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摘 要：本文主要介绍了低碳经济与对电力系统运行的基础上，从系统规划和系统优化运行两个方面，建立完整的低碳经济模式下电力系统规划与优化运行的整体研究框架，并对各重点研究方向进行综述和展望。
关键词：电力系统规划；电力系统运行；低碳经济；低碳电力
1低碳电力技术及其影响
低碳技术泛指涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等部门，在可再生能源、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层的勘探开发、碳捕获与封存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术。目前主要的低碳电力技术包括：发电环节的清洁发电技术、煤气化复循环发电（integrated gasificationcombined cycle，IGCC）和燃气复循环发电（naturegas combined cycle，NGCC）等高效率发电技术、核能/水能/风能/太阳能/生物质能等低碳发电技术、碳捕获与封存（carbon capture and storage，CCS）技术等；输电环节的柔性交流输电技术（flexible ACtransmission system，FACTS）、超导输电技术、配电自动化技术等；用电环节的智能用电交互技术等。其中，CCS 技术是当前电力工业最受关注的低碳技术之一，该技术可分离并捕集排放源排气中的CO2，同时利用管道或其他方式输送到安全的地点封存，实现与大气的长期隔绝。低碳经济环境下，通过在常规火电厂中加装碳捕集设备，改装为碳捕集电厂（carbon capture plant，CCP），可显著降低火电厂的碳排放强度，实现大规模、高效率的碳减排。
2 低碳电力系统规划与运行优化整体研究框架
根据电力系统规划与运行优化的常规研究内容，结合低碳经济相关要素及其特点，本文分别对低碳经济模式下电力系统规划和运行2 个层面的研究内容进行细化：1）系统规划层面的研究主要归纳为低碳电源规划、低碳电网规划和低碳电源电网协调规划3 个方面，其中，低碳电源规划包括低碳经济模式下电力系统逐年的电源扩展规划以及由CCS 技术的兴起而衍生出来的新问题——CCS 装置在常规火电厂中的优化配置问题；低碳电网规划则主要包括低碳经济模式下各系统的输电网规划以及跨区电网的联网规划；2）系统运行层面的研究主要归纳为低碳经济模式下发电机组优化组合问题、机组的优化调度问题、含CCP 的电力系统运行优化问题。
3 低碳电力系统规划层面的研究现状与展望
3.1低碳电源电网协调规划
作为电力系统的有机组成部分，电源与电网在系统规划中密不可分。系统未来电源的布局和容量设置，将影响规划输电线路的走向、输电容量和电压等级；而系统现有的电网结构，也将在一定程度上决定未来电源装机的布局。在低碳经济环境下，电源与电网需要协同规划，才能在确保未来负荷供应的前提下实现高效的碳减排。
一方面，电源只有与合理的输电网相配合，才能实现就近并网发电，减少线路潮流的大规模转移，降低输电损耗，同时保证系统电源处于经济运行工况，减少系统碳排放。而且从另一角度来看，生产来源于需求，电能作为一种商品，其效用全部由消费者获得，因而可认为电力负荷才是导致碳排放的本质源头，而输电网则是引导碳排放流动和分布的纽带。尤其在低碳经济环境下，如何通过协调电源与电网的建设关系，充分发挥输电网对碳排放流动的引导作用，有效降低系统碳排放强度，将是未来低碳电力领域一个重要的研究课题。
另一方面，低碳经济的发展必将促进可再生电源的进一步开发和利用，而可再生能源，尤其是风能、潮汐能等，多分布在距离负荷中心较远的偏远地区，需要建设专门的输电线路来实现可再生电源的利用，这就需要在做电源规划的同时，协调好相应输电线路的建设，保证可再生低碳电源的高效利用。现有研究对低碳经济模式下电源电网协调规划关注度依然较低，尚未见相关研究成果发表，需要在后续研究中重点关注。
3.2未来研究展望
低碳经济下的电源规划问题目前已得到了较高程度的关注，尽管现有文献的研究侧重点存在一定的差异，但总体上为该领域的进一步研究奠定了基础；低碳经济模式下的电网规划问题处于初步探讨阶段，已有了初步的分析思路和研究方法；低碳经济下的电源电网协调规划则关注程度较低。总之，低碳电力系统规划层面的后续研究可从以下角度进行深化和扩展。
1）风电等可再生环保型能源发电是实现低碳化的核心发电技术之一，而现有的低碳电源规划模型对风电等新能源电站的接入系统考虑不足；如何在电源布局和规划容量确定的前提下，最大化电网对清洁能源电力的接纳能力，也是未来电网规划需要着重考虑的问题。
2）对于CCS 裝置在火电厂中的优化配置，现有研究是在假定碳捕集系统一直运行在与火电厂发电出力相匹配的前提下进行的，即碳捕集系统始终运行于对碳排放进行完全捕集的状态，这虽然简化了问题的复杂性，但与实际情况不符，需要进一步细化和深入。
3）低碳经济下，跨区输电将是实现大区资源合理配置的有效手段，而已有研究仅针对联网规模而言，还需要就联网送电的电源类型搭配、输送电量优化等方面进行更为深入的研究。
4）低碳经济下，电源电网的联系和配合将更显密切，协调规划问题将不可避免，需要在后续研究中重点关注。
4 低碳电力系统运行优化层面的研究现状与展望
4.1 低碳经济下的发电机组优化组合及优化启停
电力系统的机组优化组合及优化启停（unitcommitment，UC）是用于确定各机组在某一调度周期中各时段上运行状态的优化问题，是进行机组优化调度的前提。常规的机组组合问题一般采用系统运行成本最小作为优化目标，而忽略了能源消耗对环境和社会可持续发展的负面影响。
在低碳经济模式下，不同的机组组合状态，在影响系统发电能耗的同时，也将导致碳排放总量的差异；同时，由于实行碳交易和碳排放额度限制，作为发电调度基础的机组组合，将在很大程度上影响系统发电的碳排放总量及其相应的费用，对整个电力系统的碳减排效果具有决定性作用。 4.2 低碳经济下的发电机组优化调度
区别于UC 问题，发电机组的优化调度是在系统中参加运行的发电机组已经确定的前提下，着重分析系统负荷在机组间的合理分配问题，是保证电力系统获得最佳效益的有效手段。传统的电力系统经济调度（economic dispatch，ED）是在满足系统和发电机组各项约束的条件下，合理安排各在运发电机组的出力，使系统燃料成本最低，但并未考虑对环境的影响。随着人类社会对环境问题的日益重视，传统经济调度的缺陷也逐步显露，因而产生了计及SO2和NOx等主要污染物排放影响的电力系统环境经济调度（environmental/economic dispatch，EED）。然而，在低碳经济模式下，CO2排放也将对发电调度产生一定的影响。
4.3 含碳捕集电厂的系统运行优化
碳捕集电厂由于CCS 装置工作流程较复杂、能耗巨大，同时与火电厂的发电循环存在紧密联系，故其运行机制十分复杂。由于碳捕集电厂的特殊运行机制，其引入后将对电力系统的综合调度、运行可靠性、辅助服务提供能力等带来新的影响。为着重讨论碳捕集电厂所带来的影响，本文将从碳捕集电厂自身的运行特性层面和其引入后对系统运行的影响层面，对含碳捕集电厂的电力系统运行优化问题进行单独探讨。
4.4 未来研究展望
目前，关于低碳经济下的电力系统运行优化研究正在逐步展开，并取得了一定的研究成果，为该领域的研究奠定了基础。未来研究工作可从以下方面进一步深化。
1）深入研究低碳经济下碳交易、碳约束、碳捕集技术等多种低碳要素对发电机组优化组合及优化启停问题的影响，并在综合考虑低碳要素及其作用的基础上建立较为完备的低碳经济下电力系统机组优化组合模型和方法体系。
2）碳捕集电厂将是未来低碳电力系统运行优化领域需关注的重点，后续研究工作可从以下方面进行深化：①碳捕集电厂更深层次的运行机制研究，为进一步分析和评估碳捕集电厂接入后对系统的影响奠定理论基础；②从系统碳减排、运行的经济性和安全性等角度，开展碳捕集电厂在电力系统整体运行中的效益分析和评估方法研究；③从系统对清洁能源的接纳和利用角度，开展碳捕集电厂与风电、太阳能等新能源电站的协调运行机制研究；④结合碳捕集电厂的特殊运行機制及其与常规机组的配合机制，开展含碳捕集电厂的电力系统机组组合及优化启停、优化调度和备用容量优化等相关研究。
3）低碳经济下电力系统运行调度相关政策规程的研究，通过制度层面引导电力工业低碳化的进程。
5 结语
低碳经济发展模式是我国未来保持可持续发展的必由之路。电力行业作为基础能源行业、碳排放量最高的行业，依据国家总体低碳发展路线实行碳减排至关重要。本文对低碳经济下电力系统规划和运行优化方面的研究现状及未来重点研究方向进行了全面的分析，力图建立较为完整的低碳电力系统规划与运行优化研究框架，以期为后续相关研究提供思路和方法借鉴。
关键词：电力系统规划；电力系统运行；低碳经济；低碳电力
1低碳电力技术及其影响
低碳技术泛指涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等部门，在可再生能源、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层的勘探开发、碳捕获与封存等领域开发的有效控制温室气体排放的新技术。目前主要的低碳电力技术包括：发电环节的清洁发电技术、煤气化复循环发电（integrated gasificationcombined cycle，IGCC）和燃气复循环发电（naturegas combined cycle，NGCC）等高效率发电技术、核能/水能/风能/太阳能/生物质能等低碳发电技术、碳捕获与封存（carbon capture and storage，CCS）技术等；输电环节的柔性交流输电技术（flexible ACtransmission system，FACTS）、超导输电技术、配电自动化技术等；用电环节的智能用电交互技术等。其中，CCS 技术是当前电力工业最受关注的低碳技术之一，该技术可分离并捕集排放源排气中的CO2，同时利用管道或其他方式输送到安全的地点封存，实现与大气的长期隔绝。低碳经济环境下，通过在常规火电厂中加装碳捕集设备，改装为碳捕集电厂（carbon capture plant，CCP），可显著降低火电厂的碳排放强度，实现大规模、高效率的碳减排。
2 低碳电力系统规划与运行优化整体研究框架
根据电力系统规划与运行优化的常规研究内容，结合低碳经济相关要素及其特点，本文分别对低碳经济模式下电力系统规划和运行2 个层面的研究内容进行细化：1）系统规划层面的研究主要归纳为低碳电源规划、低碳电网规划和低碳电源电网协调规划3 个方面，其中，低碳电源规划包括低碳经济模式下电力系统逐年的电源扩展规划以及由CCS 技术的兴起而衍生出来的新问题——CCS 装置在常规火电厂中的优化配置问题；低碳电网规划则主要包括低碳经济模式下各系统的输电网规划以及跨区电网的联网规划；2）系统运行层面的研究主要归纳为低碳经济模式下发电机组优化组合问题、机组的优化调度问题、含CCP 的电力系统运行优化问题。
3 低碳电力系统规划层面的研究现状与展望
3.1低碳电源电网协调规划
作为电力系统的有机组成部分，电源与电网在系统规划中密不可分。系统未来电源的布局和容量设置，将影响规划输电线路的走向、输电容量和电压等级；而系统现有的电网结构，也将在一定程度上决定未来电源装机的布局。在低碳经济环境下，电源与电网需要协同规划，才能在确保未来负荷供应的前提下实现高效的碳减排。
一方面，电源只有与合理的输电网相配合，才能实现就近并网发电，减少线路潮流的大规模转移，降低输电损耗，同时保证系统电源处于经济运行工况，减少系统碳排放。而且从另一角度来看，生产来源于需求，电能作为一种商品，其效用全部由消费者获得，因而可认为电力负荷才是导致碳排放的本质源头，而输电网则是引导碳排放流动和分布的纽带。尤其在低碳经济环境下，如何通过协调电源与电网的建设关系，充分发挥输电网对碳排放流动的引导作用，有效降低系统碳排放强度，将是未来低碳电力领域一个重要的研究课题。
另一方面，低碳经济的发展必将促进可再生电源的进一步开发和利用，而可再生能源，尤其是风能、潮汐能等，多分布在距离负荷中心较远的偏远地区，需要建设专门的输电线路来实现可再生电源的利用，这就需要在做电源规划的同时，协调好相应输电线路的建设，保证可再生低碳电源的高效利用。现有研究对低碳经济模式下电源电网协调规划关注度依然较低，尚未见相关研究成果发表，需要在后续研究中重点关注。
3.2未来研究展望
低碳经济下的电源规划问题目前已得到了较高程度的关注，尽管现有文献的研究侧重点存在一定的差异，但总体上为该领域的进一步研究奠定了基础；低碳经济模式下的电网规划问题处于初步探讨阶段，已有了初步的分析思路和研究方法；低碳经济下的电源电网协调规划则关注程度较低。总之，低碳电力系统规划层面的后续研究可从以下角度进行深化和扩展。
1）风电等可再生环保型能源发电是实现低碳化的核心发电技术之一，而现有的低碳电源规划模型对风电等新能源电站的接入系统考虑不足；如何在电源布局和规划容量确定的前提下，最大化电网对清洁能源电力的接纳能力，也是未来电网规划需要着重考虑的问题。
2）对于CCS 裝置在火电厂中的优化配置，现有研究是在假定碳捕集系统一直运行在与火电厂发电出力相匹配的前提下进行的，即碳捕集系统始终运行于对碳排放进行完全捕集的状态，这虽然简化了问题的复杂性，但与实际情况不符，需要进一步细化和深入。
3）低碳经济下，跨区输电将是实现大区资源合理配置的有效手段，而已有研究仅针对联网规模而言，还需要就联网送电的电源类型搭配、输送电量优化等方面进行更为深入的研究。
4）低碳经济下，电源电网的联系和配合将更显密切，协调规划问题将不可避免，需要在后续研究中重点关注。
4 低碳电力系统运行优化层面的研究现状与展望
4.1 低碳经济下的发电机组优化组合及优化启停
电力系统的机组优化组合及优化启停（unitcommitment，UC）是用于确定各机组在某一调度周期中各时段上运行状态的优化问题，是进行机组优化调度的前提。常规的机组组合问题一般采用系统运行成本最小作为优化目标，而忽略了能源消耗对环境和社会可持续发展的负面影响。
在低碳经济模式下，不同的机组组合状态，在影响系统发电能耗的同时，也将导致碳排放总量的差异；同时，由于实行碳交易和碳排放额度限制，作为发电调度基础的机组组合，将在很大程度上影响系统发电的碳排放总量及其相应的费用，对整个电力系统的碳减排效果具有决定性作用。 4.2 低碳经济下的发电机组优化调度
区别于UC 问题，发电机组的优化调度是在系统中参加运行的发电机组已经确定的前提下，着重分析系统负荷在机组间的合理分配问题，是保证电力系统获得最佳效益的有效手段。传统的电力系统经济调度（economic dispatch，ED）是在满足系统和发电机组各项约束的条件下，合理安排各在运发电机组的出力，使系统燃料成本最低，但并未考虑对环境的影响。随着人类社会对环境问题的日益重视，传统经济调度的缺陷也逐步显露，因而产生了计及SO2和NOx等主要污染物排放影响的电力系统环境经济调度（environmental/economic dispatch，EED）。然而，在低碳经济模式下，CO2排放也将对发电调度产生一定的影响。
4.3 含碳捕集电厂的系统运行优化
碳捕集电厂由于CCS 装置工作流程较复杂、能耗巨大，同时与火电厂的发电循环存在紧密联系，故其运行机制十分复杂。由于碳捕集电厂的特殊运行机制，其引入后将对电力系统的综合调度、运行可靠性、辅助服务提供能力等带来新的影响。为着重讨论碳捕集电厂所带来的影响，本文将从碳捕集电厂自身的运行特性层面和其引入后对系统运行的影响层面，对含碳捕集电厂的电力系统运行优化问题进行单独探讨。
4.4 未来研究展望
目前，关于低碳经济下的电力系统运行优化研究正在逐步展开，并取得了一定的研究成果，为该领域的研究奠定了基础。未来研究工作可从以下方面进一步深化。
1）深入研究低碳经济下碳交易、碳约束、碳捕集技术等多种低碳要素对发电机组优化组合及优化启停问题的影响，并在综合考虑低碳要素及其作用的基础上建立较为完备的低碳经济下电力系统机组优化组合模型和方法体系。
2）碳捕集电厂将是未来低碳电力系统运行优化领域需关注的重点，后续研究工作可从以下方面进行深化：①碳捕集电厂更深层次的运行机制研究，为进一步分析和评估碳捕集电厂接入后对系统的影响奠定理论基础；②从系统碳减排、运行的经济性和安全性等角度，开展碳捕集电厂在电力系统整体运行中的效益分析和评估方法研究；③从系统对清洁能源的接纳和利用角度，开展碳捕集电厂与风电、太阳能等新能源电站的协调运行机制研究；④结合碳捕集电厂的特殊运行機制及其与常规机组的配合机制，开展含碳捕集电厂的电力系统机组组合及优化启停、优化调度和备用容量优化等相关研究。
3）低碳经济下电力系统运行调度相关政策规程的研究，通过制度层面引导电力工业低碳化的进程。
5 结语
低碳经济发展模式是我国未来保持可持续发展的必由之路。电力行业作为基础能源行业、碳排放量最高的行业，依据国家总体低碳发展路线实行碳减排至关重要。本文对低碳经济下电力系统规划和运行优化方面的研究现状及未来重点研究方向进行了全面的分析，力图建立较为完整的低碳电力系统规划与运行优化研究框架，以期为后续相关研究提供思路和方法借鉴。