混合电力市场下碳排放流的分配范文

摘要：

从消费角度分析了碳排放对制定相应的二氧化碳减排政策具有的重要参考价值。结合电力系统的特点，提出了碳排放流的概念，并将其应用于电力负荷的碳排放计算。针对联营交易与双边交易共存的混合电力市场，提出了一种基于交易的碳排放流计算模型。该模型考虑了负荷所参与电力交易方式的差异。首先，根据各交易对支路潮流的使用份额，将对应于网络损耗的碳排放分配给所有电力交易。然后，将网络损耗从原始有损网络中移去，实现联营交易与双边交易的解耦。最后，将双边电力交易继续从网络中减去，得到只存在联营交易的无损网络。在新网络中，应用潮流追踪将相应的碳排放分配给联营交易内部的各子交易。将上述计算过程合并，即可得到对应负荷电力消费的碳排放。所得结果可向负荷提供与其电力消费有关的碳排放信息，这将可能影响负荷的消费行为并有助于低碳电力的发展。最后，以简单节点系统为算例，验证了所提计算模型的有效性。

关键词：

碳排放流；混合电力市场；网损分摊；低碳电力

电力行业已经成为最大的碳排放源之一，特别是在中国，电力发电所排放的二氧化碳占总碳排放量的比例多达40%[1-2]。因此，电力行业的低碳发展对于二氧化碳减排至关重要。在实现二氧化碳减排的诸多对策中，碳排放交易市场被寄予厚望。为建立碳排放交易市场，多数研究者认为，应当首先确定合理的碳排放责任，这需要制定一个公平合理的碳排放计算方法。对于电力行业，传统的碳排放计算方法，如统计法[3-4]和生命周期分析法[5]，主要关注发电厂产生的“看得见”二氧化碳排放。这些方法通常假定生产者应当为产品生产过程中所排放的二氧化碳负责。尽管电力消费过程中不产生任何二氧化碳，事实上，发电所排放的二氧化碳根源于电力消费，消费者应当为电力生产而产生的二氧化碳负责。从消费的角度理解、分析二氧化碳排放是十分必要的。当电力消费对应的碳排放能够确定，消费者便能够管理自己的消费行为，以帮助二氧化碳减排。在电力系统中，不同的负荷可能由多个电源供电。由于不同电源的碳排放强度通常不同，前面提到的仅采用一个平均碳排放系数进行相应碳排放计算的方法不适用于电力系统中负荷的碳排放计算。文献[6]提出碳排放流的概念来分析网络中的碳排放流，并将其用于负荷碳排放计算，取得了很好的效果。随后，研究者针对网络中的碳排放流展开了多方面的研究。文献[7-8]分别探讨了电力系统中碳排放流的计算方法，并以简单的系统进行了验证。文献[9]进一步研究了碳排放流在系统中的分布机理。文献[10-12]应用碳排放流的概念对六大区域电网之间电力传输对应的碳排放转移进行了分析。文献[13]将碳排放流计算从有功功率延展到复功率，通过复功率潮流追踪负荷碳排放。文献[14]则将随机潮流引入碳排放流的分析，变原有的确定性碳排放流为随机碳排放流，进一步拓展了碳排放流的应用范围。上述研究都是基于潮流追踪所应用的比例共享假设[15-17]。在电力联营市场中，负荷消耗的电能没有被指定供电电源，假定负荷由网络中所有的电源共同供电、比例共享是合理的。然而，在混合电力市场中，采用双边交易的负荷由确定的电源供电，相应的碳排放也应当直接归算到该负荷，此时比例共享的原则不再合理。因此，在一个混合电力市场中，必须采用新的碳排放计算方法对负荷进行碳排放计算。本文提出一种以交易为分配主体的计算模型，来解决混合电力市场下的负荷碳排放计算问题。计算模型以电力交易为碳排放分配的主体。负荷所消费的电力由联营交易和双边交易两部分组成。对于负荷，其双边交易和联营交易的供电电源一般不同，即碳排放源不同，所以在计算各交易对应的碳排放时，双边交易和联营交易需分别处理。有损网络中，网络损耗由2种交易共同作用而产生，为实现双边交易和联营交易的解耦，根据各交易对线路的使用份额，将网络损耗对应的碳排放分配给各交易。将双边交易和联营交易解耦之后，应用追踪法计算联营交易内部各子交易的碳排放。合并计算即可得到对应负荷总电力消费量的碳排放。上述计算模型考虑了负荷参与的电力交易类型，能够应用于同时存在双边交易和联营交易的电力市场。通过对简单5节点系统进行测试，验证了该计算模型的有效性。

1碳排放流在两种交易方式间的分配

1.1碳排放流分析中的两个概念在碳排放流分析中，有2个重要的概念：碳流率和碳强度(也称碳密度)。两者将碳排放与电力系统中的潮流相结合，构成电力系统碳排放流分析的基础。根据文献[6]的定义，碳流率R定义为单位时间内网络通过的二氧化碳排放量，用来描述网络中碳排放流的速率，对应于潮流分析中的功率。碳排放强度e则定义为生产单位电能所产生的二氧化碳排放量，用来描述电能的碳排放属性。

1.2潮流追踪与碳排放流计算本文所涉及的混合电力市场，有2种形式的电力交易：联营交易和双边交易。对于双边电力交易，功率的源、汇是确定的，相应的，碳排放流的源、汇也是固定的。因此，双边交易应当与联营交易区分开来。在无损网络中，潮流计算通常采用线性的直流潮流方程。由于系统满足叠加性，所有的双边电力交易可以从原始网络中直接移除，余下的部分即为一个只存在联营交易的网络。然后，基于比例共享原则，负荷处的碳流率可以仿照潮流追踪追溯其源头。

2网损碳流率的分配

有损网络中，网络损耗由系统中所有的电力交易共同决定。网损的存在使得2种类型的交易不能直接解耦。考虑将网络损耗单独处理，以一定规则分配给不同交易，则去除网损后的网络可以视为一个无损网络，即实现了从有损网络到无损网络转换。借助上一节中的计算方法，系统的碳流率可进一步向各交易分配。直接应用追踪法，能够将网络损耗对应的碳流率分配到各个节点[8]，但分配结果是基于比例共享原则得到的，不能考虑负荷参与双边交易的情况。在混合市场下，碳排放计算的主体是交易，网损碳流率分配过程中，需要区分双边交易和联营交易。基于线路使用份额的分配方法以各个交易为主体，能够根据各交易对支路的使用份额，将支路损耗对应的碳流率向不同交易进行合理分配。因此，有损网络中，负荷碳流率计算可分2部分：一部分，根据交易对支路潮流的使用份额，将网络损耗对应的碳流率分配到不同的交易；另一部分，移除网络损耗和双边交易，形成只存在联营交易的无损网络，应用追踪法计算负荷参与联营交易所应分配的碳流率。然后，合并计算可得到负荷最终应分配的碳流率。首先计算支路损耗对应的碳流率，其可以利用节点碳强度法求解[18]。但这种方法不能给出支路损耗碳流率的来源构成，在移除网损功率时，不能确定各机组应当减去的功率。考虑用追踪法求解支路损耗对应的碳流率[8]，将支路损耗视为支路上的一个负荷，原系统扩展到n+l个节点。利用上一节介绍的追踪法，可得到任意节点负荷向量PD与机组出力的关系。

3算例分析

调用MATPOWER求解各双边交易单独作用下系统的潮流分布。应用式(16)，支路损耗对应的碳流率根据各交易所引起的支路潮流大小进行分配，得到分配结果如表4所示。将网络损耗和2项双边电力交易从原始有损网络中移除，得到只存在联营电力交易的无损网络。将表3中第3至5列求和，可得机组G1、G2和G3对系统网损的贡献分别占各自出力的2.8%、3.0%和2.3%。则在新网络中，机组G1、G2和G3的有功出力分别为47.2、47.0和5.8MW，负荷L1和L2的有功功率需求均为50MW。调用MATPOWER重新计算网络中的潮流分布，网络分配矩阵T可由式(8)(9)和(10)计算得出。由式(19)可得每个负荷最终分配到的总碳流率，结果见表6。为便于比较，表中给出了同样负荷条件下应用文献[8]中追踪法所计算的负荷碳流率。对于负荷L2，其通过双边交易向机组G1购电。在追踪法下，消费了等量电能的负荷L1和L2碳排放分配值相差不大。实际上，由于同低碳强度的机组G1有50MW的双边交易，负荷L2购买了更多的低碳电力。追踪法的分配结果不符合购买更多的低碳电，分配到更少碳排放的预期。有损网络下，本文方法计算得到的负荷L2的分配值比负荷L1少26%。同时，与追踪法结果相比，负荷L2的碳排放分配值降低了18%。若负荷L2与机组G1的双边交易量继续增大，2种计算方法下所得到的负荷L2分配的碳流率差异将会更大。上述计算结果表明，本文所提方法能够计算对应负荷电力消费的碳排放，并且能够考虑负荷参与双边电力交易的情况。同时，计算结果能够向各个负荷提供其碳排放的构成信息，这使得负荷可以通过以低碳强度电源替代高碳强度电源的方式来减少自身的碳足迹。随着电力市场的放开，双边交易的范围将逐渐扩大。基于低碳消费的意识，负荷可能更倾向于向低碳强度机组购电，这将有助于风电、太阳能发电等低碳电力的发展。

4结论

本文提出一种混合电力市场背景下的基于交易的碳排放流计算模型，将碳排放由传统的发电侧归算到负荷侧。根据不同交易对线路的使用份额，将支路损耗对应的碳排放分配给不同的交易。随后将网损和相应的机组出力从原网络中移除，实现双边交易和联营交易的解耦，系统碳排放进一步向各交易进行分配。合并计算即可得到各负荷对应其电力消费的碳排放量。简单算例结果表明：在混合电力市场下，与追踪法相比，本文方法考虑了负荷参与电力交易的类型，使得与低碳机组订立双边交易的负荷能够获得更低的碳排放分配(本文算例下，负荷L2的分配值减少了18%)，得到的结果更为公平、合理。随着节能减排的推行和低碳观念的普及，负荷侧的碳排放管理亟待重视。本文提出的方法能够向电力用户提供相关的碳排放构成信息，这将可能影响用户的消费行为并有助于低碳电力的发展。

作者：陈达 鲜文军 吴涛 余秀月 郭瑞鹏 单位：浙江大学电气工程学院 国网青海省电力公司 国网冀北电力科学研究院 国网福建省电力公司