2021-2022年收藏的精品资料论文分布式发电的经济效益分析及其评价模型研究.doc

分布式发电的经济效益分析及其评价模型研究ABSTRACT: Under the circumstances of deliberated electric power market, analyses on relevant economic effects of distributed generation were given on a short-term period. Based on analyses and categorization of these benefits, a systematic model was suggested, including a line losses benefit model, a price benefit model and an environment benefit model. Then, by using a computing example, benefits from the three aspects were counted. Results show that distributed generation, while installed into grid properly, will effectively bring about economic benefits to the whole system.KEY WORDS: distributed generation，wholesale price benefit，line loss benefit，environmental benefit摘要：基于集中竞价的电力市场环境，从电力系统短期运行的角度，讨论分布式电源的作为削峰资源时所产生的系统经济效益并建立相应的模型。首先分析了分布式发电的经济效益并进行分类，得到分布式电源带来的几种系统效益之间的关系。在此基础上分别建立了系统线损效益模型、市场价格效益模型、以及系统环境效益模型。随后，通过模拟算例，分别计算了接入分布式电源后三种效益的大小。计算结果表明，通过合理规划分布式电源的接入及运行方式，能够产生显著的系统经济效益。关键词：分布式发电；电价效益；线损效益；环境效益1 引言集中发电、远距离输电和大电网互联是目前我国电力系统生产、输送、分配电能的主要方式1。随着世界各国用电负荷的快速增长和几次大停电事故的发生，集中式发电模式投资大、建设周期长、调节不灵活、事故影响大等弊端逐渐暴露出来。小容量、低成本、能够提供可靠、清洁能源的分布式发电(distributed generation，DG)技术受到了越来越多的关注。大电网互联与分布式发电相结合的运行方式有利于节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性，是世界许多能源、电力专家公认的21世纪电力工业的发展方向2。采用分布式发电作为集中式发电的补充，有助于能源的综合利用，是我国实现经济和社会可持续发展的必然选择。在我国，对分布式发电技术的利用仍处于起步阶段，因此，充分认识其经济效益有助于引导电力用户、电力公司以及政策制定部门更好地开发该项技术。目前，已有一些关于分布式发电经济效益的研究2-6。文献3和4基于最大限度减少系统线损的目标，研究了DG在系统中的最佳接入和运营方式，确定了其最优的出力比例、功率因数。文献5中综合考虑电网中的相关技术因素，研究了DG的多目标效益评价指标。文献6中对安装在居民或服务业用户用电现场的DG机组带来的社会收益问题进行了研究。基于已有研究成果，本文将从电力系统短期运行的角度，研究分布式电源的作为削峰资源时所产生的系统经济效益并建立相应的模型，从而为相关部门的投资决策提供依据。2 分布式发电经济效益分析分布式发电是指将发电设备直接安装在用电现场或靠近负荷中心的地方发电，称之为分布式电源。分布式电源既可以直接向附近的负荷供电也可以根据需要向电网输出电能。分布式电源的接入，将使配电网从原来的辐射式网络变为一个遍布电源、用户互联的网络。分布式发电具有投资较小、发电方式灵活、环保性能好等优点。分布式发电与大电网相结合，能够充分发挥二者优势，产生各种直接与间接的经济效益，主要表现在以下几个方面：（1）降低线损电流沿着系统输配线路传输的过程中会产生能量损失，即系统线损。电力系统的线损大小主要取决于输电线长短以及输电路径的阻塞情况。集中发电下，电能由电厂到达用户的平均损失为9.5%，用电高峰时期，该损失往往达到20%7。DG往往被安装在靠近负荷的地方或直接在负荷端发电，电能不需要通过大电网输送，因此可以减少长距离线路传输中的电能损失。研究表明，系统中线损改变量的大小与接入分布式电源的数量及位置相关(呈U形变化趋势)8，因此，如何确定最优的接入方案应作为研究的重点。已有研究表明4，当负荷需求较大时，DG的运行能够减少系统线损，而在负荷需求较小时运行DG反而会使线损增加。（2）降低电价分布式发电能有效降低电价。在开放的批发电力市场环境下，用户通过使用分布式电源自行发电，减少了对大型发电厂和输配电公司的依赖，其需求价格弹性变大，市场上的电价会随之降低。分布式发电可作为电力用户参与负荷侧响应的一种途径，从而降低系统电价，这为需求侧管理的发展提供了新的方向。同时，分布式发电为其他行业(如天然气公司)进入电力市场打开了方便之门，从而打破电力市场的垄断，加快电力市场化进程，也利于市场竞争和市场效率的提高。（3）环境经济效益环境效益是指某项目在保护和改善环境中所得到的效益，包括环境质量的改善、经济效益和社会效益的增加等。分布式发电的环境效益主要体现于排污量减少以及合理利用资源上。分布式发电的燃料多为用天然气、轻质油或可再生清洁能源，发电过程中SO2、NO2、CO2、粉尘、废水废渣的排放将明显减少。此外，分布式发电的电压等级比较低，产生的电磁场比较低，其电磁污染比传统的集中式发电要小得多。排污量的减少将大大降低电力企业以及全社会的环保支出，产生间接的经济效益。（4）减少发电容量投资DG接入能够为电力系统带来长期经济效益。从发电容量的角度来看，一方面，分布式电源靠近负荷端或在负荷现场发电相当于系统内的负荷需求减少了。另一方面，规模小、模块化的分布式电源较集中式发电机组所需投资少，且施工安装到投入运行历时短，这将为输配电公司减少一系列投资风险，包括受时间因素影响较大的电力负荷预测风险，燃料价格风险，无形资产（技术）贬值等风险。（5）延缓输变电升级改造从输变电角度来看，分布式发电装置直接安置于用户所在地或其近旁，没有或仅有很低的输配电损耗，配电公司无需为其接入专门建设配电站。分布式电源可不通过输电网直接向负荷端供能，从而减少了对输电线容量的需求。电网可根据负荷变化的需要安装分布式电源，从而避免或延缓输配电系统的升级改造。可见，分布式发电有利于减少输配电企业的开支。分布式电源在电网中的作用包括以下三种：削峰作用，提供辅助服务（包括旋转备用，黑启动备用，无功补偿等），以及作为应急电源。不同作用的DG提供的经济效益以及衡量难易程度如表1所示9：表1 DG经济效益分类表Tab.1 benefits categories of DGDG的作用经济效益衡量难度削峰作用辅助服务应急电源减少线损中等降低电价容易环境效益中等减少发电投资复杂延缓系统升级复杂综上所述，采用分布式发电可带来直接和间接的经济效益，分布式发电技术合理的开发利用将节约大量的能源和资金。其中，减少线损、降低电价、以及环境效益可利用短期内的相关运行数据进行定量分析，涉及的数据较容易获得；而在度量发电容量投资及输配电网升级方面的效益时，需要在DG系统整个生命周期内进行分析，涉及周期长、需要考虑的参数较多，因此较难衡量。DG的经济效益主要体现于削峰效益10，根据表1中经济效益度量的难易程度，下一节将对DG在减少线损、降低电价及产生的环境效益这三类短期经济效益进行建模研究，从定量的角度系统地分析DG产生的各种经济效益。3 分布式发电系统经济效益评价模型研究3.1 线损效益模型通过对比系统中安装DG和不安装DG两种情况下的线损大小，研究DG在削峰过程中带来的线损效益，DG带来的线损效益即为两种情况下系统线损的差值。假设集中电源和负荷之间的配电网为典型放射状链式电网，配电系统中采用星型三相接线。负荷端相电压为，且吸收的视在功率为。接入DG后，DG注入系统的视在功率为。图1（a）为系统中无DG接入时的电网简化图，集中负荷端和集中电源端之间由一条长为的配电网馈线相连。线路单位长度电阻为，单位。线路单相电流（流入负荷端的电流）为。若将一台DG接入该馈线，系统线路如图1（b）所示。其中，DG接入点距集中电源端距离为K，其注入系统的单相电流为，单位为。集中电源与DG电源接入点之间单相线路流过的电流为，。图1(a) 系统中不接入DG的情形Fig.1(a) system without DG图1(b) 系统中接入DG的情形Fig.1 (b) system with DG无DG接入的简单系统中，流入负荷端的电流为： （1）从而，系统线损大小为， （2）接入DG的系统中，DG注入电网的电流大小为： (3)接入DG后，系统中的线损分为两部分：一部分是由集中电源到DG接入点线路上的损耗，另一部分是由DG接入点到负荷端线路上的损耗。由于，因此集中电源端至DG接入点这段线路上的能量损耗为： (4)DG接入点到负荷端的能量损耗为： (5)由此可得，接入DG情况下的总线损为： (6)将（2）式与（6）式相减，得到有无DG接入情况下，线损减少量为： （7）若上式结果为正，表示接入DG能够减少总线损，若上式结果为负，表示接入DG会增加线损。公式（7）表明，DG较少线损的大小与其接入位置（即K的取值）以及其功率因数（即，取值）有关，合理地设计DG的接入与运行方式，能够有效减少系统中的线损。3.2 电价效益模型电力市场环境下，为了体现公平性和市场供需状况，各厂上网电价都基于统一的系统边际电价（SMP）。即在满足系统负荷和备用的基础上，市场上的出清价格由最后一台必须机组的电价决定。电力市场中在安排购电计划时，首先安排报价低的机组发电，然后安排报价高的机组发电，所以随着负荷的变化，SMP也会有所变化11，在负荷水平较高时段的SMP较高，而在负荷水平下降时，SMP也会随之下降。从批发电力市场的角度来看，分布式电源靠近负荷端或在负荷端现场发电，相当于负荷端对批发电力市场的电力需求减少了。当区域内接入DG达到一定程度时，就会影响SMP。SMP产生于批发市场上的发电竞价模型。根据定义可知，SMP由开机机组中工作点电价最高的机组决定。电力市场投标过程是：首先让投标电价最低的发电厂带满负荷，看其是否已满足需求，若不满足让投标价次低的发电厂发电，依次类推，直至满足需求或投标电价高于用户买电电价为止。为了说明问题的本质，暂时只考虑单一时段的发电竞价问题，且暂忽略系统中的阻塞问题。按照统一边际电价结算的电力市场中，分属于不同发电商（发电公司）的机组共同参与市场竞价，确定市场出清价格的目标函数为时段内，满足系统中电力总需求的情况下出清价格最低，或表述为满足电力需求的最后一台必须运行机组的报价，即：，t=1,2,T （8） （9）上述约束条件分别为有功功率平衡约束和机组出力上下限约束。式中，为机组在时段内的申报电价曲线函数；为机组在时段的安排出力；为时段内系统中的开机机组集合；为无DG情况下，时段系统中总线损；为时段集中负荷端的总电力需求；，分别为机组出力的上下限。当系统中接入DG时，设其此时注入的有功功率为，该注入功率可视作负荷端的需求减少量为。由此 （10）结合上一小节的分析，接入DG后，系统中的线损减少了，代入式（9），市场中的约束条件变为： （11）根据新的约束，采用相应方法求解市场竞价模型，能够得到新的经济机组组合，同时也确定了各机组的出力（）及相应的市场边际价格。3.3 环境效益模型大量采用分布式电源发电时，会改变市场的经济机组调度。一些报价较高、发电效率低，环境污染较重的机组就不会被安排发电。DG的接入能够减少这部分机组带来的环境污染。另一方面，分布式电源（比如以天然气、生物质燃料发电的DG机组）在发电过程中也会有一定的污染物排放，因此在分析环境效益时需要综合上述两部分排放量。这里同样以接入前后系统中污染物的净排放量来衡量DG的环境经济效益。结合2.2小节中的内容，接入DG后，批发电力市场上的负荷需求减少，经济机组调度改变。设电力生产过程中可能产生种排放物（），则第k种排放物的变化量为：（12）式中，为时段内，集中电源侧发电过程中第种排放物减少量；， 为不同类型发电机组的排放指标，单位：kg/MWh。另一方面，设系统中接入种使用不同燃料发电的分布式电源，这些分布式电源带来的系统排放物增加量为： （13）式中，为时段内第种分布式电源提供的有功功率，且满足；为第种分布式电源的排放指标，单位：kg/MWh。因此，DG接入后，系统中第种排放物的净减少量为： （14）则由此带来的环境成本节约大小为， （15）式中，为第种排放物的环境价值（即由排放物引起的直接或间接的污染经济损失）12，单位：元/kg；为减排第种排放物所需要付出的单位成本，单位：元/kg。4 数据与分析本文以一个由三台机组和一台分布式发电机组构成的系统为例，对提出的模型及算法进行模拟分析。假设某一时段，批发市场上有三台火电机组集中竞价。批发市场与集中负荷端相距30km，一台天然气DG机组在距离集中负荷端14km处接入系统。系统中其他参数见表2。批发市场中，三台火电机组的报价方式采用四段常数报价曲线来描述，市场上采取排队法确定机组组合，各机组报价如表3所示。表2 模型相关参数表Tab.2. Relevant technical parameters 参数符号数值负荷端功率600MW372MvarDG输入功率125 MW167Mvar集中电源到负荷端距离30km集中电源到DG距离16km单位长度电阻131.98/km表3 发电机报价数据Tab.3. Bidding data of the centralized units机组序号报价分段P（MW）报价(千元/MWh)111000.1621500.1732000.2142500.23211500.1822000.2032500.2143000.22311000.1722000.1932500.2243000.23火电机组及天然气机组的气体排放强度和环境成本14，15如表4和表5所示:表4 发电机组气体排放强度表Tab. 4 emissions rate of generation units污染物(kg/MWh)NOxSO2CO2燃煤发电1.6434.4451008.78天然气发电1.1990.005563.41表5 燃煤发电与天然气发电的环境成本Tab.5 environmental costs of Coal-fired generation and Natural gas-fired generation环境费用（元/kg）NOxSO2CO2排污费用2.001.260.765环境价值8.006.000.023（1）线损效益采用公式（1）-（8）进行计算，接入DG前后，系统内线损大小变化如表6所示。表6 DG接入前后系统线损效益表Tab. 6 line losses comparison无DG 有DG 减少量系统线损（MW）1007525与系统中无DG接入的情形相比，DG的接入使系统线损减少了25MW，占原始线损的25%。（2）电价效益计及减少的线损以及DG向系统注入的实际功率，采用排队法确定有无DG两种情况下发电市场上的竞价结果，中标机组组合及市场出清价见表7。表7 有无DG情况下集中市场上的出清情况Tab.7 market clearing comparison出清价（千元/MW）机组1（MW)机组2（MW)机组3（MW)无DG0.22200300200有DG0.20150200200图2 DG接入前后系统经济机组调度对比图Fig.2 Economic dispatch with and without DG从表7和图2中可以看到，接入DG后，批发市场上的机组组合发生了变化。机组1的经济调度出力由200MW减少到100MW，机组2的经济调度出力由300MW减少到200MW，机组3的发电出力不变。同时，竞价最终确定的批发市场价格由0.22千元/MW减少到0.20千元/MW。（3）环境效益基于市场上经济机组组合的改变，计算接入DG后系统中的环保效益。各类气体排放减少情况如图3所示。图3 DG接入前后气体排放情况对比图Fig.3 emission reduction with and without DG接入DG后，系统中NOx的排放量为1053.5kg，较接入前减少了8.4%；SO2的排放量为2445.4kg，较接入前减少了21.41%；CO2的排放量为625260.2kg，较接入前减少了11.46%。根据表4、表5中相关数据，利用式（12）-（15）进一步计算接入DG后系统可避免的环保费用，计算结果如表8所示。表8 可避免环保费用计算表Tab.8 avoided environmental costNOxSO2CO2减少量（kg）96.6666.180891.5排污费用（元/kg）2.001.261.00环境价值（元/kg）8.006.000.02环境效益（元）965.754836.0763742.46总和（元）69544.28由表8可知，DG接入后，单位时间内系统中减少的环境支出为69544.28元。可见，DG能够为系统带来显著的环境效益。综合上述三个效益的计算结果，汇总得到接入DG后系统获得的整体经济效益，如表9所示。系统中接入DG机组，对批发市场的电力需求直接减少125MW。此外，DG的接入减少了系统线损，从而对批发市场的电力需求间接减少了25MW。DG直接和间接的削峰效果，共同影响了批发市场上的电价。通过有无DG情形下的批发市场电价来度量直接削峰效果和间接削峰效果的经济价值，计算得到接入DG带来的直接削峰经济效益为25千元，间接削峰经济效益为7千元。环境经济效益为69.54千元。将上述三项经济效益进行加总，得到DG带来的系统经济效益为101.55千元。本例中仅模拟考虑了系统中接入一台DG机组的情况，可见，若系统中大量接入DG机组，通过合理的运行调度，可以产生巨大的系统经济效益。9表9 DG系统经济效益汇总表Tab.9 integrated economic benefits of power system with and without DG网损（MW）直接削峰（MW）电价效益（千元/MW）线损效益（千元）直接削峰效益（千元）环境效益（千元）总和（千元）无DG 10000.2222.040有DG751500.215.0425差值251500.027.002569.54101.555 结论分布式电源符合我国节能减排的政策需要，是实现电力可持续发展的途径之一。本文建立了分布式电源的系统经济效益模型，通过模拟计算发现，合理设计分布式电源的接入及替代发电量，能够有效降低系统中线损，降低集中竞价市场中的出清价格，进而减小系统中的环境污染及环保支出。根据上述经济模型的计算，可以得到电网中安装分布式电源后的系统经济效益，从而能够辅助相关部门制定合理的激励机制，鼓励电力公司或用户安装分布式电源。参考文献 1 梁才浩，段献忠. 分布式发电及其对电力系统的影响J.电力系统自动化，2001，25(12)：53-562 California, EPRI PEAC CorporationIntegrating distributed resources into electric utility distribution systemsRCalifornia，2001.3 Bell, K.，Quinonez-Varela, G.，Burt, G.Automation to maximize distributed generation contribution and reduce network lossesCSmartGrids for Distribution，IET-CIRED Seminar 2008：1-44 Le, An D. T.，Kashem, M.A.Negnevitsky, M.，Ledwich, G.Optimal distributed generation parameters for reducing losses with economic considerationC2007 IEEE Power Engineering Society General Meeting，PES，20075 Ochoa, Luis F.，Padilha-Feltrin, Antonio， Harrison, Gareth PEvaluating distributed generation impacts with a multi-objective index J. IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21(3)：1452-14586 Gullí, FrancescoSmall distributed generation versus centralized supply: A social cost-benefit analysis in the residential and service sectorsJEnergy Policy，2006，34（7）：804-8327 Western Governors Associations Clean and Diversified Energy Advisory Committee，CDEACCombined Heat and Power White PaperR2006.8 V. H. Mendez，J. Rivier, J. I. de la Fuente，T. Gomez, J. Arceluz，et alImpact of distributed generation on distribution lossesCProc. 3rd Mediterranean Conf. Power Generation, Transmission, Distribution and Energy Conversion, Athens, Greece, Nov. 2002.9 Mark Rawson Public Interest Energy Research California Energy CommissionDistributed Generation Cost and Benefits Issue PaperRJULY200410 Hambrick, J.，Dilek, M.，Yishan Liang，et alModel-based DG Control as an Economic Solution to Load GrowthJPower and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century，2008 IEEE，July 2008：1 511 于尔铿，周京阳，张学松电力市场竞价模型与原理J电力系统自动化，2001，（1）：24-2712 S. W. Hadley，J. W. Van DykeEmissions Benefits of Distributed Generation in the Texas MarketR2003.13 王新学电力网及电力系统M北京：中国电力出版社2007：25714 Wei Xuehao，Zhou HaoEvaluating the environmental value schedule of pollutants mitigated in China thermal power industryJResearch of Environmental Sciences，2003，16(1)：53-5615 孙可几种类型发电公司环境成本核算的分析研究J能源工程，2004，（3）：23-26收稿日期：作者简介：曾鸣(1957-)，男，山西太原，教授，博士生导师，主要研究方向为电力市场理论与应用。李娜(1985-)，女，天津，硕士研究生，研究方向为电力需求侧管理与分布式发电。鄢帆(1986-)，女，湖北，硕士研究生，研究方向为分布式发电。11