基于可靠性成本—效益理論的分布式電源接入容量分析

劉傳銓,梁 薇,湯曉偉,沈 良

(上海市電力公司松江供電公司,上海 201600)

在能源形勢日趨嚴峻、傳統能源日漸枯竭、環境污染日益嚴重的情況下,加大能源結構的多元化調整力度,推廣與發展分布式電源,已經得到國內外的廣泛重視。與傳統燃煤發電廠相比,分布式電源有著發電方式靈活、能源利用效率高、環境污染小等優點。然而,在傳統配電網可靠性經濟評價中,通常只對環境問題做一個簡單的定性分析,沒有定量化,這樣分布式電源所帶來的環境價值并沒有得到充分體現,很難發揮分布式電源所帶來的經濟優勢。

本文將用停電損失和環境成本來定量描述可靠性效益,運用成本效益分析理論建立含分布式電源配電網可靠性經濟評價的目標函數。該函數綜合可以協調供電方和用戶方雙方利益,有效地將含分布式電源的配電網的經濟性和可靠性結合起來,尋求分布式電源的最優接入容量,使相同的投資產生最大的效益,為智能電網大量接入分布式電源的可行性,提供有益的參考。

1 配電網的可靠性成本

近年來,隨著用電負荷的大幅度增長和對可靠性要求的提高,電網公司通常采取本地區電廠建設或向大電網購電等方法,配合架設新的輸配電線路、增加變電站數目或者變電站擴容等措施來滿足用電需求。分布式發電作為靈巧的供電方式,以小容量、投資風險小、提高電網可靠性的優勢,日益受到重視。通過并網運行,建立混合型配電網絡,已經成為電網公司擴容的可選方案之一。

常見的分布式電源有太陽能發電、風力發電、燃料電池以及微型燃氣輪機發電等。配電網的可靠性成本一般為新增設備的投資成本,與傳統的發電廠相比,分布式電源的投資具有很多優點。

1)分布式電源采用可再生能源或清潔化石能源發電,燃料運行費用低,而燃煤的成本卻在逐年上漲。2)分布式電源使用壽命結束后組件還有一定的殘余價值,即替代費用。3)分布式電源并網運行,國家給予一定的上網補貼。4)分布式電源并網運行,能夠降低網損。

將分布式電源配電網的可靠性成本定量化,需要考慮很多因素,這是因為分布式發電的投資成本與分布式發電的額定容量和年發電量是密不可分的。本文提出將分布式電源的投資成本R cost,折算成容量費用和電量費用之和,其表達式為:

式中:PDG為分布式電源的額定容量;αcn為單位容量成本,與分布式電源的投資成本有關;WDG為分布式電源年發電量;αen為單位電量成本,與分布式電源的維護費用有關。

2 配電網的可靠性效益

2.1 停電損失

在傳統的配電網可靠性經濟評價中,可靠性效益是用所有電力客戶的年停電損失來表示的。分布式電源引入后,停電損失的減少也表示為配電網的可靠性效益。目前,適合我國的停電損失估算方法主要有平均電價折算倍數法、產電比法和總擁有費用法。

本文提出平均電價折算倍數法和產電比法的加權平均停電損失評估方法,停電損失C loss的關系式為:

式中:EENS為期望缺供電量;α1為產電比法的加權系數; α2為平均電價折算倍數法的加權系數;K為產電比;b為單位停電電量電價與平均電價的比值;d為平均電價。

我國在現階段采用平均電價折算倍數法,以平均電價的25倍來估計停電損失是比較合理的,這與中國的經濟狀況相適應;產電比法適用于大面積的宏觀估計,不適合對具體用戶停電損失的估計。將這兩種方法結合,可有效地評估當時當地的停電損失。

不同類型的分布式電源,其可靠性模型不同,倘若額定容量相同,采用不同類型的分布式電源引入,對配電網帶來的停電損失是不同的。一般來說,對同一類型的分布式電源,額定容量越大,停電損失越小,但是投資費用相對就大,因此要尋求這種分布式電源的容量,使單位投資產生的效益最大。由式(2)可知,停電損失與配電系統缺供電量EENS成正比,由配電網可靠性評估的方法可得到EENS值,繼而求出配電網停電損失值。

2.2 環境效益

由于傳統發電方式對環境污染嚴重,對污染物排放實施罰款,在現階段是促使其提高環保性的一種行之有效的手段,也是體現分布式發電環境效益的一種公正、公平的良好方式。本文在我國現有排污收費標準和美國環境價值標準的基礎上對環境成本定量化,環境效益C e的關系式為:

式中:Vei為第i項污染物的環境價值;Ui為第i項污染物的排放量。

火力發電的污染物主要有SO2,NO x,CO2, CO,TSP,粉煤灰和爐渣等。

文獻[1]給出了一些有關數據。①燃煤電廠的污染物排放率:SO2為18.00 kg/t;NO x為8.00 kg/t;CO2為1731.0 kg/t;CO為0.26 kg/t;TSP為0.40 kg/t;粉煤灰為110.00 kg/t;爐渣為30.00 kg/t。②火電污染物環境價值標準:SO2為6400元/t;NO x為8000元/t;CO2為44元/t;CO為1000元/t;TSP為2200元/t;粉煤灰為1200元/t;爐渣為100元/t。③火力發電污染物的罰款數量級:SO2為1000元/t;NOx為2000元/t;CO2為10元/t;CO為160元/t;TSP為40元/t;粉煤灰為30元/t;爐渣為20元/t。

假設傳統發電的煤耗為0.36 kg/kWh,按文獻[1]給出的污染物排放率、污染物環境價值標準、污染物的罰款數量級,通過式(3)計算,可以得到SO2,NOx,CO2,CO,TSP,粉煤灰和爐渣等污染物的環境成本:SO2為0.0480元/kWh;NO x為0.0288元/kWh;CO2為0.0337元/kWh;CO為0.0001元/kWh;TSP為0.0003元/kWh;粉煤灰為0.0049元/kWh;爐渣為0.0013元/kWh。計算結果表明,傳統發電廠總的環境成本為0.1171元/kWh。

對太陽能發電和風力發電來說,幾乎沒有污染,其環境成本為0。而對燃料電池和微型燃氣輪機發電來說,假如兩者都是以天然氣為原料,西氣東輸天然氣的低位熱值取36M J/m3,燃料電池的熱效率取 64%,微型燃氣輪機的熱效率取50%,則燃料電池的耗氣量為0.15625m3/kWh;微型燃氣輪機組的耗氣量為0.2m3/kWh。

文獻[2]給出了天然氣的污染物排放率: SO2為11.60m g/m3;NO x為6200 mg/m3;CO2為2010000 mg/m3;CO為0 m g/m3;TSP為238mg/m3;粉煤灰和爐渣的排放為0。同樣,可由式(3)計算得到燃料電池總的環境成本為0.0267元/kWh;微型燃氣輪機組發電總的環境成本為0.0342元/kWh。

通過以上分析和計算,說明分布式電源的發電量越大,分布式電源安裝后的環境成本越小,環境效益越高。從而可以得到含分布式電源配電網的可靠性效益R benefit,其表達式為:

3 含分布式電源的配電網可靠性成本—效益分析模型

配電網可靠性的成本—效益分析的目標函數值表達式為:

式中:k為方案序號,k=1為太陽能發電;k=2為風力發電;k=3為燃料電池;k=4為微型燃汽輪機。Pmax為分布式電源的最大允許安裝容量。

由于容量大的分布式電源投資費用大、可靠性高,產生的可靠性效益和環境效益也大;容量小的分布式電源投資費用小、可靠性低,產生的可靠性效益和環境效益較小。因此,合理選擇分布式電源的容量,可以使相同的投資產生的效益為最大。針對接入不同類型的分布式電源,基于成本―效益理論,定量分析分布式電源接入電網帶來的經濟效益,使目標函數值為最小,即為最優容量解。

4 模型求解的流程圖

采用二分法算法,對含分布式電源配電網的最優接入容量方案進行求解。二分法技術對于處理只有一個最小值的離散變量的優化問題是非常有效的。這里用于尋求分布式電源合適的容量進而得出目標函數最優解。假定分布式電源的最大額定容量為 P max,容量的變化范圍為[Pe max, Pemin]。令:Pemin=0,Pemax=Pmax。二分法算法流程圖如圖1所示。

采用二分法無需依次計算容量從0到P max的目標函數值,只算其中一部分就可得出最優配置的總費用,計算量少,程序運行時間也短。

圖1 二分法算法流程圖

5 含分布式電源配電網的可靠性和經濟性分析

通過一個含分布式電源配電網的算例,檢驗本文所提方法的有效性和實用性,并通過不同類型的分布式電源模型,比較分析分布式電源的引入對配電網所帶來的可靠性和經濟效益。

某配電網主饋線系統如圖2所示,包括8條供電干線段,8個負荷點和1個分布式電源單元,該分布式電源單元安裝在第6段供電干線上。表1給出了系統的供電干線參數和負荷數據。不同類型的分布式電源單位容量成本與單位電量成本見表2所示。產電比的加權系數α1取0.36;平均電價折算倍數法和α2取0.64;產電比取10元/kWh;電價倍數b取25;平均電價d為0.45元/kWh。

圖2 含分布式電源的配電網接線圖

表1 系統供電干線參數和負荷數據

表2 分布式電源單位容量成本與單位電量成本

根據給出的約束條件,假定額定容量的最大值為2 MW,根據傳統配電網可靠性評估方法求出未加入分布式電源和容量為2 MW時配電系統負荷點的可靠性指標如表3和表4所示。

表3 未接入分布式電源時配電網負荷點的可靠性指標

表4 接入最大容量分布式電源下的配電網負荷點的可靠性指標

停電損失Closs與EENS的值成正比關系,而EENS的大小與分布式電源的容量密切相關。根據本文模型和求解步驟,可以得到該系統最佳目標函數值,其指標如表5所示。

從表5可以看出,太陽能發電、風力發電、燃料電池和微型燃氣輪機發電的最優接入容量分別為:0.5 MW,1.882 MW,1.2 MW和2 MW。這些數據為配電網接入何種容量和類型的分布式電源提供了理論依據,也為配電網接入分布式電源能夠發揮最大的經濟效益。

由表5還可看出,未加入分布式電源時的目標函數值為293.8萬元,而接入分布式電源的風力發電和微燃氣輪機方案下的目標函數值分別為239.7萬元和247.3萬元,效益明顯;而太陽能發電和燃料電池方案下的目標函數值分別為293.2萬元和247.3萬元,其接入配電網帶來的經濟效益并不明顯。這主要是由于目前太陽能發電和燃料電池的安裝成本較大,造成收益不明顯。

表5 不同的分布式電源最佳投資方案

分布式電源的發電成本總體來說還比較高,但是,優化不同的分布式電源容量,可以明顯推遲配電網線路的升級,提高配電網的可靠性,滿足用戶對電能質量的要求。隨著科技的發展,分布式電源的成本會越來越低,含分布式電源的接入方案的經濟優勢會越來越明顯,其經濟價值也會得以充分體現。同時,考慮到分布式電源接入系統所帶來的巨大的社會效應,尤其是面對全球能源緊缺的現狀,在配電網中引入合適容量的分布式電源,具有非常重要的經濟效益和社會效益。

6 結論

本文提出一種采用停電損失和環境成本來定量描述可靠性效益的方法,利用成本—效益法建立目標函數,并以1個簡單的配電網為例,采用二分法算法求解出不同容量、不同類型的分布式電源接入方案下使目標函數值最小。從計算結果可以看出,分布式電源的引入使得傳統的火力發電的年費用降低,風力發電方案效果最明顯,其次是微型燃氣輪機發電方案。這種方法為以后尋找配電網可靠性成本與收益之間的最優平衡和配置做了鋪墊。

[1] 俞海淼,周海珠,裴曉梅.風力發電的環境價值與經濟性分析[J].同濟大學學報,2009,37(5):704-708.

[2] 周 浩,魏學好.天然氣發電的環境價值[J].熱力發電, 2003(5):2-5.