摘 要： 電力系統(tǒng)發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳約占全國(guó)碳排放總量的41%，提升清潔發(fā)電占比將是推動(dòng)我國(guó)雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段發(fā)電主體清潔化轉(zhuǎn)型的研究多聚焦在宏觀政策分析和微觀發(fā)電技術(shù)兩方面，鮮有研究針對(duì)區(qū)域多發(fā)電主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化分析，定量預(yù)測(cè)多發(fā)電主體互補(bǔ)優(yōu)化模式帶來的多維影響效應(yīng)。文章以西北地區(qū)為例，通過構(gòu)建多發(fā)電主體協(xié)同互補(bǔ)的機(jī)制模型，并分析案例區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式，提出了其碳達(dá)峰規(guī)劃發(fā)展路徑。研究結(jié)果表明：（1）經(jīng)過優(yōu)化后的區(qū)域發(fā)電結(jié)構(gòu)中火電發(fā)電量明顯下降，清潔能源有效互補(bǔ)占比上升，多發(fā)電主體互補(bǔ)的同時(shí)有效降低了碳排放總量；（2）影響多發(fā)電主體協(xié)同優(yōu)化的外部因素有工業(yè)消耗煤量、節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出、社會(huì)消費(fèi)品零售總額，這三類要素交互影響驅(qū)動(dòng)區(qū)域發(fā)電主體協(xié)同互補(bǔ)；（3）在多能互補(bǔ)的優(yōu)化模式下，區(qū)域電力系統(tǒng)的碳排放量將在2030年前達(dá)峰，但其“碳達(dá)峰”路徑中依然存在多個(gè)波動(dòng)區(qū)間。西北地區(qū)風(fēng)、光資源豐富，作為國(guó)家的可再生能源發(fā)電基地更應(yīng)該發(fā)展多層級(jí)的多能互補(bǔ)模式，加快風(fēng)、光儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模化生產(chǎn)，配合有效的“綠能”外送機(jī)制，整體驅(qū)動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 雙碳目標(biāo)；多能互補(bǔ)；發(fā)電主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；碳達(dá)峰路徑

中圖分類號(hào)：TM73" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "DOI：10.13677/j.cnki.cn65-1285/c.2025.01.02

一、問題的提出

中國(guó)積極響應(yīng)《巴黎協(xié)定》的號(hào)召，致力于應(yīng)對(duì)氣候變化，并設(shè)定了到2030年二氧化碳排放達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一宏大愿景，能源結(jié)構(gòu)的低碳轉(zhuǎn)型成為關(guān)鍵，其中電力領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型尤為核心1。電力系統(tǒng)在能源鏈中起著至關(guān)重要的作用，它必須支持清潔能源的整合、滿足多元化的能源需求，并構(gòu)建能夠支持多種能源交互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)代能源體系中心。但是現(xiàn)階段中國(guó)為保障能源安全，依然是以火電為主的電源結(jié)構(gòu)，電力系統(tǒng)依然保持了較高排放。2021年國(guó)家發(fā)改委提出了《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，意見中明確要貫徹新發(fā)展理念，更好地發(fā)揮源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)在保障能源安全中的作用，積極探索其實(shí)施路徑。因此，如何以安全、低碳、高效為目標(biāo)，優(yōu)化互補(bǔ)區(qū)域多發(fā)電主體，提升發(fā)電端能源清潔利用水平，降低能源電力系統(tǒng)的碳排放是實(shí)現(xiàn)中國(guó)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵。

現(xiàn)有研究集中在清潔發(fā)電主體的技術(shù)突破方面，強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)能技術(shù)的調(diào)節(jié)作用1、核電發(fā)展2以及負(fù)碳技術(shù)等3，深入分析了技術(shù)和政策對(duì)于能源電力系統(tǒng)發(fā)電端低碳轉(zhuǎn)型的影響；但是，聚焦區(qū)域多種發(fā)電主體進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化建模，量化分析多發(fā)電主體互補(bǔ)優(yōu)化模式帶來的影響效應(yīng)的研究還較少。因此，本研究以西北地區(qū)為例，首先，深入剖析西北地區(qū)的發(fā)電結(jié)構(gòu)演化特征，揭示影響發(fā)電主體協(xié)同發(fā)展的主要因素，構(gòu)建了影響區(qū)域多能互補(bǔ)發(fā)展的機(jī)制模型；其次，以西北地區(qū)某省份為例，構(gòu)建區(qū)域多能互補(bǔ)的協(xié)同優(yōu)化模型，以總發(fā)電成本最小、總污染治理成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，考慮供需平衡、環(huán)境容量等影響因素，對(duì)比得到區(qū)域多能互補(bǔ)協(xié)同優(yōu)化的最佳發(fā)電主體配比模式；最后，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)區(qū)域的發(fā)電結(jié)構(gòu)演化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了區(qū)域能源電力系統(tǒng)“碳達(dá)峰”規(guī)劃的發(fā)展路徑。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）用真實(shí)的區(qū)域電源結(jié)構(gòu)發(fā)展數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域地理和環(huán)境條件構(gòu)建多能互補(bǔ)電源體系的協(xié)同優(yōu)化模型，為發(fā)電結(jié)構(gòu)低碳演進(jìn)發(fā)展提供理論支撐；（2）基于多能互補(bǔ)的協(xié)同優(yōu)化模型，預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)電結(jié)構(gòu)的碳達(dá)峰路徑，配合區(qū)域制定的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)規(guī)劃，分析區(qū)域能源電力系統(tǒng)的碳達(dá)峰軌跡，為能源電力系統(tǒng)的低碳安全轉(zhuǎn)型提供實(shí)證依據(jù)。

該部分后的文章安排：第二部分從多能互補(bǔ)的發(fā)展情況著手全面綜述現(xiàn)有研究，為本文提供文獻(xiàn)支撐；第三部分通過分析西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)演化特征，刻畫電力結(jié)構(gòu)演化機(jī)制框架；第四部分構(gòu)建多能互補(bǔ)協(xié)同優(yōu)化模型，對(duì)比分析西北地區(qū)的多能互補(bǔ)新模式；最后一部分預(yù)測(cè)西北地區(qū)在多能互補(bǔ)情境下能源電力系統(tǒng)的碳排放量，構(gòu)建西北地區(qū)能源電力系統(tǒng)的碳排放路徑，并為能源電力系統(tǒng)的多能互補(bǔ)發(fā)展提供政策建議。

二、文獻(xiàn)綜述

化石能源消費(fèi)是碳排放最主要的來源，“雙碳”目標(biāo)的提出使得以化石能源為主導(dǎo)的能源體系正向以新能源為主體的綠色智慧能源體系演進(jìn)4。但目前可再生能源及儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件仍不成熟，能源轉(zhuǎn)型面臨較大的不確定性。

為助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，學(xué)者們從多種電源技術(shù)角度進(jìn)行了研究。核電的放射性問題一直存在爭(zhēng)議，也是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)5，但王彥哲等6（2021）研究發(fā)現(xiàn)，核電放射性小于等于煤電放射性，可保證公眾的安全，且核電屬于清潔能源，目前國(guó)內(nèi)核電技術(shù)的單位發(fā)電量二氧化碳排放僅有10.9gCO2/kW·h，核電無疑也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一種重要電源技術(shù)。Wu等7（2021）認(rèn)為目前中國(guó)的光伏電站仍處于規(guī)模擴(kuò)張時(shí)期，太陽能有望成為替代煤炭的重要能源。此外，我國(guó)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，將很大可能依賴負(fù)排放技術(shù)的部署，特別是運(yùn)用碳捕捉與封存技術(shù)的生物質(zhì)能（Biomass Energy with Carbon Capture and Storage， BECCS）。Yang等1（2021）從生命周期視角核算了十個(gè)燃煤耦合生物質(zhì)電廠的平準(zhǔn)化度電成本，并組合優(yōu)化碳價(jià)、上網(wǎng)電價(jià)和稅收抵免三方面的政策激勵(lì)手段，以期在最低政策負(fù)擔(dān)的目標(biāo)下，彰顯“成本競(jìng)爭(zhēng)力”。最后必須強(qiáng)調(diào)的是，碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)除了要關(guān)注新能源的發(fā)展，還應(yīng)對(duì)煤電退出進(jìn)行合理安排。Cui等2（2021）綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估了中國(guó)現(xiàn)役1 037座燃煤電廠，并制定了電廠提前退役的優(yōu)先順序指標(biāo)，為中國(guó)的燃煤電廠分省份設(shè)計(jì)了完整的煤電逐步退出路徑。

多能互補(bǔ)是一種能源利用的方法，這種利用方法有廣義和狹義之分。廣義的能源利用方式針對(duì)的是供能系統(tǒng)源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)的各個(gè)環(huán)節(jié)上不同能源或能源系統(tǒng)的有機(jī)耦合，以滿足用能端對(duì)熱（冷）、電、氣等多種能源的動(dòng)態(tài)需求3。而狹義上的多能互補(bǔ)則聚焦于供電側(cè)能源利用情況的多樣化，簡(jiǎn)化用能側(cè)的多樣化能源需求為電源4。本研究通過優(yōu)化發(fā)電端，有機(jī)耦合風(fēng)電、火電、水電與儲(chǔ)能的利用過程，充分結(jié)合不同能源之間的互補(bǔ)特性、協(xié)同特性，以更低的能源損耗、更高的脫碳率，為“發(fā)電端”提供清潔、穩(wěn)定、可靠的電能供給。以風(fēng)電、光伏為代表的新型發(fā)電方式具有不確定性、隨機(jī)性與季節(jié)性的特點(diǎn)，再加之其他綜合因素，使得我國(guó)面臨著嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題與新能源消納問題5。如何化解我國(guó)棄風(fēng)、棄光風(fēng)險(xiǎn)，解決新能源消納問題成為能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。程林等學(xué)者6（2017）經(jīng)研究后提出能源系統(tǒng)缺乏靈活性是導(dǎo)致該問題的主要原因，而靈活性的缺乏又由于不同能源系統(tǒng)發(fā)展的差異導(dǎo)致；充分利用多種能源的互補(bǔ)特性，合理根據(jù)不同供能系統(tǒng)之間的差異規(guī)劃綜合能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)資源優(yōu)化配置，提升系統(tǒng)靈活性，提高可再生能源消納能力和系統(tǒng)綜合能效的關(guān)鍵78。多能互補(bǔ)可以通過推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的低碳、清潔轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和優(yōu)化受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)需求、資源限制和生態(tài)環(huán)境等多種因素的影響。電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和優(yōu)化方法主要集中在多目標(biāo)優(yōu)化9、場(chǎng)景分析方法10和最近較為流行的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法1112。具體來看，陳建華等學(xué)者13采用線性規(guī)劃的對(duì)偶理論將所提的雙層優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單層的非線性規(guī)劃模型求解，并采用內(nèi)點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)有效求取滿足“棄風(fēng)量最小”這一經(jīng)濟(jì)性要求的風(fēng)電最大安全出力區(qū)間解，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性與安全性的協(xié)調(diào)。彭劉陽等1運(yùn)用深度確定性策略梯度（Deep Deterministic Policy Gradient，DDPG）研究含有風(fēng)、光儲(chǔ)的大電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，通過DDPG避免對(duì)當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性電源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時(shí)引起的復(fù)雜的不確定性進(jìn)行建模，得出DDPG能在自適應(yīng)系統(tǒng)不確定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)任意場(chǎng)景下的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和多能互補(bǔ)都需要先進(jìn)的技術(shù)支撐。例如，儲(chǔ)能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)等可以支持多能互補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)，提高能源利用效率；碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)則可以支持“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，減少溫室氣體排放2?！半p碳”目標(biāo)和多能互補(bǔ)相互促進(jìn)、相互支持，共同推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級(jí)，為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對(duì)氣候和資源變化作出積極貢獻(xiàn)。因此，本文以西北地區(qū)省份為例，綜合考慮能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等因素，構(gòu)建電力結(jié)構(gòu)演化機(jī)理模型；并以發(fā)電成本最小化、污染治理成本最小化為目標(biāo)，構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型；運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了2030年地區(qū)電力結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的碳排放情況，為未來西北地區(qū)電力行業(yè)的進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展提供一些建議。

三、西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)的演變趨勢(shì)及其機(jī)理框架

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，西北地區(qū)對(duì)電力需求的總量在逐步提高，火電裝機(jī)容量也快速上升，但隨之也出現(xiàn)了環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，能源電力系統(tǒng)的低碳可持續(xù)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。西北地區(qū)水、煤、油、氣、風(fēng)、光等各類能源資源都較為豐富，在國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位，特別是太陽能、風(fēng)能資源優(yōu)勢(shì)突出；同時(shí)，西北地區(qū)還擁有豐富的土地資源，為建設(shè)大規(guī)模光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電奠定了優(yōu)越基礎(chǔ)，成為清潔能源發(fā)電基地的區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯3。

（一）西北地區(qū)多發(fā)電主體裝機(jī)量的動(dòng)態(tài)變化分析

基于“偏離—份額分析法”4來研究西北地區(qū)發(fā)電裝機(jī)容量的動(dòng)態(tài)變化，以全國(guó)作為參照區(qū)域，將一段時(shí)期內(nèi)西北地區(qū)的火電、新能源發(fā)電的裝機(jī)容量變動(dòng)分解為3個(gè)分量，即份額分量（the nationa1 growth effect）、結(jié)構(gòu)偏離分量（the industria1 nix effect）和競(jìng)爭(zhēng)力偏離分量（the shift share effect），以此評(píng)價(jià)西北地區(qū)具有相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的發(fā)電能源，進(jìn)而可以確定西北地區(qū)未來發(fā)電的合理方向和電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的原則。該方法的總公式為：

[Gi=Ni+Pi+Di" " " （1）]

[Ni=Yi0×R" " " " " " " （2）]

[Pi=Yi0×Ri?R" " （3）]

[Di=Yi0×ri?Ri" " （4）]

其中：[Gi]表示火電或者新能源發(fā)電在特定階段內(nèi)的裝機(jī)容量增長(zhǎng)量，根據(jù)“偏離—份額分析法”將其分解成[Ni]、[Pi]和[Di ]三個(gè)分量；[Ni]表示火電或者新能源發(fā)電裝機(jī)容量的全國(guó)份額分量，指火電或者新能源發(fā)電按照全國(guó)范圍的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)所得到的裝機(jī)容量增長(zhǎng)量；[Pi]表示火電或者新能源發(fā)電裝機(jī)容量的結(jié)構(gòu)偏離分量，也就是說其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為能源發(fā)電帶來了裝機(jī)容量的增長(zhǎng)量，當(dāng)[Pi]＞0時(shí)，表明能源發(fā)電結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)帶來的增長(zhǎng)量高于全國(guó)平均水平，具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)；[Di]表示火電或者新能源發(fā)電裝機(jī)容量的競(jìng)爭(zhēng)偏離分量，也就是其區(qū)位競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)所帶來的裝機(jī)容量增長(zhǎng)量，當(dāng)[Di]＞0時(shí)，說明能源發(fā)電的區(qū)位競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)要高于全國(guó)平均水平；[Yi0]表示西北地區(qū)在基準(zhǔn)年份下火電或新能源發(fā)電的裝機(jī)容量；[R]表示全國(guó)總裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)率；[Ri]表示全國(guó)火電或新能源發(fā)電裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)率；[ri]表示西北地區(qū)火電或新能源發(fā)電裝機(jī)容量的年增長(zhǎng)率；i=1表示火電，i=2表示新能源發(fā)電。

刻畫西北地區(qū)2001—2023年的競(jìng)爭(zhēng)偏離分量和結(jié)構(gòu)偏離分量（如圖1所示）。

從競(jìng)爭(zhēng)偏離分量和結(jié)構(gòu)偏離分量?jī)蓚€(gè)方面分析火電和新能源發(fā)電方式的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，火電的競(jìng)爭(zhēng)偏離分量在正負(fù)之間波動(dòng)幅度小于新能源發(fā)電，2000—2020年整體上其競(jìng)爭(zhēng)偏離分量高于新能源發(fā)電，個(gè)別年份是新能源發(fā)電高于火電。但是從2021年開始，火電的競(jìng)爭(zhēng)偏離分量逐漸小于新能源發(fā)電，說明火電的競(jìng)爭(zhēng)力弱于新能源發(fā)電。新能源發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)偏離分量在初期處于較低水平，2007年開始大量建設(shè)風(fēng)、光發(fā)電項(xiàng)目，使得競(jìng)爭(zhēng)偏離分量出現(xiàn)了一定的提升。隨著發(fā)電技術(shù)的成熟，新能源發(fā)電的普及率逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，競(jìng)爭(zhēng)能力較強(qiáng)，發(fā)展?jié)摿^大。前6年伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，電力需求較大，新能源發(fā)電利用率較低，因此火力發(fā)電是電力結(jié)構(gòu)中最主要的供應(yīng)來源。隨著氣候和環(huán)境的變化，電力行業(yè)節(jié)能減排工作開始逐步推進(jìn)，2007年開始西北地區(qū)火電的結(jié)構(gòu)偏離分量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且2007年后皆處于負(fù)值狀態(tài)，而新能源發(fā)電的結(jié)構(gòu)偏離分量穩(wěn)步提升。這表明在新常態(tài)的時(shí)代背景下，火電的發(fā)展受到了一定程度的限制，而新能源發(fā)電正逐步替代火電機(jī)組，電力結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向新能源發(fā)電不斷轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)。

（二）西北地區(qū)多發(fā)電主體演化的機(jī)制框架

基于文獻(xiàn)分析以及對(duì)西北地區(qū)多發(fā)電主體裝機(jī)量的動(dòng)態(tài)變化分析，揭示影響西北地區(qū)多發(fā)電主體演化的主要因素包括工業(yè)消耗煤量1、節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出2、社會(huì)消費(fèi)品零售總額3。工業(yè)消耗煤量，與火電發(fā)電量呈現(xiàn)正相關(guān)，也是火電發(fā)電的一種資源約束。利用煤炭資源發(fā)電會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很多負(fù)面影響，包括空氣污染、有機(jī)廢氣排放、溫室氣體排放等后果。為了有效應(yīng)對(duì)氣候變化問題和空氣污染問題，近年來，政府采取了多項(xiàng)有力措施控制煤炭消費(fèi)，推動(dòng)新能源發(fā)展，工業(yè)煤炭消耗增速有所放緩。但是不可忽視的現(xiàn)實(shí)是，目前煤炭仍是西北地區(qū)最主要的能源，其消耗總量仍在逐年上漲；此外，煤炭發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)在于其低廉的發(fā)電成本以及能夠提供穩(wěn)定、持續(xù)的電力供給，使得作為商品的電力更具有經(jīng)濟(jì)性。

財(cái)政是國(guó)家治理的重要支柱，隨著綠色發(fā)展理念不斷融入財(cái)政制度，“綠色財(cái)政”的概念應(yīng)運(yùn)而生。黨的十八大以來，西北地區(qū)財(cái)政一般公共預(yù)算支出中用于節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出規(guī)模保持平穩(wěn)，占一般公共預(yù)算支出比重基本維持在3%左右，持續(xù)支持污染防治、生態(tài)保護(hù)以及節(jié)能減排等項(xiàng)目。研究表明，綠色財(cái)政能夠有效地為自然資源的高效利用提供保障。它不僅能夠從稅收角度激勵(lì)綠色節(jié)能的生產(chǎn)和消費(fèi)方式，還可以通過財(cái)政支出政策（如補(bǔ)貼、投資和政府購(gòu)買等）促進(jìn)資源利用效率提升、資源循環(huán)利用以及可再生能源推廣等。在節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出影響下，通過提高城市技術(shù)創(chuàng)新能力、優(yōu)化城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和降低化石能源消耗，西北地區(qū)的電力結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸由高碳消耗向低碳消耗轉(zhuǎn)變。

社會(huì)消費(fèi)品零售總額是反映宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)，主要用于反映全社會(huì)實(shí)物商品的消費(fèi)情況。而電力發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平緊密相關(guān)，不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平會(huì)影響整個(gè)社會(huì)的用電需求，影響不同電源的投資水平、裝機(jī)容量。西北地區(qū)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低，社會(huì)消費(fèi)品零售總額不斷波動(dòng)，且緩慢上升。西北地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要以資源型產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)為主，這些產(chǎn)業(yè)對(duì)能源的需求較高，碳排放水平較高。社會(huì)消費(fèi)品零售總額指標(biāo)影響著西北地區(qū)的電力結(jié)構(gòu)演化（西北地區(qū)多發(fā)電主體演化的機(jī)制框架如下圖2所示）。

四、多目標(biāo)約束下西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型構(gòu)建

（一）多目標(biāo)約束的電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)理論，電力發(fā)展與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源和環(huán)境之間密切相關(guān)。因此，電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅需要實(shí)現(xiàn)電力供求平衡，保障經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行，還要考慮技術(shù)進(jìn)步和資源限制，不斷提高能源利用效率，最大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保1。本文主要考慮火電、風(fēng)電、光伏、水電和儲(chǔ)能的發(fā)電方式。

1.決策變量

模型的決策變量有5個(gè)，即水電發(fā)電量[x1]、火電發(fā)電量[x2]、風(fēng)電發(fā)電量[x3]、光電發(fā)電量[x4]、儲(chǔ)能容量[x5]。

2.目標(biāo)函數(shù)

發(fā)電成本和污染治理成本直接影響了發(fā)電企業(yè)的營(yíng)業(yè)利潤(rùn)，進(jìn)而關(guān)系到企業(yè)資金的正常運(yùn)作。因此，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為總發(fā)電成本最小、二氧化硫與氮氧化物污染治理成本最小，即

[Minf1x=i=15cixi" " " " " "5]

[Minf2x=i=15aixi" " " " " 6]

式中，[ f1x]為總發(fā)電成本，[f2x]為污染治理成本，[ci]為各種能源每發(fā)一度電的發(fā)電成本，[ai]為各種能源每發(fā)一度電的污染治理成本。

3.約束條件

電量供需平衡約束：在考慮西電東送的基礎(chǔ)上，確保供電量滿足電力需求，即供電量大于等于用電量。

[i=15xi≥D" " " " " 7]

式中，[D]為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的西北G省電力需求。

發(fā)電裝機(jī)容量約束：新能源發(fā)電技術(shù)不斷創(chuàng)新，裝機(jī)容量也進(jìn)一步擴(kuò)大，設(shè)定計(jì)算年份各種能源發(fā)電的裝機(jī)容量不超過技術(shù)擴(kuò)散的上限。

[xihi≤Ei" " " " " "8]

式中，[hi]為各種能源發(fā)電的利用小時(shí)，[Ei]為各類能源總的裝機(jī)容量。

二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放約束：嚴(yán)格控制溫室氣體的排放，減少CO2的排放量，即控制在最大排放量范圍內(nèi)；同時(shí)，堅(jiān)決控制污染物排放，即設(shè)定SO2，NOx的排放量在最大排放量范圍內(nèi)。

[i=15rixi≤Pc" " " " " "9]

[i=15wixi≤Ps" " " " " "10]

[i=15mixi≤Pn" " " " " "11]

式中[，ri]為各種能源每發(fā)一度電的二氧化碳排放系數(shù)，[wi]為各種能源每發(fā)一度電的二氧化硫排放系數(shù)，[mi]為各種能源每發(fā)一度電的氮氧化物排放系數(shù)，[Pc]為二氧化碳排放控制年目標(biāo)[，Ps]為二氧化硫排放控制年目標(biāo)，[Pn]為氮氧化物排放控制年目標(biāo)。

（二）算例分析

1.數(shù)據(jù)來源

以G省2024年多能互補(bǔ)優(yōu)化模式為例進(jìn)行計(jì)算，收集水電、火電、風(fēng)電、光電的發(fā)電成本，考慮到因成本核算方式的差異和國(guó)家對(duì)上網(wǎng)電價(jià)的管制，采用上網(wǎng)電價(jià)替代發(fā)電成本進(jìn)行計(jì)算。此外，二氧化硫和氮氧化物污染物的平均治理成本分別按8元/kg和9元/kg計(jì)1。根據(jù)G省“十四五”經(jīng)濟(jì)、能源發(fā)展規(guī)劃等政策通知，G省在經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展要求下，“十四五”期間GDP增速平均保持5%，進(jìn)一步結(jié)合G省近幾年電力彈性系數(shù)，預(yù)計(jì)到2024年G省用電量將在1 667.504 204億kWh左右。

根據(jù)《關(guān)于做好風(fēng)電、光伏發(fā)電全額保障性收購(gòu)管理工作的通知》等政策以及相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)定各發(fā)電方式的年有效運(yùn)行時(shí)間，火電、水電、風(fēng)電、光電和儲(chǔ)能分別為4 500小時(shí)、4 500小時(shí)、2 000小時(shí)、1 500小時(shí)、2小時(shí)。而2024年各能源發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量，取自于《G省“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃》（2024年不同能源發(fā)電技術(shù)主要參數(shù)假設(shè)如表1所示）。

火電CO2排放量較大，查閱相關(guān)文獻(xiàn)23，參考G省同類火電發(fā)電廠的平均水平，設(shè)定單位排放系數(shù)為700g/kWh；而水電、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能的單位排放系數(shù)設(shè)定為22.5g/kWh、6.5g/kWh、50g/kWh、0g/kWh。SO2和NOx主要來源于火電，設(shè)定SO2的排放量為300mg/kWh、NOx的排放系數(shù)為350mg/kWh。

依據(jù)G省“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案，預(yù)計(jì)2024年二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放控制目標(biāo)較2020年下降10%左右，計(jì)算得到2024年發(fā)電行業(yè)二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放量可設(shè)定在7 615.240 55萬噸、6.04萬噸、7.96萬噸左右。

2.運(yùn)算結(jié)果及分析

本文采用設(shè)計(jì)的SLSQP序列最小二乘規(guī)劃方法，運(yùn)行程序后得到多個(gè)帕累托非支配解。實(shí)際帕累托有效解集中的每個(gè)解都有各自的優(yōu)勢(shì)，在對(duì)2024年G省電力最優(yōu)結(jié)構(gòu)選擇時(shí)，可以根據(jù)具體需求選擇對(duì)應(yīng)的帕累托解。此處從解集中選取有代表性的部分解，具體見表2。

結(jié)果1是發(fā)電總成本最小的解集，結(jié)果2是污染治理成本最小的方案，結(jié)果3和結(jié)果4為兩套折中方案。結(jié)合“十四五”規(guī)劃中對(duì)可再生能源的規(guī)劃，需要較高的風(fēng)、光發(fā)電占比，并匹配一定的儲(chǔ)能裝置。在實(shí)際發(fā)電過程中，對(duì)總發(fā)電量成本、污染治理成本有不同的偏好程度，此時(shí)可以利用秩和比綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)2個(gè)指標(biāo)賦予一定權(quán)值，得到不同要求下的最優(yōu)解。此處討論3種情況：（1）不對(duì)2個(gè)目標(biāo)量設(shè)權(quán)重，即權(quán)重相同，可得到結(jié)果1；（2）假設(shè)發(fā)電總成本、污染治理成本權(quán)重為［1，0］，可得到結(jié)果1；（3）假設(shè)發(fā)電總成本、污染治理成本權(quán)重為［0，1］，可得到結(jié)果2。綜合考慮可再生能源的規(guī)劃總量、儲(chǔ)能匹配以及發(fā)電成本和治污成本，發(fā)現(xiàn)結(jié)果2是最佳電力結(jié)構(gòu)，其各類能源總體發(fā)電量相對(duì)較高，且污染治理成本最低，既滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的G省電力需求、又符合了“雙碳”目標(biāo)的要求。

五、西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種旨在模仿人腦結(jié)構(gòu)及其功能的信息處理系統(tǒng)，它具有自學(xué)習(xí)、自組織、聯(lián)想記憶和并行處理等功能，被越來越多地應(yīng)用于自動(dòng)控制、組合優(yōu)化、模式識(shí)別、預(yù)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。而BP（Back-Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的模型之一，它是由非線性傳遞函數(shù)神經(jīng)元構(gòu)成的，采用“誤差反傳”作為其學(xué)習(xí)算法的靜態(tài)前饋網(wǎng)絡(luò)1。本文基于2014—2023年西北地區(qū)風(fēng)電、光電、水電和火電的發(fā)電量，以及其影響因素包括工業(yè)消耗煤量、節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出、社會(huì)消費(fèi)品零售總額的月度數(shù)據(jù)等，對(duì)2024—2030年西北地區(qū)風(fēng)電、光電、水電和火電的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)歷史發(fā)電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)西北地區(qū)發(fā)電結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)，進(jìn)一步測(cè)量多能互補(bǔ)發(fā)電結(jié)構(gòu)的碳達(dá)峰路徑。

（一）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

BP算法具體步驟如下：

（1）初始化網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定訓(xùn)練次數(shù)為Ｎ，輸入為Ｘ，期望輸出為Ｄ；（2）計(jì)算出隱含層，輸出層的輸出；（3）求出實(shí)際輸出與期望輸出的誤差；（4）計(jì)算誤差ｅ＜ε或ｎ＞Ｎ；（5）若誤差不滿足要求，則反向傳播誤差，ｎ＝ｎ＋１，調(diào)整權(quán)值，重復(fù)第（2）步；

（二）預(yù)測(cè)結(jié)果分析

本文繪制預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的圖像（見圖3），來直觀反映預(yù)測(cè)結(jié)果。

西北地區(qū)未來風(fēng)電和光電的發(fā)電量將處于相對(duì)較高水平，水電的發(fā)電量則呈季節(jié)性的上下波動(dòng)，火電的發(fā)電量增速放緩并有下降趨勢(shì)。這表明西北地區(qū)作為未來全國(guó)的可再生能源發(fā)電基地，其電力結(jié)構(gòu)的綠色低碳轉(zhuǎn)型會(huì)更快，火電的發(fā)電量占比下降，而風(fēng)電和光電的發(fā)電量占比上升，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α８鶕?jù)各能源發(fā)電的二氧化碳單位排放系數(shù)，可以繪制2014—2030年西北地區(qū)電力行業(yè)的二氧化碳的排放量（見圖4）。

隨著西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)向低碳綠色轉(zhuǎn)型的速度越來越快，其電力產(chǎn)業(yè)在2030年前能夠按時(shí)實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰；在2024年之后，電力行業(yè)的二氧化碳排放量的波動(dòng)幅度縮小，且逐漸出現(xiàn)下降趨勢(shì)?；谝陨项A(yù)測(cè)結(jié)果的分析可知，電力行業(yè)在碳排放達(dá)到峰值的過程中，其碳排放曲線依然存在多階段波動(dòng)，因此，西北地區(qū)還需通過適當(dāng)?shù)乜刂乒I(yè)消耗煤量、積極推行綠色財(cái)政以及保持經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，來保證其電力結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。

六、結(jié)論與建議

環(huán)境氣候的變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及資源儲(chǔ)量的不平衡使得實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的“雙碳”目標(biāo)具有一定的挑戰(zhàn)。多能互補(bǔ)可以有效優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)、降低碳排放量，提升能源利用效率，促進(jìn)電力可持續(xù)發(fā)展。本文以西北地區(qū)G省份為例，綜合考慮區(qū)域電力需求、減排目標(biāo)等，重點(diǎn)分析了工業(yè)消耗煤量、節(jié)能環(huán)保的財(cái)政支出、社會(huì)消費(fèi)品零售總額對(duì)區(qū)域電力結(jié)構(gòu)的影響，并構(gòu)建電力結(jié)構(gòu)的演進(jìn)機(jī)制框架，進(jìn)一步建立區(qū)域電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多目標(biāo)模型，計(jì)算得到風(fēng)、光、水、火、儲(chǔ)的發(fā)電配比新模式。在電力供應(yīng)總量滿足全社會(huì)用電量的基礎(chǔ)上，火電所占比例下降為48.83%，清潔能源發(fā)電比例升至51.17%；二氧化硫、氮氧化物排放總量分別減少到3.18萬噸和3.71萬噸，約下降到原來的一半左右。優(yōu)化后的電力結(jié)構(gòu)從長(zhǎng)期來看對(duì)改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，尤其是對(duì)減少二氧化硫、氮氧化物的排放是非常有利的。而要實(shí)現(xiàn)電力結(jié)構(gòu)的低碳轉(zhuǎn)型需要加快融合水電、風(fēng)電、光電等電力結(jié)構(gòu)占比，不僅增加其裝機(jī)容量，還要進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的角度入手優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)配比的基礎(chǔ)上，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)2024—2030年西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)及其碳排放總量進(jìn)行預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)基于多能互補(bǔ)優(yōu)化模式發(fā)展，西北地區(qū)電力系統(tǒng)將在2030年前達(dá)到二氧化碳排放量的峰值，雖然西北地區(qū)電力系統(tǒng)的“碳達(dá)峰”路徑總體存在一定波動(dòng)，但其二氧化碳排放量在2028年后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這一研究結(jié)論為科學(xué)制定西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)“碳達(dá)峰”實(shí)施路線奠定了理論基礎(chǔ)。

根據(jù)上述結(jié)論，本文提出如下建議：

1.儲(chǔ)能的規(guī)劃量遠(yuǎn)不及可再生能源規(guī)劃量，兩者之間的匹配度越差，需求的調(diào)節(jié)火電越多，會(huì)產(chǎn)生較多的碳排放量。制約儲(chǔ)能發(fā)展的最主要因素就是技術(shù)和成本，因此，我們還應(yīng)加大儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，降低儲(chǔ)能成本，提升整體能源電力產(chǎn)業(yè)鏈的靈活性，進(jìn)一步減少火電配比，減少碳排放總量。

2.可再生能源發(fā)展較為依賴資源環(huán)境，西北地區(qū)可再生資源較為充沛，應(yīng)從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)等多個(gè)維度增加西北地區(qū)可再生能源的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。優(yōu)化煤電布局，提高煤電利用效率，逐步淘汰高耗能、低效率的小火電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)清潔高效發(fā)展煤電的同時(shí)，分區(qū)域分層級(jí)地實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，從構(gòu)建省份多能互補(bǔ)模式擴(kuò)充到西北整個(gè)區(qū)域的多能互補(bǔ)，利用水電、調(diào)峰火電和儲(chǔ)能，穩(wěn)定區(qū)域可再生能源，增加可再生能源電力的全鏈條穩(wěn)定性。

3.2025—2030年，西北地區(qū)電力結(jié)構(gòu)中，風(fēng)電和光伏都處于一個(gè)穩(wěn)步上升的態(tài)勢(shì)，但其增加幅度不大，相比之下，水電和火電增幅存在明顯波動(dòng)。因此，為保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，區(qū)域之間的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)還要加強(qiáng)。改革“綠能”上網(wǎng)機(jī)制，針對(duì)當(dāng)前風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的上網(wǎng)障礙，需要不斷改革體制機(jī)制，解決風(fēng)電并網(wǎng)、光伏發(fā)電兩頭在外的問題，以保障電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。