陳　強(qiáng)　上海電力設(shè)計(jì)院變電部

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一種基于等排放微增率的電力系統(tǒng)碳排放權(quán)分配機(jī)制研究

陳強(qiáng)上海電力設(shè)計(jì)院變電部

摘要：分析了火電機(jī)組的碳排放特性，提出了一種多機(jī)組碳排放權(quán)分配的等排放微增率原則，證明了基于該原則的碳排放權(quán)分配可以使系統(tǒng)的減排效果達(dá)到最優(yōu)。通過(guò)引入算例，對(duì)基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制和基于排放績(jī)效的碳排放權(quán)分配機(jī)制進(jìn)行了計(jì)算分析，從分配結(jié)果來(lái)看，基于等排放微增率的分配機(jī)制的減排效果要優(yōu)于排放績(jī)效的分配機(jī)制。另外，基于等排放微增率的分配機(jī)制能夠很好的融合到機(jī)組出力計(jì)劃的編制中，具有較好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：碳排放權(quán)；分配；等排放微增率；機(jī)組出力計(jì)劃

由于電源結(jié)構(gòu)中70%以上由火電構(gòu)成，我國(guó)電力行業(yè)的CO2排放量約占總排放量的40%[1]，單位電排放水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有著巨大的差距，因此電力行業(yè)有著巨大的碳減排潛力。電力系統(tǒng)通過(guò)建立碳排放管理體系來(lái)挖掘電力系統(tǒng)現(xiàn)有減排潛力、優(yōu)化資源配置，實(shí)現(xiàn)碳減排。作為碳排放管理體系中的重要一環(huán)，碳排放權(quán)的交易與分配越來(lái)越引人關(guān)注。

在碳排放權(quán)交易方面，文獻(xiàn)[2]采用模仿者動(dòng)態(tài)算法模擬發(fā)電公司追求利潤(rùn)最大化的行為，通過(guò)算例分析得出了碳排放權(quán)交易機(jī)制的引入對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的影響。文獻(xiàn)[3]通過(guò)隨機(jī)生產(chǎn)模擬估計(jì)CO2配額價(jià)格，建立發(fā)電公司的最優(yōu)報(bào)價(jià)策略的機(jī)會(huì)規(guī)劃約束模型并進(jìn)行了求解。文獻(xiàn)[4]將電力輸送視為碳匯流，并以此提出了基于碳交易的需求側(cè)備用交易原理，通過(guò)設(shè)計(jì)需求側(cè)備用的日前調(diào)度框架建立了考慮碳排放約束的優(yōu)化調(diào)度模型。碳排放權(quán)的分配則是碳排放權(quán)的一次分配，是碳排放權(quán)交易的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[5]提出了一種碳排放權(quán)拍賣(mài)方案，從期望收益等角度分析了嚴(yán)格競(jìng)標(biāo)和策略競(jìng)標(biāo)對(duì)發(fā)電廠帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[6]從SO2排放控制領(lǐng)域引入了排放績(jī)效概念，提出了一種基于排放績(jī)效的碳排放配額分配機(jī)制并進(jìn)行了實(shí)證分析。文獻(xiàn)[7]介紹了基于發(fā)電量的排放權(quán)分配模型和基于發(fā)電類(lèi)型的碳排放權(quán)分配模型，并對(duì)兩種模型進(jìn)行了分析比較。

本文從火電機(jī)組碳排放特性出發(fā)，對(duì)火電機(jī)組的碳排放特性進(jìn)行了研究分析，建立電力系統(tǒng)碳排放的最優(yōu)化模型，根據(jù)優(yōu)化模型的求解過(guò)程引入等排放微增率概念，提出了一種基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制。通過(guò)該機(jī)制的分配，在理論上可以達(dá)到電力系統(tǒng)減排計(jì)劃的最優(yōu)解。通過(guò)與其他幾種機(jī)制的比較分析各種分配機(jī)制在分配效率、減排效果等方面的差異，對(duì)于建立合理碳排放權(quán)分配機(jī)制，推動(dòng)電力系統(tǒng)低碳減排有著重要意義。

1　機(jī)組的碳排放特性分析

電力系統(tǒng)的碳排放特性分析為碳排放管理提供理論依據(jù)。電力系統(tǒng)的碳排放來(lái)源主要有煤電、燃?xì)獍l(fā)電以及生物質(zhì)能發(fā)電等，而由于燃?xì)獍l(fā)電占比較低，生物質(zhì)能發(fā)電釋放的CO2本來(lái)就會(huì)在自然界降解釋放，本文只考慮火電機(jī)組的碳排放特性。

對(duì)于火電機(jī)組而言，火電機(jī)組的碳排放特性主要受發(fā)電煤耗、煤的燃燒率以及煤的含碳量等因素影響?；痣姍C(jī)組的煤耗與發(fā)電出力成二次函數(shù)關(guān)系，如式（1）所示。火電機(jī)組煤耗曲線的獲得一般是對(duì)離散的煤耗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合獲得的。

式中，a 、b 、c 為機(jī)組煤耗特性參數(shù)，P為機(jī)組的出力水平，單位為MW。

由于煤炭在鍋爐內(nèi)不可能完全燃燒生成CO2，一部分形成碳顆粒以飛灰和爐渣的形式被帶出爐膛，因此煤炭的燃燒率對(duì)于機(jī)組的碳排放有一定的影響。另外，煤炭中的含碳量也是影響機(jī)組排放的因素。假設(shè)煤炭燃燒產(chǎn)生的熱全部來(lái)自碳元素的燃燒，煤炭的含碳量可由煤炭的熱值除以碳的熱值獲得。

綜上，考慮機(jī)組煤耗特性、燃燒率以及煤炭含碳量，機(jī)組的排放特性曲線如式（2）、式（3）所示：

式中，F(xiàn)(P)為機(jī)組的煤耗特性，δ為排放質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)，η為機(jī)組煤的燃燒率，ε為煤的含碳量，μ為CO2與碳的相對(duì)原子質(zhì)量比，取44/12。

2　碳排放權(quán)分配方法

2.1基于排放績(jī)效的分配方法

排放績(jī)效機(jī)制是電力行業(yè)控制氣體排放的一種新機(jī)制，目前主要應(yīng)用在SO2排放控制領(lǐng)域[6]。發(fā)電績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)（generation performance standard，GPS）是機(jī)組每發(fā)1 kWh的電所造成的排放量，電力系統(tǒng)CO2的排放績(jī)效由下式確定：

式中，Q為系統(tǒng)的CO2排放量，E為系統(tǒng)的總發(fā)電量。

排放績(jī)效可以從單個(gè)電廠和系統(tǒng)角度進(jìn)行計(jì)算，也可以從當(dāng)前和未來(lái)的角度進(jìn)行分析?；谂欧趴?jī)效的CO2排放配額分配首先要每個(gè)電廠上報(bào)當(dāng)前實(shí)際發(fā)電量和實(shí)際碳排放情況，通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)的碳排放量和當(dāng)前排放績(jī)效來(lái)評(píng)估當(dāng)前的系統(tǒng)碳排放水平。在考慮可行性的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)未來(lái)的碳排放量及未來(lái)發(fā)電量，以此來(lái)確定系統(tǒng)未來(lái)的排放績(jī)效，結(jié)合電廠的實(shí)際發(fā)電量來(lái)完成碳排放配額分配?；谂欧趴?jī)效的配額分配流程如圖2所示。

圖1　基于排放績(jī)效的分配流程

2.2基于等排放微增率的分配方法

設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有n臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組相應(yīng)的每小時(shí)碳排放量可以由機(jī)組出力根據(jù)式（2）求得。建立排放最優(yōu)模型，目標(biāo)函數(shù)為碳排放總量，通過(guò)求解該最優(yōu)化模型可求得系統(tǒng)的機(jī)組組合計(jì)劃和出力計(jì)劃。

模型的等式約束條件是保持功率平衡，運(yùn)用拉格朗日乘子法建立增廣目標(biāo)函數(shù)：

式中，PL為系統(tǒng)總負(fù)荷，MW。

模型的不等式約束有機(jī)組出力約束和爬坡速率約束，即：

式中，S表示開(kāi)機(jī)機(jī)組集合，Paj為開(kāi)機(jī)機(jī)組j的爬坡特性。

在確定的機(jī)組組合下，當(dāng)機(jī)組出力約束和爬坡速率約束都滿足時(shí)，系統(tǒng)碳排放量最小的條件是使L最小化，即：

由此可知，當(dāng)各機(jī)組的碳排放微增率λ都相等時(shí)系統(tǒng)的碳排放特性達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)系統(tǒng)的每小時(shí)碳排放量最小，可確定每臺(tái)機(jī)組的出力Pj：

通過(guò)式（8）可知，通過(guò)等排放微增率得到的機(jī)組出力與通過(guò)等煤耗微增率得到機(jī)組出力有著明顯的不同。將Pj代入對(duì)應(yīng)機(jī)組的碳排放特性曲線即可得到相應(yīng)的碳排放量Qj(Pj)，這就是多機(jī)組碳排放權(quán)分配的等排放微增率原則。

3　算例分析

本章通過(guò)引入算例，分別運(yùn)用排放績(jī)效法和等排放微增率法對(duì)一個(gè)日發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行碳排放權(quán)分配。某系統(tǒng)確定的當(dāng)年CO2排放績(jī)效為905.8 g/kWh，其負(fù)荷由6臺(tái)發(fā)電機(jī)來(lái)承擔(dān)，其中1000 MW機(jī)組1臺(tái)、600 MW機(jī)組2臺(tái)、300 MW機(jī)組3臺(tái)，機(jī)組排放參數(shù)如表1所示。

系統(tǒng)負(fù)荷的某日負(fù)荷可簡(jiǎn)化為高峰、中間和低谷三個(gè)時(shí)段，如圖2所示。對(duì)于等排放微增率分配，建立最優(yōu)化模型并對(duì)等排放微增率、機(jī)組組合及每個(gè)機(jī)組的出力進(jìn)行求解，將求解得到的機(jī)組出力代入排放特性曲線就可完成碳排放權(quán)分配。分配結(jié)果如表2所示。

表1　算例機(jī)組排放參數(shù)

表2　基于等排放微增率法分配結(jié)果

圖2　算例日負(fù)荷曲線

基于排放績(jī)效分配首先煤耗最優(yōu)原則確定機(jī)組組合，并在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)組進(jìn)行等煤耗微增率有功分配，得到每個(gè)機(jī)組計(jì)劃發(fā)電量，再結(jié)合系統(tǒng)的排放績(jī)效將碳排放權(quán)分配到機(jī)組。兩種分配機(jī)制的分配效果比較如表3所示。

表3　兩種分配機(jī)制的分配效果比較

通過(guò)對(duì)比可知，基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制的減排效果要比基于排放績(jī)效的分配機(jī)制低4.92%，而且基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制能夠直接融入到機(jī)組出力計(jì)劃的制定，適應(yīng)性較強(qiáng)。

4　結(jié)論

本文首先分析了機(jī)組的碳排放特性，提出了多機(jī)組碳排放權(quán)分配的等排放微增率原則，然后基于這種原則進(jìn)行了算例分析，并與基于排放績(jī)效的碳排放權(quán)分配機(jī)制進(jìn)行了比較。經(jīng)過(guò)算例分析可知，基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制在減排效果上要好于基于排放績(jī)效的碳排放權(quán)分配機(jī)制。另外，通過(guò)算例還可以看到，基于等排放微增率的碳排放權(quán)分配機(jī)制能夠很好的融入到發(fā)電計(jì)劃的制定流程中，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可行性。

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建筑節(jié)能專欄

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