全球可持续电力系统综合优化模型（GISPO）

Mon, 04 May 2026 00:00:00 +0000

GISPO 是面向全球电力系统低碳转型的规划优化框架。模型将地理空间资源评估与容量扩张、逐小时运行调度相连接，在统一框架下协同优化发电装机、储能、输电、稳定电源、碳捕集与封存、直接空气捕集以及需求侧响应等决策。

该模型支撑了 Nature Energy 论文 Integrated planning of net-zero power systems for all，用于分析在满足全球基本电力需求和体面生活用电需求的同时，实现净零电力系统的可行路径。

模型结构

GISPO 采用多层空间表达：电网区域用于描述负荷、电力平衡和跨区输电，技术资源点用于描述风电、光伏和水电等资源潜力，负荷中心与变电站节点用于刻画电源接入和网架连接。风电和光伏在网格单元尺度建模，水电在坝址尺度建模，随后汇总到电网层面进行容量规划和逐小时运行优化。

模型覆盖陆上风电、海上风电、集中式光伏、分布式光伏、径流式水电、水库水电、煤电、天然气、核电、生物质、锂离子电池、抽水蓄能、直接空气捕集、碳捕集运输与封存等技术。火电和生物质发电可以区分是否配备 CCS，因此能够同时比较化石能源 CCS、BECCS 和负排放路径。

优化目标

GISPO 的目标函数是在工程、经济和政策约束下最小化年度系统总成本。成本项包括发电、储能、输电、变电站、汇集线路、直接空气捕集和碳管理设施的年化投资成本与固定运维成本，也包括可变运维、燃料、启停、爬坡、碳捕集、二氧化碳运输和封存成本。

这一设定使模型能够系统比较本地可再生能源开发、长距离输电、储能时长、可调低碳电源、需求响应和碳移除之间的权衡。由于模型覆盖全年 8760 小时运行，它可以刻画日内波动、季节性波动和极端时段压力，而不仅是年度电量平衡。

关键约束

风电、光伏和水电出力受逐小时容量因子和站点装机潜力约束。
水库水电刻画天然来水、发电流量、弃水、库容变化和库容上下限。
电源接入、变电站、负荷中心和跨区输电共同构成电网连接约束，并考虑线路容量和距离相关损耗。
火电与核电刻画装机台数、在线台数、启停、最小出力、爬坡、燃料消耗和类机组组合运行限制。
储能模块刻画充放电、荷电状态、自放电、储能时长、备用贡献以及年初年末状态一致性。
逐小时电力平衡要求本地发电、储能放电和外来电力共同满足负荷以及碳移除技术用电。
可靠性约束包括旋转备用、必要时的容量备用以及高比例新能源系统中的惯量约束。
碳约束包括年度排放上限、直接空气捕集用电、碳源与封存点匹配、二氧化碳运输路径和封存点注入能力限制。
需求响应模块允许负荷在给定时间窗口内转移，同时保持总用电量守恒。

输入与输出

GISPO 使用高分辨率可再生能源资源潜力、逐小时容量因子、技术成本、既有基础设施、负荷曲线、储能潜力和碳封存潜力等输入。模型输入强调透明与可复现，适合开展多情景比较，而不仅是求解单一基准路径。

典型输出包括分技术和分电网区域的最优装机、逐小时出力、储能运行、跨区电力流、弃风弃光、输电扩张、碳捕集与封存流量、系统成本、排放以及能源可及性和土地利用压力指标。

数据与代码

源代码与绘图复现脚本：NetZero2050
全球可再生能源资源潜力数据：GlobalRenewableEnergyResource
GISPO 基准情景线性规划文件：Zenodo 10.5281/zenodo.17618090

研究用途

设计兼顾能源可及性的全球净零电力系统路径。
量化高比例新能源系统对逐小时灵活性、储能、输电、稳定电源和需求响应的需求。
评估土地利用约束、技术贸易壁垒、CCS 可得性和碳移除选项对系统成本与可行性的影响。
将地理空间可再生能源数据与全球尺度电力系统规划决策相连接。

中国可持续电力系统综合优化模型（CISPO）

Tue, 25 Mar 2025 00:00:00 +0000

CISPO 是面向中国电力系统碳中和转型研究的规划与运行优化模型。模型将站点级可再生能源资源评估、省级电网容量扩张和全年 8760 小时运行调度相结合，使可再生能源开发、储能、水电、输电、稳定电源、CCS、DAC 和可靠性约束能够在同一框架下协同优化。

该模型已用于研究中国 2060 年碳中和电力系统转型、抽水蓄能和水电灵活性价值、可再生能源空间布局、碳捕集与封存、土地利用约束，以及高比例新能源系统下的市场机制和政策设计。

模型结构

CISPO 以省级电网为基本电力平衡区域，并显式表示可再生能源与水电站点、变电站、负荷中心、跨省输电通道和碳封存位置。风电、光伏、光热和水电在空间资源点层面建模，火电、核电、储能、DAC 和碳管理技术在电网区域层面建模。

模型覆盖陆上风电、海上风电、集中式光伏、分布式光伏、光热发电、径流式水电、水库水电、煤电、天然气、核电、生物质、锂离子电池、抽水蓄能、直接空气捕集，以及碳捕集、运输和封存。火电与生物质发电可以区分是否配备 CCS，因此能够分析残余排放、BECCS 和负排放路径。

优化目标

CISPO 的目标函数是在中国电网、资源、技术和政策约束下最小化年度系统成本。成本项包括年化投资成本、固定和可变运维成本、燃料成本、机组启停成本、爬坡成本、储能运行成本、交直流输电成本、可再生能源汇集线路、主干线路、变电站、DAC、二氧化碳捕集、运输和注入成本。

与仅进行电量平衡的模型不同，CISPO 显式刻画逐小时运行和可靠性要求。对于碳中和电力系统规划，这一点尤为重要，因为高比例风光不仅改变年度发电量需求，也会改变爬坡需求、备用需求、惯量水平、弃风弃光、储能时长和跨省输电价值。

关键约束

风电和光伏出力受逐小时容量因子、站点装机潜力和既有装机约束。
光热发电包含热储能环节，可同时刻画太阳能集热、储热和可调出力。
水电模块刻画天然来水、发电流量、弃水、库容变化、装机容量和运行边界。
可再生能源站点通过站内汇集线路、变电站和负荷中心接入电网；跨省交直流线路用于描述省间电力交换和线路损耗。
火电和核电刻画在线状态、启停、最小出力、爬坡限制、燃料消耗和类机组组合运行约束。
储能模块跟踪充电、放电、荷电状态、储能时长、自放电和备用贡献。
逐小时电力平衡要求本地发电、储能放电和外来电力共同满足负荷以及 DAC 用电。
上下旋转备用约束用于刻画负荷波动和可变可再生能源预测误差带来的运行灵活性需求。
惯量约束保证高比例新能源情景下仍有足够同步或快速成网资源支撑系统稳定。
排放约束与 CCS、BECCS、DAC、二氧化碳运输和碳封存能力联动，限制年度碳排放。

输入与输出

CISPO 结合气象数据、土地利用和选址约束、可再生能源资源潜力、水电与抽水蓄能潜力、既有装机、省级负荷曲线、技术成本、输电假设、燃料价格、碳封存潜力和政策目标等输入。

典型输出包括分省分技术最优装机、逐小时出力、储能运行、水电发电与水库行为、省间电力流、弃风弃光、备用供给、系统成本、碳排放、碳捕集与封存流量，以及可再生能源部署的空间分布。

研究用途

中国电力部门碳中和目标下的长期转型路径分析。
风电、光伏、光热、水电、抽水蓄能、电池和跨省输电的空间协同规划。
量化水电、抽水蓄能、需求响应和输电对系统灵活性的价值。
评估 CCS、BECCS、DAC 和碳封存约束在深度脱碳电力系统中的作用。
高比例新能源系统下的容量充裕性、市场收益充足性和政策机制设计。

Power Model | 朱子恒

全球可持续电力系统综合优化模型（GISPO）

模型结构

优化目标

关键约束

输入与输出

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研究用途

中国可持续电力系统综合优化模型（CISPO）

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关键约束

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