【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。