重庆大学张基岳、任洲洋 等｜微电网定碳排运行域：理论、构建与观测

阅读提示：本文约 2300 字

构建以高比例新能源为主体的低碳型微电网，充分挖掘微电网低碳调控潜力是实现能源体系绿色低碳转型的重要发展方向。为明晰碳排放目标下微电网低碳运行空间，本文提出计及微电网低碳调控特性的微电网定碳排运行域（CCEOR）理论及刻画方法，基于CCEOR投影观测下的几何特征直观量化微电网低碳调控能力，为调度中心监测和感知微电网运行状态提供有效工具。

研究背景

评估微电网低碳调控特性、充分挖掘微电网碳减排潜力，对于引导微电网协同配电网低碳运行具有重要意义。

论文所解决的问题及意义

面对实际环境中日益增多的源荷波动等扰动因素，微电网难以维系预想最优低碳调控状态，这极大程度地提高了微电网实际碳排放量超标与偏离安全运行范围的风险。

相较于获取单一最优低碳运行点，可行域（Feasible Region, FR）能够描述计及微电网源荷碳排特性和设备运行状态的可行点集合，直观刻画微电网低碳调控范围，进而在应对扰动下为微电网低碳运行状态的监测和调控提供有效分析工具。

然而，基于可行域投影的微电网低碳运行分析方法存在两方面关键问题：①计及微电网碳排放约束的可行域是否具有降维投影观测的理论基础有待相关论证；②考虑包含调度周期内全时间断面运行约束导致构建难度急剧增加，需提出考虑工程实用性的可行域构建方法。

论文方法及创新点

为有效刻画微电网低碳调控空间，本文在已有可行域研究工作的基础上，提出了微电网定碳排运行域（Committed Carbon Emission Operation Region, CCEOR）理论，并提出CCEOR降维观测和凸包拟合方法，解决高维可行域刻画难题。

图1 微电网定碳排运行域潜在应用

微电网CCEOR的定义为：满足微电网调度周期总体碳排放水平及周期内不同时间断面下安全运行条件的运行点集合，CCEOR刻画了微电网应对不可控变量（如负荷需求）的低碳可行优化空间。

相较于逐点寻优的低碳运行方法，微电网CCEOR存在以下三方面的潜在应用价值：1）微电网低碳运行状态监测；2）微电网低碳安全预警调控；3）微电网主体信息隐私保护。

为保证CCEOR可视化观测，本文从CCEOR边界角度论证了CCEOR数学特性，即CCEOR存在可区分低碳可行空间的连续封闭边界。在优化选择观测空间的基础上，提出CCEOR降维观测与凸包收缩拟合方法，在保证实用化拟合精度下快速拟合降维CCEOR，如图2所示。

图2 CCEOR边界拟合原理

微电网低碳运行能力受限于源荷时空分布、调度单元运行特性、碳排放目标等多维耦合约束，将微电网运行限制因素转化为CCEOR几何特征能够极大地简化微电网低碳运行能力评估复杂性。为此，本文从微电网低碳运行能力和观测变量耦合特性两个角度建立CCEOR几何特征评估指标体系，包括微电网低碳安全运行裕度、低碳运行充裕空间、观测变量耦合系数等，其几何特征评估流程如图3所示。

图3 CCEOR几何特征评估流程图

最后，研究人员通过改进的中压并网型微电网测试系统，可视化观测三维定碳排运行域空间，并分析影响系统低碳安全运行空间的关键因素，得到如下结论：

（1）微电网CCEOR通过选择不同观测变量进行降维观测及几何特征评估，能够直观体现当前运行状态和不同观测变量间复杂耦合关系。

（2）新能源接入和碳排放目标设定对微电网低碳运行空间存在显著影响，CCEOR能够为微电网协同配电网低碳资源优化和电碳市场交易策略提供可视化指导，具有良好的应用前景。

图4 CCEOR三维观测及二维映射结果

后续研究方向

本文建立的CCEOR模型以日前预测数据模拟新能源随机性。为平抑新能源随机波动特性，后续研究将进一步建立计及实时碳排放特征的CCEOR，探讨CCEOR在微电网实时调度决策中的应用。

团队介绍

在李文沅院士的直接指导下，重庆大学电力和能源可靠性研究中心低碳电力能源系统课题组长期从事新型电力系统概率运行与规划、电氢综合能源系统、人工智能等方向的研究和工程实践工作，成功研发主配变负载智能监控与预警系统、新型电力系统供需平衡分析与边界智能调整系统，研究成果应用于20余个省市电力系统，经济效益显著。

任洲洋

副教授，博士生导师，研究方向为电力系统概率分析与人工智能、电氢综合能源系统。承担国家级、省部级及企业横向项目30余项，发表SCI/EI论文80余篇，申请/授权国家发明专利60余项。先后担任IEEE Trans. on Smart Grid、IEEE Trans. on Sustainable Energy等6本国际知名期刊编委，获省部级奖励3项，入选重庆英才-青年拔尖人才计划，获IEEE Trans. on Sustainable Energy Outstanding Associate Editor of 2022等荣誉。

孙艳

广西电网电力调度控制中心高级工程师，工学博士，IEEE PES中国区风电光伏技术委员会委员，CIGRE会员，长期从事电力系统运行、分析与控制。发表SCI/EI论文20余篇，申请/授权国家发明专利40余项，获省部级级奖励7项。

张基岳

硕士研究生，研究方向为微电网运行与规划等。

本工作成果发表在2024年第8期《电工技术学报》，论文标题为“微电网定碳排运行域：理论、构建与观测“。本课题得到国家自然科学基金的支持。

引用本文

张基岳, 任洲洋, 姜云鹏, 冯健冰, 孙艳. 微电网定碳排运行域：理论、构建与观测[J]. 电工技术学报, 2024,39(8): 2342-2359. Zhang Jiyue, Ren Zhouyang, Jiang Yunpeng, Feng Jianbing, Sun Yan. Committed Carbon Emission Operation Region of Microgrids: Theory, Construction and Observation. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024,39(8): 2342-2359.

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