分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的應用及其優(yōu)化策略

盧麒宇 姜圣賢 吳克強 王天奇 吳高鵬

【摘? 要】 隨著經濟社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，能源消耗總量不斷增加，能源危機和環(huán)境污染問題日益凸顯，清潔、高效、低碳的能源利用方式成為未來社會發(fā)展的必然趨勢。分布式能源（distributed energy resource，簡稱DER）作為一種新型清潔、高效、低碳的能源利用方式，具有良好的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益。文章通過分析分布式能源在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，探討了分布式能源資源優(yōu)化配置的實現(xiàn)途徑，并針對當前分布式能源資源應用中存在的問題，從政策機制、技術支持等方面提出了分布式能源資源優(yōu)化配置策略，以促進分布式能源資源在電力系統(tǒng)中應用，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

【關鍵詞】 分布式能源；電力系統(tǒng)；資源應用

分布式能源是指分散式、就近使用、自供自用、自發(fā)自用、余電上網的能源利用形式，具有發(fā)電側就地消納、負荷側靈活調控、能源供應多樣化等優(yōu)勢。分布式能源資源主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、地熱能發(fā)電、生物質發(fā)電等，其突出特點是具備較強的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)運行的需要，合理安排，以最小化系統(tǒng)總成本。分布式能源具有規(guī)模小、布局分散和運行靈活等特點，在一定程度上可以解決集中式能源供應的瓶頸問題，提高可再生能源的比重和利用率，有利于實現(xiàn)節(jié)能減排。目前分布式能源在國內外得到了廣泛的應用和發(fā)展，其技術也在不斷進步，逐步走向成熟。隨著可再生能源發(fā)電成本的逐步降低和分布式發(fā)電技術的不斷進步，分布式能源在電力系統(tǒng)中的應用將逐漸增多。

分布式能源資源配置是指不同種類的分布式能源資源在不同環(huán)節(jié)、不同地域間合理進行優(yōu)化配置。合理的配置方式對提高分布式能源資源利用率、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要作用。近年來，國內外學者開展了大量分布式能源資源優(yōu)化配置研究，提出了多種優(yōu)化配置方法。如基于非合作博弈理論，采用變參數(shù)法建立了分布式儲能系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化調度模型；基于能量轉移理論建立了以風電和光伏為主體的分布式電源協(xié)調控制模型；構建了考慮風電和光伏出力不確定性的多時間尺度多目標優(yōu)化模型；基于負荷預測的分布式電源聯(lián)合調度模型；基于隨機潮流與最小二乘支持向量回歸機的多能互補優(yōu)化調度模型。上述研究成果為分布式能源資源在電力系統(tǒng)中應用提供了一定參考。

一、分布式能源發(fā)展現(xiàn)狀

分布式能源資源是指能夠獨立或多點供應的能源形式，一般包括燃料電池、太陽能、生物質、地熱能、生物質能、潮汐能、風能等。與傳統(tǒng)的集中式能源利用方式相比，分布式能源具有發(fā)電容量小、設備安裝靈活、供電可靠性高等特點，有利于實現(xiàn)供電的供需平衡和資源共享，提高能源利用效率。近年來，分布式能源發(fā)展迅速，得到世界各國的普遍重視和廣泛應用。美國能源部早在2000年就提出了“分布式電源計劃”，并于2002年在紐約建成首個大型分布式能源電站；英國政府于2005年頒布《可再生能源法》，將分布式能源作為電力系統(tǒng)的重要組成部分；德國政府制定了《可再生能源法》和《關于發(fā)展太陽能利用和熱泵的指導意見》等一系列政策法規(guī)；日本政府自2008年起積極推廣分布式發(fā)電技術；歐盟于2010年出臺了《歐洲可再生能源路線圖》，鼓勵開發(fā)利用太陽能等可再生能源。

隨著全球經濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速，我國面臨的資源和環(huán)境壓力不斷加大，需要更加高效、清潔的能源供應方式。為了響應國家能源戰(zhàn)略調整及節(jié)能減排政策，促進我國分布式能源產業(yè)發(fā)展，我國先后出臺了一系列支持政策。2010年5月，國務院發(fā)布《關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》（國發(fā)〔2010〕12號）；2011年11月，國家發(fā)改委、工信部、科技部聯(lián)合發(fā)布了《關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》（發(fā)改能源〔2011〕863號）；2014年8月，國家能源局發(fā)布了《關于促進分布式發(fā)電規(guī)范健康發(fā)展的通知》（國能新能〔2014〕439號）；2015年5月，國家發(fā)改委、財政部、工信部等九部委聯(lián)合發(fā)布《關于促進太陽能熱利用產業(yè)發(fā)展的若干意見》（發(fā)改能源〔2015〕2061號）；2016年7月，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》（發(fā)改能源〔2016〕1611號）；2017年4月，國務院發(fā)布了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》（國發(fā)〔2017〕22號）。截至2017年年底，我國累計并網裝機容量超過11.3億kW，約占全球總量的1/5。2017年全國發(fā)電裝機容量達到18.7億kW。目前分布式電源已廣泛應用于交通、建筑、農業(yè)等各個領域，與傳統(tǒng)集中式發(fā)電方式相比，分布式能源資源具有建設周期短、投資回報快、供電可靠性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。

二、優(yōu)化配置的實現(xiàn)途徑

（一）優(yōu)化規(guī)劃

分布式能源資源的優(yōu)化配置需要對分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的應用進行充分分析和研究，從其經濟性、可靠性、環(huán)保性等方面入手，對其建設和運行進行合理規(guī)劃，以確保分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的高效應用。目前，我國已初步形成了一套較為完善的分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的規(guī)劃方法，如以可靠性為中心的規(guī)劃方法、基于“源—網—荷”一體化調度的分布式能源資源優(yōu)化配置方法等。

此外，在進行分布式能源資源規(guī)劃時，還應充分考慮環(huán)境因素，如太陽能光伏發(fā)電、生物質能發(fā)電等具有一定間歇性和波動性的分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的應用。此外，還應充分考慮經濟性因素，如天然氣價格、燃料費用等。綜合考慮經濟、環(huán)境和安全三個方面因素后，再進行合理規(guī)劃是實現(xiàn)分布式能源資源在電力系統(tǒng)中高效利用的關鍵。在進行分布式能源資源優(yōu)化配置時，需要充分考慮其經濟性和可靠性因素，避免盲目進行建設和投入運行。只有這樣，才能確保電力系統(tǒng)中分布式能源資源能夠發(fā)揮出其最大的作用。

（二）合理選擇技術水平較高的分布式能源資源

分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的應用主要以電為中心，將電能作為生產、生活中的主要能量載體，但隨著分布式能源資源技術水平的不斷提高，其能量密度也在不斷增加。因此，在分布式能源資源技術可實現(xiàn)的前提下，選擇技術水平較高的分布式能源資源實現(xiàn)其高效利用。熱電聯(lián)產技術。熱電聯(lián)產技術是以天然氣為燃料，將天然氣和蒸汽或熱水通過換熱裝置轉換成熱水或蒸汽，供給用戶使用。與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，熱電聯(lián)產具有高效率、低排放的特點，在世界范圍內得到了廣泛應用。燃料電池。燃料電池是一種利用燃料電池為電源的發(fā)電裝置，可作為電力系統(tǒng)中重要的電能轉換裝置和電能存儲裝置。燃料電池具有高效率、低污染、低排放等特點，但其燃料電池是一種“耗電大戶”，需要消耗大量的電力才能獲得相應的電量，并且由于燃料電池需要長期蓄電和放電才能維持其正常運行，使得燃料電池系統(tǒng)造價較高。太陽能和風能發(fā)電。太陽能和風能發(fā)電具有高效、清潔、可再生等特點，且具有建設成本低、運行維護成本低等優(yōu)勢。

（三）充分發(fā)揮市場機制的作用

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，分布式能源資源的市場定位是提供輔助服務，而在電力市場中，則是作為獨立市場主體參與電力市場競爭。因此，在分布式能源資源的利用過程中，需要充分發(fā)揮市場機制的作用，以實現(xiàn)分布式能源資源與電力市場的有效銜接。同時，對于分布式能源資源的管理而言，也需要充分發(fā)揮市場機制的作用。

根據(jù)用戶用能需求，充分利用分布式能源資源參與電力系統(tǒng)調度。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，用戶需要承擔發(fā)、輸、配、用等各個環(huán)節(jié)的成本費用，而在分布式能源資源參與電力系統(tǒng)調度后，可以通過對用戶用能需求以及供電可靠性等因素進行分析，實現(xiàn)多種分布式能源資源優(yōu)化配置。在分布式能源資源接入后，通過市場機制對用戶用能需求進行定價。對具備消納條件的分布式能源資源接入到電網中后，可以通過市場機制對其進行定價，從而引導用戶合理選擇分布式能源資源的接入方式。在電力系統(tǒng)中引入競爭機制。引入競爭機制可以充分調動各主體參與分布式能源資源建設與利用的積極性，促進分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的合理配置。

三、優(yōu)化配置的相關研究

分布式能源資源的優(yōu)化配置研究是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及電力系統(tǒng)多個方面，包括分布式能源資源規(guī)劃與優(yōu)化、分布式能源資源接入電力系統(tǒng)的規(guī)劃與設計電力系統(tǒng)的技術經濟評估等。在當前分布式能源資源配置中，為了解決多目標決策問題，通常將多個目標函數(shù)進行綜合，以提高決策的合理性和科學性。在多目標規(guī)劃問題中，分布式能源資源配置優(yōu)化是指在考慮多種因素的情況下，尋求分布式能源資源規(guī)劃與優(yōu)化組合問題的最優(yōu)解。從研究現(xiàn)狀來看，多目標優(yōu)化問題可以劃分為確定性和隨機性兩類。在確定性模型中，主要考慮電源出力、負荷需求和電力網絡結構等因素；在隨機性模型中，主要考慮負荷、電力網絡和電源的動態(tài)特性等因素。在確定性模型中，一般通過蒙特卡洛仿真技術求解最優(yōu)解；而在隨機性模型中，則通過智能優(yōu)化算法求解。無論是確定性模型還是隨機性模型，都需要對多個目標進行優(yōu)化決策。

四、存在的主要問題及改進策略

（一）缺乏對分布式能源系統(tǒng)技術經濟特性的深入研究

分布式能源系統(tǒng)具有很強的不確定性，其內部運行狀態(tài)及外部環(huán)境因素對其運行特性有著重要影響。在分布式能源系統(tǒng)中，如何充分發(fā)揮不同形式分布式能源的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的經濟效率，是當前分布式能源系統(tǒng)研究與應用中亟待解決的問題。

（二）缺乏對分布式能源資源優(yōu)化配置的支持政策

國家出臺了一系列政策措施鼓勵分布式能源資源在電力系統(tǒng)中應用，但是缺乏相關配套措施和實施細則，相關政策法規(guī)也不夠完善，不能充分發(fā)揮市場機制對資源配置的決定性作用，同時也制約了分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的有效利用。

（三）缺少對分布式能源技術創(chuàng)新的激勵機制

技術開發(fā)人員缺乏積極性，導致新型發(fā)電模式和高效能量轉換裝置不能在電力系統(tǒng)中推廣應用。電力市場、輸配電價及相關政策法規(guī)等還存在不完善、不合理等問題，也制約了分布式能源資源在電力系統(tǒng)中的應用。

（四）未形成集中式多能互補供能方式

分散式多能互補供能方式具有較強的分散性和不經濟性，無法為用戶提供高效、經濟的能源服務，難以實現(xiàn)規(guī)模效應。而集中式多能互補供能方式由于涉及復雜的電源協(xié)調、電網接入等問題，且成本較高，難以實施。此外，我國對分散式多能互補供能技術、設備及系統(tǒng)集成等缺乏研究和應用，缺乏統(tǒng)一的管理、規(guī)劃與協(xié)調機制。

針對上述問題，需要采取相應措施予以改進，如加強分布式能源資源優(yōu)化配置相關政策法規(guī)建設和實施細則制定；研究建立分布式能源資源環(huán)境效益與經濟效益綜合評價指標體系；研究建立分布式能源資源優(yōu)化配置平臺；進一步完善電力市場運行機制；加快推動分布式能源資源與其他可再生能源等多種類型資源協(xié)同發(fā)展和互補利用。

五、結語

分布式能源作為一種清潔、高效、低碳的能源利用方式，具有良好的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益，在電力系統(tǒng)中的應用必將越來越廣泛，其在未來電力系統(tǒng)中的地位也將越來越重要。然而，目前分布式能源資源優(yōu)化配置仍然存在很多問題，主要表現(xiàn)在缺乏配套的政策機制和技術支持。因此，應建立健全分布式能源資源優(yōu)化配置機制，推動分布式能源資源應用；加強政策引導，加快分布式能源發(fā)展；完善相關技術標準和規(guī)范，推進技術創(chuàng)新與進步；加強政策法規(guī)建設，完善相關法律法規(guī)體系；加強分布式能源資源并網運行管理及相關技術研究；優(yōu)化配置策略，推進分布式能源資源在電力系統(tǒng)中應用。

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