碳视角下的电力系统转型 康重庆 清华大学 电机工程与应用电子技术系主任 院长 能源互联网创新研究院 清华四川能源互联网研究院院长 2021 年 9 月 目录 略 1' 碳达峰碳中和纳入国家发展战 2 、 电力系统低碳转型成为关键 抓手 3 、 电视角 VS 碳视角 4 、 碳视角 5 、 碳视角下的电力系统转型 (1) 碳计量与碳追踪 (2) 碳规划与碳轨迹 (3) 碳减排与碳优化 (4) 碳市场与碳交易 " 碳达峰碳中和 " 纳入国家发展战略 2020 年 9 月，习近平在第七十五届联合国大 会 . 2030 前碳达峰 C - 2060 前碳中 和 30-60 双碳目标 一般性辩论上发表重要讲话 〃中国将提高国家自主贡献力度， 采取更加 有力的政策和措施，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。 " 2035 年远景目标 -8 本 实现社会主义现代化 碳达峰期 2050 年远景目标 — 全面建成小康社会，瓢土 会 主义现代化，建成美丽頓 碳中和期 电力系统低碳转型成为关键抓手 现阶段下中国能量平衡图 (2020) 碳中和下中国能量平衡图 (2060) uik 筑能 濒 交通 • 电力碳中和路径一构建以新能源为主体的新型电力系统 " 电视角〃 VS " 碳视角 " 电表计量 〃内因驱动〃的发展模式 碳计量 碳排放流 碳优化 碳交易 〃碳视角 " 看电力系统 碳规划 〃碳中和目标〃倒逼模式 碳视角 从 " 碳视角〃出发，形成电力系统碳排放分析与优化的基础理论方法 — 方面，建立〃碳视角”下电 力系统全环节碳排放计量与分 析的基础理论与方法 “ 碳视角吓电力系统全环节碳排放计量与分析 战略 - 技术 - 市场的电力系统低碳化全方位解决方案 电力系统的低碳调度与运行 碳减排 另一方面，面向碳达峰碳中和 技术保障 碳优化 目标』研究电力系统低碳化转 型的成略 - 技术 - 市场的协同 碳規划 I 碳轨迹 作 用机制与全方位解决方案 碳达峰碳中和目标下的电力转型路径 8 科学问题一：电力系统全环节碳排放计量与分析 S 当前现状：主要关注发电侧碳计量，且是简单的非时变的固定碳排放系数 IPCC “ 三可原则〃 可测量可报告可核实 _____f 综謡潔低 . 如何全环节精确碳计量？ . 如何实时碳排放追踪与溯源？ • 电■碳排放因子的多时空分布规律 ? ［科学问题：从 " 碳视角〃出发，基于 IPCC " 三可原则〃的电力系统全环 I 〔茧醐放辻量与分折瓯 i 9 科学问题二：战略■技术■市场的电■碳耦合机理与优化 当前现状：当前电力行业的低碳研究一般用简单的碳排放总量约束来体现碳要素 电力系统的低碳调度与运行 技术保障 市场机制 电朝合 的 .kr 电力系 醐 促进碳减排的电力市场与机制 电 - 碳耦合 的市场机制 化 技术耦合• -• 电力技术与低碳技术 市场耦合一•电力市场与碳市场 战 碳达峰碳中和目标下的电力转型路径 略耦合•一能源战略与双碳战略 ［科学问题：面向双碳目标，电力行业的 " 战略 - 技术 - 市场“的电 - 碳耦合机理 ］ ［与协同优化问题。 L___________________________________________________________________________________________________________________ 1 10 碳视角下的电力系统转型：技术特征 从 " 碳视角〃出发，审视电力系统的碳计量技术与规划 , 运行 , 交易方法 电力系统低碳化的〃电 - 碳耦合〃关键基础问题 规划 交易 碳市宓 目标：为电力行业低碳化的理论 , 方 法 , 机制以及政策的硏究，为我国电 力 行业双碳转型的研究与实践提供理 论 依据与模型方法。 碳计量与碳追踪 碳规划与碳轨施 碳减排与碳优化 碳市场与碳交易 11 碳视角下的电力系统转型 碳计量与碳追踪：精确计量电力碳排 放，多时空实时溯源 源侧计量 多时空碳流 用户侧计量 关键技术 : 基于碳排放流的多时空尺度碳计 量 与碳追踪方法 电力系统碳排放流 电力系统碳扌非放流 : 电力系统碳排放流是依附于电力潮流存在且随系统有功潮流定向移动的 耦合碳排放 主要指标 度 • 支路碳流量 • 支路碳流率 • 支路碳流密 • 节点碳势 碳排放流分析与计算过程 潮流分析 碳流分析 碳排放分析 对应 引申 有功功率 碳流率 电量 碳流量 対应 碳排放率 引申 碳排放量 引申 节点碳势 碳排放强度 量化电力传输和消费过程中的蹒 E 放 13 电力系统全环节碳计量与分析 基于碳排放流的电力系统全环节碳排放计量与分析 3 。呻 2 支路碳流密度和 Bus2 的节点碳势 0.79 39 时段 58 20 ---- 支路 C -----BUS2 14 碳视角下的电力系统转型 碳规划与碳轨迹：未来电力系统低碳转 型规划与技术路径 电碳约束 源网荷储协同规划 关键技术：电■碳耦合约束驱动下的源■网•荷■储 协同演化规划 15 面向双碳的电力能源规划 综合考虑能源 - 经济 - 绿色目标，将低碳发电系统模型 - 精细化全景电网运 行 模拟 - 负荷侧的需求响应 - 多时空尺度储能体系，形成面向双碳的电力系 统 模拟规划模型，研究电力系统低碳化转型创新技术与发展路径 网：精细化电网运行模拟 源：面向低碳转型的发电系统模型 KfflH 冋脩度侦）［中維度（月 , 冊）短期 »H"J* 度（日） 水电 水电 «« wtt •5X 化 -Z_l （全酎段安全为 * 化 源网荷储 X 交叉融合 HS?S \ 毎个时段 机俎馆舍〉 田 ■ I 考虑生 間證 遗率和 !in 浅 说联的电河 交 V 裝體化 蜂合号虑火 *<u 鎮电 . 也，怆 机 .- 电，风电、 允伏、尤 姑、佐 帔等步不 3 电 性以及泛 A 火 屮 . 网远行夏余 为-*UM 电网側 储：多时空尺度储能体系 商 it 分解 hj. 0 | 全 早圳岀力波 发电側一动 . 季节 a也 0W :日 用户例一内 ««« 谷 长■賞求 E& 短时储能 长期儲能 16 面向双碳目标的全景电力规划 考虑电 - 碳耦合的内嵌小时级全景运行模拟的 多区 域源 / 网 / 荷 / 储一体化规划 计算区 ! »AK ; 投资成本 负荷水 平 及持 tt 可调，电 源 装机容 量 新施源 投资 决策 约束 : 均束 : 条件 出力特 性 ；清洁您源 i ! 发电 fit 占比 ! 目标函数：投细於 电力 充裕 度 约束 可再 生能 源 滲透 率均 束 运行模 拟 输出区 t 嚟衝 KMT] 8 760h 运行模抵 L 绻能装机 ① 華点功率 平 衝约束 扣能湖利用率 ② 灿潮 at 约束 i ③ Wi 能运行约 * » ! 综含度电 I ! 束 ④ 火电运部束 成本 i ⑤ 可再生能源 约束 运行啲 跨区电力电量流 各区域 8760 小时运行模拟 各区域电 - 碳耦合评估 低碳规划方法与平台 • 8760 小时全景运行模拟与规划技术，已形成软件平台，服务双碳电力规划 够市農野占比 炉岫 gtayrl*" 丽阳 nt* 各祕險 S 心 部洒点■ 0X0 ©7K»EK« 18 碳视角下的电力系统转型 d 碳减排与碳优化：各类低碳电力技术的 5 减排效益与协同优化 低碳调度 灵活性 稳定性 关键技术：考虑安全稳定约束的电力系统低碳运 行 方法 19 低碳电力调度 □ 不同低碳电源类型 口主要方法 / 常规火电厂 +CCUS • 可再生能源调度方法 / 水电（抽水蓄能） • 面向低碳的电力调度建模、优化 与决策 / 核电 / 风电、光伏 I 技术 低碳要素 / 光热发电 / •••♦♦ • 目标函数 约束条件 决策变量 电平衡 + 碳平衡 I 网络传输约束 I 负荷平衡约木 机组运行约京 ］ 碳捕集技术 CCS 与电力系统优化运行 Generation cycle Energy used for: CO2 002 W dccomposo & • CO2 Compross Net output 21 碳视角下的电力系统转型 碳市场与碳交易：提出激励相容的电■ 碳 耦合交易体系 电■碳耦合 的 交易体系 关键技术：考虑碳市场与电力市场协同的模拟 与交易技术 22