区域电力系统结构演进及其水-能-排耦合研究

In recent years, electric power industry has achieved rapid growth. However, it also confronts a series of challenges. For example, high water consumption has aggravated regional water supply pressure in north China where water resource is quite limited; Regional electric power structure needs further adjustment; The utilization and economical efficiency of energy resources should be further improved; Regional GHG and atmospheric pollution still threaten the health of the public. Optimization methods and methodology system have been built to solve three issues below: The rule of structure evolution in regional electric power system will be illustrated through a structure evolution capacity expansion model and a correlation mapping system, which may help to establish the organic correlation between system structure evolution and water-energy-emission coupling; The project will furtherly perfect the coupling mechanism of water-energy-emission nexus in theory through the combination of PIOT and BLDP models, so that it can provide strategy support for structure adjustment of the electric power system; Moreover, the incorporation of uncertainty optimization methods will show its advantages on scientific and effective uncertainty decision making processes. It will help to achieve low carbon, clean, safety and efficient development patterns of electric power system theoretically, politically and practically through this research.

近年来，我国电力行业发展迅速，但也面临着一系列挑战：火力发电水耗量巨大，加剧了水资源缺乏的北方地区的供水压力；区域电源结构布局需继续调整；发电能源资源的利用效率及生产经济性有待进一步提高；区域电力系统仍面临温室气体及大气污染减排方面的巨大压力。本项目将通过优化模型和方法体系的构建，解决以下三方面的问题：通过结构演进扩容模型及关联映射方法体系的构建，揭示区域电力系统的结构演进规律，建立系统结构演进与水-能-排耦合研究间的有机关联；通过三维PIOT投入产出物质流模型和双层分解模型的构建，从理论上进一步完善系统水-能-排各要素间的耦合机理，为区域电力系统寻找水-能-排协调发展的调整方案提供策略支撑；通过对多重不确定性优化方法的整合，提升系统规划过程中不确定性决策的科学性和有效性。通过该项目的研究,可以在理论、政策及实践上为我国实现清洁低碳，安全高效的电力发展模式提供理论依据和政策支撑。

本项目基于我国北方地区火力发电设施集中，碳排放量高而水资源相对匮乏的实际情况，结合我国火力发电生产中水耗量大，碳减排任务重的突出矛盾开展区域电力系统水-能-排耦合研究，为实现我国北方地区电力系统的清洁、低碳、安全、高效发展提供理论和政策支撑。本项目从四个方面开展了区域电力系统的水-能-排耦合研究。首先，在选定典型研究区域后，通过随机多层规划模型对区域电力系统结构动态演进进行模拟，获得了不同规划期不同电源的优化配置结果；在此基础上，对不同规划期电力结构演进中的实体水资源消耗，碳排放及大气污染物排放的变化情况进行量化评估，通过定量计算分析系统水-能-排相互作用的机理及机制关系。第二，基于多区域投入产出模型及水足迹相关理论，开展了包含多个典型北方区域的电力系统水-能-排耦合投入产出分析，其中，重点核算了电力结构演进过程中伴生的水资源消耗量（包括实际水耗和虚拟水耗）的变化，并以此为基础确定未来区域电力系统的布局调整方向。第三，研究中重点量化分析了区域电力系统在水-能-排三要素耦合研究中存在的不确定性及其影响，并通过多种不确定性控制方法实现对不确定性因素的控制。研究结果表明，模型构建过程中影响水-能-排关系的因素中，中长期电力需求的不确定性及各类型机组利用小时数的不确定性是最主要的影响因素。通过不同不确定性方法与优化模型的结合，这些不确定性因素能够得到有效的控制。最后，结合我国电力系统具体的政策情景，结合上述研究内容中构建的模型，评估了不同政策对区域电力系统发展及其水-能-排协同关系的作用效果，并形成了行业节能减排措施。结果显示，配合煤电资源的清洁化改造，区域电力结构中合理的新能源资源比例将极大限度的改善区域电力系统的水-能-排效能。本课题结合我国电力系统的区域性特点及其发展中存在的基本矛盾，开展了电力系统水-能-排耦合研究，为缓和我国北方地区电力系统中长期发展过程中存在的能源供应、资源及减排矛盾，为双碳目标的实现及区域电力系统的合理布局，提供一定的理论依据及政策支撑。