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电力动态碳排放责任因子
江亿1，张吉1，张涛1，刘晓华1，薛志峰1，刘一民2，史景坚3
（1. 清华大学建筑学院, 北京市 海淀区 100084
2. 国网华北分部调控中心, 北京市 西城区 100053
3. 国网北京市电力公司, 北京市 西城区 100031）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.240573
随着高比例可再生能源的接入与高比例电力电子设备的应用，新型电力系统表现出“双高”特征，供给侧和需求侧同时面临较大不确定性，如何安全高效地消纳间歇性可再生能源已成为新型电力系统面临的重大现实问题。由于电源侧可灵活调节电源受限，电力平衡对负荷侧的灵活性调节提出了迫切需求，提升“源荷互动”水平已经成为实现未来高比例新能源高效消纳和新型电力系统安全运行的客观要求和必要基础。
新型电力系统建设背景下，需要充分发挥海量用电终端具有的储能和灵活用电资源来解决电力系统的实时调节需求。为调动用电终端柔性用能能力，电力部门已采取相关尝试，主要包括：需求侧响应、负荷聚集商、分时电价等措施，虽然取得了一定成效，但并没有解决电网实时变化的调节需求。对于电网侧难以对海量用户逐一给出调控要求，对于用户侧缺少能够实时参与到电力系统调度的引导指标。本研究旨在解决：上层电网有调节需求、下层建筑自身具有柔性/灵活性调节能力之间的技术壁垒，从而充分发挥建筑等用户侧的可调节资源，助力新能源并网消纳，保障电力供需平衡，促进低碳绿色发展。
图1 新型电力系统如何调动用户侧参与电网调节
本文针对充分发挥海量用电终端具有的储能和灵活用电资源来解决电力系统的实时调节需求，提出利用“电力动态碳排放责任因子”(Cr)激励用电终端进行自律式调节的方法。首先，结合国际气候变化领域“共担责任法”理论，明确了电力动态碳排放责任分摊的基本原则；然后，基于发电机组运行特性，提出了电力动态碳排放责任因子的计算方法；根据电力系统实际运行数据，论述了该方法的“碳量平衡性、调峰一致性、发展可持续性和激励灵敏性”；最后讨论了各用电终端的自律式调节方式及相关实施进展。
1）基本原则。
面向电力系统源荷互动需求，“电力动态碳排放责任因子”(Cr)，其实质是对每个瞬间真实直接碳排放量在电源侧和用户侧之间一种基于电网供需关系的碳排放责任分摊，即用电侧每消费单位千瓦时电力所分摊的碳排放责任。该方法将电力系统减碳任务和大比例风光电下的调节任务结合起来，形成了“生产侧抓效率，消费侧抓总量”的减碳路径，从而实现生产侧与消费侧的“双控”，需要满足：碳量平衡性、调峰一致性、发展可持续性和激励灵敏性四项基本原则。
图2 碳排放责任分摊实现生产侧与消费侧“双控”
对于一个具备足够电源容量的供电区域，内部相互之间的输电能力足够大，不存在输电线路阻塞现象，其域内各个电源在一定意义上可以相互替代时，可对此区域每个瞬间确定统一的用户侧承担电力动态碳排放责任因子(Cr)，它是由当时各个电源运行状态决定转移至用户侧的度电碳排放责任。比如，火电机组在加大出力，以满足顶峰需求时，碳排放责任被更多地转移至用户侧；当电力系统处于负荷低谷时，火电机组发电和当时的碳排放不再是为了满足用户用电的需求，而是为了维持其热备用状态，此时的碳排放应由生产侧承担。以我国北方某供电区为例，根据该方法计算Cr在每天都会大范围变化，全年波动范围在0.0～1.7 kgCO2/kWh之间。
图3 我国北方某供电区域典型周电力碳排放责任因子变化
Cr变化趋势可以反映电网供需关系，其激励作用与电网调度需求一致。当火电机组顶峰大负荷率运行，抽蓄机组发电，系统旋转备用占用率较高时，Cr数值较高，引导负荷侧尽可能降低用电功率；反之，当火电机组低负荷率压火运行，抽蓄机组抽水，系统旋转备用充裕时，在Cr数值较小，引导负荷侧尽可能加大用电功率，从而有效帮助电网消纳风光电力、减少弃风弃光。通过这种对于终端用电的调节行为，可以降低电源侧对旋转备用资源和储能资源的需求，缓解电网供需平衡压力，从而降低电力系统的碳排放量。
图4 Cr与用户侧低碳行为一致性
依据本方法同样可以对各电源机组的碳排放责任进行核算。其中，水电、风电、光电和集中储能机组等零碳电源均承担负碳排放责任，从而获得减碳收益，但是发电时间的差异造成了各电源度电碳排放责任的不同。对于火电机组的度电碳排放责任与其是否参与电力系统调度相关，可作为衡量其灵活性调节的关键指标，从而促进火电机组灵活性改造。
图5 Cr与电源侧低碳行为一致性
区域电力调度中心根据对第二天电力负荷和新能源的预测，计划次日机组运行曲线，由此可以得到Cr日前趋势，供用电终端参考；同时，根据机组实时出力情况，每十五分钟更新Cr实际值，以激励用电终端进行实时响应，调节用电行为。目前国内多个建筑电器厂商正在积极开展可以响应Cr的建筑电器智能产品的研发，主要包括：空调、风机和水泵等。
图6 可自主响应的终端设备
目前，本文提出的Cr方法已实现“计算-发布-传输-接收-响应”全链路贯通。国网华北分部根据机组日前计划和实时运行数据分别计算Cr日前趋势曲线和15min间隔的实时值，下发至国网北京市电力公司综合数据平台；然后通过用电信息采集系统和智能能源服务平台，采用HPLC和以太网的通信方式将Cr数据传输至用户末端；在通州新型电力系统实验室已开展空调与充电桩的实时响应调节，部分具备能源管控系统的负荷聚集商(如建筑/充电桩运营服务公司等)通过以太网接收Cr，各自制定响应策略，参与电网实时调度，实现用电低碳化。
引文信息
江亿，张吉，张涛，等．电力动态碳排放责任因子[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：7024-7038．
JIANG Yi，ZHANG Ji，ZHANG Tao，et al．Dynamic carbon emission responsibility factor of electricity[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：7024-7038(in Chinese)．
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责编：朱腾翌
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