一种考虑可再生能源间接碳排放责任的时空碳追踪与分配方法

《Electric Power Systems Research》：A spatio-temporal carbon tracing and allocation method considering indirect carbon emission responsibility of renewable energy

碳责任分配方法研究，提出考虑时空耦合的碳追踪框架，基于离散分析理论和图模型分配可再生能源间接碳责任，结合Informer网络预测动态排放因子，通过IEEE 14节点系统验证。

　　

Jing Yan|Jingxian Yang|Junyong Liu|Kai Wang|Yufan Hong|Shuai Zhang

中国兰州西北民族大学电气工程学院，邮编730030

摘要

明确碳排放的权利和责任是实现低碳转型的基础。然而，传统的碳排放分配方法要么仅关注发电侧的直接排放，要么将责任转移给消费者，而没有考虑到由于可再生能源的波动性而来自其他发电单元的支持，这使得将全部碳排放责任仅归咎于负荷或其他热电单元变得不公平。本文提出了一种碳追踪方法，该方法考虑了不同单元之间的空间耦合以及碳排放因子的时间变化，使用有向图来表示发电单元和负荷之间的空间耦合，并基于Informer网络建立了考虑燃煤发电单元工作原理的碳排放因子模型。然后，构建了一种基于离散分析理论的碳责任分配策略，该策略考虑了可再生能源的间接碳排放机制，从而能够对可再生能源的碳责任进行定量评估。最后，通过IEEE 14节点系统验证了所提出方法的有效性。

引言

高比例的可再生能源系统显著增加了对电力系统灵活性和平衡能力的需求，这使得热电在维护电力系统运行安全和促进可再生能源吸收方面发挥着关键作用[1,2]。在全球能源转型过程中，由于电力供应安全和可再生能源整合的双重要求，热电预计仍保持短期增长潜力，不能立即被替代[3]。然而，当前的绿色电力和碳交易政策更倾向于支持新能源，这削弱了人们对热电投资的热情[4]。因此，明确不同实体之间的碳责任对于确保低碳转型至关重要[5]。

现有研究在探索电力系统的碳责任分配方面取得了显著进展[6]。参考文献[7]通过有向图递归或拓扑矩阵处理建立了系统各部分之间的碳流动关系。参考文献[8]通过负荷分析分解了碳结构，并通过追踪不同发电过程的排放将其碳责任分配回相应的来源。参考文献[9]利用Aumann-Shapley方法进行分配和求解，认为发电单元和负荷应共同承担碳责任。参考文献[10]提出了一种基于离散分析理论的分配方法和计算方法，该方法建立了差异化的碳责任评估机制。所有这些研究为公平分配碳排放提供了基础。

然而，大多数研究要么将碳责任完全归咎于发电侧，要么完全转移给最终用户，而没有考虑可再生能源的碳责任。实际上，可再生能源不产生碳排放，因此从直接排放的角度来看，其碳责任为零。然而，对于未来的电力系统而言，可再生能源正在逐渐从装机容量转向电力生产，这些单元的高波动性和不确定性可能导致它们的输出无法实时满足相应节点的负荷需求[11,12]。因此，需要从其他单元传输电力。如果这部分相关的碳排放完全由负荷或其他热电单元承担，这将是不公平的。此外，在全球能源转型过程中，为了确保高比例可再生能源系统的稳定性，热电容量仍需要以一定的速度增长[13]。因此，有必要将碳排放分配给新能源侧，同时考虑热电单元的贡献。因此，深入研究新能源单元的间接碳责任并建立一种考虑可再生能源的联合源-负荷碳责任分配机制是必要的[14]。

源侧碳排放测量的准确性是合理分配碳责任的关键组成部分[15,16]。目前，采用平均碳排放因子进行源侧碳排放测量。这种计算方法直接面向结果，便于事后统计和国家宏观层面的评估[17,18]。然而，这一因子全年保持不变，消费者无法认识到电力消费行为对碳排放的影响。为了解决这个问题，参考文献[19]追踪了不同电力单元的碳来源，实时获得了电力消费的动态碳排放因子。然而，在考虑碳排放因子的动态变化特性时，许多研究未能充分纳入单元运行性能等变化因素。实际上，碳排放因子在运行过程中是动态变化的，实时监测不同单元的碳排放因子仍然是一个技术挑战[20,21]。此外，测量系统还应充分考虑电力系统的空间耦合特性。碳排放不仅受发电单元运行状态的影响，还受到电网基础设施拓扑结构和电力传输路径限制的影响[22]。不同节点之间的电力流动引入了系统碳排放的显著空间耦合。因此，构建一个精细的碳排放测量系统需要考虑时间动态和空间相关性，为多方利益相关者之间的碳责任分配提供公平的框架。

为了解决上述问题，本文提出了一种碳责任分配策略，用于追踪由可再生能源消费引起的碳排放。建立了一种基于离散分析理论、考虑不同单元空间耦合和碳排放因子时间变化的碳追踪方法，以实现碳排放过程中的时空可追溯性。通过建立考虑可再生能源消费的评估机制，将碳责任分配给新能源单元和最终用户。

本文的其余部分结构如下：第2节建立碳评估机制。第3节实现碳排放过程中的时空可追溯性。第4节考虑可再生能源的间接碳责任。第5节进行案例分析。第6节提供结论。

章节摘录

时空耦合下的碳评估机制

不同的发电方法在发电量上存在差异，并且碳排放也各不相同[23]。由于单元类型、单元容量和工作功率的综合影响，热电单元的碳排放因子在运行过程中会动态变化，这使得实时直接测量不同单元的碳排放因子变得困难[24]。因此，本文首先基于Informer网络建立了一个碳排放因子模型，该模型结合了运行

基于离散分析理论的碳追踪方法

现有的碳流动方法在揭示电力-碳耦合机制和提高用户对低碳实践的认识方面取得了显著成果，通过电力流动和碳流动的耦合计算[35]。然而，这种方法操作复杂且时间成本较高。本文采用离散分析理论和计算方法，以实现快速解决方案，并高效追踪多个连续时间周期内的碳排放

考虑可再生能源间接碳责任的分配方法

尽管可再生能源不产生碳排放，但其间歇性要求热电单元提供平衡支持[36]。如果传统的碳排放测量方法简单地将碳排放归因于热电单元或负荷，这是不公平的。同时，可以在不同的系统边界下定义间接碳排放。与设备制造和运输相关的生命周期间接排放更为合适

案例研究

实验是在一台配备Intel(R) Core(TM) i7–13700H CPU（2.40 GHz）和16GB DDR4 RAM的标准台式电脑上进行的。在本文中，基于深度学习框架PyTorch构建了一个Informer模型来预测动态碳排放因子。此外，在MATLAB环境中开发了一个EDAM来计算和分配负荷和新能源单元之间的碳责任。

通过对IEEE 14节点系统的案例研究来验证所提出的方法

结论

本文提出了一种考虑可再生能源间接碳责任的时空碳追踪和分配框架，旨在明确多方利益相关者之间的碳责任，并解决传统分配方法中的不公平问题。主要结论如下：

1)

本文提出了一种“源-负荷”碳校正因子，用于将碳排放分配给新能源单元和最终用户。这种方法有效地

CRediT作者贡献声明

Jing Yan：撰写——原始草案、可视化、验证、监督、方法论。Jingxian Yang：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。Junyong Liu：资源管理、项目行政。Kai Wang：监督、软件开发。Yufan Hong：验证、概念化。Shuai Zhang：监督、形式分析。