计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法

杨皓天; 王鹏; 杜尔顺; 龚国仙; 阎洁; 张宁

doi:10.7500/AEPS20250828009

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计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法

更新时间：2026-09-28

- 计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法
- Optimization Method for Power System Planning Considering Dynamic Electricity-Carbon Coupling Characteristics of Coal-fired Power Units
- 电力系统自动化 2026年页码：1-15
- 作者机构：
  
  1.清华四川能源互联网研究院，四川省成都市 610213
  2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084
  3.清华大学低碳能源实验室，北京市 100084
  4.华北电力大学新能源电力系统全国重点实验室，北京市 102206
- 作者简介：
  
  杨皓天(1997—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：低碳电力系统规划与运行模拟、高比例可再生能源系统。E-mail：yanghaotian@tsinghua-eiri.org
  王鹏(1992—)，男，通信作者，博士，助理研究员，主要研究方向：电力系统低碳规划与运行模拟、分布式优化算法。E-mail：wangpeng2020@mail.tsinghua.edu.cn
  杜尔顺(1992—)，男，博士，副研究员，主要研究方向：低碳电力技术、电力系统规划与运行。E-mail：duershun@tsinghua.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2022YFE0117600);新能源电力系统全国重点实验室开放课题资助项目(LAPS25020)
- DOI：10.7500/AEPS20250828009
  中图分类号：
- 收稿：2025-08-28，
  
  修回：2025-12-31，
  
  网络首发：2026-03-03，
- 稿件说明：
移动端阅览
杨皓天,王鹏,杜尔顺等.计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250828009.

YANG Haotian,WANG Peng,DU Ershun,et al.Optimization Method for Power System Planning Considering Dynamic Electricity-Carbon Coupling Characteristics of Coal-fired Power Units[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250828009.
杨皓天,王鹏,杜尔顺等.计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法[J/OL].电力系统自动化, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250828009. DOI：

YANG Haotian,WANG Peng,DU Ershun,et al.Optimization Method for Power System Planning Considering Dynamic Electricity-Carbon Coupling Characteristics of Coal-fired Power Units[J/OL].Automation of Electric Power Systems, http://dx.doi.org/10.7500/AEPS20250828009. DOI：

摘要

在碳达峰碳中和战略目标下，中国电力系统正加速向高比例新能源为主体的新型形态演进，煤电机组逐渐由基荷电源向调峰电源转变。煤电机组的灵活运行虽提升了系统调节能力，但不同工况下碳排放强度差异显著，传统以常数表征的静态碳排放因子方法在高比例新能源电力系统中已难以适用。为此，文中提出了一种计及煤电机组电碳动态耦合特性的电力系统规划优化方法，以精确刻画不同工况下的碳排放差异。针对模型中引入的非凸、非线性电碳耦合约束，设计了基于泰勒展开的迭代求解方法，并在理论上证明了其收敛性与收敛速率；同时针对煤电机组线性碳排放表征方法，提出了无置信域约束的改进算法，进一步提升了求解效率。最后，通过Garver 6节点系统及中国某500 kV主干网区域算例进行验证，所提方法在求解效率与稳定性方面较二阶锥松弛、线性加速及商用求解器均具显著优势，兼具较高的计算效率与工程适用性。

Abstract

Under the strategic objective of carbon emission peak and carbon neutrality

China’s power system is rapidly evolving toward a new paradigm dominated by high-proportion renewable energy

with coal-fired units gradually shifting from base-load to peak-shaving sources. Although the flexible operation of coal-fired power plants enhances system regulation capability

the carbon emission intensity varies significantly under different operating conditions. Consequently

the conventional static emission-factor approach

which assumes constant carbon intensity

becomes inadequate for high-renewable power systems. To address this issue

this paper proposes an optimization method for the power system planning considering the dynamic electricity-carbon coupling characteristics of coal-fired power units

accurately capturing carbon emission variations across operating states. To handle the introduced non-convex and nonlinear coupling constraints

a Taylor-expansion-based iterative algorithm is developed

whose convergence and rate are theoretically proven. Moreover

an improved algorithm without trust-region constraints is designed for the linear carbon-emission representation to further enhance computational efficiency. Case studies on the Garver 6-bus system and a practical 500 kV regional grid in China verify that the proposed method outperforms second-order cone relaxation

linear acceleration

and commercial solvers in both efficiency and stability

demonstrating high computational performance and engineering applicability.

关键词

Keywords

references

康重庆，杜尔顺，郭鸿业，等 . 新型电力系统的六要素分析［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1741 - 1750 .

Kang Chongqing ， Du Ershun ， Guo Hongye ， et al . Primary exploration of six essential factors in new power system ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1741 - 1750 .

杨勇平 . 统筹推进新一代煤电转型升级加快构建新型电力系统［EB/OL］.［ 2025-08-28 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202408/t20240808_1392307.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202408/t20240808_1392307.html .

Yang Yongping . Coordinate the promotion of the transformation and upgrading of the new generation of coal-fired power， and accelerate the construction of a new power system . ［EB/OL］. ［ 2025-08-28 ］. https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202408/t20240808_1392307.html https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202408/t20240808_1392307.html .

国家发展改革委，国家能源局 . 关于开展全国煤电机组改造升级的通知［EB/OL］.［ 2025-08-28 ］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-11/03/content_5648562.htm https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-11/03/content_5648562.htm .

National Development and Reform Commission ， National Energy Administration . The notice on carrying out a national renovation and upgrade of coal-fired power units ［EB/OL］. ［ 2025-08-28 ］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-11/03/content_5648562.htm https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-11/03/content_5648562.htm .

周逸斐，陈星 . 目前全国灵活调节煤电规模超过6亿千瓦［EB/OL］.［ 2025-08-28 ］. https：//www.nbd.com.cn/articles/2025-01-24/3736811.html https://www.nbd.com.cn/articles/2025-01-24/3736811.html .

Zhou Yifei ， Chen Xing . Currently the flexible regulating capacity of coal-fired power in China exceeds 600 GW ［EB/OL］. ［ 2025-08-28 ］. https：//www.nbd.com.cn/articles/2025-01-24/3736811.html https://www.nbd.com.cn/articles/2025-01-24/3736811.html .

陈晓东，荆朝霞，郑杰辉，等 . 基于动态煤耗模型的电厂厂级发电负荷调度［J］. 电网技术， 2016 ， 40 （ 8 ）： 2464 - 2470 .

Chen Xiaodong ， Jing Zhaoxia ， Zheng Jiehui ， et al . Plant-level generation load dispatch based on dynamic coal consumption model ［J］. Power System Technology ， 2016 ， 40 （ 8 ）： 2464 - 2470 .

刘福国，张绪辉 . 两点法确定供电煤耗-负荷特性曲线研究［J］. 热力发电， 2020 ， 49 （ 9 ）： 87 - 92 .

Liu Fuguo ， Zhang Xuhui . Determination of load-impacted curve on generation efficiency of coal-fired unit by two-point method ［J］. Thermal Power Generation ， 2020 ， 49 （ 9 ）： 87 - 92 .

Zhuo Z Y ， Du E S ， Zhang N ， et al . Cost increase in the electricity supply to achieve carbon neutrality in China ［J］. Nature Communications ， 2022 ， 13 ： 3172 .

韩肖清，李廷钧，张东霞，等 . 双碳目标下的新型电力系统规划新问题及关键技术［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3036 - 3046 .

Han Xiaoqing ， Li Tingjun ， Zhang Dongxia ， et al . New issues and key technologies of new power system planning under double carbon goals ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3036 - 3046 .

Ghadi M J ， Itami Karin A ， Baghramian A ， et al . Optimal power scheduling of thermal units considering emission constraint for GENCOs’ profit maximization ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2016 ， 82 ： 124 - 135 .

朱泽磊，周京阳，潘毅，等 . 考虑电力电量平衡的安全约束经济调度［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 10 ）： 168 - 176 .

Zhu Zelei ， Zhou Jingyang ， Pan Yi ， et al . Security constrained economic dispatch considering balance of electric power and energy ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 10 ）： 168 - 176 .

张展鹏，班明飞，郭丹阳，等 . 适用于环境-经济调度研究的燃煤机组二氧化碳排放特性模型［J］. 上海交通大学学报， 2021 ， 55 （ 12 ）： 1663 - 1672 .

Zhang Zhanpeng ， Ban Mingfei ， Guo Danyang ， et al . A model for carbon dioxide emission characteristics of coal-fired units for environment-economic dispatch research ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2021 ， 55 （ 12 ）： 1663 - 1672 .

江兴稳，周建中，王浩，等 . 电力系统动态环境经济调度建模与求解［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 2 ）： 385 - 391 .

Jiang Xingwen ， Zhou Jianzhong ， Wang Hao ， et al . Modeling and solving for dynamic economic emission dispatch of power system ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 2 ）： 385 - 391 .

李晨，胡志坚，仉梦林，等 . 电力系统动态环境经济调度问题的建模与求解［J］. 电力系统及其自动化学报， 2017 ， 29 （ 7 ）： 53 - 60 .

Li Chen ， Hu Zhijian ， Zhang Menglin ， et al . Modeling and solving for dynamic environmental/economic dispatch problem in power system ［J］. Proceedings of the CSU-EPSA ， 2017 ， 29 （ 7 ）： 53 - 60 .

魏旭，刘东，高飞，等 . 双碳目标下考虑源网荷储协同优化运行的新型电力系统发电规划［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 9 ）： 3648 - 3658 .

Wei Xu ， Liu Dong ， Gao Fei ， et al . Generation expansion planning of new power system considering collaborative optimal operation of source-grid-load-storage under carbon peaking and carbon neutrality ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 3648 - 3658 .

Ge Y ， Liu G J ， Wang P ， et al . “Source-network-storage” collaborative planning with dynamic carbon emission factors ［C］// 2023 International Conference on Power System Technology （PowerCon）， 2023 .

欧阳黎涛 . 低碳经济下考虑LCA碳排放的多能源电力系统电源规划研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2022 .

Ouyang Litao . Research on power supply planning of multi-energy power system considering LCA carbon emission in low carbon economy ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2022 .

李政，陈思源，董文娟，等 . 碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 12 ）： 3987 - 4000 .

Li Zheng ， Chen Siyuan ， Dong Wenjuan ， et al . Low carbon transition pathway of power sector under carbon emission constraints ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 12 ）： 3987 - 4000 .

张沈习，王浩宇，李然，等 . 考虑智能软开关接入的主动配电网扩展规划方法［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 1 ）： 48 - 60 .

Zhang Shenxi ， Wang Haoyu ， Li Ran ， et al . Active distribution network expansion planning method considering the integration of soft open point ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 1 ）： 48 - 60 .

刘一兵，吴文传，张伯明，等 . 基于混合整数二阶锥规划的主动配电网有功-无功协调多时段优化运行［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 16 ）： 2575 - 2583 .

Liu Yibing ， Wu Wenchuan ， Zhang Boming ， et al . A mixed integer second-order cone programming based active and reactive power coordinated multi-period optimization for active distribution network ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 16 ）： 2575 - 2583 .

孙秋野，陈会敏，杨家农，等 . 牛顿类潮流计算方法“”的收敛性分析［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 13 ）： 2196 - 2200 .

Sun Qiuye ， Chen Huimin ， Yang Jianong ， et al . Analysis on convergence of Newton-like power flow algorithm ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 13 ）： 2196 - 2200 .

王树洪，邵振国 . 考虑DG运行不确定性的复仿射Ybus高斯迭代区间潮流算法［J］. 电力自动化设备， 2017 ， 37 （ 3 ）： 38 - 44 .

Wang Shuhong ， Shao Zhenguo . Interval power-flow algorithm based on complex affine Ybus-Gaussian iteration considering uncertainty of DG operation ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 38 - 44 .

郭力，刘文建，焦冰琦，等 . 独立微网系统的多目标优化规划设计方法［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 4 ）： 524 - 536 .

Guo Li ， Liu Wenjian ， Jiao Bingqi ， et al . Multi-objective optimal planning design method for stand-alone microgrid system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 4 ）： 524 - 536 .

孙元章，吴俊，李国杰，等 . 基于风速预测和随机规划的含风电场电力系统动态经济调度［J］. 中国电机工程学报， 2009 ， 29 （ 4 ）： 41 - 47 .

Sun Yuanzhang ， Wu Jun ， Li Guojie ， et al . Dynamic economic dispatch considering wind power penetration based on wind speed forecasting and stochastic programming ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2009 ， 29 （ 4 ）： 41 - 47 .

廖小兵，刘开培，乐健，等 . 电力系统区间潮流计算方法综述［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 2 ）： 447 - 458 .

Liao Xiaobing ， Liu Kaipei ， Le Jian ， et al . Review on interval power flow calculation methods in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 2 ）： 447 - 458 .

娄素华，卢斯煜，吴耀武，等 . 低碳电力系统规划与运行优化研究综述［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 6 ）： 1483 - 1490 .

Lou Suhua ， Lu Siyu ， Wu Yaowu ， et al . An overview on low-carbon power system planning and operation optimization ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 6 ）： 1483 - 1490 .

董玉亮，袁家海，马丽荣 . 面向灵活性发电的燃煤机组大气排放特性分析［J］. 发电技术， 2018 ， 39 （ 5 ）： 425 - 432 .

Dong Yuliang ， Yuan Jiahai ， Ma Lirong . Air emissions characteristics of coal-fired power unit for flexibility generation ［J］. Power Generation Technology ， 2018 ， 39 （ 5 ）： 425 - 432 .

杨勇平，陈衡，郝俊红，等 . “双碳”目标下我国燃煤发电转型升级发展路径［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6900 - 6909 .

Yang Yongping ， Chen Heng ， HAO Junhong ， et al . Development pathways for the transformation and upgrading of China’s coal-fired power generation under the goals of carbon peak and carbon neutrality ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6900 - 6909 .

Wang P ， Du E S ， Zhang N ， et al . Power system planning with high renewable energy penetration considering demand response ［J］. Global Energy Interconnection ， 2021 ， 4 （ 1 ）： 69 - 80 .

Du E S ， Zhang N ， Kang C Q ， et al . A high-efficiency network-constrained clustered unit commitment model for power system planning studies ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 2498 - 2508 .

Nesterov Y ， Nemirovskii A . Interior point polynomial methods in convex programming ［EB/OL］. ［ 2025-08-28 ］. https：//epubs.siam.org/doi/book/10.1137/1.9781611970791 https://epubs.siam.org/doi/book/10.1137/1.9781611970791 .

Alexandrov N M ， Dennis J E ， Lewis R M ， et al . A trust-region framework for managing the use of approximation models in optimization ［J］. Structural Optimization ， 1998 ， 15 （ 1 ）： 16 - 23 .

Gaias G ， D’amico S . Impulsive maneuvers for formation reconfiguration using relative orbital elements ［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics ， 2015 ， 38 （ 6 ）： 1036 - 1049 .

Boyd S P ， Vandenberghe L . Convex optimization ［M］. Cambridge， UK ： Cambridge University Press ， 2004 .

龚国仙，陈博洋，杨德州，等 . 考虑极端场景优化的高比例新能源电力系统规划方法［J］. 电网技术， 2025 ， 49 （ 9 ）： 3667 - 3676 .

Gong Guoxian ， Chen Boyang ， Yang Dezhou ， et al . Planning method for high-proportion of new energy power systems considering extreme scenario optimization ［J］. Power System Technology ， 2025 ， 49 （ 9 ）： 3667 - 3676 .

Yong P ， Guo F ， Yang Z F . An age-dependent battery energy storage degradation model for power system operations ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2025 ， 40 （ 1 ）： 1188 - 1191 .

Chen S ， Conejo A J ， Sioshansi R ， et al . Investment equilibria involving gas-fired power units in electricity and gas markets ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 2736 - 2747 .

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