大氣污染防治下京津冀地區(qū)分布式電源優(yōu)化配置研究

周鵬程，程怡心

（1.南方電網(wǎng)物資有限公司，廣東 廣州 510620；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題給京津冀協(xié)同發(fā)展帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)［1］。當(dāng)前，京津冀地區(qū)能源開(kāi)發(fā)利用面臨兩方面的矛盾：一是傳統(tǒng)能源日漸枯竭與能源利用效率低下的矛盾；二是以煤為主的能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力持續(xù)增大的矛盾。在大氣污染防治背景下，轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)能源低碳利用已成為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展工作的重點(diǎn)［2-4］。

科學(xué)規(guī)劃和發(fā)展分布式能源是解決京津冀地區(qū)霧霾天氣的關(guān)鍵。一方面，分布式發(fā)電作為新興的能源利用方式，相對(duì)于集中式電源而言，具有靈活、高效、節(jié)能、低碳等優(yōu)勢(shì)，可作為大電源和大型能源基地的良好補(bǔ)充；另一方面，京津冀地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)資源，在有效、合理規(guī)劃分布式電源方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

為解決京津冀地區(qū)霧霾天氣問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效、低碳利用，對(duì)京津冀地區(qū)發(fā)展分布式電源的前提條件進(jìn)行了梳理分析，包括發(fā)展需求、扶持政策和資源開(kāi)發(fā)及利用現(xiàn)狀；分別考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等效益，構(gòu)建了分布式電源優(yōu)化配置指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并基于CO-EDO算法進(jìn)行分布式電源的優(yōu)化配置。選取京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程，以分布式冷-熱-電三聯(lián)供（Distributed Combined Cooling Heating and Power，DCCHP）系統(tǒng)為例進(jìn)行了算例分析，為有效解決京津冀地區(qū)大氣污染問(wèn)題、促進(jìn)分布式電源有序發(fā)展提供參考。

1 京津冀地區(qū)分布式電源發(fā)展研究

1.1 分布式電源發(fā)展需求分析

分布式電源的資源條件具有典型的地域性，而京津冀地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)資源，為有效解決大氣污染問(wèn)題，保障京津冀地區(qū)電力供應(yīng)穩(wěn)定，大力發(fā)展分布式電源項(xiàng)目創(chuàng)造了良好條件［5］。具體來(lái)說(shuō)，分布式電源采用天然氣作為燃料，或以氫氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能為能源，減少SO2、NOx等有害物的排放量，有效緩解大氣污染；大規(guī)模的分布式電源就近供電，減少了大容量、遠(yuǎn)距離高壓輸電線的建設(shè)投資，且降低了高壓輸電線的電磁污染；分布式發(fā)電為用戶提供冷、熱、電等多種能源綜合利用，是解決能源危機(jī)、提高能源利用效率、保障能源安全的關(guān)鍵途徑；針對(duì)京津冀地區(qū)的某些偏遠(yuǎn)農(nóng)村，可利用風(fēng)電、光伏發(fā)電以及生物質(zhì)能發(fā)電實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”，有效推進(jìn)光伏扶貧。

1.2 分布式電源發(fā)展政策分析

開(kāi)發(fā)及利用分布式能源是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分，有效的政策指導(dǎo)是保障分布式能源有序發(fā)展的前提［6］。為促進(jìn)分布式能源的建設(shè)發(fā)展，北京市、天津市、河北省出臺(tái)了一系列扶持和補(bǔ)貼政策，具體如表1 所示。

1.3 分布式能源分布及開(kāi)發(fā)情況

京津冀地區(qū)風(fēng)能資源主要集中在北京昌平、房山、門(mén)頭溝，天津?yàn)I海新區(qū)，河北張家口、承德等高海拔或沿海地區(qū)；太陽(yáng)能主要集中在北京延慶、密云、懷柔，天津塘沽，河北承德、保定、石家莊等地區(qū)；生物質(zhì)能主要來(lái)源于農(nóng)村地區(qū)作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾等。京津冀地區(qū)分布式能源分布及開(kāi)發(fā)情況如圖1 所示。

圖1 京津冀地區(qū)分布式能源分布及開(kāi)發(fā)情況

2 京津冀地區(qū)分布式電源優(yōu)化配置研究

2.1 分布式電源優(yōu)化配置指標(biāo)

2.1.1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

分布式電源優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)效益可以通過(guò)單位電量成本指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。若分布式發(fā)電產(chǎn)生的社會(huì)利益大于社會(huì)成本，且在計(jì)算分布式電源的生產(chǎn)成本時(shí)僅考慮資金成本，單位電量成本C 可表示為

式中：r 為固定年利率；n 為投資償還期；k 為平均容量系數(shù)，是一段時(shí)間內(nèi)分布式電源發(fā)電量與該時(shí)期內(nèi)發(fā)電小時(shí)數(shù)和裝機(jī)容量的比值；Cinv為分布式電源機(jī)組的安裝成本；Cope為分布式電源機(jī)組的運(yùn)維成本；Cful為分布式電源機(jī)組的燃料成本。

為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行性能，通常將不同分布式電源機(jī)組組合成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)［7］。單位發(fā)電量成本Cunion可表示為

式中：m 為分布式電源機(jī)組總數(shù)；ζi為所有電量成本的第i 種分布式電源的占比系數(shù)；Cinv，i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的安裝成本；Cope，i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的運(yùn)維成本；Cful，i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的單位燃料成本；ni、ki分別為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的投資償還期和平均容量系數(shù)。

2.1.2 技術(shù)效益指標(biāo)

當(dāng)分布式電源接入電網(wǎng)后，會(huì)引起配電網(wǎng)潮流大小和方向的改變，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。分布式電源優(yōu)化配置的技術(shù)效益可以通過(guò)幾種評(píng)估配電網(wǎng)電壓的指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。

1）綜合網(wǎng)損電壓指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)損耗Uloss和電壓質(zhì)量Uqual。綜合網(wǎng)損電壓Uwsdy可表示為

式中：T 為配電網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；μ 為比例系數(shù)；Utbus為節(jié)點(diǎn)t 處母線電壓幅值；Ij為支路j 的電流；Rj為支路j 的電阻；J 為總支路數(shù)；Urat為額定電壓幅值。

2）靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)。該指標(biāo)是對(duì)分布式電源接入配網(wǎng)后改善電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性作用的量化。靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)Ujtdy可表示為

式中：δ=δt1-δt2為分布式電源接入支路的節(jié)點(diǎn)t1與節(jié)點(diǎn)t2的相位差；Ut1∠δt1和Ut2∠δt2分別為首、末 端電壓。

3）電壓改善指標(biāo)。該指標(biāo)是指分布式電源接入配網(wǎng)后電壓指標(biāo)與未接入分布式電源的電壓指標(biāo)之比。電壓改善指標(biāo)Uubt可表示為

式中：Uunot和Uuot分別為分布式電源接入前、接入后的電壓指標(biāo)Uut（若電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)為t，電壓幅值為Ut，節(jié)點(diǎn)負(fù)荷為L(zhǎng)t，各節(jié)點(diǎn)權(quán)重值為αt，則電壓指標(biāo)可表示為。

2.1.3 環(huán)境效益指標(biāo)

分布式電源優(yōu)化配置的環(huán)境效益可以通過(guò)環(huán)境改善指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。該指標(biāo)是指安裝分布式電源前、后的第b 種污染物排放量的比值。環(huán)境改善指標(biāo)EIRIb可表示為

2.2 分布式電源優(yōu)化配置模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

分布式電源優(yōu)化配置模型的目標(biāo)函數(shù)表示為

式中：Fobj為分布式電源優(yōu)化配置的綜合效益。

2.2.2 約束條件

目標(biāo)函數(shù)需要滿足節(jié)點(diǎn)電壓約束、導(dǎo)線電流約束、分布式電源容量約束以及分布式電源接入總量約束等限制條件［8］。

1）分布式電源節(jié)點(diǎn)電壓約束。

式中：Ut、Utmax、Utmin分別為節(jié)點(diǎn)t 的電壓、電壓上限、電壓下限。

2）分布式電源導(dǎo)線電流約束。

式中：It和Itmax分別為節(jié)點(diǎn)t 的電流和電流上限。

3）分布式電源容量約束。

此外，以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行算例分析，系統(tǒng)也需要滿足自身的設(shè)備運(yùn)行約束和系統(tǒng)運(yùn)行約束。

2.3 基于CO-EDO 算法的分布式電源優(yōu)化配置

將混沌優(yōu)化算法（Chaos Optimization，CO）和極值動(dòng)力學(xué)優(yōu)化算法（Extreme Dynamics Optimization，EDO）相結(jié)合，形成CO-EDO 算法優(yōu)化模型。COEDO 算法模型利用CO 算法全局搜索能力強(qiáng)、能夠快速逼近最優(yōu)解的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了EDO 算法容易陷入局部最優(yōu)的不足；同時(shí)，EDO 算法具有強(qiáng)大的局部搜索能力，協(xié)助CO 算法跳出局部極值，避免CO算法過(guò)早收斂［9］。另外，EDO 算法會(huì)增加CO 算法計(jì)算的時(shí)間，減緩了算法的收斂速度，需要設(shè)定時(shí)間間隔（即設(shè)定W 代）以保證算法的快速收斂能力。采用自適應(yīng)Lévy 變異作為變異算子，其函數(shù)概率分布為

式中：y 為函數(shù)概率分布因變量；γ 為規(guī)模因子，且滿足γ＞0；τ 為函數(shù)參數(shù)，當(dāng)τ=1 時(shí)Lτ，γ（y）為Cauchy 分布，當(dāng)τ→2 時(shí)Lτ，γ（y）接近于Gaussian 分布。

3 京津冀地區(qū)分布式電源算例優(yōu)化

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選取京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程，以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行算例分析，算例的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 和表3 所示。

表2 DCCHP 系統(tǒng)能源價(jià)格

表3 DCCHP 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

DCCHP 系統(tǒng)的夏、冬兩季典型日負(fù)荷曲線如圖2 和圖3 所示。從電力負(fù)荷分布上看，07∶00 后電力負(fù)荷逐漸上升，分別在08∶00—10∶00、18∶00—22∶00達(dá)到高峰期。此外，分布式示范工程屬于工業(yè)園區(qū)，因此夜間時(shí)段的用電負(fù)荷也很穩(wěn)定。從冷負(fù)荷分布上看，需求主要集中在夏季，且12∶00—24∶00 的冷負(fù)荷需求高，00∶00—12∶00 的需求低。從熱負(fù)荷分布來(lái)看，冬季的用熱負(fù)荷量大，一方面用于采暖供需，一方面用于工業(yè)生產(chǎn)的熱水供應(yīng)。

3.2 算例分析

結(jié)合DCCHP 系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和典型日負(fù)荷需求的特點(diǎn)，借助CO-EDO 算法求解DCCHP 系統(tǒng)在夏、冬兩季的供能協(xié)同組合運(yùn)行結(jié)果，以此給出分布式電源的最優(yōu)配置方案，優(yōu)化結(jié)果如圖4—圖8 所示。

圖2 夏季典型日負(fù)荷需求

圖3 冬季典型日負(fù)荷需求

圖4 夏季冷負(fù)荷供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

圖5 夏季電力供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

由圖4 和圖5 可知，夏季電力負(fù)荷需求由燃?xì)廨啓C(jī)、光伏發(fā)電供應(yīng)，若電力不足需要向電網(wǎng)購(gòu)電。由于22∶00—次日06∶00 為夏季電價(jià)的谷時(shí)段，此時(shí)段多向電網(wǎng)購(gòu)電以滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷需求。另外，07∶00—19∶00 光照條件較好，此時(shí)段的電力需求多由分布式光伏發(fā)電供應(yīng)。夏季冷負(fù)荷需求由電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)供應(yīng)，07∶00—19∶00 的用電高峰時(shí)段主要由吸收式制冷機(jī)進(jìn)行冷負(fù)荷供應(yīng)，電制冷機(jī)多在夜間的谷時(shí)段進(jìn)行冷負(fù)荷供應(yīng)。

圖6 冬季電力供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

圖7 冬季采暖供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果

由圖6—圖8 可知，冬季電負(fù)荷需求主要由燃?xì)廨啓C(jī)、分布式光伏發(fā)電供應(yīng)，若電力不足也需向電網(wǎng)購(gòu)電。由于22∶00—次日06∶00 為冬季電價(jià)的谷時(shí)段，此時(shí)段多向電網(wǎng)購(gòu)電以滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷需求。另外，08∶00—17∶00 光照條件較好，此時(shí)段的電力需求多由分布式光伏供應(yīng)。冬季熱水需求由燃?xì)廨啓C(jī)、熱水器供應(yīng)，采暖主要由燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)。08∶00—17∶00 為用熱高峰時(shí)段，熱水需求主要由熱水器供應(yīng)，燃?xì)廨啓C(jī)用于滿足夜間需求。

借助CO-EDO 算法優(yōu)化得到系統(tǒng)年費(fèi)用、一次能耗節(jié)能率以及CO2減排率，如表4 所示。

表4 DCCHP 系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)化值

由表4 可知，相比分供系統(tǒng)，DCCHP 系統(tǒng)在夏、冬兩季都達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行效益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。相比于夏季，冬季的優(yōu)化值無(wú)論是在系統(tǒng)費(fèi)用的減少比例、一次能耗節(jié)能率、CO2減排率等方面都要大于夏季的優(yōu)化值，主要是由于冬季外界氣溫低，相對(duì)來(lái)講熱效率較低，且光照強(qiáng)度相對(duì)較弱，一次能源消耗量較多，成本較高。

具體來(lái)說(shuō)，DCCHP 系統(tǒng)利用了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂透邷責(zé)崴鳛殇寤嚈C(jī)組的熱源，實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用，相應(yīng)減少了系統(tǒng)一次能源的投入，降低了系統(tǒng)成本；DCCHP 系統(tǒng)利用分布式光伏為系統(tǒng)提供電力，同時(shí)借助熱水器實(shí)現(xiàn)熱水供給，降低了一次能源的投入，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決大氣污染問(wèn)題，促進(jìn)京津冀地區(qū)分布式能源科學(xué)有效發(fā)展和規(guī)劃，提出一種基于CO-EDO算法的分布式電源優(yōu)化配置方法。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等效益，構(gòu)建了分布式電源優(yōu)化配置指標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并基于CO-EDO 算法進(jìn)行分布式電源的優(yōu)化配置。針對(duì)京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程，以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行了分析，結(jié)果驗(yàn)證了所提模型算法是有效的。

基于研究結(jié)果，從宏觀和微觀層面對(duì)京津冀地區(qū)分布式電源發(fā)展提出建議。在宏觀層面，一是應(yīng)結(jié)合京津冀地區(qū)能源資源特點(diǎn)，因地制宜發(fā)展分布式電源；二是優(yōu)化分布式電源配套政策，統(tǒng)一分布式電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；三是實(shí)施年度發(fā)展計(jì)劃，加快建立適應(yīng)分布式電源的項(xiàng)目全過(guò)程管理機(jī)制；四是加快推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，保障分布式電源發(fā)展等。在微觀層面，一是應(yīng)借助科學(xué)的分布式電源評(píng)價(jià)工具，應(yīng)用差異化的項(xiàng)目發(fā)展策略；二是應(yīng)借助有效的分布式電源優(yōu)化工具，促進(jìn)分布式電源優(yōu)化配置。