离输电损耗,间接减少碳排放的产生。此外,火电机组要进行优化升级并采用碳捕集等低碳技术,提高火电发电效率,为新能源主导的新型配电网提供可靠经济的后备容量支撑。

b.电网侧。网络损耗是电网侧自身的碳排放主要来源。随着电源结构和用户负荷变化,电网结构和配电网的作用将从局部控制转变为系统调节。新型配电网将从交流电网过渡为柔性交直流混合配电网,对清洁能源降低的技术成本进行缩减,达成高可靠性、低损耗的控制和输电,与各类新型负荷进行有效的适应承载[9]。由于每年用户的电力需求量在不断增加,导致减少由网络损耗产生的碳排放量的可以忽略不计。因此,需要引入新型低碳配电设备[10](包括高温超导输电电缆、节能变压器等)、网损优化等技术降低电能传输损耗,从而促进高效低损耗新型配电网的形成。

c.负荷侧。负荷侧的低碳特征主要体现在终端能源消费中的电能占比和节电技术的应用。因此,电能替代及电动汽车的应用已成为当前减少负荷侧碳排放的重要战略手段。在新型配电网的背景下,将会继续扩大并深化电能替代广度深度,增强以电能为核心的供冷供热能源系统的多元汇聚和交互能力,提高能源效率,促进多种能源负荷的弹性替代,实现柔性化发展[11]。新型配电网通过接入大量电动汽车实现碳减排主要通过2个方面,一方面,电能直接代替化石能源,直接减少碳排放的产生;另一方面,电网可以为电动汽车提供电能,并将多余能量储存在电动汽车储能装置中,实现终端削峰填谷,间接减少与发电侧相关的因能源消耗产生的碳排放。随着新能源汽车等直流负荷的快速发展,用电负荷变得越来越复杂且多样化。以需求侧响应和复合监控等方式立足于用户中心,进一步促进设备调控和能耗降低水平的提升[12-13]。在深入分析用户用电消耗消费的前提下,建立碳排放档案。通过价格机制的优化对不同主体在电力市场中的调峰资源进行深入挖掘,实现终端用户层面的节能减排,从而间接减少碳排放。这些措施共同减少了碳排放总量,促进了低碳经济的发展。

d.储能侧。储能是新型配电网的重要组成部分,也是实现双碳目标关键技术。它可以促进分布式电源消纳和接入,减少线损和额外发电容量,从而减少用电成本和用地需求,达到碳减排和能效利用的目标。同时,储能技术在不同的电力环节、时间尺度、应用场景对需求以及需要发挥的功能都有所不同。例如,电化学储能作为电源侧的短期储能,通过储热为光热发电提供灵活性,平滑可再生能源出力,参与调频调峰;以压缩空气、氢等作为长期储能,为电力系统进行调节;在电网侧部署基于电化学和抽水蓄能的短期储能系统,用于确保电网安全和紧急备用;在负荷侧,电动汽车作为短时储能用于日内需求响应。新型配电网将以储能为基础,在提高新型配电系统的弹性和维持安全稳定运行方面发挥关键作用[14],从而构建清洁低碳、安全高效的电力系统,以实现大规模新能源的广泛接入。

2 新型配电网低碳性评估指标

归纳新型配电网低碳性指标体系见表1。一级指标结合新型配电网低碳性内涵,从电源侧、电网侧、负荷侧和储能侧4个方面说明低碳性的宏观表现,以此作为新型配电网低碳性评估评价指标体系的基础。二级指标从新型配电网一级指标对应的系统属性入手,阐述系统碳排放产生的原因,给出降低碳排放的思路,并说明低碳运行的方法。

表1 新型配电网低碳性指标体系

a.低碳电源指标主要反映电源侧的可再生能源装机量、发电量及新能源的接纳程度。目前,在传统的配电网对电源评估中一般考虑可靠性指标,以此对配电网电源的充裕度和安全运行性进行衡量。文献[15]从用户侧的角度对供电可靠性评估指标进行扩展,通过用户停电时间次数、重复停电概率、部分设备停运次数和电压合格率等指标来反映可靠性以及电能质量。文献[16]在文献[15]的基础上,通过对用电可靠性指标体系进行扩展,提出了单位负荷用电故障率、单位负荷用电故障时间和电压暂降率3个新的指标,并采用负荷量作为权重来求取均值,以更全面地反映电能质量情况。同时,将用电可靠性指标体系划分为用电故障频次、电能质量、缺电量和用电故障时间4类指标,从不同角度对用电可靠性进行评估。在此基础上,为反映出新型配电网电源的低碳水平,文献[17]选择已并网可再生能源装机比例、可再生能源发电量比例、可再生能源接纳能力以及可再生能源出力比例作为低碳电源的评估指标。但是以上指标未考虑可再生能源的消纳能力,因此文献[18]考虑分布式能源的弃电率、削减率及渗透率来反映分布式能源的消纳率。

b.低损网络指标主要反映功率损耗、电能质量和传输效率。常见反映配电网低损网络指标有网损率、设备利用率及容载比等。此外,文献[19]考虑了电网结构坚强性、抗攻击和自愈能力、电能质量和智能电网线损优化能力等,分别反映了电网结构的坚强程度、设备抵抗外界攻击分离或自动回复正常的能力及提高电能质量和减少线路的磨损。文献[20]针对新型配电网的网损影响因素的5个方面,归纳总结了降损方式。但是上述指标并没有考虑电网设备的运行效率,文献[21]将从装备和运行2个角度进行细致的划分,将峰谷差、输变电设备的利用效率作为了主要考虑指标,低损网络指标也因此更加完善。

c.低碳负荷指标主要反映需求侧响应能力,终端低碳智能水平、电能替代和碳减排能力。常见的指标有电动汽车使用情况、负荷控制比例、智能用电设备使用情况等。目前学者已针对负荷侧的评估指标开展了一定研究,并取得了一定成果。文献[22]针对智能电网的低碳性进行研究,提取智能电网在电源侧、电网侧和负荷侧3个环节的低碳要素,建立了智能电网低碳性指标体系,其中负荷侧的指标体系是从电力市场、负荷曲线、电动汽车及需求响应4个方面建立的,并提出相应指标。文献[23]在此基础上,引入了负荷峰谷量、负荷侧碳减排指标、用户需求侧管理,对智能电网的低碳效益及实施需求侧管理在负荷侧取得的碳减排效益进行评价。上述指标中,并未全面考虑电能替代及新型配电网相关特性。文献[21]将负荷侧电能替代指标层分为电代煤、电代油及电代气3个方面,并选取电锅炉使用占比、电动汽车数量占比及电气混合锅炉数量占比等指标。

d.低碳储能指标主要反映在配电网中的应用情况,包括储能电站容量及其全网功率的占比。文献[24]考虑了储能的经济性,选取了储能装置的全寿命周期内的净收益、投资回收年限和投资回报率作为评估指标,分析储能的经济效益。文献[25]提出了可再生能源的出力变化及渗透率、储能装置的容量占比和功率占比的新型配电网新型指标。

3 新型配电网低碳性评估方法

新型配电网的低碳性评估方法一般包括综合评价方法、碳排放分析法和仿真模拟法。综合评价法包括组合赋权法、模糊综合评价和云模型综合评价等,可以同时对多个层次、多个指标进行评估。碳排放分析法包括宏观统计法、全生命周期法和碳排放流法,可直接对碳排放进行量化与分摊。仿真模拟法可以基于历史数据和评估指标的特征,对多种运行场景下的评估规划方案进行仿真,得到评估结果。为此重点探讨了评估低碳性的具体方法,同时对各类方法的优缺点及适用条件进行解释。

3.1 综合评价法

综合评价法可针对新型配电网的整体,通过选择指标体系从多方面、多层次、全面对低碳性进行综合评价。文献[26]结合全生命周期法分析了电网规划、运行、建设及设备的低碳环节,提出低碳性评价指标体系,建立低碳电网综合评价模型,得到的评价结果对低碳化电网的规划运行提供指导。但是提出的评价方法未充分考虑主观和客观赋权的影响。因此,组合赋权法得到学者们更多关注。该方法在确定评价指标权重上,能够兼顾决策者的主观倾向和客观定量的数理模型及原始数据,使得权重具有较高的客观性和合理性。文献[27]采用了一种层次分析法和熵权法结合的组合赋权法,对考虑火电升级改造、新能源并网及电能替代的新型配电网的电源、电网和负荷侧的低碳性进行综合评价。该方法通过线性组合计算综合权重,将专家意见与熵权法相结合,减少了层次分析法的主观倾向,使评价结果更加客观可靠。

考虑到低碳性指标的模糊性,可综合应用模糊数学的隶属度理论,构建基于新型配电网的模糊综合评价模型。文献[17]从电源侧、电网侧、负荷侧及削峰能力4个角度构建了新型配电网低碳性指标体系,采用组合赋权法确定指标权重,同时考虑了指标模糊性,通过构造隶属函数和模糊综合评价模型,对新型配电网低碳性评估指标体系进行了评分。这种方法可对模糊且复杂信息进行量化描述,做出合理化评估。

一些学者已经在模糊综合评价法与云模型之间实现了转化,从而将云模型引入作为一种新的综合评估方法[28]。文献[28]采用结合云模型和可行性分析的综合评价方法,考虑了低碳性和智能用电设备等指标,构建新型配电网综合评估指标体系,通过采用将专家评价语言转化为云模型的方法来减小指标模糊性的误差。文献[29]将梯度云模型代替模糊综合评价方法中的隶属度函数。

综上所述,指标权重计算在综合评价中主观性较为明显,并且缺乏对风电、光伏等分布式新能源电源、智能用电设备、电动汽车及储能等新型负荷导致的碳减排量进行明确的定义和计算。这一方法可在多类方案中进行运用,通过系统的评分选择更为科学的方案。

3.2 碳排放分析法

碳排放分析法可以评估新型配电网发电侧、电网侧及负荷侧中低碳环节所产生的碳排放量,主要方法包括宏观统计法、全生命周期法、碳排放流法。文献[30]对宏观统计法进行了选用,先对不同类型能源的消耗量进行统计。然后基于典型的化石能源排放因子对统计周期内系统的碳排放总量进行计算。宏观统计法有着较高的操作性,较为简便,能够对一段时间内系统的碳排放总量进行明确。但是这一方法并未考虑配电网发电的技术过程,需要燃料在相应周期内的消耗数据为统计支撑,相应的就无法细致地分析电网低碳环节碳排放。

全生命周期法能够将不同时间段能源设施的碳排放明细给出,以此对碳排放总量影响到各方面因素进行分析,进而指明减排具体方向[31-32]。文献[33]采用全生命周期法,考虑整个生命周期的新型配电网中分布式能源、电动汽车及储能等碳排放影响,从经济、社会及环境3个方面建立配电网低碳效益评价体系,引入全生命周期方法也使得评估体系更加完善,从而实现配电网低碳化管理。

相较于宏观统计法,全生命周期法弥补了其需要考虑燃料消耗碳排放的缺陷,并使得分析和计算碳排放在时间维度上得到了拓展[34]。但是全生命周期法并没有系统化考虑新型配电系统的物理特性,难以明晰新型配电系统中碳排放在时间和空间的流动机制。

碳排放流法可以有效分析地区之间由于贸易和电力输送引起的碳排放转移,有助于厘清碳排放责任[35-36]。文献[37-38]构建了电力系统的碳排放流分析与计算方法的理论体系,该理论量化了电力网络中的碳排放流机理与分布特性。文献[39]具体探讨了碳排放流在考虑了分布式电源及储能元件的新型配电网中的分布特性,结合配电网结构特点简化了计算量,建立了储能元件的碳排放流分析模型和配电网低碳运行模型。在此基础上,文献[40]克服了“源、荷”侧碳排放无法公平进行分摊及仅适用于无损网络的缺点,实现了对新能源减少碳排放的精确计算。

综上所述,应用碳排放流法对低碳性进行评估的优点是测量和计算某个过程或系统中排放的碳排放量,可以准确估计碳排放量,但只是停留在理论层面,还需进一步将碳排放计算与分析方法与实际工程相结合。

3.3 仿真模拟法

仿真模拟法是结合碳排放计算的相关理论,建立较为全面的新型配电网低碳性仿真与评价系统的方法。文献[41]基于碳排放分析方法,得出碳排放统计和碳排放流计算相关的数据,建立基于实际工程的规划方案和电力需求预测结果的新型配电网低碳性仿真与评价平台,对改善后的低碳效益进行评价。

综上所述,这种方法原理相对简单,通常需要与碳排放分析法相结合,可以有效地应用于评估配电网实际低碳性。但是针对各类型配电网需要分别建立仿真模型,因此在场景适用方面有所局限,且具体仿真过程中工作量较大。

4 新型配电网的减碳措施

提升新型配电网的碳减排能力需要实现电源、电网、负荷与储能设备之间的协调运行,对其进行合理的规划配置,如图2所示,本节在新型配电网“源网荷储”的不同环节都采取了针对性措施,最大程度地降低接入新能源对电网的影响,从而减少碳排放量。

图2 新型配电网的减碳措施

a.“源”侧减碳措施。随着国家在新能源领域的不断推进和发展,清洁能源逐渐成为发电侧低碳电源规划和管理的重要途径,通过电网与多种能源的协同调控,并充分利用能源之间的互补特性,从而提高能源的发电效率,实现电源侧的碳减排。文献[42]建立了一种低碳电源的规划模型,以电力、电量及碳减排量等约束条件,考虑了能源间互补协调和电网的协同调控,以实现年综合成本最小及碳排放量最小的多目标优化。文献[43]考虑了风光火多能融合互补环境下的碳捕集电厂,并以低碳效益最大化为目标建立了碳捕集系统与风电的协调投资模型。

b.“网”侧减碳措施。对于线损降低、电压质量和可靠性提升,电网络拓扑结构的优化调整是关键的技术手段,也是促进经济性和安全性提升的有效路径。通过对配电网重构策略进行合理制定,能够有效降低输电损耗,同时提高电源发电效率,从而减少了系统碳排放量。

c.“荷”侧减碳措施。负荷侧需求响应具备相应的削峰填谷功能。同时,改善用户的用电行为,可降低用电碳排放量,用电行为的调整也会为企业促进系统的清洁能源消纳,降低整体碳排放水平。合理利用电动汽车是新型配电网负荷侧碳减排的主要方式。文献[44-45]建立电动汽车的低碳效益的近似线性模型,指出清洁能源与电动汽车充放电协调调度可以有效实现碳减排。

d.“储”侧减碳措施。储能作为一种灵活性资源参与配电网的功率供需平衡调节,充电过程中等同于负荷,放电时等同于电源。通过对储能装置进行配置,同时对充电放电策略进行合理制定,以此改变配电网潮流分布,能够对节点电压进行有效调节,可有效降低分布式电源出力高峰时段的功率渗透率,从而间接达到减碳效果。

5 结语

本文针对新型配电网提出了系统化的低碳性理论评估体系,对新型配电网低碳性的内涵、评估指标和评估方法3个方面的当前研究现状进行了总结,并对提升新型配电网的减碳措施进行归纳分析。随着新型电网和低碳经济的发展,评价内容中必须考虑更多的环境和技术创新问题。近年来,碳交易市场不断发展也为配电网评估增加更多例如经济学、博弈论等新内容。进一步评估研究工作可针对评估中发现的配电网薄弱环节,开展符合实际的电网规划改造技术论证,通过配电网规划和改造获得更大的社会效益。