清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法研究

潘金月，張維磊，魯曉威，龐 麗，劉 涌

(1.國網(wǎng)滁州供電公司，安徽 滁州 239000； 2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240)

化石燃料在電力產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，煤炭和天然氣的消耗量很大，火力發(fā)電成為有害氣體的主要排放源，對能源發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成威脅[1]。當(dāng)前能源問題背景下，清潔可再生能源的開發(fā)得到重視，清潔可再生能源具有充分的能源供應(yīng)，使用清潔可再生能源供電，替代化石燃料發(fā)電，可以減少化石燃料的環(huán)境污染，緩解能源供需矛盾，有效解決能源枯竭的問題[2]。分析清潔可再生能源節(jié)能潛力，是實(shí)施清潔可再生能源替代的前提條件，節(jié)能潛力代表清潔可再生能源能夠提供的能源總量。因此，評估能源節(jié)能潛力，揭示新能源替代潛力具有重要意義[3-4]。

當(dāng)前清潔可再生能源潛力評估相關(guān)研究已取得一定進(jìn)展，國外針對不同情景，遵循指標(biāo)選取原則，建立新能源項(xiàng)目量化評價(jià)體系，估算清潔可再生能源潛力，通過學(xué)習(xí)曲線分析，分析能源類型和分布情況，把清潔可再生能源的年產(chǎn)能折合標(biāo)煤量，選擇具有競爭力的發(fā)電類型[5]。國內(nèi)從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、能源3個(gè)方面出發(fā)，分析減排約束下能源效益等對清潔可再生能源消納的影響，以消納量最大為目標(biāo)，得到能源潛力評估模型[6]。結(jié)合以上理論，本文提出清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和時(shí)效性，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 節(jié)能潛力評估技術(shù)手段和方法

由于清潔可再生能源具有波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，為此，應(yīng)開展長時(shí)間尺度的新能源出力時(shí)序運(yùn)行模擬，全面認(rèn)識(shí)新能源機(jī)組的電力系統(tǒng)運(yùn)行，得到新能源機(jī)組的供電運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 時(shí)序運(yùn)行模擬模型的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

將最大化清潔可再生能源發(fā)電量、最小化發(fā)電成本作為目標(biāo)函數(shù)。發(fā)電量A計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，T為新能源機(jī)組出力時(shí)段；n為機(jī)組數(shù)量；Pi，t為t時(shí)刻機(jī)組i出力[7]；m為發(fā)電技術(shù)類型數(shù)目；D為評估周期內(nèi)的年數(shù)；bj，l為技術(shù)j在第i年的新增裝機(jī)容量；Cj，l為單位投資建設(shè)成本[8]；dj，l為技術(shù)j在l年初的已有裝機(jī)容量；ej，l為技術(shù)j在第l年的退役裝機(jī)容量；Ej，l為技術(shù)j單位運(yùn)維成本[9]；Fj，l為技術(shù)j在第l年的發(fā)電量；gj，l為單位燃料成本[10]；G為儲(chǔ)能技術(shù)類型數(shù)目；fo，l為新能源消納技術(shù)o在第l年的新增容量；Ho，l為技術(shù)o單位成本[11]。

(3)

通過式(3)，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電量最大化、新能源發(fā)電技術(shù)最小化。至此完成模型目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建。

1.2 模型約束條件設(shè)置

設(shè)置新能源出力時(shí)序運(yùn)行模擬模型的約束條件，包括新能源機(jī)組出力約束、電力系統(tǒng)運(yùn)行約束等。組成模型約束條件。其中，Ⅰ為約束火電機(jī)組和新能源機(jī)組出力，Ⅱ?yàn)榧s束清潔可再生能源出力，Ⅲ為約束電力系統(tǒng)功率平衡，Ⅳ為約束電力系統(tǒng)備用，Ⅴ為約束新能源機(jī)組的裝機(jī)容量：

(4)

式中，PJ，t為火電機(jī)組J、新能源機(jī)組i發(fā)電功率；IJ，t、Ii，t分別為火電機(jī)組J、新能源機(jī)組i開機(jī)狀態(tài)；maxPJ，t、minPJ，t分別為機(jī)組J上下限；maxPi，t、minPi，t分別為機(jī)組i上下限[12]；Ri，t為新能源機(jī)組在時(shí)刻的新能源可用發(fā)電功率[13]；at為t時(shí)刻負(fù)荷；K為火電機(jī)組數(shù)量；kt為電力系統(tǒng)t時(shí)刻備用需求[14]；Lj，l為技術(shù)j的裝機(jī)容量系數(shù)；Ml為第l年的需求負(fù)荷[15]。

約束電力系統(tǒng)調(diào)峰能力，保證清潔可再生能源的消納公式為：

(Nj，l-Oj，l)(bj，l+dj，l-ej，l)≤fo，l+po，l+qo，l

(5)

式中，Nj，l為技術(shù)在第l年的調(diào)峰需求系數(shù)；ej，l為調(diào)峰能力系數(shù)；po，l為消納技術(shù)o在l年初的已有容量；qo，l為消納技術(shù)o的退役容量[16]。

約束火電機(jī)組排污量公式為：

(6)

式中，RJ，t為火電機(jī)組J單位污染物排放系數(shù)；rJ，t為機(jī)組J度電能耗系數(shù)；QJ，t為火電機(jī)組J發(fā)電量；St為污染物排放上限。

約束新能源機(jī)組退役容量公式為：

(7)

式中，maxej，l、minej，l分別為新能源機(jī)組的退役容量上下限[17]。

至此完成模型約束條件的設(shè)置，結(jié)合目標(biāo)函數(shù)和約束條件，得到清潔可再生能源時(shí)序運(yùn)行模擬模型。

2 基于指標(biāo)計(jì)算的清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法

(8)

式中，ut為t時(shí)刻負(fù)荷用電量[19]。

計(jì)算清潔可再生能源發(fā)電功率占比V，公式為：

(9)

計(jì)算新能源機(jī)組出力時(shí)的化石燃料耗率降低量W，W表示電力系統(tǒng)相同發(fā)電量下降低的化石燃料損耗，公式為：

(10)

將新能源發(fā)電量占比、發(fā)電功率占比、化石燃料耗率降低量，作為節(jié)能潛力評估指標(biāo)，U值、V值、W值越大，判斷節(jié)能潛力越大。至此完成節(jié)能潛力評估指標(biāo)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法設(shè)計(jì)。

3 清潔可再生能源節(jié)能潛力適宜性評估

3.1 研究區(qū)域概況

為了驗(yàn)證本文提出的清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，以上海市可再生能源為實(shí)驗(yàn)對象，進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)分析。上海地理上鄰近中國等電力消費(fèi)大國，可再生能源開發(fā)條件好，根據(jù)上海相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，上海發(fā)電裝機(jī)95.5萬kW其中可再生能源發(fā)電裝機(jī)8.17萬kW，僅占8%。發(fā)電量528億kWh，可再生能源電量比例僅為2.23%。截至2013年底，上海風(fēng)電裝機(jī)5萬kW，不到資源量的萬分之一，開發(fā)潛力巨大。太陽能資源資源量約67萬億kWh，資源豐富地區(qū)每年晴天按320 d，發(fā)電量可達(dá)1 300 kWh/m2。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取2個(gè)型號(hào)相同、位置相鄰的能源發(fā)電裝置作為實(shí)驗(yàn)對象，清潔可再生能源應(yīng)用發(fā)電裝置如圖1所示。

圖1 清潔可再生能源應(yīng)用發(fā)電裝置Fig.1 Power generation device for clean renewable energy application

設(shè)置年最大負(fù)荷為36 946 MW，傳統(tǒng)機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘繛?1 073 MW，傳統(tǒng)機(jī)組類型包括煤電、油電、氣電，清潔可再生能源裝機(jī)總?cè)萘繛?2 836 MW，新能源機(jī)組類型包括光伏、風(fēng)電、水電，光伏、風(fēng)電、水電的裝機(jī)容量和裝機(jī)數(shù)目相同。機(jī)組參數(shù)如下：火電裝機(jī)容量分別包括100、220、300、330、600、1 000 MW，機(jī)組數(shù)量分別為12、18、19、22、10、2，新能源裝機(jī)容量包括20、50、80、100、250、300 MW，機(jī)組數(shù)量分別為12、15、19、13、9、8。

分別接入光伏機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、水電機(jī)組，構(gòu)建清潔可再生能源出力時(shí)序運(yùn)行模擬模型，選取一典型日，將24 h劃分為4個(gè)時(shí)段，分別為0：00—6：00、6：00—12：00、12：00—18：00、18：00—24：00，為新能源機(jī)組分配各個(gè)時(shí)段的最優(yōu)功率，清潔可再生能源機(jī)組出力見表1。

表1 清潔可再生能源機(jī)組出力Tab.1 Clean renewable energy unit output MW

根據(jù)新能源機(jī)組出力，分配火電機(jī)組發(fā)電功率，得到典型日的機(jī)組出力累計(jì)電量，包括火電機(jī)組發(fā)電量、清潔可再生能源機(jī)組發(fā)電量，能源供電的累計(jì)電量如圖2所示。

圖2 能源供電累計(jì)電量Fig.2 Accumulative electric quantity of energy supply

由圖2可以看出，電力系統(tǒng)通過清潔可再生能源供電，把火電機(jī)組出力壓制至最小，但火電機(jī)組出力仍占據(jù)更大比例，以此滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷需求。風(fēng)電機(jī)組、水電機(jī)組在典型日未停機(jī)，而光伏機(jī)組在凌晨時(shí)段未出力，僅依靠火電機(jī)組發(fā)電。

3.3 清潔可再生能源節(jié)能潛力評估

測試3種清潔可再生能源發(fā)電量占比，將圖2數(shù)據(jù)代入式(8)，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 清潔可再生能源發(fā)電量占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of clean renewable energy generation ratio

由圖3可知，水電機(jī)組發(fā)電量占比最高，12：00左右新能源發(fā)電量占比可達(dá)54%。

將表1數(shù)據(jù)代入式(9)，得到發(fā)電功率占比測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 清潔可再生能源發(fā)電功率占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical results of power ratio of clean renewable energy generation

由圖4可知，水電機(jī)組的發(fā)電功率占比最高，并且12：00左右發(fā)電功率占比可達(dá)58%。

記錄新能源機(jī)組接入前后的化石燃料耗率，得到化石燃料耗率降低量測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 化石燃料耗率降低量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of reduction of fossil fuel consumption rate

由圖5可知，水電機(jī)組接入后，化石燃料耗率降低量最高，12：00左右化石燃料耗率降低量可達(dá)38%。綜上所述，接入水電機(jī)組后，新能源發(fā)電量占比、發(fā)電功率占比、化石燃料耗率降低量最高，表明水電節(jié)能潛力最大，風(fēng)電節(jié)能潛力次之，光伏節(jié)能潛力最小，電力系統(tǒng)應(yīng)增加水電機(jī)組的接入，由水電能源替代化石燃料。

4 結(jié)語

此次研究設(shè)計(jì)了一種清潔可再生能源節(jié)能潛力評估方法，選擇節(jié)能潛力大的清潔可再生能源替代化石能源，加快電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型。但此次設(shè)計(jì)方法仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)進(jìn)一步細(xì)化新能源發(fā)電技術(shù)的約束條件，分析更多能源節(jié)能潛力影響因素，包括社會(huì)因素和經(jīng)濟(jì)因素。