大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)后的能源效率評估研究

孫思培 苗福豐 馬 杰

（國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000）

大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)后的能源效率評估研究

孫思培 苗福豐 馬 杰

（國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000）

在傳統(tǒng)能源效率評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，給出電網(wǎng)能源效率評估指標(biāo)，即標(biāo)準(zhǔn)煤耗率、輸電線路損耗率、環(huán)境效益、單位投資成本、單位度電成本、機組利用小時數(shù)及社會效益七個指標(biāo)，考慮電網(wǎng)的綜合線損率、機組運行曲線和環(huán)境效益等因素對綜合能源效率的影響，提出考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評估方法。

新能源；能源效率；評估指標(biāo)；環(huán)境效益

能源效率即單位能源能帶來的經(jīng)濟效益。我國是一個能源大國，能源消耗總量居世界第二，但能源利用效率較低［1］。楊燕［2］認(rèn)為，電力能源利用效率低下是導(dǎo)致“電荒”的一個重要原因。Maheswaran D等人［3］研究了電力系統(tǒng)中的能源效率問題，指出提高電力系統(tǒng)能源利用效率對社會發(fā)展具有重要意義。在利用能源的過程中，如何提高能源利用率，成為目前較為關(guān)注的問題。

目前，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源快速發(fā)展，成為優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染、促進(jìn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。為研究新能源接入后的電網(wǎng)能源效率，本研究分析了新能源并網(wǎng)對能源效率的影響，建立了考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評估方法，為電網(wǎng)能源效率提升提供了理論基礎(chǔ)。

1 電網(wǎng)能源效率的評估指標(biāo)

我國在較長一段時間內(nèi)仍然以火力發(fā)電（主要是燃煤發(fā)電）為主，所以煤耗是評估電網(wǎng)能源效率的一個重要指標(biāo)。王妍［4］指出，衡量我國電力行業(yè)能源效率和經(jīng)濟運行水平的主要指標(biāo)是供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗和輸電線路損失率。發(fā)電廠的建設(shè)和運行維護也需要投入一定的成本，減少這些成本投入，也可提高電網(wǎng)能源效率，因此，電廠的投資運行成本也可作為電網(wǎng)能源效率的評估指標(biāo)的一方面。此外，新能源的發(fā)展可以實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，提高環(huán)境效益，因此，電網(wǎng)能源效率指標(biāo)還需增加環(huán)境效益和社會效益。因此，本研究將如圖1所示的7個指標(biāo)作為電網(wǎng)能源效率的評估指標(biāo)。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

火力發(fā)電能耗通常用標(biāo)準(zhǔn)煤耗率（g/kWh）來表示，可以分為供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率。標(biāo)準(zhǔn)煤耗率越低，說明對煤的利用效率越高。一般來說，大容量的火電機組效率更高，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗更?。?］。

1.2 輸電線路損耗率

在電力網(wǎng)傳輸和分配過程中產(chǎn)生的有功功率損失和電能損失統(tǒng)稱為線路損失，簡稱線損。電網(wǎng)線損率是線損電量與實際供電量之比，簡稱線損率。

圖1 電網(wǎng)能源效率的評估指標(biāo)

1.3 環(huán)境效益

環(huán)境效益是對人類社會活動的環(huán)境后果的衡量［6］。對于電網(wǎng)能源效率評估，每千瓦時的發(fā)電量所排放的污染物越少，則環(huán)境效益越好，能源效率也就越高。

1.4 單位投資成本

單位投資成本指每兆瓦機組的投資額，其是投資總額與機組裝機容量的比值。一般情況下，裝機容量越大，單位投資成本越小。

1.5 單位度電成本

單位度電成本是單位上網(wǎng)電量所產(chǎn)生的成本，主要包括投資成本、運行維護成本及財務(wù)成本。目前，燃煤發(fā)電成本低于風(fēng)電、光伏等新能源，隨著新能源的快速發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力和光伏發(fā)電單位度電成本正不斷下降。

1.6 機組利用小時數(shù)

機組利用小時指發(fā)電機組在年內(nèi)平均滿負(fù)荷運行的時間。相對燃煤機組，風(fēng)力和光伏發(fā)電受氣象因素影響，出力具有較大的不確定性，其機組利用小時數(shù)一般較低。

1.7 社會效益

社會效益主要有社會經(jīng)濟影響和社會環(huán)境影響。社會經(jīng)濟影響主要包括土地增值效益、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、改善能源消費結(jié)構(gòu)、對當(dāng)?shù)鼐用裆钏降挠绊?；社會環(huán)境影響主要包括促進(jìn)社會就業(yè)、改善投資環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域均衡發(fā)展。

2 新能源并網(wǎng)對能源效率的影響

新能源并網(wǎng)對能源效率帶來了兩方面的影響。第一，當(dāng)前建設(shè)的新能源一般都是代替火電機組發(fā)電，因此新能源的出力增加會降低火電出力，減少電力系統(tǒng)燃煤量的使用。第二，由于新能源的出力具有隨機性、波動性，為平衡其出力波動性，火電機組需要進(jìn)行調(diào)峰。由于火電機組運行時其各項參數(shù)越接近或達(dá)到設(shè)計值，則機組的燃煤率越好，當(dāng)火電機組為新能源并網(wǎng)發(fā)電降低出力時，其煤耗率將增加。經(jīng)過火電廠實驗證明，在調(diào)峰階段，燃煤機組每壓低出力10%會導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加3～6g/kWh，燃煤效率降低。

燃煤機組煤耗可以表示為與功率有關(guān)的二元一次方程，見式（1）：

其中，fi,t為在t時段，機組i運行所需要的煤耗，Pi,t為機組i輸出的有功功率。

圖2 火電機組出力度電成本曲線

圖2中橫坐標(biāo)表示火電機組出力，縱坐標(biāo)表示度電成本，當(dāng)機組運行于額定功率（100%）附近時，單位度電成本最??；隨著機組發(fā)電功率下降，其度電成本不斷增加。

3 考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評估方法

基于前文的分析，考慮電網(wǎng)的綜合線損率、機組運行曲線和環(huán)境效益等因素對綜合能源效率的影響。本研究提出考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評估方法，其流程圖如圖3所示。該方法主要有以下步驟。

圖3 考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評價流程圖

①根據(jù)用電量Ec、交換電量Ej和線損率τ，計算出供電量：Et=(Ec+Ej)/(1-τ)；②根據(jù)新能源裝機PW和發(fā)電小時數(shù)TW，計算出新能源發(fā)電量：EW=PW×TW；同理，根據(jù)水電裝機PH和發(fā)電小時數(shù)TH，計算出水電發(fā)電量：EH=PH×TH；③計算火電發(fā)電量：EM=Et-EW-EH；④根據(jù)火電機組裝機PM，得到火電機組出力：ηM=EM/(PM×8 760)；⑤根據(jù)火電機組出力度電成本曲線ηM-cF，得到發(fā)電成本：CF=EM×cF；⑥根據(jù)單位度電排放成本cE，得到排放成本：CE=EM×cE；⑦最終求得，考慮新能源的電網(wǎng)綜合能源效率：CEE=Et(CF+CE)。

4 算例分析

以A地區(qū)電網(wǎng)為例，開展算例分析。該地區(qū)電網(wǎng)數(shù)據(jù)如表1所示，火電機組類型及臺數(shù)如表2所示?；痣姍C組不同出力下度電成本函數(shù)如式（2）所示。

調(diào)研得到火電機組不同出力下度電函數(shù)的各項系數(shù)如表3所示。

本研究主要考慮大氣污染物中的SO2、CO2及NOx的減排。

燃煤火電廠發(fā)電過程中，SO2是主要的污染物，煤電廠SO2的排放量可用公式（3）表示。

式中：SO2排放量（kg/t）；B為耗煤量（t）；燃煤應(yīng)用基含硫率；燃煤硫向煙氣硫的轉(zhuǎn)化率；λSO2為SO2與S的摩爾質(zhì)量比，約為2；η為脫硫效率。

如果取煤炭含硫率為1%，燃煤電廠平均煙氣硫轉(zhuǎn)化率為0.9，則常規(guī)燃煤電廠的SO2排放量為18kg/t。若電廠增加了脫硫裝置，在脫硫效率為0.87時，SO2的排放率為2.34kg/t。

NOx是燃煤火電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生的第二大污染物，燃燒過程排放出來的NOx主要是NO和NO2，其中NO占絕大部分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占95%?？衫檬剑?）計算煤電NOx排放率。

式中：GNOx為NOx排放率（kg/t）；B為耗煤量（t）；Ny為燃煤中含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ηN為燃料氮的轉(zhuǎn)換率；m為燃料氮生成的NOx占全部NOx排放量之比；λNOx為NOx與N的摩爾質(zhì)量比；η為脫氮效率。

一般情況下，燃料氮轉(zhuǎn)化率為25%；燃料氮生成的NOx占全部NOx排放量之比m為80%；NOx與N的摩爾質(zhì)量比為2.2，可得出一噸燃煤大約會產(chǎn)生8kg的NOx。

CO2是燃煤發(fā)電過程中排放最多的污染物，是造成溫室效應(yīng)的主要氣體，其排放率的計算公式如式（5）。

式中：CO2的排放率（kg/t）；B為耗煤量（kg）；Q為煤炭的單位熱值（MJ/kg）；E為單位熱值下潛在的碳排放量（kg/MJ）；Kco2為燃料中碳的氧化率；與C的摩爾質(zhì)量比，約為3.667。

中國煤炭實測平均數(shù)值：單位熱值Q為21.2MJ/kg，碳的潛在排放量E為24.74kg/MJ，C的氧化率為0.9。據(jù)此計算得出的碳排放率為1731kg/t。

我國目前這些污染物排放收費標(biāo)準(zhǔn)如表4所示［7］。

表1 A地區(qū)電網(wǎng)數(shù)

表2 A地區(qū)火電機組類型及臺數(shù)

表3 火電機組壓低出力調(diào)峰情況下資源消耗系數(shù)

表4 各種污染物的排放收費標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述分析，不同風(fēng)電裝機容量下A地區(qū)電網(wǎng)綜合能源效率變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同新能源裝機容量下電網(wǎng)綜合能源效率

由圖4可知，隨著風(fēng)電裝機不斷增加，考慮新能源的電網(wǎng)綜合能源效率不斷提升；以新能源裝機1740MW時為例，與不考慮新能源相比，新能源接入后綜合能源效率提高了13.23%。

5 結(jié)語

本研究在傳統(tǒng)能源效率評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，給出了電網(wǎng)能源效率評估指標(biāo)，即標(biāo)準(zhǔn)煤耗率、輸電線路損耗率、環(huán)境效益、單位投資成本、單位度電成本、機組利用小時數(shù)以及社會效益七個指標(biāo)，考慮電網(wǎng)的綜合線損率、機組運行曲線和環(huán)境效益等因素對綜合能源效率的影響，提出了考慮新能源的電網(wǎng)能源效率評估方法。算例分析表明，新能源接入電網(wǎng)后會減少煤耗量和污染物排放量，單位成本明顯下降，有利于提高電網(wǎng)的能源效率。

［1］湯春效.我國能源效率及其影響因素研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

［2］楊燕.全國電力利用效率比較及其影響因素分析［D］.北京：華北電力大學(xué)，2008.

［3］D Maheswaran，V Rangaraj，KKJ Kailas，et al.Energy efficiency in electrical systems[J].IEEE International Confer?ence on Power Electronics，2012（6）:1-6.

［4］王妍.中國電力工業(yè)能源效率分析［J］.經(jīng)濟師，2008（4）：58-59.

［5］陸國夫.電網(wǎng)企業(yè)能效評估指標(biāo)體系研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［6］胡文培.我國主要能源發(fā)電效益的比較研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2011.

［7］吳宗香，陳文穎.以煤為主多元化的能源清潔戰(zhàn)略［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

The Energy Efficiency Evaluation of the Large-scale New Energy Connected to Power Grid

Sun SipeiMiao Fufeng Ma Jie
（State Grid Henan Economic Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Based on the traditional energy efficiency evaluation index on the given grid energy efficiency evaluation index,namely the standard coal consumption rate,transmission line loss rate,environmental bene?fits,unit investment cost,unit cost of electricity,the unit utilization hours and the social benefits of seven indicators,considering factors of line loss comprehensive rate,unit operation curve and environmental bene?fits impact on energy efficiency,put forward an evaluation method considering the network energy efficiency of new energy.

new energy；energy efficiency；evaluation index；environmental benefits

TM715；TM61

A

1003-5168（2017）12-0137-04

2017-11-03

孫思培（1987-），男，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃及新能源。