适用于新型电力系统调度和规划的数学模型框架及碳排放指标分析

3.0 2026-04-20 4 4 1.38MB 15 页 20龙币

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新型电力系统

New Type Power Systems

Vol. 2 No. 3

Aug. 2024

第 2 卷第 3 期

2024 年 8 月

适用于新型电力系统调度和规划的数学模型框架

及碳排放指标分析

韩智涵，翟桥柱，周玉洲，曹晓宇，管晓宏

（智能网络与网络安全教育部重点实验室(西安交通大学)，西安 710049）

Mathematical Model for New Type Power System Scheduling and Planning and Analysis of

Carbon Emission Indices

HAN Zhihan, ZHAI Qiaozhu, ZHOU Yuzhou, CAO Xiaoyu, GUAN Xiaohong

(Ministry of Education Key Lab for Intelligent Networks and Network Security (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, China)

ABSTRACT: At present, about 35% to 40% of the total carbon emissions in China’s society come from the power system.

Thus, building a new type power system with high penetration of renewable energy, and reducing carbon emissions in power

production is the inevitable choice to achieve the target of realizing a carbon peak by 2030 and a carbon neutrality by 2060. In

the process of building new type power systems, there are two pivotal questions: First, what is the appropriate mathematical

architecture for a new type power system? This is the basis to solve the problems of planning, operation scheduling and

analytical calculation in the new type power systems. Second, how to accurately evaluate the carbon emission reduction

potential of a new type power system? On this basis, how to accurately identify the bottleneck factors that restrict the ability of

carbon emission reduction in the system? This paper analyses the above two problems from the perspective of new type power

systems planning and operation scheduling. Firstly, this paper compares and summarizes the existing component models of the

new type power system from source, network, load and storage, and offers the proposal of the appropriate architecture. Then,

based on the mathematical architecture and model of new type power systems, we define the ideal carbon emission and

sensitivity index for each factor, and propose the corresponding application methods. The proposed index could provide a

reference for the construction of new type power systems.

KEY WORDS: renewable energy; new type power systems; source-network-load-storage; carbon emission index

摘要：目前我国全社会总碳排放量中约 35%~40% 来自电力系统，因此，构建新能源高渗透率的新型电力系统，降低

电力生产中的碳排放，是实现“2030 碳达峰、2060 碳中和”目标的必然选择。在双碳战略目标下的新型电力系统建

设过程中，有两个问题尤为重要：第一，新型电力系统恰当的数学模型框架是什么样的？这是解决新型电力系统规

划、运行调度、分析计算等问题的基础；第二，怎样准确评估新型电力系统碳减排潜力和在此基础上怎样准确识别系

统中制约碳减排的瓶颈因素？文中从新型电力系统规划及运行调度角度对以上两个问题进行分析。首先，我们从新型

电力系统源、网、荷、储 4个方面对比总结了现有的各组成要素模型，对应当采用的系统框架提出了建议；接着，在

新型电力系统数学模型框架基础上，提出了理想碳排放量、各因素对碳排放的灵敏度指标定义及其应用方法，这些指

标将有助于为新型电力系统建设提供参考。

关键词：新能源；新型电力系统；源-网-荷-储；碳排放指标

DOI: 10.20121/j.2097-2784.ntps.240015 文章编号：2097-2784(2024)03-0297-15 中图分类号：TM 71 文献标识码：A

基金资助项目：国家重点研发计划(2022YFA1004600)。

Project supported by National Key R&D Program of China(2022YFA1004600).

新型电力系统第 2 卷

0　引言

近年来，我国新能源的装机快速增加，“十三

五”期间的建设速度完全超越了规划预期，全国新

能源实际投产装机规模是规划目标的 1.7 倍

［1］

。同

时在“十四五”规划中又明确提出了“提升新能源

消纳和存储能力”的要求

［2］

。2020年9月，习近平

总书记提出我国“二氧化碳排放力争于 2030 年前

达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的战

略目标

［3］

。截至 2022 年底，我国水电、火电、风

电、太阳能发电的发电装机容量分别为 4.1 亿kW、

13.3 亿kW、3.7 亿kW 和3.9 亿kW

［4］

。预计到

2050 年，我国的水电装机将达到 5.4 亿kW，火电

装机为 11~13 亿kW，风电和太阳能发电装机均达

到15~20 亿kW

［5］

。高比例新能源的接入，对我国

电力系统的消纳能力提出了巨大的挑战

［6］

。

为了应对日益增长的电力负荷需求

［7］

以及高比

例新能源消纳的要求，我国需要实现能源系统的绿

色低碳变革。在电力系统改革政策方面，2023年中

央全面深化改革委员会第二次会议指出，要构建

清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵

活智能的新型电力系统

［8］

。

国家政策以及社会需求都对电力系统提出了

新的要求，为了实现电力系统的转型，提升新型

电力系统的新能源消纳能力并降低电力系统碳排

放量，需要着重解决以下两个核心问题：第一，

如何建立适用于调度及规划的新型电力系统框架

结构及运行模型？第二，如何对新型电力系统的

碳减排潜力给出合理的评估？

针对新型电力系统的框架和模型研究，目前

已有一些相关的成果。文献［9-10］对于电力系统转

型过程中的问题与挑战进行了总结，并给出了相

应的新型电力系统构建思路和机制建议。文献

［11］对“源网荷储”系统结构进行了简述并重点

综述了现有的电力系统评估指标和评估方法。文

献［12］着重从能源安全角度考虑，构建了新型电

力系统安全发展框架。以上文献对于新型电力系

统相关概念做出了较为清晰的阐述，但是现有研

究成果对新型电力系统框架的描述均为较宏观的

系统性质描述，缺乏适用于新型电力系统调度运

行及规划的详细模型框架总结。

新型电力系统的框架核心对是“源网荷储”

各要素的系统化集成

［13］

。与传统电力系统相比，

新型电力系统在电源侧、电网侧、负荷侧以及储

能侧 4个方面都将发生明显的变化：电源侧风能、

太阳能、氢能等新能源的发电比例显著增加，核

能、生物质能等可调度新能源发电量也明显增加；

电网侧大规模接入电力电子设备，交直流混联电

网的广泛应用已是必然趋势；负荷侧的负荷种类

多元化程度增加，灵活可控负荷快速发展

［9］

；储能

环节将与电源侧、电网侧及负荷侧深度融合以保

障电力系统的整体调节能力。在我国现有的电力

系统框架基础上，为了满足我国电力行业的低碳

化转型及发展，新型电力系统的建设工作需要从

“源网荷储” 4个主要方面进行一体化推进

［13］

。

图1展示了新型电力系统框架结构中各组成元素的

具体类型。

在电源侧，火力发电是我国目前最主要的发

电方式，其优势在于出色的调峰能力及较低的经

济成本

［14］

，建模中需要描述其开/关机、功率爬升/

降等运行过程，核电和生物质能的发电机部分运

行方式与火电相似，在研究过程中经常与火电使

用相同的建模方式

［15-16］

；水力发电在我国电力系统

中具有重要的调峰、调频作用

［17］

，安全可靠、绿

色清洁是水力发电的主要优势，建模中应当选取

合适的水-电转换关系、水流延时模型等；风能和

太阳能作为潜力巨大的清洁能源，受到各国政府

和各类能源机构的重点关注

［18］

，是当下炙手可热

的研究及应用方向，对风力发电和太阳能发电的

建模重点在于恰当描述其不确定性；氢能由于清

洁低碳且能量密度高的特性，其高效利用在全球

范围内也备受关注

［19］

，其建模对象主要在于氢-电

转换过程以及相关的储热系统。表 1中展示了

“源、网、荷、储”各自包含的主要要素类型以及

常用的建模方式。在电网侧，交流电网在发电和

变压方面具有显著优势，是我国电网的主要组成

部分；直流输电技术的快速发展以及大规模电力

电子设备的应用为交直流混联电网的建设提供了

298

韩智涵，翟桥柱，周玉洲，等：适用于新型电力系统调度和规划的数学模型框架及碳排放指标分析第 3 期

基础，电网侧的建模过程主要在于对线路潮流的

描述。在负荷侧，不可控负荷是负荷的主要组成

部分，其模型主要描述实际运行中的不确定性；

可控负荷可以通过负荷侧的主动调整来协助发电

侧的调度，建模重点在于功率变化的描述。在储

能方面，各类储能装置的广泛应用对于提高新能

源发电的消纳量、缓解电网传输压力起到了不可

或缺的重要作用

［54］

，储能系统的建模重点在于准

电源侧

电网侧

负荷侧

储能侧

电池储能

抽水蓄能

储冷储热

氢储能

火电、核电、

生物质能水电风电太阳能发电氢能发电

工业负荷居民负荷分布式负荷其他储能

交流传输直流传输换流器

图1　新型电力系统框架结构图

Fig. 1　The framework of a new type power system

表1　新型电力系统构成要素及建模特点描述

Table 1　Components of the new type power system and the description of modeling

新型电力系

统构成要素

电源

电网

负荷

储能

类型

水力发电

火力发电

风力、太阳

能发电

氢能发电

交流电网

交直流混联

电网

不可控负荷

可控负荷

抽水蓄能

氢储能

电池储能

主要特点

安全可靠、绿色清洁

是我国主要发电方式；经济成本

低[15]；碳排放量高

清洁能源；随机性[28-32]和不确

定性[33-34]

清洁低碳、能量密度高

我国电网的主要组成部分；在发电和

变压有明显优势

可高效实现电流类型转换及电力电子

设备的柔性调整

随机性、不确定性

灵活性强、响应快、成本低

效率高、成本低、寿命长；有地形要

求、响应慢

储存周期长、可运输、能量密度高；

效率不高

响应快速且稳定、建设方便，效率

高；成本较高

运行约束

库容平衡、水库运行约束、水电机组

运行约束、水-电转换关系等

发电容量约束、爬坡约束、最小开关

机约束等

发电容量约束等

发电容量约束、氢&热平衡约束、热-

电转换关系、氢-电转换关系等

电网潮流约束

电网潮流约束、换流站运行约束

界约束等

界约束、最小/最大连续减负荷时间约

束等

水库运行约束、发电机组运行约束、

水-电转换关系

界约束、储氢罐运行约束、压缩机运

行约束等

电池容量约束、电池运行约束等

常用建模方式

水电转换关系：非线性函数[20-22]、线

性函数[23]、多元分段线性函数[24]

实数水流延时模型[25]

1组二元变量[14]

2组二元变量[26]

3组二元变量[27]

离散场景[35-40]、

不确定集[41]

仿真获得氢-电转换关系[42-43]

交流潮流模型[44]、

直流潮流模型[45]

交直流混联潮流模型[46]

不确定集表征[41,47]、

模糊数表征[48]、

概率分布表征[49]

分类建模[50]

抽水蓄能模型[51]

氢储能模型[52]

电池储能模型[53]

299

新型电力系统第 2 卷

确描述各类储能装置的运行过程。

“源网荷储”各类系统元件是电力系统平稳运

行的硬件保障，除此之外，电力系统运行过程中

还需解决的问题可以大致分为调度问题和规划问

题。在新型电力系统的调度问题中，系统运行周

期长度较短，需要在模型中比较详尽地描述各要

素的运行过程，调度对象可以包括各类发电机组、

可控负荷以及储能设备的工作过程等。而在新型

电力系统规划问题中运行周期较长，规划对象包

含发电机组位置和规模、电网拓扑、负荷位置和

规模以及储能位置及容量等。近年来，在电力系

统规划问题的研究中，系统运行调度问题得到了

越来越多的关注，能否合理求解运行策略对于规

划结果的质量具有愈加显著的影响

［55］

。其原因在

于随着新能源在电力系统中的接入比例逐渐升高，

系统运行过程中的不确定性大幅增强，只有合理

地完成对系统运行的调度，才能明确规划问题所

需的系统参数规模，进而求得高质量规划结果。

由此可见，新型电力系统运行机理在高比例

新能源接入的发展背景下有着非常重要的研究价

值。新型电力系统的显著特点之一是高不确定性，

为了应对这一问题，已有多种随机优化方法被提

出，主要包括基于场景的方法、机会约束方法和

鲁棒优化方法

［56-57］

。基于场景的方法通常借助历史

数据获取概率分布信息

［58］

，通过有限个已知实现

概率的场景来表示原本的不确定性，但获取准确

的概率分布信息往往存在困难，而且求解速度受

场景数影响很大。机会约束优化方法通过量化约

束被满足的概率来平衡经济性与可靠性

［59-60］

，其优

势在于对刚性约束的松弛化处理，缺点则是求解

结果只能保证一定概率的可行性。鲁棒优化方

法

［33-34，41］

通过不确定集的形式来表征不确定性，

但由于在调度过程中极端场景也会被考虑在内，

鲁棒性的保证往往导致成本的上升。通过合理添

加不确定集内的顶点场景，多阶段鲁棒方法可以

降低鲁棒优化方法的保守性

［41］

。

以上方法聚焦于电力系统对于不确定性的处

理，其中的问题描述以及求解过程对本文建立模

型框架有一定的参考价值，但其中新型电力系统

的组成要素不够齐全，系统整体模型框架有待完

善，因此我们结合新型电力系统的发展需求，提

出并解决了本文的核心问题一。当建立了新型电

力系统合适的框架结构，除了经济性和可靠性指

标，还需要使用合理的碳排放指标来对于系统的

碳减排潜力进行衡量并规划恰当的建设方向，由

此引出了本文的核心问题二。下面针对核心问题

二，将电力系统碳排放指标的研究现状进行总结。

目前电力系统碳排放量衡量方法主要包括平

均排放因子和边际排放因子。总碳强度是一种平

均排放因子，其含义为电力生产中化石燃料产生

的二氧化碳总排放量与系统总发电量的比值

［61］

，

一般应用在一个国家或地区的大规模问题中。为

了明确不同电源类型组合的系统的碳排放因子，

一般定义对应于系统发电方式的碳排放因子，例

如：在使用火力发电及风力发电的系统中，碳排

放因子为化石燃料产生的二氧化碳排放量与火电、

风电发电量之和的比值

［62］

。总碳强度的数值大小

与地区内发电系统的多个指标相关，文献中经常

使用指数分解分析法来对总碳强度变化的驱动因

素进行研究

［61］

。边际碳排放因子一般针对单个地

区进行计算，其含义为系统发电量改变单位容量

时所引起的碳排放量变化量

［63］

。边际碳排放因子

一般通过历史数据进行估算，可以对于一段时间

的系统运行数据进行整体估算，也可以根据运行

特点按运行周期进行分类并分别进行边际碳排放

因子的估算。

以上碳排放指标的适用范围为某一类发电方

式或某一地区，难以对系统中的具体某个组成要

素进行碳排放指标测定。除此之外，对于电力系

统的规划问题，一般使用传统的规划方法，在一

定目标函数下求出满足系统运行约束的规划方案，

但此类方法在系统规模较大时往往计算复杂度很

高，难以求解。因此，本文引出了“理想系统”

的概念，并在此基础上给出了新的碳排放指标和

方法。

本文的核心贡献在于总结了电力系统的组成

要素及其建模方法，并在我国新型电力系统建设

背景下，给出了一套系统组成的框架结构及适用

300

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新型电力系统NewTypePowerSystemsVol.2No.3Aug.2024第2卷第3期2024年8月适用于新型电力系统调度和规划的数学模型框架及碳排放指标分析韩智涵，翟桥柱，周玉洲，曹晓宇，管晓宏（智能网络与网络安全教育部重点实验室(西安交通大学)，西安710049）MathematicalModelforNewTypePowerSystemSchedulingandPlanningandAnalysisofCarbonEmissionIndicesHANZhihan,ZHAIQiaozhu,ZHOUYuzhou,CAOXiaoyu,GUANXiaohong(MinistryofEd...

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