分布式能源系統(tǒng)的復(fù)雜性特征分析

侯健敏,周德群

(南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,江蘇南京210016)

分布式能源系統(tǒng)的復(fù)雜性特征分析

侯健敏,周德群

(南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,江蘇南京210016)

在全球提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下,分布式能源系統(tǒng)更凸顯其優(yōu)越性。全面深刻剖析其復(fù)雜性特征,將有助于促進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。從動態(tài)性、系統(tǒng)性、不確定性等方面,分析了分布式能源系統(tǒng)在發(fā)電、提高能源效率、保護環(huán)境等方面的功能。以復(fù)雜系統(tǒng)理論為指導(dǎo),將分布式能源系統(tǒng)、大電網(wǎng)、政府、市場等作為獨立的主體,通過各主體間的交互作用來分析各因素對分布式能源的影響,為分布式能源系統(tǒng)提供一種新的研究視角。

分布式能源系統(tǒng);復(fù)雜性特征;復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng);影響因素

分布式能源系統(tǒng)是指分布在用戶側(cè)的能源梯級利用系統(tǒng),能夠減少中間輸送環(huán)節(jié)的損耗,實現(xiàn)對資源利用的最大化。相對于集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián),分布式能源系統(tǒng)能夠解決大電網(wǎng)所面臨的一些問題,如不能靈活跟蹤負荷的變化;局部事故極易擴散,導(dǎo)致大面積停電;環(huán)境污染嚴(yán)重,能源利用率不高等。隨著傳統(tǒng)能源資源的日漸緊張,用戶對電能質(zhì)量要求的日漸提高,以及世界各國對環(huán)保問題的日益重視,尤其是在節(jié)能減排的壓力之下,分布式能源系統(tǒng)已經(jīng)受到了世界各國的廣泛關(guān)注,被認為是人類能源可持續(xù)發(fā)展的一個必經(jīng)階段。

1 分布式能源系統(tǒng)研究的局限性

分布式能源系統(tǒng)在發(fā)達國家已是一種比較成熟的技術(shù)。丹麥、日本、英國等利用分布式能源系統(tǒng),在節(jié)約能源、減少污染、安全供電等方面取得了顯著的效果。分布式能源系統(tǒng)在我國才剛剛起步,雖已在北京、上海、廣東等地開展了若干試點工程,但有些效果不太理想,總體發(fā)展緩慢。在這樣的背景下,加強對分布式能源系統(tǒng)的研究,顯然具有極大的理論意義和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對分布式能源系統(tǒng)的作用分析及前景預(yù)測:Pepermans(2005)、Alanne(2006)、韓曉平 (2005)、徐建中 (2005)[1-4]等從定性的角度認為,分布式能源系統(tǒng)將會成為傳統(tǒng)大電網(wǎng)的有益補充。Karl Magnus Maribu(2007)[5]通過建立市場分布模型,預(yù)測了分布式能源系統(tǒng)在美國各地區(qū)和各類建筑的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對分布式能源系統(tǒng)實施過程中涉及的具體問題,各學(xué)者展開了較多的研究。①系統(tǒng)規(guī)劃問題。王成山 (2006)[6]以網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與運行費用最少為目標(biāo)函數(shù),采用遺傳算法確定系統(tǒng)的最佳安裝地點及容量大小。②電力系統(tǒng)建模。Yasud(2002) 和 Jarmo S?derman(2006)[7-8]分別通過系統(tǒng)仿真和建立優(yōu)化模型進行研究。③并網(wǎng)問題。陳琳 (2007)、肖鑫鑫 (2008)等提出不同的技術(shù)方案,以保持并網(wǎng)系統(tǒng)的電力穩(wěn)定性和安全性。④經(jīng)濟性研究。胡驊 (2008)應(yīng)用財務(wù)分析方法,指出售電電價模式對分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性影響較大。

已有的研究基本都是針對分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電功能,而分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅在于提供靈活的電力供應(yīng),還有環(huán)境保護、電力安全、提高能源效率等多方面的功能。分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)相比,在電價上沒有競爭優(yōu)勢。要想讓更多的人接受分布式能源系統(tǒng),必須客觀全面地分析其復(fù)雜性特點,充分展現(xiàn)其優(yōu)越性。因此,對分布式能源系統(tǒng)的研究,除考查其發(fā)電能力外,也應(yīng)綜合考慮其能源效率、環(huán)境保護和電力安全等多方面的優(yōu)點?；趶?fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論,將大電網(wǎng)、技術(shù)、市場和政策等作為重要影響因素,分析其相互制約和相互促進的復(fù)雜關(guān)系,使分布式能源能夠從更廣意義上被人們所接受,進而加速其在我國的發(fā)展進程。

2 分布式能源系統(tǒng)的復(fù)雜性特征

分布式能源系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng),是一個包含物理元素、社會元素和信息元素相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。作為不斷發(fā)展變化的復(fù)雜社會經(jīng)濟系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),分布式能源系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間有著復(fù)雜的非線性關(guān)系,使得分布式能源系統(tǒng)具有動態(tài)性、系統(tǒng)性和不確定性等特征。

(1)分布式能源系統(tǒng)的動態(tài)性特征

分布式能源系統(tǒng)的動態(tài)性特征,是指分布式能源系統(tǒng)由來已久,但隨著環(huán)境的變化和技術(shù)的進步,其形式和功能已發(fā)生了很大的變化。例如在我國過去幾十年中,已有一些分布式能源系統(tǒng)的雛形。一些重要的部門或場所,自行安裝小型發(fā)電設(shè)備,作為緊急備用電源。但這些技術(shù)性能差、效率低,污染大,已被逐漸淘汰。目前,在節(jié)能減排、提高能源利用效率的大環(huán)境下,分布式能源系統(tǒng)已超出了小火電的概念,多是指以天然氣、煤層氣或沼氣等為燃料的燃氣輪機、內(nèi)燃機、微型氣輪機發(fā)電,太陽能光伏發(fā)電,以天然氣、氫氣為燃料的燃料電池發(fā)電,生物質(zhì)能發(fā)電,小型風(fēng)力發(fā)電等,并且實現(xiàn)能源循環(huán)利用,利用余熱制熱或制冷,提高能源綜合利用效率。由于其在能源多樣化、效率、環(huán)保、節(jié)能等多方面的優(yōu)越性,再加上電力市場化的快速發(fā)展,使分布式能源系統(tǒng)獲得了更多的關(guān)注,涵蓋了更多的技術(shù)環(huán)節(jié)和市場范圍,已被陸續(xù)應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、辦公樓、賓館、邊遠地區(qū)等。

(2)分布式能源系統(tǒng)的系統(tǒng)性特征

分布式能源系統(tǒng)除了自身的各部分子系統(tǒng)之外,也和其上下游子系統(tǒng)具有耦合關(guān)系。只有各部分相互協(xié)調(diào)、密切配合,才能體現(xiàn)出分布式能源系統(tǒng)的整體優(yōu)越性。

分布式能源系統(tǒng)內(nèi)部,發(fā)電設(shè)備、制冷設(shè)備、制熱設(shè)備、儲能設(shè)備等,對分布式能源系統(tǒng)的整體效率有著非常重要的影響。除此之外,各上游資源的開發(fā)利用情況,也對分布式能源系統(tǒng)的推廣起到至關(guān)重要的作用。天然氣的開發(fā)利用,生物質(zhì)能的技術(shù)攻克,太陽能、風(fēng)能的項目建設(shè)等,都會有力地推進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。而大電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)互為補充的關(guān)系,也決定了它們自身是處于同一復(fù)雜系統(tǒng)的。

(3)分布式能源系統(tǒng)的不確定特征

分布式能源系統(tǒng)受到諸多因素的影響,其發(fā)展過程具有不確定性。大電網(wǎng)、技術(shù)因素、市場因素、政策因素都會對分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生影響。不同地區(qū)資源稟賦不同,區(qū)域規(guī)劃不同,人員結(jié)構(gòu)不同,都會導(dǎo)致分布式能源系統(tǒng)的模式有所差異。政策導(dǎo)向性直接決定了分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)模。如丹麥、芬蘭、英國等對分布式能源系統(tǒng)的政策支持十分明顯,因此,其發(fā)展相對較快。而我國在這方面尚沒有明確的政策文件支持,因此發(fā)展起來阻力較大。

3 分布式能源系統(tǒng)各主體聯(lián)系的復(fù)雜性

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的基本思想,是適應(yīng)性造就復(fù)雜性。在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)中,所有主體都處于一個共同的大環(huán)境中,為了生存的需要,根據(jù)它周圍的局部小環(huán)境,不斷地調(diào)整自己的行為,以更好地適應(yīng)環(huán)境。各主體與環(huán)境及與其它主體間相互作用,在整體層次上涌現(xiàn)出新的現(xiàn)象和更復(fù)雜的行為。

分布式能源系統(tǒng)是一個復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng),其適應(yīng)性主體不僅包括分布式能源系統(tǒng),而且包括對其發(fā)展有重要影響的大電網(wǎng)、政府、技術(shù)、市場等主體。這些主體相互影響,共同發(fā)展,在不斷協(xié)調(diào)中,保持電力市場和能源市場的合理穩(wěn)定性。

分布式能源系統(tǒng)、傳統(tǒng)大電網(wǎng)、政府、環(huán)境等主體之間,存在著復(fù)雜的相互聯(lián)系,這其中有著繁雜的物質(zhì)流、能量流和信息流。

(1)分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)

分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)不是互相排斥,而是互為補充的。直接安置在用戶側(cè)的分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)配合,可大大地提高供電可靠性,在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害 (例如地震、雪災(zāi)、人為破壞、戰(zhàn)爭)情況下,可維持重要用戶的供電。在缺煤少電的危機壓力下,分布式能源系統(tǒng)可以作為有益的補充。同時,若分布式能源系統(tǒng)電力短缺,可向大電網(wǎng)購電。

但分布式能源系統(tǒng)的出現(xiàn),會使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的負荷預(yù)測、規(guī)劃和運行,比之前有更大的不確定性。大電網(wǎng)向分布式能源系統(tǒng)設(shè)置的并網(wǎng)條件,收購和賣出電力的價格等,都成為二者協(xié)調(diào)發(fā)展必需要面對的問題。

(2)分布式能源系統(tǒng)與政府

政府在節(jié)能減排的壓力下,出臺相應(yīng)的政策措施,如稅收減免、財政補貼、信貸優(yōu)惠等,促進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展。反過來,分布式能源系統(tǒng)也會在提高能源利用效率、保護環(huán)境、保障能源安全等方面做出應(yīng)有的貢獻。

此外,分布式能源系統(tǒng)能否納入?yún)^(qū)域規(guī)劃,關(guān)系到分布式能源系統(tǒng)項目建設(shè)和運行的許可審批。許多分布式能源系統(tǒng)項目,常由于保護生態(tài)、土地及歷史遺跡等原因而造成選址困難。如果分布式能源系統(tǒng)的選址能盡早納入?yún)^(qū)域規(guī)劃中,就可縮短審批周期、減少選址成本 。

(3)分布式能源系統(tǒng)與技術(shù)因素

技術(shù)因素的影響包括分布式能源系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)性能,如發(fā)電機組、并網(wǎng)設(shè)施、輸配電網(wǎng)的運行,以及電網(wǎng)安全、可靠及穩(wěn)定運行的標(biāo)準(zhǔn)等。

分布式能源系統(tǒng)的各設(shè)備大多雖已實現(xiàn)國產(chǎn)化,但在能源轉(zhuǎn)換效率、安全可靠性、維修周期等方面,仍有一定差距,這必然造成成本的增加。此外,分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng),將改變配電系統(tǒng)潮流的單向模式,這將帶來電能質(zhì)量和運行可靠性等問題。

(4)分布式能源系統(tǒng)與市場因素

從經(jīng)濟上考慮,分布式能源系統(tǒng)的投資吸引力不高。由于分布式能源系統(tǒng)帶來的多為社會效益,如保護環(huán)境、節(jié)約能源等,而這部分成本效益無法在市場中充分體現(xiàn),造成分布式能源系統(tǒng)初始投資大、投資吸引力差。因此,要促進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展,必須各方共同努力,減少其成本,增加其效益,如在天然氣購買價格上的優(yōu)惠、進口設(shè)備的稅費減免、考慮環(huán)境成本等。同時,也要通過大力宣傳,讓更多的用戶和投資者了解和接受該技術(shù),在系統(tǒng)的使用規(guī)模和數(shù)量上有所突破。

4 結(jié) 語

在節(jié)能減排、提高能源利用效率的大環(huán)境下,系統(tǒng)全面地分析分布式能源系統(tǒng)的特征,是正確引導(dǎo)其發(fā)展的有效途徑。文章采用與以往不同的思路,跳出只關(guān)注其發(fā)電功能的研究框架,詳細分析分布式能源系統(tǒng)的復(fù)雜性特征,從動態(tài)性、系統(tǒng)性和不確定性等方面,指出分布式能源系統(tǒng)的本質(zhì),不僅在于提供電力本身,還在于提高能源利用效率、保障電力安全和保護環(huán)境等方面的功能。而要促進分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展,需要各方共同努力,克服各因素的影響。將這些方面綜合考慮來,分析分布式能源系統(tǒng)在我國的發(fā)展,可能更具有實際指導(dǎo)意義,為分布式能源系統(tǒng)提供一種新的研究視角。

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A analysis of the complexity feature of decentralized energy systems

HOU Jian2min,ZHOU De2qun
(College of Economics and Management,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

It is useful to analyse the complexity feature of Decentralized Energy Systems in the environ2 ment of Energy2saving and emission reduction.It exhibits the function of power,energy efficiency and en2 vironment protection by the dynamic feature,the systemic feature and the uncertainty.The interaction of DES,grid,government and market is based on the theory of complex adaptive system.It offers a new re2 search way for distributed energy systems.

Decentralized Energy Systems;complexity feature;complex adaptive system;factors

TK01+9

B

1004-4051(2010)02-0046-03

2009-10-27

國家自然科學(xué)基金項目 (70873058)

侯健敏 (1978-),女,內(nèi)蒙古呼和浩特人,講師,博士生,研究方向為分布式能源系統(tǒng);

周德群 (1963-),男,江蘇建湖人,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向為系統(tǒng)工程、能源經(jīng)濟。