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Assessing the Impacts of Large-scale Offshore Wind Power Integration on Carbon Emission Reduction in Guangdong Province Based on Electricity Spot Market Simulation 本+文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
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氣候變化是近年來全球致力解決的熱點(diǎn)問題之一,主要原因在于人類活動(dòng)所產(chǎn)生的溫室氣體已經(jīng)逐漸威脅到地球的自然環(huán)境,并給人類社會(huì)發(fā)展帶來巨大考驗(yàn)。氣候變化所導(dǎo)致的諸如海平面上升、冰蓋融化、極端天氣、干旱等已成為全球性影響。聯(lián)合國(guó)在《2019年全球氣候狀況聲明》中指出,2019年是有記錄以來溫度第二高的年份,平均溫度比工業(yè)化前高出1.1 ℃,且溫室氣體濃度持續(xù)升高。溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫。其中二氧化碳對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率最高,2018年全球二氧化碳濃度約為0.040 78%,是工業(yè)化前水平的147%,占溫室氣體總排放量的80%以上[1]。根據(jù)Global Carbon Atlas匯總的碳排放數(shù)據(jù),2018年全球碳排放總量為36 573 Mt,中國(guó)為碳排放量最多的國(guó)家,共排放10 065 Mt,美國(guó)(5416 Mt)、印度(2654 Mt)分列第二、第三位。中國(guó)全年人均碳排放量達(dá)到7 t,排名第49位[2]。主觀減少碳排放是緩解氣候變化的重要舉措?;诼?lián)合國(guó)氣候變化框架公約,1997年84個(gè)國(guó)家簽署通過《京都議定書》,該協(xié)議以穩(wěn)定溫室氣體含量為目標(biāo),規(guī)定發(fā)達(dá)國(guó)家從2005年 開始承擔(dān)減少碳排放量的義務(wù),發(fā)展中國(guó)家從2012年開始履行減排合約[3]。作為繼《京都議定書》之后的第二份全球減排協(xié)定,《巴黎協(xié)定》確立了一個(gè)相對(duì)靈活的氣候應(yīng)對(duì)國(guó)際體系,從2016年至今全球已有195個(gè)締約方簽署,該協(xié)定鼓勵(lì)各方以“自主貢獻(xiàn)”的形式參與,加速和加強(qiáng)可持續(xù)低碳未來所需的行動(dòng)和投資,確定到本世紀(jì)末將全球平均溫升保持在相對(duì)于工業(yè)化前2 ℃以內(nèi)[4]。 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
電力行業(yè)是碳排放的最主要來源,根據(jù)國(guó)際能源署(International Energy Agency,IEA)公布的數(shù)據(jù),2018年全球能源相關(guān)碳排放量高達(dá)33 Gt,發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體電力行業(yè)的碳排放量占能源相關(guān)總碳排放量的36%[5]。為解決碳排放日益增加的問題,構(gòu)建可持續(xù)性發(fā)展能源體系,全球電力行業(yè)加快向清潔低碳能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。中國(guó)作為以傳統(tǒng)化石能源發(fā)電為主導(dǎo)的國(guó)家,已積極開展低碳能源戰(zhàn)略,重點(diǎn)解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。中國(guó)國(guó)務(wù)院在《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》(國(guó)辦發(fā)〔2014〕31號(hào))中指出,要“加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系。堅(jiān)持綠色低碳戰(zhàn)略,著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向”[6]。
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近年來,中國(guó)電力系統(tǒng)的低碳化持續(xù)進(jìn)行,發(fā)電企業(yè)作為減排主力軍,現(xiàn)階段主要采用以下4種方式:工程減排、管理減排、市場(chǎng)減排和結(jié)構(gòu)減排。工程減排是以提高機(jī)組能效或采用捕集與封存技術(shù)作為主要方法。管理減排是指采用管理手段減少工廠用電并促進(jìn)發(fā)電權(quán)交易等。市場(chǎng)減排主要通過促進(jìn)碳排放在市場(chǎng)中的交易,如現(xiàn)如今正在進(jìn)行的清潔發(fā)展機(jī)制(clean development mechanism)[7]。結(jié)構(gòu)減排以提高可再生能源發(fā)電上網(wǎng),優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)為主,要求在保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,優(yōu)先調(diào)度可再生和清潔發(fā)電資源,如水電、核電、光伏以及風(fēng)電。目前結(jié)構(gòu)減排在4種方式中較為有效。據(jù)REN21統(tǒng)計(jì),到2030年,中國(guó)可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的目標(biāo)為35%,美國(guó)加利福尼亞州為50%,德國(guó)達(dá)到65%[8]。風(fēng)電作為能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分,各國(guó)政府正在努力加強(qiáng)風(fēng)電行業(yè)管理和完善政策體系,其中海上風(fēng)電為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。2019年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量(海上和陸上)超過651 GW,比2018年增長(zhǎng)10%。其中,陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量,中國(guó)以23.76 GW位居首位,其次是美國(guó)(9.14 GW)和印度(2.34 GW)[9],2019年中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量2.39 GW。根據(jù)中國(guó)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,預(yù)計(jì)到2020年,中國(guó)風(fēng)電年發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的6%[10]。
相較于其他新能源,風(fēng)電成本較低,技術(shù)成熟,是目前應(yīng)用規(guī)模最大的新能源發(fā)電方式,其中,海上風(fēng)電憑借風(fēng)機(jī)利用率高、市場(chǎng)消納空間大、風(fēng)能質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)成為建設(shè)清潔低碳能源體系的重要途徑。一方面,中國(guó)正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期,隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步增強(qiáng),發(fā)展海上風(fēng)電可以提高清潔能源供應(yīng),推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。另一方面,風(fēng)力、光伏等可再生能源在發(fā)電過程中可近似為無碳排放,因此,采用海上風(fēng)電來逐步替代化石能源,可以有效應(yīng)對(duì)氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境[11]。 內(nèi).容.來.自:中`國(guó)*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
風(fēng)電對(duì)減少電力行業(yè)碳排放的作用在許多研究中都得到了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]量化了2006—2017年印度地區(qū)因風(fēng)電并網(wǎng)而減少的總碳排放量;文獻(xiàn)[13]基于最優(yōu)潮流模型和蒙特卡洛仿真,研究風(fēng)電的預(yù)測(cè)誤差對(duì)電力系統(tǒng)碳排放的影響;文獻(xiàn)[14]則評(píng)估了在不同風(fēng)電出力功率的情景下,碳排放配額和不同類型機(jī)組發(fā)電利潤(rùn)之間的關(guān)系;文獻(xiàn)[15-16]結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment),評(píng)估了風(fēng)電項(xiàng)目的實(shí)際碳減排效果和潛力;為了增加風(fēng)電的減排效益,文獻(xiàn)[17-20]均采用協(xié)同調(diào)度的方式,其中,文獻(xiàn)[17-18]選取風(fēng)電-儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行為研究對(duì)象,文獻(xiàn)[19]定量分析電動(dòng)汽車充電與風(fēng)電協(xié)同調(diào)度的碳減排效益,文獻(xiàn)[20]選用碳捕集火電機(jī)組來克服風(fēng)電的波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響;此外,文獻(xiàn)[21]驗(yàn)證了引入碳捕集電廠可以減少接入風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)碳排放;就海上風(fēng)電而言,文獻(xiàn)[22-25]肯定了海上風(fēng)電在不同國(guó)家能源轉(zhuǎn)型和碳減排中的重要作用,但并未對(duì)其具體減排效益進(jìn)行量化。
針對(duì)區(qū)域電力行業(yè)的碳排放計(jì)算,基于政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出的碳排放因子法[26],文獻(xiàn)[12,27-28]計(jì)算不同地區(qū)電力或能源系統(tǒng)的碳排放數(shù)據(jù),其中,文獻(xiàn)[27-28]發(fā)現(xiàn)中國(guó)安徽省和重慶市能源相關(guān)碳排放量逐年上升,碳排放強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì);文獻(xiàn)[29-30]提出了一種電力系統(tǒng)碳排放流分析法,從消費(fèi)側(cè)來衡量電力系統(tǒng)的碳排放,被廣泛應(yīng)用,例如文獻(xiàn)[31]根據(jù)此方法計(jì)算中國(guó)各省化石能源碳排放,文獻(xiàn)[32]研究電網(wǎng)互聯(lián)的碳減排效益;為了評(píng)估碳排放的影響因素,文獻(xiàn)[33-34]基于對(duì)數(shù)平均權(quán)重分解法[35],比較能源效率、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、電源結(jié)構(gòu)等因素對(duì)電力行業(yè)碳排放的作用;文獻(xiàn)[36-38]分別以英國(guó)、羅馬尼亞和中國(guó)為例,指出提高清潔能源比例是電力行業(yè)低碳化的重要途徑。 禸嫆@唻洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
綜上所述,目前有關(guān)風(fēng)電和碳減排的研究主要集中在如何增加風(fēng)電的減排效益,且基本通過簡(jiǎn)化的小型電力系統(tǒng)模型來驗(yàn)證,但考慮到實(shí)際大型電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性、區(qū)域阻塞、政策細(xì)節(jié)等因素,這些方法是否適用于實(shí)際大型電力系統(tǒng)仍有待評(píng)估。針對(duì)電力行業(yè)的碳排放計(jì)算,相關(guān)研究主要從宏觀層面對(duì)省市級(jí)及以上單位進(jìn)行分析,但并未將市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)考慮在內(nèi)。由于電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的運(yùn)行可能會(huì)大幅度影響不同能源的實(shí)際并網(wǎng)電量,從而影響電力系統(tǒng)的碳排放,因此相關(guān)結(jié)論是否適用于中國(guó)部分已經(jīng)運(yùn)行電力市場(chǎng)的地區(qū)仍需進(jìn)一步研究。本文基于安全約束經(jīng)濟(jì)調(diào)度(security-constrained economic dispatch,SCED)原理,結(jié)合不同能源類型的歷史數(shù)據(jù)和投資規(guī)劃,仿真廣東省電力現(xiàn)貨市場(chǎng),評(píng)估2019—2028年大規(guī)模海上風(fēng)電的接入對(duì)廣東省電力行業(yè)碳排放的影響。
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截至2019年12月底,廣東省電網(wǎng)規(guī)模位居全國(guó)第一,共有220 kV及以上輸電線路41 614 km(含電纜),通過“八交九直”高壓輸電線路與中西部電網(wǎng)相聯(lián),受西電最大能力3944萬kW[39],廣東電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)容量1.26億kW(煤電、氣電、水電、核電、風(fēng)電占比分別為48.2%、17.5%、7.4%、12.8%、3.1%),同比增長(zhǎng)8.5%,全省發(fā)受電量6 581.6億kWh,同比增長(zhǎng)6.5%[39]。一方面,廣東省及其所聯(lián)電網(wǎng)用電量大,電源及負(fù)荷分布不均勻,供能不足問題持續(xù)存在;另一方面,廣東省能源結(jié)構(gòu)仍以煤、油等化石能源為主,面臨巨大的資源和環(huán)境壓力。因此,發(fā)展海上風(fēng)電既可以緩解南方區(qū)域的用電壓力,又可以推動(dòng)廣東省能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)型。同時(shí),南方(以廣東起步)的電力市場(chǎng)改革和宏觀政策環(huán)境也為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展機(jī)遇和廣闊的市場(chǎng)空間[40]。
針對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷,本文以2009—2018年廣東省全社會(huì)用電量為基礎(chǔ),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS和Python中sklearn模塊的線性回歸模型對(duì)2019—2028年的廣東省全社會(huì)用電量進(jìn)行預(yù)測(cè),如表1所示。 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
表1 2019—2028年廣東省全社會(huì)用電量預(yù)測(cè)
Table 1 Forecast of total electricity consumption in Guangdong Province from 2019 to 2028億kWh 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
廣東省現(xiàn)貨市場(chǎng)目前采用“部分機(jī)組計(jì)劃調(diào)度+部分機(jī)組全電量調(diào)度”的模式。其中,按計(jì)劃調(diào)度發(fā)電的機(jī)組劃分為A類,按全電量調(diào)度參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)組為B類。A類機(jī)組包含水電、核電以及部分火電,其余大部分火電機(jī)組為B類機(jī)組。本文中,新增機(jī)組包括火電、海上風(fēng)電、核電和水電機(jī)組,未考慮太陽能及其他類型機(jī)組,其中,火電和風(fēng)電機(jī)組歸類為B類機(jī)組參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),核電和水電機(jī)組歸類為A類機(jī)組提前出清。以2009—2018年廣東省各類型機(jī)組裝機(jī)容量為基礎(chǔ),對(duì)2019—2028年以上4種類型機(jī)組的裝機(jī)容量進(jìn)行預(yù)測(cè),并結(jié)合政府公布的能源規(guī)劃加以調(diào)整,最終得到結(jié)果如表2所示。 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
表2 2019—2028年廣東省各類型機(jī)組裝機(jī)容量預(yù)測(cè)
Table 2 Forecast of installed capacity in Guangdong Province from 2019 to 2028萬kW
新增火電機(jī)組接入節(jié)點(diǎn)分散在廣東省內(nèi)各市,如廣州、東莞、汕尾、湛江等。新增風(fēng)電機(jī)組接入節(jié)點(diǎn)集中于陽江、珠海、湛江、汕頭等地。新增核電廠集中于陽江、江門、汕尾等地。新增水電站集中于深圳和陽江。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中^國(guó)_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
中國(guó)海岸線遼闊,海上風(fēng)能資源規(guī)模巨大,近海(不包括臺(tái)灣省)50 m等深線及淺海域10 m高度風(fēng)能儲(chǔ)量約為9.4億kW [41]。雖在海上風(fēng)電開發(fā)利用方面起步較晚,但依靠豐富的海上風(fēng)能資源,近年來中國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,具有極大潛力。預(yù)計(jì)2020年全國(guó)海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1000萬kW,重點(diǎn)推動(dòng)江蘇、浙江、福建、廣東等省的海上風(fēng)電建設(shè),到2020年四省海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模均達(dá)到百萬kW以上級(jí)別[10]。
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中國(guó)南方電網(wǎng)覆蓋廣東、廣西、云南、貴州、海南五?。▍^(qū)),并與香港、澳門地區(qū)以及東南亞國(guó)家的電網(wǎng)相聯(lián)。2019年,南方五省區(qū)全社會(huì)用電量 11 338億kWh,同比增長(zhǎng)7.3%。為響應(yīng)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略要求,南網(wǎng)區(qū)域廣東、海南、廣西三省區(qū)均制定了海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo),其中,海南爭(zhēng)取投產(chǎn)東方近海風(fēng)電裝機(jī)共35萬kW,同時(shí)開展近海風(fēng)電前期研究和海島風(fēng)電利用研究[42],廣西著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),重點(diǎn)推進(jìn)風(fēng)力資源富集、消納條件好的地區(qū)風(fēng)電開發(fā),探索北部灣地區(qū)海上風(fēng)電開發(fā)[43]。
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根據(jù)《廣東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃(2017—2030)(編修)》,全省規(guī)劃海上風(fēng)電場(chǎng)址23個(gè),總裝機(jī)容量6685萬kW,包括:近海淺水區(qū)(35 m水深以內(nèi))海上風(fēng)電場(chǎng)址15個(gè),裝機(jī)容量985萬kW,其中粵東海域415萬kW,珠三角海域150萬kW,粵西海域420萬kW;近海深水區(qū)(35~50 m水深)規(guī)劃海上風(fēng)電場(chǎng)址8個(gè),裝機(jī)容量5700萬kW,分布在粵東、粵西海域(如表3所示)[40]。到2020年底,開工建設(shè)海上風(fēng)電裝機(jī)容量1200萬kW以上,其中建成投產(chǎn)200萬kW以上;到2030年底,建成投產(chǎn)約3000萬kW[40]。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
表3 2017—2030年廣東省海上風(fēng)電布局規(guī)劃
Table 3 Offshore wind planning in Guangdong Province from 2017 to 2030 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
續(xù)表 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
為了評(píng)估大規(guī)模海上風(fēng)電對(duì)廣東省碳減排的影響,本文以歷史數(shù)據(jù)和以往經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),搭建廣東省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)簡(jiǎn)化模型,依據(jù)SCED對(duì)2019—2028年的現(xiàn)貨市場(chǎng)進(jìn)行出清仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。具體地,輸入系統(tǒng)負(fù)荷、西受電量、A類和B類機(jī)組 4個(gè)變量,分別仿真春、夏、秋、冬各季節(jié)典型日在接入海上風(fēng)電和未接入海上風(fēng)電兩種情況下的A、B類機(jī)組出力,依據(jù)不同機(jī)組碳排放系數(shù),計(jì)算并分析系統(tǒng)及各節(jié)點(diǎn)碳排放量和碳排放強(qiáng)度。圖1表示電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的仿真流程。 本文+內(nèi)-容-來-自;中^國(guó)_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
圖1 市場(chǎng)仿真流程
Fig.1 Market simulation process 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
2.1.1 SCED
SCED是電力現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行的一種調(diào)度模型,指在一定約束條件下(發(fā)電機(jī)功率約束、系統(tǒng)安全約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路潮流約束等)以全系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo),輸出滿足預(yù)計(jì)負(fù)荷的發(fā)電結(jié)果,包括各機(jī)組發(fā)電量、各節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)、全系統(tǒng)潮流等[44]。SCED的目標(biāo)函數(shù)為
式中:F為系統(tǒng)運(yùn)行成本;T為調(diào)度時(shí)間段數(shù);n為發(fā)電機(jī)組個(gè)數(shù);PGi(t)為機(jī)組i在時(shí)間t的有功功率;Ci[PGi(t)]為機(jī)組i在時(shí)間t的運(yùn)行成本函數(shù),其公式為
式中:ai、bi、ci分別為二次函數(shù)的3個(gè)系數(shù)。
各機(jī)組的發(fā)電功率約束可表示為
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式中:PGimin和PGimax分別為機(jī)組i的最小及最大有功功率約束;QGimin和QGimax分別為機(jī)組i的最小及最大無功功率約束;QGi(t)為機(jī)組i在時(shí)間t的實(shí)際無功功率。
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各節(jié)點(diǎn)供給平衡約束條件為 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
式中:PDi(t)和Qi(t)分別為節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間t的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷;Gij、Bij、θij分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間的電導(dǎo)、電納、相位角;Vi(t)和Vj(t)分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn) j在時(shí)間t的電壓。 禸嫆@唻洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
各節(jié)點(diǎn)的電壓約束條件為
式中:Vimin和Vimax分別為節(jié)點(diǎn)i可承受的電壓下限和上限。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
輸電線路的潮流約束為 禸*嫆唻@洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
式中:Pijmin和Pijmax分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn) j間輸電線路潮流有功功率的下限和上限;Qijmin和Qijmax分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j間輸電線路潮流無功功率的下限和上限;Pij(t)和Qij(t)為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn) j間輸電線路的實(shí)際潮流有功功率和無功功率。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
目前,中國(guó)南方(以廣東起步)區(qū)域的電力市場(chǎng)可分為電力批發(fā)市場(chǎng)和電力零售市場(chǎng)。電力批發(fā)市場(chǎng)包括電能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)。電能量市場(chǎng)包括基于差價(jià)合約的日以上周期的中長(zhǎng)期電能量市場(chǎng)和全電量競(jìng)價(jià)的日前、實(shí)時(shí)現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)。電力零售市場(chǎng)在近階段通過電力銷售公司與用戶之間的電力交易協(xié)議來實(shí)施完成[45]?,F(xiàn)階段,現(xiàn)貨交易在日前市場(chǎng)和實(shí)時(shí)現(xiàn)貨電能量市場(chǎng)中進(jìn)行。在日前交易中,B類機(jī)組全電量申報(bào)分時(shí)段報(bào)價(jià)信息,以社會(huì)福利最大化為目標(biāo)通過SCED進(jìn)行集中優(yōu)化出清,得到分時(shí)各機(jī)組發(fā)電量以及各節(jié)點(diǎn)的電價(jià)。在實(shí)時(shí)交易中,以日前交易結(jié)果為基礎(chǔ),運(yùn)用SCED以發(fā)電機(jī)組成本最小為目標(biāo)進(jìn)行超短期優(yōu)化出清[45]。
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2.1.2 輸入變量及參數(shù) 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
輸入的4個(gè)變量分別為系統(tǒng)負(fù)荷、西受電量、A類和B類機(jī)組。針對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷,本文采用表1所預(yù)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷,依據(jù)歷史數(shù)據(jù)按比例分配到各節(jié)點(diǎn)。西受電量一般設(shè)為系統(tǒng)總負(fù)荷的三分之一,并依據(jù)歷史數(shù)據(jù)將總輸送電量按比例分配到各輸電線路。針對(duì)A類和B類機(jī)組,新增機(jī)組裝機(jī)容量參考表2所預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)??紤]到風(fēng)電機(jī)組的短期邊際成本基本為零,且通過分析國(guó)外現(xiàn)貨市場(chǎng)中風(fēng)電場(chǎng)的競(jìng)價(jià)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)電場(chǎng)在現(xiàn)貨市場(chǎng)中的理性報(bào)價(jià)策略為通過報(bào)地板價(jià)增大現(xiàn)貨交易量。因此,各風(fēng)電場(chǎng)報(bào)價(jià)設(shè)為地板價(jià)(假定地板價(jià)為150 元/MWh,天花板價(jià)為1000 元/MWh),報(bào)量為該風(fēng)電場(chǎng)的總輸出功率。火電機(jī)組的報(bào)量報(bào)價(jià)參考接入同一節(jié)點(diǎn)的原火電機(jī)組的報(bào)量報(bào)價(jià)。
由于風(fēng)電機(jī)組需要上報(bào)電量參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),本文基于所選風(fēng)機(jī)機(jī)型和相關(guān)環(huán)境參數(shù),計(jì)算出單臺(tái)機(jī)組每個(gè)季節(jié)每日發(fā)電量。根據(jù)單臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量與各海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃裝機(jī)容量,得到每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)每個(gè)季節(jié)每日總發(fā)電量。
本文采取的數(shù)據(jù)基于規(guī)劃中海上風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)日24 h風(fēng)速平均值。風(fēng)電機(jī)組選取明陽智能MySe5.5-155-IB,是中廣核陽江南鵬島40萬kW海上項(xiàng)目所用風(fēng)機(jī)。該機(jī)型采用半直驅(qū)技術(shù),葉片長(zhǎng)76.6 m,切入風(fēng)速為3 m/s,切出風(fēng)速為25 m/s,額定風(fēng)速為10.5 m/s,額定功率為5.5 MW。該機(jī)型單臺(tái)機(jī)組的輸出功率為
風(fēng)輪的輸出功率為 夲呅內(nèi)傛萊源亍:ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
式中:G為單臺(tái)機(jī)組的輸出功率;Gt為風(fēng)輪的輸出功率;η1 為齒輪箱與發(fā)電機(jī)效率;η2 為變頻器效率;ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;S為掃風(fēng)面積;CP為貝茲系數(shù)。
衡量系統(tǒng)或機(jī)組的碳排放強(qiáng)度時(shí),本文采用IPCC提出的排放因子法來核算碳排放量[26]。發(fā)電機(jī)組的碳排放因子(t/MWh),即碳排放系數(shù),指機(jī)組每發(fā)一單位(MWh)電所產(chǎn)生的碳排放量(t),該系數(shù)與發(fā)電機(jī)組類型有關(guān)。本文中風(fēng)電、核電、水電機(jī)組的碳排放系數(shù)均設(shè)置為0,火電機(jī)組的碳排放系數(shù)根據(jù)火電機(jī)組類型來設(shè)定,取值0.6~1.2 t/MWh。
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各機(jī)組碳排放量的計(jì)算方法為
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式中:Mi為機(jī)組i的碳排放量,t;Ri為機(jī)組i的碳排放系數(shù),t/MWh;Wi為機(jī)組i的出力,MWh。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńpāīfāńɡ.cōm
系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度E為
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式中:n為系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組數(shù)量。
為了對(duì)碳排放在空間尺度上進(jìn)行細(xì)化,本文還計(jì)算了節(jié)點(diǎn)碳排放強(qiáng)度。不同于以往文獻(xiàn)[46-48]中采用節(jié)點(diǎn)碳排放量關(guān)于負(fù)荷的導(dǎo)數(shù)來衡量碳排放對(duì)負(fù)荷變化的反應(yīng)程度,本文通過實(shí)際節(jié)點(diǎn)碳排放量除以總出力來計(jì)算節(jié)點(diǎn)碳排放強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn) j的碳排放強(qiáng)度Ej為
式中:nj為節(jié)點(diǎn) j接入的發(fā)電機(jī)組數(shù)量。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
在仿真出清2019—2028年各季節(jié)有無海上風(fēng)電兩種情況下的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)后,得到每個(gè)季節(jié)典型日24 h的A、B類機(jī)組出力,根據(jù)不同機(jī)組的碳排放系數(shù),計(jì)算每種情形下系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度和各節(jié)點(diǎn)碳排放強(qiáng)度。
仿真系統(tǒng)每15 min出清一次,得到A類、B類各機(jī)組出力。根據(jù)2.3節(jié)的計(jì)算公式得到系統(tǒng)總碳排放量和碳排放強(qiáng)度。由于A類機(jī)組按計(jì)劃調(diào)度提前出清,而包含海上風(fēng)電機(jī)組的B類機(jī)組按全電量競(jìng)價(jià)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),兩類機(jī)組在海上風(fēng)電接入后碳排放的變化趨勢(shì)不同,故本文除了以廣東省全省為研究對(duì)象,還分別考慮A類和B類機(jī)組兩種情況,分析海上風(fēng)電的接入對(duì)系統(tǒng)碳減排的影響。 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om
在有海上風(fēng)電情況下,廣東省電力系統(tǒng)總碳排放量及碳排放強(qiáng)度變化明顯。圖2表示廣東省2019—2028系統(tǒng)總碳排放量、系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度、海上風(fēng)電減排貢獻(xiàn)百分比、中標(biāo)電量占比及裝機(jī)容量占比,一小格表示一年春夏秋冬四季。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
圖2 2019—2028年廣東省碳排放與海上風(fēng)電仿真結(jié)果
Fig.2 Simulation of carbon emission and offshore wind power in Guangdong Province from 2019 to 2028
從圖2所示仿真結(jié)果可以得出: 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
1)在無海上風(fēng)電情況下,廣東省全省電力行業(yè)系統(tǒng)總碳排放量逐年增加。接入海上風(fēng)電后,系統(tǒng)總碳排放量降低,且隨著海上風(fēng)電裝機(jī)容量增加,其減排貢獻(xiàn)百分比呈上升趨勢(shì),自2021年起基本超過10%,最高可達(dá)20%。這是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組優(yōu)先出清,且碳排放系數(shù)為0,所以會(huì)降低系統(tǒng)總碳排放量。
2)未接入海上風(fēng)電時(shí),廣東省系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度基本在0.7~0.8 t/MWh,接入海上風(fēng)電后,系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度降低,基本在0.6~0.75 t/MWh。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
3)海上風(fēng)電減排貢獻(xiàn)百分比及其中標(biāo)電量具有明顯的季節(jié)特征,同一年份春冬兩季相應(yīng)數(shù)值略大于夏秋兩季。這是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組優(yōu)先出清,在夏秋兩季負(fù)荷高的情況下,需額外調(diào)動(dòng)更多的火電機(jī)組,因此海上風(fēng)電中標(biāo)電量占比降低,且海上風(fēng)電減排貢獻(xiàn)百分比小于春冬兩季。
3.1.1 A類機(jī)組
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在有海上風(fēng)電情況下,A類機(jī)組總碳排放量和系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度均基本不變。圖3表示2019—2028年A類機(jī)組系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度,一小格表示一年春夏秋冬四季。 禸嫆@唻洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
圖3 2019—2028年A類機(jī)組碳排放強(qiáng)度
Fig.3 Average carbon emission intensity of Class A units from 2019 to 2028
從圖3所示仿真結(jié)果可以得出:
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1)不同年份不同季節(jié),A類機(jī)組碳排放強(qiáng)度基本一致,取值0.23~0.25 t/MWh。因?yàn)榛痣姍C(jī)組上網(wǎng)電量?jī)H占A類機(jī)組總發(fā)電量的25%左右,其余發(fā)電量由碳排放系數(shù)為0的核電和水電機(jī)組承擔(dān),因而A類機(jī)組碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)低于火電機(jī)組的碳排放強(qiáng)度。 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
2)接入海上風(fēng)電后,A類機(jī)組碳排放強(qiáng)度基本不變。因?yàn)锳類機(jī)組新增僅考慮核電和水電,新增裝機(jī)容量相對(duì)較小,系統(tǒng)發(fā)電功率和碳排放強(qiáng)度保持不變,同時(shí),因?yàn)锳類機(jī)組提前出清,所以基本不受有無海上風(fēng)電的影響。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
3.1.2 B類機(jī)組 本+文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
在有海上風(fēng)電情況下,B類機(jī)組總碳排放量和系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度變化明顯。圖4表示2019—2028年B類機(jī)組總碳排放量和海上風(fēng)電減排貢獻(xiàn)百分比,一小格表示一年春夏秋冬四季;圖5表示2019—2028年B類機(jī)組系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度,一小格表示一年春夏秋冬四季。 禸嫆@唻洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
圖4 2019—2028年B類機(jī)組總碳排放量和海上風(fēng)電減排 貢獻(xiàn)百分比
Fig.4 Total carbon emissions and emission reduction contribution of offshore wind power of Class B units from 2019 to 2028
圖5 2019—2028年B類機(jī)組碳排放強(qiáng)度
Fig.5 Average carbon emission intensity of Class B units from 2019 to 2028 禸*嫆唻@洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
從圖4、圖5所示仿真結(jié)果可以得出:
1)有無海上風(fēng)電情況下,B類機(jī)組總碳排放量逐年增加,且夏秋兩季高于春冬兩季,變化趨勢(shì)與廣東省系統(tǒng)總碳排放量一致(如圖2所示)。因?yàn)楹I巷L(fēng)電為B類機(jī)組,在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)先出清,且碳排放系數(shù)為0,所以會(huì)降低系統(tǒng)總碳排放量。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
2)未接入海上風(fēng)電時(shí),B類機(jī)組碳排放強(qiáng)度基本在0.92~0.94 t/MWh,接入海上風(fēng)電后,碳排放強(qiáng)度明顯降低,基本在0.75~0.9 t/MWh。
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由于海上風(fēng)電機(jī)組全部為B類機(jī)組,研究節(jié)點(diǎn)碳排放強(qiáng)度時(shí)僅考慮B類機(jī)組。仿真系統(tǒng)中共有節(jié)點(diǎn)169個(gè),接入海上風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)12個(gè)。本文以是否接入海上風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的碳排放強(qiáng)度為研究對(duì)象。 禸*嫆唻@洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
3.2.1 接入海上風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)
在接入海上風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)中,揭陽站和雙寨_1站在加入海上風(fēng)電后碳排放強(qiáng)度變化明顯;其他節(jié)點(diǎn)在有無海上風(fēng)電情況下碳排放強(qiáng)度皆為0。從仿真結(jié)果看,由于各節(jié)點(diǎn)春冬、夏秋季節(jié)變化規(guī)律分別類似,此處以秋冬季節(jié)為代表,圖6—圖9分別表示揭陽站和雙寨_1站2019—2028年秋冬季節(jié)碳排放強(qiáng)度,一小格表示一天24 h。 本+文`內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
圖6 2019—2028年秋季揭陽站排放強(qiáng)度
Fig.6 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in autumn at Jieyang 本+文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) ta np ai fan g.com
圖7 2019—2028年冬季揭陽站碳排放強(qiáng)度
Fig.7 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in winter at Jieyang
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圖8 2019—2028年秋季雙寨_1站碳排放強(qiáng)度
Fig.8 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in autumn at Shuangzhai_1 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
圖9 2019—2028年冬季雙寨_1站碳排放強(qiáng)度
Fig.9 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in winter at Shuangzhai_1
從圖6—圖9所示仿真結(jié)果可以得出:
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1)一定年份接入海上風(fēng)電后,揭陽站和雙寨_1站碳排放強(qiáng)度大幅度降低。雙寨_1站于2021年接入海上風(fēng)電場(chǎng),所以2020年及以前有無海上風(fēng)電情況下碳排放強(qiáng)度相等;揭陽站于2022年接入海上風(fēng)電場(chǎng),所以2021年及以前有無海上風(fēng)電情況下碳排放強(qiáng)度相等。 本`文內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
2)多數(shù)節(jié)點(diǎn)如壩基頭、平地、金鶴等,在有無海上風(fēng)電情況下碳排放強(qiáng)度皆為0。這些節(jié)點(diǎn)之前未接入機(jī)組,同時(shí)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電過程中無碳排放,所以有無海上風(fēng)電情況下碳排放強(qiáng)度皆為0。 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
3.2.2 未接入海上風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn) 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
在未接入海上風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)中,不同節(jié)點(diǎn)接入海上風(fēng)電后變化情況不同。圖10代表大多數(shù)無變化趨勢(shì)節(jié)點(diǎn)的碳排放強(qiáng)度情況(以小漠廠站為例),圖11、圖12代表少數(shù)出現(xiàn)變化趨勢(shì)的節(jié)點(diǎn)(以中山站和海門站為例)2019—2028年碳排放強(qiáng)度。由于變化規(guī)律無明顯季節(jié)特征,此處選取春季為代表,一小格表示一天24 h。
從仿真結(jié)果可以得出:接入海上風(fēng)電后,多數(shù)節(jié)點(diǎn)碳排放強(qiáng)度無明顯變化(如圖10所示);部分節(jié)點(diǎn)如中山、海門、琴江等,無海上風(fēng)電時(shí)有碳排放強(qiáng)度,接入后部分時(shí)段減小,部分時(shí)段增大(如圖11、圖12所示)。
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圖10 2019—2028年春季小漠廠站碳排放強(qiáng)度
Fig.10 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in spring at Xiaomochang 本+文+內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
圖11 2019—2028年春季中山站碳排放強(qiáng)度
Fig.11 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in spring at Zhongshan 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
圖12 2019—2028年春季海門站碳排放強(qiáng)度
Fig.12 Carbon emission intensity from 2019 to 2028 in spring at Haimen 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
全球碳排放持續(xù)增加,由此帶來的全球氣候變化問題亟待解決,電力系統(tǒng)作為碳排放最大來源,實(shí)現(xiàn)電源結(jié)構(gòu)低碳化具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。風(fēng)電作為技術(shù)成熟的清潔能源成為近年來南網(wǎng)地區(qū)發(fā)展重點(diǎn),其中海上風(fēng)電的開發(fā)與發(fā)展在未來十年將會(huì)是廣東省能源轉(zhuǎn)型的方向。本文基于廣東省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)簡(jiǎn)化模型,研究2019—2028年大規(guī)模海上風(fēng)電的并網(wǎng)對(duì)廣東省碳排放的影響,得出結(jié)論如下。
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1)2019—2028年廣東省全省電力行業(yè)系統(tǒng)總碳排放量逐年增加。接入海上風(fēng)電后,系統(tǒng)總碳排放量降低,且隨著海上風(fēng)電裝機(jī)容量增加,其減排貢獻(xiàn)百分比呈上升趨勢(shì),自2021年起基本超過10%,最高可達(dá)20%。
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2)未接入海上風(fēng)電時(shí),廣東省系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度約0.7~0.8 t/MWh,接入海上風(fēng)電后,系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度降低至0.6~0.75 t/MWh。 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
3)海上風(fēng)電的接入對(duì)A類機(jī)組在不同年份不同季節(jié)的總碳排放量和碳排放強(qiáng)度均無明顯影響。針對(duì)B類機(jī)組,接入海上風(fēng)電后,其碳排放量和碳排放強(qiáng)度變化趨勢(shì)與廣東省全省基本一致。
4)對(duì)于接入海上風(fēng)電的節(jié)點(diǎn),多數(shù)節(jié)點(diǎn)由于之前未接入發(fā)電機(jī)組,因此碳排放強(qiáng)度在有無海上風(fēng)電情況下皆為0,少數(shù)節(jié)點(diǎn)接入海上風(fēng)電后碳排放強(qiáng)度減小;對(duì)于無海上風(fēng)電接入的節(jié)點(diǎn),接入海上風(fēng)電后碳排放強(qiáng)度增加、不變、減少都可能出現(xiàn)。 禸嫆@唻洎:狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm
針對(duì)電力行業(yè)碳排放,以往研究通常以年為時(shí)間單位、以省市級(jí)及以上范圍為地區(qū)單位,側(cè)重于從整體層面對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這種研究對(duì)多種因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化或忽略,得到的數(shù)據(jù)對(duì)碳減排有一定的指導(dǎo)作用,但無法與具體政策的落實(shí)聯(lián)系起來。本文有關(guān)系統(tǒng)總碳排放的研究結(jié)果量化了海上風(fēng)電的減排效益;有關(guān)節(jié)點(diǎn)碳排放的研究結(jié)果可應(yīng)用于低碳電力的規(guī)劃和電力行業(yè)的低碳運(yùn)行,未來在建設(shè)海上風(fēng)電和實(shí)現(xiàn)碳減排時(shí),可參考以上結(jié)論,將碳排放與經(jīng)濟(jì)、氣象、電廠選址、企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略等結(jié)合起來制定區(qū)域性和分時(shí)性的減排政策。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中^國(guó)_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
海上風(fēng)電對(duì)廣東省實(shí)現(xiàn)碳減排具有重要意義,為推動(dòng)海上風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,應(yīng)完善相關(guān)政策措施、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、提高可靠性,從而實(shí)現(xiàn)向清潔低碳能源體系的轉(zhuǎn)型。為實(shí)現(xiàn)總的碳減排目標(biāo),應(yīng)從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化,以制定更有效的減排政策,如促進(jìn)碳排放權(quán)交易、逐步開放水電進(jìn)入市場(chǎng)、鼓勵(lì)用戶側(cè)節(jié)能減排等。 本+文`內(nèi).容.來.自:中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
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