CN115293648B - 一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法 - Google Patents

一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法，该方法首先针对电网中设备的有功与无功功率方向情况，对电网中的设备进行功率四象限定义；其次针对每类电源设备，分析其原始碳排放计算方法，计算其原始碳排放因子；接着对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流‑碳流映射；然后根据线路损耗与无功源耗电情况，建立电源的实际碳排放责任分摊结果；最后修正电源碳排放强度，构建电源实际承担碳排放计算方法。本发明能够对电网碳排放的责任进行有效分摊，精确测算有功源与无功源的实际碳排放。

Description

一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法
技术领域
本发明属于低碳技术领域，更具体地说，涉及一种电网有功源与无功源碳排放协同计算与责任分摊方法。
背景技术
在电网低碳研究上，需要掌握电网运行过程中碳流动情况、电网碳分布情况，根据阶段性双碳目标，推进电网碳减排。目前电网有功源、无功源运行工况复杂，且受环境影响因素较大，不同运行工况下不同电源的煤耗量、天然气耗量均存在较大的差别，导致不同运行工况下，不同有功源、无功源的碳排放量难以有效确定。同时，目前的碳排放计算方法忽视了无功源对网络损耗及其自身用能的影响及其等效碳排放，未能利用功率追踪方法进行碳排放责任精准分摊。因此如何定量分析电网有功源、无功源实际碳排放量及碳排放因子，是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有无功源碳排放容易忽视、未考虑有功与无功对网络损耗的协同影响等问题，本发明提出一种电网有功源与无功源碳排放协同计算与责任分摊方法，采用如下的技术方案：
一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法，该方法首先针对电网中设备的有功与无功功率方向情况，对电网中的设备进行功率四象限定义；其次针对每类电源设备，分析其原始碳排放计算方法，计算其原始碳排放因子；接着对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射；然后根据线路损耗与无功源耗电情况，建立电源的实际碳排放责任分摊结果；最后修正电源碳排放强度，构建电源实际承担碳排放计算方法。
进一步地，所述对电网中的设备进行功率四象限定义是根据设备发出还是吸收有功和无功功率的类型，将设备分为以下几种：
（1）既是有功电源，也是无功电源，包括以火电为代表的各类型发电机组；
（2）是有功电源与无功负荷，包括正在建立励磁的风电机组；
（3）是有功负荷与无功电源，包括调相机与静止无功补偿器；
（4）既是有功负荷，也是无功负荷，包括电动机负荷；
（5）纯有功电源，功率因数运行在1下的新能源机组；
（6）纯无功电源，与电网不存在有功功率交换的无功源，实际情况下不存在；
（7）纯有功负荷，包括照明与取暖负荷；
（8）纯无功负荷，包括线路与变压器中的无功损失。
进一步地，所述原始碳排放计算方法为：
其中，为电源的原始碳排放，/>为电源的有功碳排放因子，单位为kg/kWh,为电源有功出力，单位为kWh，/>为电源功率因数不同造成的权重因子，表征电源为了发出无功所多承担的能量损耗，因此电源的有功与无功原始碳排放分别为
其中，为电源的原始有功碳排放，/>为电源的原始无功碳排放。
进一步地，所述对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射的流程为：
（1）对电网中有功与无功功率进行源网荷追踪，结果假设如下：
对于线路j有功功率，其功率来自各电源的大小分别为/>，对于线路j无功功率/>，其功率来自各电源的大小分别为/>；其中m表示有功源数量，n表示无功源数量；
（2）对线路损耗按照线路功率分担比例进行来源均摊，即
对于线路j有功损耗，其损耗来自各电源的比例与线路功率/>相同，为
其中为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，/>为线路j的有功损耗，为线路j有功功率来自有功源i的大小；
（3）针对线路j的有功损耗，其原始碳排放/>为来自各来源的碳排放之和，即
其中，为有功源i的碳排放因子。
进一步地，所述构建电源实际承担碳排放计算方法，其流程为：
（1）分析网络损耗与各有功源、无功源的映射关系，其方法如下：
线路j有功损耗大小与线路上流经的功率与电压有关，为
其中，P、Q分别为线路有功与无功功率，U、R分别为线路电压与电阻；
有功源与无功源整体实际承担的损耗分别为
其中，为线路j有功损耗中由有功源承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源承担的部分；
假设线路功率来自m个有功源与n个无功源，分别为与/>，每个单独电源实际承担的损耗为
其中，为线路j有功损耗中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源y承担的部分，/>为有功源i功率，/>为有功源k功率，/>为无功源y功率，/>为无功源x功率；
（2）因此对于各有功与无功源，其实际应当承担的线路损耗碳排放应为
其中，为线路j有功损耗碳排放中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗碳排放，/>为线路j有功损耗碳排放中由无功源y承担的部分；
（3）分析无功源的耗电与有功源出力的功率与碳排放映射关系，其方法如下：
由于无功源的供给本身需要消耗网络电能，无功源的有功负荷大小与给网络提供的无功大小成正比
其中，为无功源的有功负荷，/>为无功源单位无功出力的有功消耗，对于调相机，/>取2~5%；
对于无功源的有功负荷，由功率追踪关系，得出该部分损耗原始来源共来自m个有功源，分别为/>，因此无功源由于/>实际应当承担的碳排放/>为
其中，为有功源k的碳排放因子，/>为无功源y有功负荷来自于有功源k的部分；
（4）对于每个有功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放减去原始损耗碳排放与给无功电源提供的功率碳排放，再加上线路损耗碳排放中由有功功率承担的部分；对于每个无功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放，加上线路损耗碳排放中由无功功率承担的部分，以及为了发出无功而消耗电网电量的碳排放，即
其中与/>分别为有功源i与无功源y原始碳排放， />与/>为有功源i与无功源y实际碳排放；/>为有功源i的碳排放因子，/>为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，/>为无功源x有功负荷来自于有功源i的部分；
因此，各节点的实际碳排放因子应为：
其中， 为有功源i的实际碳排放因子，/>为无功源y的实际碳排放因子。
相比于现有技术，本发明的技术方案的有益效果为：
本发明的一种电网有功源与无功源碳排放协同计算与责任分摊方法，逻辑明确、边界清晰，同时量化评估各电源对电网潮流流动与网络损耗的影响，追溯各电源的实际电源侧能量消耗与电网侧能量损失，对电网碳排放的责任进行有效分摊，精确测算有功源与无功源的实际碳排放。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2为本发明的电网源荷分布图；
图3为本发明的电网源荷功率追踪结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
本实施例提供了一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法。如图1所示，该方法首先针对电网中设备的有功与无功功率方向情况，对电网中的设备进行功率四象限定义；其次针对每类电源设备，分析其原始碳排放计算方法，计算其原始碳排放因子；接着对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射；然后根据线路损耗与无功源耗电情况，建立电源的实际碳排放责任分摊结果；最后修正电源碳排放强度，构建电源实际承担碳排放计算方法。
进一步地，所述对电网中的设备进行功率四象限定义是根据设备发出还是吸收有功和无功功率的类型，将设备分为以下几种：
（1）既是有功电源，也是无功电源，包括以火电为代表的各类型发电机组；
（2）是有功电源与无功负荷，包括正在建立励磁的风电机组；
（3）是有功负荷与无功电源，包括调相机与静止无功补偿器；
（4）既是有功负荷，也是无功负荷，包括电动机负荷；
（5）纯有功电源，功率因数运行在1下的新能源机组；
（6）纯无功电源，与电网不存在有功功率交换的无功源，实际情况下不存在；
（7）纯有功负荷，包括照明与取暖负荷；
（8）纯无功负荷，包括线路与变压器中的无功损失。
进一步地，所述原始碳排放计算方法为：
其中，为电源的原始碳排放，/>为电源的有功碳排放因子，单位为kg/kWh,为电源有功出力，单位为kWh，/>为电源功率因数不同造成的权重因子，表征电源为了发出无功所多承担的能量损耗，因此电源的有功与无功原始碳排放分别为
其中，为电源的原始有功碳排放，/>为电源的原始无功碳排放。
进一步地，所述对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射的流程为：
（2）对电网中有功与无功功率进行源网荷追踪，结果假设如下：
对于线路j有功功率，其功率来自各电源的大小分别为/>，对于线路j无功功率/>，其功率来自各电源的大小分别为/>；其中m表示有功源数量，n表示无功源数量；
（2）对线路损耗按照线路功率分担比例进行来源均摊，即
对于线路j有功损耗，其损耗来自各电源的比例与线路功率/>相同，为
其中为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，/>为线路j的有功损耗，为线路j有功功率来自有功源i的大小；
（3）针对线路j的有功损耗，其原始碳排放/>为来自各来源的碳排放之和，即
其中，为有功源i的碳排放因子。
进一步地，所述构建电源实际承担碳排放计算方法，其流程为：
（1）分析网络损耗与各有功源、无功源的映射关系，其方法如下：
线路j有功损耗大小与线路上流经的功率与电压有关，为
其中，P、Q分别为线路有功与无功功率，U、R分别为线路电压与电阻；
有功源与无功源整体实际承担的损耗分别为
其中，为线路j有功损耗中由有功源承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源承担的部分；
假设线路功率来自m个有功源与n个无功源，分别为与/>，每个单独电源实际承担的损耗为
其中，为线路j有功损耗中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源y承担的部分，/>为有功源i功率，/>为有功源k功率，/>为无功源y功率，/>为无功源x功率；
（2）因此对于各有功与无功源，其实际应当承担的线路损耗碳排放应为
其中，为线路j有功损耗碳排放中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗碳排放，/>为线路j有功损耗碳排放中由无功源y承担的部分；
（3）分析无功源的耗电与有功源出力的功率与碳排放映射关系，其方法如下：
由于无功源的供给本身需要消耗网络电能，无功源的有功负荷大小与给网络提供的无功大小成正比
其中，为无功源的有功负荷，/>为无功源单位无功出力的有功消耗，对于调相机，/>取2~5%；
对于无功源的有功负荷，由功率追踪关系，得出该部分损耗原始来源共来自m个有功源，分别为/>，因此无功源由于/>实际应当承担的碳排放/>为
其中，为有功源k的碳排放因子，/>为无功源y有功负荷来自于有功源k的部分；
（4）对于每个有功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放减去原始损耗碳排放与给无功电源提供的功率碳排放，再加上线路损耗碳排放中由有功功率承担的部分；对于每个无功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放，加上线路损耗碳排放中由无功功率承担的部分，以及为了发出无功而消耗电网电量的碳排放，即
其中与/>分别为有功源i与无功源y原始碳排放， />与/>为有功源i与无功源y实际碳排放；/>为有功源i的碳排放因子，/>为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，/>为无功源x有功负荷来自于有功源i的部分；
因此，各节点的实际碳排放因子应为：
其中， 为有功源i的实际碳排放因子，/>为无功源y的实际碳排放因子。
本发明以IEEE9节点系统为例，介绍有功与无功的实际碳排放责任分摊与碳排放因子计算方法。网络拓扑、节点出力、负荷功率、线路功率及线损如图2所示。其中有四个发电机与三个负荷节点，发电机G1、G2即是有功也是无功源，发电机G3是纯有功源，发电机G4为纯无功源，在原始碳排放中默认无功源没有碳排放，G1、G2、G3的有功碳排放因子分别为1、0.4、0.08t/MWh，G4无功源需要消耗0.5MW的有功电能。
根据源荷功率追踪结果，各线路功率、线损、负荷的功率追踪结果如图3所示。负荷5处的功率来自G1、G2、G3与G4，负荷7处的功率来自G1、G2与G4，负荷9处的功率来自G1与G2。
根据实际功率分摊结果，各线路损耗及无功源的有功消耗实际应当承担的电源及其比例结果如表1所示。
可以发现，无功电源实际上也需要对部分线路损耗进行负责，同时无功源G4需要对其来自G1与G2提供的有功电能进行负责。在此基础上，根据线路损耗的碳排放进行分摊，可以得出各有功源与无功源实际应当承担的线路损耗碳排放部分，如表2所示。
将各有功源与无功源按照实际的碳排放进行重新分配，可以计算出各电源实际的碳排放及其碳排放因子，如表3所示，
可以发现，由于无功源实际应当承担网络中损耗与间接用能的碳排放，无功源碳排放因子实际要增加，而有功源碳排放因子实际减少。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法，其特征在于，该方法首先针对电网中设备的有功与无功功率方向情况，对电网中的设备进行功率四象限定义；其次针对每类电源设备，分析其原始碳排放计算方法，计算其原始碳排放因子；接着对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射；然后根据线路损耗与无功源耗电情况，建立电源的实际碳排放责任分摊结果；最后修正电源碳排放强度，构建电源实际承担碳排放计算方法；
所述对电网中的有功与无功功率进行源网荷追踪，根据来源电源的原始碳排放因子进行潮流-碳流映射的流程为：
(1-1)对电网中有功与无功功率进行源网荷追踪，结果假设如下：
对于线路j有功功率Pj，其功率来自各电源的大小分别为Pj，1～Pj，m对于线路j无功功率Qj，其功率来自各电源的大小分别为Qj，1～Qj，n；其中m表示有功源数量，n表示无功源数量；
(1-2)对线路损耗按照线路功率分担比例进行来源均摊，即
对于线路j有功损耗ΔPj，其损耗来自各电源的比例与线路功率Pj相同，为
其中ΔPj，i为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，ΔPj为线路j的有功损耗，Pj，i为线路j有功功率来自有功源i的大小；
(1-3)针对线路j的有功损耗ΔPj，其原始碳排放为来自各来源的碳排放之和，即
其中，Ci为有功源i的碳排放因子；
所述构建电源实际承担碳排放计算方法，其流程为：
(2-1)分析网络损耗与各有功源、无功源的映射关系，其方法如下：
线路j有功损耗大小与线路上流经的功率与电压有关，为
其中，P、Q分别为线路有功与无功功率，U、R分别为线路电压与电阻；
有功源与无功源整体实际承担的损耗分别为
其中，为线路j有功损耗中由有功源承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源承担的部分；
假设线路功率来自m个有功源与n个无功源，分别为P1～Pm与Q1～Qn，每个单独电源实际承担的损耗为
其中，为线路j有功损耗中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗中由无功源y承担的部分，Pi为有功源i功率，Pk为有功源k功率，Qy为无功源y功率，Qx为无功源x功率；
(2-2)因此对于各有功与无功源，其实际应当承担的线路损耗碳排放应为
其中，为线路j有功损耗碳排放中由有功源i承担的部分，/>为线路j有功损耗碳排放，/>为线路j有功损耗碳排放中由无功源y承担的部分；
(2-3)分析无功源的耗电与有功源出力的功率与碳排放映射关系，其方法如下：
由于无功源的供给本身需要消耗网络电能，无功源的有功负荷大小与给网络提供的无功大小成正比
PQi＝αQi
其中，PQi为无功源的有功负荷，α为无功源单位无功出力的有功消耗，对于调相机，α取2～5％；
对于无功源的有功负荷PQy，由功率追踪关系，得出该部分损耗原始来源共来自m个有功源，分别为P1～Pm，因此无功源由于PQy实际应当承担的碳排放为
其中，Ck为有功源k的碳排放因子，为无功源y有功负荷来自于有功源k的部分；
(2-4)对于每个有功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放减去原始损耗碳排放与给无功电源提供的功率碳排放，再加上线路损耗碳排放中由有功功率承担的部分；对于每个无功源，其实际承担的碳排放为其原始碳排放，加上线路损耗碳排放中由无功功率承担的部分，以及为了发出无功而消耗电网电量的碳排放，即
其中与/>分别为有功源i与无功源y原始碳排放，/>与/>为有功源i与无功源y实际碳排放；Ci为有功源i的碳排放因子，ΔPj，i为线路j原始有功损耗来自于有功源i的部分，/>为无功源x有功负荷来自于有功源i的部分；
因此，各节点的实际碳排放因子应为：
其中，为有功源i的实际碳排放因子，/>为无功源y的实际碳排放因子。
2.如权利要求1所述的一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法，其特征在于，所述对电网中的设备进行功率四象限定义是根据设备发出还是吸收有功和无功功率的类型，将设备分为以下几种：
(1)既是有功电源，也是无功电源，包括以火电为代表的各类型发电机组；
(2)是有功电源与无功负荷，包括正在建立励磁的风电机组；
(3)是有功负荷与无功电源，包括调相机与静止无功补偿器；
(4)既是有功负荷，也是无功负荷，包括电动机负荷；
(5)纯有功电源，功率因数运行在1下的新能源机组；
(6)纯无功电源，与电网不存在有功功率交换的无功源，实际情况下不存在；
(7)纯有功负荷，包括照明与取暖负荷；
(8)纯无功负荷，包括线路与变压器中的无功损失。
3.如权利要求1所述的一种电网有功源无功源协同碳排放计算与责任分摊方法，其特征在于，所述原始碳排放计算方法为：
其中，EG为电源的原始碳排放，CP为电源的有功碳排放因子，单位为kg/kWh，PG为电源有功出力，单位为kWh，为电源功率因数不同造成的权重因子，表征电源为了发出无功所多承担的能量损耗，因此电源的有功与无功原始碳排放分别为
其中，为电源的原始有功碳排放，/>为电源的原始无功碳排放。
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