分布式能源经济效益

【摘 要】分布式能源以及清洁、节能、环保的特点,受到世界的广泛推广.分布式能源在降低线损、节能减排等方面存在经济效益.本文就降低线损效益与环境效益构建模型.算例分析结果表明,模型能定量化地反映分布式发电的线损效益和环境效益,合理规划的接入分布式能源能给系统带来显著的经济效益.

【关 键 词】分布式能源,线损效益,环境效益

1.引言

分布式发电（distributedgeneration,DG）作为一种环保、高效、灵活的发电方式正在受到全世界的关注.此外,由于分布式发电规模较小且靠近用户侧,为可再生能源发电的应用开辟了新的途径.为了共同应对全球气候变暖,各国都在大力发展分布式发电.

在我国,分布式发电以其发电方式灵活、能源利用效率高、环境污染小等优点日益成为传统电网的重要补充,并终将代替一些效率低下、污染严重的传统发电方式[1].然而分布式发电所带来的环境效益至今没有得到价值体现.目前,国内外已有众多学者对DG的并网和调度技术等方面做了大量的研究,但关于DG经济效益的研究还较少[2-5].文献[2、3]以最大限度减少系统线损为目标,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.在此基础上,本文将对分布式发电所带来的效益进行系统的量化计算,将分布式发电的效益分类为：降损效益和环境效益.文中将对分布式能源的经济效益构建模型,并进行算例分析.

2.DG的经济效益分析

分布式发电是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内、分布在负荷附近的清洁环保发电设施,能够经济、高效、可靠地发电.分布式发电是区别于传统集中发电、远距离传输、大互联网络的发电形式.与集中式发电方式相比,分布式发电具有以下优势：

（1）一般DG实行自发自用,电力就地消化,减少运输成本,降低集中输配网中的线路耗损.

（2）污染物排放较少,部分DG实现零污染.

分布式能源的经济效益主要表现如表1所示.

（1）降低线损

传统集中输配电模式,由于存在线路电阻等原因,不可避免的会发生线损,系统线损与输配线路长度与电阻等情况相关.DG分布在负荷端,不需要集中输配,可以有效降低线损.当负荷需求较大时,DG的运行能够减少系统线损,而当负荷需求较小时,运行DG反而会增加线损.

（2）环境经济效益

DG的环境效益主要体现在排污量减少和资源的合理利用上.DG的燃料多为天然气、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.DG的电压等级较低,产生的电磁场较低,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.部分分布式发电技术的效率、成本及主要污染物排放数据见表1.

3.DG的经济效益模型

3.1线损效益模型

检测设集中负荷端和电源端之间的配电网长度为L,单位为km,线路单位长度电阻为r,单位为Ω/km.令流入集中负荷端的电流为IF,单位为A.检测设DG接入点距集中电源端距离为K,DG注入系统的电流为ID,单位为A.集中电源与DG电源接入点之间单相线路流过的电流为IS,IS等于IL-IDG.

分布式电源接入系统前,流入集中负荷端的电流为：

（1）

系统线损大小为：

（2）

系统接入分布式电源之后,DG注入电网的电流大小为：

（3）

接入DG后,系统中的线损分为2个部分：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IS等于IL-ID,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：

PlossDG等于PlossDG1+PlossDG2（6）

将式（2）与式（6）相减,得到2种情况下的线损减少量为：

ΔPloss等于Ploss0等于PlossD

等于（7）

公式（7）表明,系统线损与DG接入系统位置及DG功率因素有关,为达到减少系统线损的目标,需科学合理制定DG接入位置.若式（7）结果为正,表示接入DG可以有效减少系统总线损,否则表示接入DG不能减少系统线损,会增加系统线损.

3.2环境效益模型

系统接入DG之后,会给系统带来环境效益.计算环境效益主要考虑三种排放污染物：氮氧化合物、SO2和CO2.计算污染物排放量需要考虑两部分内容：

（1）由于DG接入系统中,取代其他污染较为严重的机组出力,从而减少这部分机组带来的环境污染.

（2）以天然气为燃料的DG和生物质发电出力时会产生一部分污染物.

本文将对减少污染物的排放量进行建模,设机组发电力过程生产n种排放物,则第k（k等于1～n）种排放物的减少量为：

（8）

式中为时段t内集中电源侧发电过程中第k种排放物的减少量,和为不同类型发电机组的排放指标,kg/MWh.

设系统中接入m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气体排放物增加量为：

（9）

式中：Pm,t为t时段内第m种分布式电源提供的有功功率：

为第m种分布式电源的排放指标,kg/MWh.

因此,DG接入后,系统中第k种排放物的净减少量为：（10）

带来的环境成本节约大小为：

（11）

式中：

Vek为第k种排放物的环境价值,元/kg,Vck为减排第k种排放物所需要付出的单位成本,元/kg.

4.算例分析

检测设T时段,市场内有4台火电机组和1台DG集中竞价.批发市场与集中负荷端相距35KM,接入系统的天然气为燃料的DG机组距离负荷端15MM.线路单位长度电阻为1.95Ω/km.其中,分布式发电输入的有功功率和无功功率分别为150MW和182Mvar,负荷端有功功率与无功功率分别为750MW和550Mvar.批发市场中,采取排队法确定机组组合,4台火电机组的报价策略如图1所示.

图1台火电机组的报价曲线

根据以往经验,火电机组和天然气DG机组的气体排放强度如表2所示.

表2火电机组和天然气DG机组的气体排放强度

项目NOxSO2CO2

火电机组（kg/MWh）1.6344.4451008.788

以天然气为燃料的DG机组（kg/MWh）1.1990.005563.41

排放费用（元/kg）21.260.765

环境价值（元/kg）860.023

将数值带入本文建立的线损效益模型得出,无天然气DG接入的系统线损为150MW,天然气DG接入后线系统损降为100MW.天然气DG接入之后线损降低了50MW,降低原系统线损的33.3%,结果表明,DG接入系统后,有效的降低了系统线损,具有良好的线损效益.

批发市场中,采用排队法确定无DG接入和有DG接入的机组竞价结果,中标机组组合和出力情况如表3所示.

表3DG接入前后系统经济机组调度对比（单位/MW）

机组无DG有DG

机组1170150

机组2300250

机组3250200

机组4180150

从表3可得,系统接入天然气DG后,中标机组组合发生了变化,各机组出力情况也发生改变.机组1的经济调度出力由170MW减少到150MW,机组2的经济调度出力由300MW减少到250MW,机组3的发电出力由250MW减少到200MW,机组4的出力由180MW减少到150MW.同时,由于天然气DG的接入,中标机组组合情况变化导致竞价最终由230元/MW减少到210元/MW.计算得出接入DG之后系统线损效益为1.05万元.

下面计算接入天然气DG之后带来的环保效益.氮氧化物、SO2以及CO2的排放情况如表4所示.表中,接入天然气DG之后,氮氧化物、SO2以及CO2的排放量均有所下降,其中,氮氧化物的排放量下降20.69%、SO2的排放量下降20.72%,CO2的排放量下降.

表4DG接入前后气体排放情况对比（单位：t）

排放气体有DG无DG减少百分比

NOx1.151.4520.69%

SO22.643.3320.72%

CO2634.87715.4611.26%

根据上述气体排放情况变化,计算DG接入系统后的环保效益.环保效益用排放气体减少量乘以排放费用与环境价值之和.根据表3和表5的数据,得出氮氧化物、SO2和CO2的减排量分别为300、690和80590kg,对应的减排经济效益为3000、5009.4和63504.92元.总的环境支出减少7.151432万元,可见DG能够为系统带来显著的环境效益.

综上两种效益的计算结果表明,天然气DG接入系统后,线损降低50MW,对火电机组电力需求减少150MW,同时,由于DG接入系统,影响竞价结果,竞价最终由230元/MW减少到210元/MW.计算得到接入DG系统线损效益为1.05万元,环境效益为7.151万元,总计经济效益8.201万元.

5.结论

分布式能源接入系统之后,给系统带来良好的经济效益.本文建立了DG的线损效益和环境效益模型.并用4台火电机组和1台DG系统验证模型的正确性,算例得出,由于DG接入系统,系统线损降低33.3%,氮氧化物、SO2和CO2的排放量均有所下降,具有良好的线损效益和环保效益.根据本文构建的线损模型和环境模型,可为电力公司制定分布式能源提供参考建议.

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作者简介：琚艳芳（1990―）,女,华北电力大学经济与管理学院硕士研究生,主要从事电力技术经济研究.