[论文解读] Carbon-Aware Optimal Power Flow

Xin Chen, Andy Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2023

Optimal Power Flow DistributionEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出碳感知最优潮流（C-OPF）框架，将碳流建模整合到传统最优潮流中，以协同优化电力与碳排放。通过引入节点碳强度约束和储能碳核算机制，C-OPF通过将发电向更清洁的电源转移，实现碳排放减少30%，尽管运营成本上升65%，但仍确保了碳排放的准确归因。

ABSTRACT

To facilitate effective decarbonization of the electric power sector, this paper introduces the generic Carbon-aware Optimal Power Flow (C-OPF) method for power system decision-making that considers demand-side carbon accounting and emission management. Built upon the classic optimal power flow (OPF) model, the C-OPF method incorporates carbon emission flow equations and constraints, as well as carbon-related objectives, to jointly optimize power flow and carbon flow. In particular, this paper establishes the feasibility and solution uniqueness of the carbon emission flow equations, and proposes modeling and linearization techniques to address the issues of undetermined power flow directions and bilinear terms in the C-OPF model. Additionally, two novel carbon emission models, together with the carbon accounting schemes, for energy storage systems are developed and integrated into the C-OPF model. Numerical simulations demonstrate the characteristics and effectiveness of the C-OPF method, in comparison with OPF solutions.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，将需求侧碳核算整合到电力系统决策过程中。
• 通过建模电力网络中的物理碳流，解决平均排放因子和基于市场的归因方法的局限性。
• 实现碳约束下的经济调度，确保节点碳强度维持在监管限值以内。
• 为储能系统建立虚拟碳储存与内部排放强度的建模方法，实现精准碳核算。
• 展示C-OPF在平衡运行成本的同时有效降低碳排放的可行性。

提出的方法

• 在经典OPF基础上引入碳流方程与节点碳强度约束，以建模碳排放在电网中的物理传输过程。
• 建立碳流矩阵的可逆性，以解决碳流建模中功率潮流方向不确定的问题。
• 开发线性化技术，处理碳流与功率流相互作用产生的双线性项。
• 提出两种新型储能系统碳排放模型：‘水箱模型’与‘能量模型’，分别捕捉虚拟碳储存与内部排放强度。
• 引入碳流约束，将负荷母线的节点碳强度上限设为约束条件，确保需求侧合规。
• 采用混合整数第二阶锥规划（MISOCP）形式求解C-OPF模型，使用Gurobi作为求解器。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于物理功率潮流与网络拓扑，准确将发电产生的碳排放归因于电力用户？
• RQ2 何种数学结构可支持电力系统中碳流的建模与求解，特别是在功率潮流方向不确定的情况下？
• RQ3 如何对储能系统进行建模，以准确反映其对碳流与虚拟碳储存的影响？
• RQ4 C-OPF在保持系统运行可行性与成本效率的前提下，能在多大程度上减少碳排放？
• RQ5 在真实系统约束条件下，C-OPF与标准OPF在碳强度、排放量与运行成本方面有何差异？

主要发现

• C-OPF在所有时间步长内，所有负荷节点的节点碳强度均保持在1.2 lbs/kWh的上限以下，确保符合碳排放限制。
• 与标准OPF相比，基于C-OPF的经济调度使归因碳排放（范围2）减少了约30%，尽管总发电成本增加了15%。
• C-OPF经济调度的运行成本为12,603.6千美元，而OPF为10,802.8千美元，因更广泛使用清洁但成本更高的天然气发电，导致成本上升16.7%。
• 在C-OPF下，燃煤发电显著减少，而可再生能源发电则得到完全利用且无弃用，表明实现有效脱碳。
• 位于节点38的储能系统以协调方式储存电能并实现虚拟碳储存，充电时虚拟碳排放增加，放电时减少。
• C-OPF模型实现了运行成本与碳排放之间的物理解耦平衡，证明其在碳感知电网运行中的可行性。