分布式能源經(jīng)濟效益分析

【摘要】分布式能源以及清潔、節(jié)能、環(huán)保的特點，受到世界的廣泛推廣。分布式能源在降低線損、節(jié)能減排等方面存在經(jīng)濟效益。本文就降低線損效益與環(huán)境效益構建模型。算例分析結果表明，模型能定量化地反映分布式發(fā)電的線損效益和環(huán)境效益，合理規(guī)劃的接入分布式能源能給系統(tǒng)帶來顯著的經(jīng)濟效益。

【關鍵詞】分布式能源;線損效益;環(huán)境效益

1.引言

分布式發(fā)電（distributed generation，DG）作為一種環(huán)保、高效、靈活的發(fā)電方式正在受到全世界的關注。此外，由于分布式發(fā)電規(guī)模較小且靠近用戶側，為可再生能源發(fā)電的應用開辟了新的途徑。為了共同應對全球氣候變暖，各國都在大力發(fā)展分布式發(fā)電。

在我國，分布式發(fā)電以其發(fā)電方式靈活、能源利用效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點日益成為傳統(tǒng)電網(wǎng)的重要補充，并終將代替一些效率低下、污染嚴重的傳統(tǒng)發(fā)電方式[1]。然而分布式發(fā)電所帶來的環(huán)境效益至今沒有得到價值體現(xiàn)。目前，國內外已有眾多學者對DG的并網(wǎng)和調度技術等方面做了大量的研究，但關于DG經(jīng)濟效益的研究還較少[2-5]。文獻[2、3]以最大限度減少系統(tǒng)線損為目標，研究了DG在系統(tǒng)中的最佳接入和運營方式，確定了其最優(yōu)的出力比例、功率因數(shù)。在此基礎上，本文將對分布式發(fā)電所帶來的效益進行系統(tǒng)的量化計算，將分布式發(fā)電的效益分類為：降損效益和環(huán)境效益。文中將對分布式能源的經(jīng)濟效益構建模型，并進行算例分析。

2.DG的經(jīng)濟效益分析

分布式發(fā)電是指功率在幾十千瓦到幾十兆瓦范圍內、分布在負荷附近的清潔環(huán)保發(fā)電設施，能夠經(jīng)濟、高效、可靠地發(fā)電。分布式發(fā)電是區(qū)別于傳統(tǒng)集中發(fā)電、遠距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)絡的發(fā)電形式。與集中式發(fā)電方式相比，分布式發(fā)電具有以下優(yōu)勢：

（1）一般DG實行自發(fā)自用，電力就地消化，減少運輸成本，降低集中輸配網(wǎng)中的線路耗損。

（2）污染物排放較少，部分DG實現(xiàn)零污染。

分布式能源的經(jīng)濟效益主要表現(xiàn)如表1所示。

（1）降低線損

傳統(tǒng)集中輸配電模式，由于存在線路電阻等原因，不可避免的會發(fā)生線損，系統(tǒng)線損與輸配線路長度與電阻等情況相關。DG分布在負荷端，不需要集中輸配，可以有效降低線損。當負荷需求較大時，DG的運行能夠減少系統(tǒng)線損，而當負荷需求較小時，運行DG反而會增加線損。

（2）環(huán)境經(jīng)濟效益

DG的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在排污量減少和資源的合理利用上。DG的燃料多為天然氣、輕質油或可再生清潔能源，發(fā)電過程中SO2、NO2、CO2、粉塵、廢水廢渣的排放將明顯減少。DG的電壓等級較低，產生的電磁場較低，其電磁污染比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電要小得多。排污量的減少將大大降低電力企業(yè)以及全社會的環(huán)保支出，產生間接的經(jīng)濟效益。部分分布式發(fā)電技術的效率、成本及主要污染物排放數(shù)據(jù)見表1。

3.DG的經(jīng)濟效益模型

3.1 線損效益模型

假設集中負荷端和電源端之間的配電網(wǎng)長度為L，單位為km，線路單位長度電阻為r，單位為Ω/km。令流入集中負荷端的電流為IF，單位為A。假設DG接入點距集中電源端距離為K，DG注入系統(tǒng)的電流為ID，單位為A。集中電源與DG電源接入點之間單相線路流過的電流為IS，IS=IL-IDG。

分布式電源接入系統(tǒng)前，流入集中負荷端的電流為：

（1）

系統(tǒng)線損大小為：

（2）

系統(tǒng)接入分布式電源之后，DG 注入電網(wǎng)的電流大小為：

（3）

接入DG后，系統(tǒng)中的線損分為2個部分：一部分是由集中電源到DG接入點線路上的損耗，另一部分是由DG接入點到負荷端線路上的損耗。由于IS=IL-ID，因此集中電源端至DG接入點這段線路上的能量損耗為：

（4）

DG接入點到負荷端的能量損耗為：

（5）

由此可得，接入DG情況下的總線損為：

PlossDG=PlossDG1+PlossDG2 " " " " " " "（6）

將式（2）與式（6）相減，得到2種情況下的線損減少量為：

ΔPloss=Ploss0=PlossD

= "（7）

公式（7）表明，系統(tǒng)線損與DG接入系統(tǒng)位置及DG功率因素有關，為達到減少系統(tǒng)線損的目標，需科學合理制定DG接入位置。若式（7）結果為正，表示接入DG可以有效減少系統(tǒng)總線損;否則表示接入DG不能減少系統(tǒng)線損，會增加系統(tǒng)線損。

3.2 環(huán)境效益模型

系統(tǒng)接入DG之后，會給系統(tǒng)帶來環(huán)境效益。計算環(huán)境效益主要考慮三種排放污染物：氮氧化合物、SO2和CO2。計算污染物排放量需要考慮兩部分內容：

（1）由于DG接入系統(tǒng)中，取代其他污染較為嚴重的機組出力，從而減少這部分機組帶來的環(huán)境污染。

（2）以天然氣為燃料的DG和生物質發(fā)電出力時會產生一部分污染物。

本文將對減少污染物的排放量進行建模，設機組發(fā)電力過程生產n種排放物，則第k（k=1～n）種排放物的減少量為：

（8）

式中為時段t內集中電源側發(fā)電過程中第k種排放物的減少量;和為不同類型發(fā)電機組的排放指標，kg/MWh。

設系統(tǒng)中接入m種使用不同燃料發(fā)電的分布式電源，這些分布式電源帶來的氣體排放物增加量為：

（9）

式中：Pm，t為t時段內第m種分布式電源提供的有功功率：

為第m種分布式電源的排放指標，kg/MWh。

因此，DG接入后，系統(tǒng)中第k種排放物的凈減少量為：

（10）

帶來的環(huán)境成本節(jié)約大小為：

（11）

式中：

Vek為第k種排放物的環(huán)境價值，元/kg;Vck為減排第k種排放物所需要付出的單位成本，元/kg。

4.算例分析

假設T時段，市場內有4臺火電機組和1臺DG集中競價。批發(fā)市場與集中負荷端相距35KM，接入系統(tǒng)的天然氣為燃料的DG機組距離負荷端15MM。線路單位長度電阻為1.95Ω/km。其中，分布式發(fā)電輸入的有功功率和無功功率分別為150MW和182Mvar，負荷端有功功率與無功功率分別為750MW和550Mvar。批發(fā)市場中，采取排隊法確定機組組合，4臺火電機組的報價策略如圖1所示。

圖1 臺火電機組的報價曲線

根據(jù)以往經(jīng)驗，火電機組和天然氣DG機組的氣體排放強度如表2所示。

表2 火電機組和天然氣DG機組的氣體排放強度

項目 NOx SO2 CO2

火電機組（kg/MWh） 1.634 4.445 1008.788

以天然氣為燃料的DG機組（kg/MWh） 1.199 0.005 563.41

排放費用（元/kg） 2 1.26 0.765

環(huán)境價值（元/kg） 8 6 0.023

將數(shù)值帶入本文建立的線損效益模型得出，無天然氣DG接入的系統(tǒng)線損為150MW，天然氣DG接入后線系統(tǒng)損降為100MW。天然氣DG接入之后線損降低了50MW，降低原系統(tǒng)線損的33.3%，結果表明，DG接入系統(tǒng)后，有效的降低了系統(tǒng)線損，具有良好的線損效益。

批發(fā)市場中，采用排隊法確定無DG接入和有DG接入的機組競價結果，中標機組組合和出力情況如表3所示。

表3 DG接入前后系統(tǒng)經(jīng)濟機組調度對比（單位/MW）

機組 無DG 有DG

機組1 170 150

機組2 300 250

機組3 250 200

機組4 180 150

從表3可得，系統(tǒng)接入天然氣DG后，中標機組組合發(fā)生了變化，各機組出力情況也發(fā)生改變。機組1的經(jīng)濟調度出力由170MW減少到150MW，機組2的經(jīng)濟調度出力由300MW減少到250MW，機組3的發(fā)電出力由250MW減少到200MW，機組4的出力由180MW減少到150MW。同時，由于天然氣DG的接入，中標機組組合情況變化導致競價最終價格由230元/MW減少到210元/MW。計算得出接入DG之后系統(tǒng)線損效益為1.05萬元。

下面計算接入天然氣DG之后帶來的環(huán)保效益。氮氧化物、SO2以及CO2的排放情況如表4所示。表中，接入天然氣DG之后，氮氧化物、SO2以及CO2的排放量均有所下降，其中，氮氧化物的排放量下降20.69%、SO2的排放量下降20.72%，CO2的排放量下降。

表4 DG接入前后氣體排放情況對比（單位：t）

排放氣體 有DG 無DG 減少百分比

NOx 1.15 1.45 20.69%

SO2 2.64 3.33 20.72%

CO2 634.87 715.46 11.26%

根據(jù)上述氣體排放情況變化，計算DG接入系統(tǒng)后的環(huán)保效益。環(huán)保效益用排放氣體減少量乘以排放費用與環(huán)境價值之和。根據(jù)表3和表5的數(shù)據(jù)，得出氮氧化物、SO2和CO2的減排量分別為300、690和80590kg，對應的減排經(jīng)濟效益為3000、5009.4和63504.92元。總的環(huán)境支出減少7.151432萬元，可見DG能夠為系統(tǒng)帶來顯著的環(huán)境效益。

綜上兩種效益的計算結果表明，天然氣DG接入系統(tǒng)后，線損降低50MW，對火電機組電力需求減少150MW，同時，由于DG接入系統(tǒng)，影響競價結果，競價最終價格由230元/MW減少到210元/MW。計算得到接入DG系統(tǒng)線損效益為1.05萬元，環(huán)境效益為7.151萬元，總計經(jīng)濟效益8.201萬元。

5.結論

分布式能源接入系統(tǒng)之后，給系統(tǒng)帶來良好的經(jīng)濟效益。本文建立了DG的線損效益和環(huán)境效益模型。并用4臺火電機組和1臺DG系統(tǒng)驗證模型的正確性，算例得出，由于DG接入系統(tǒng)，系統(tǒng)線損降低33.3%，氮氧化物、SO2和CO2的排放量均有所下降，具有良好的線損效益和環(huán)保效益。根據(jù)本文構建的線損模型和環(huán)境模型，可為電力公司制定分布式能源提供參考建議。

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作者簡介：琚艷芳（1990—），女，華北電力大學經(jīng)濟與管理學院碩士研究生，主要從事電力技術經(jīng)濟研究。