考慮新能源并網的能源結構與電源結構多情景優(yōu)化模型

何洋，李歡歡，尚金成，譚忠富

(1.河南電網電力交易中心，鄭州市 450052；2.華北電力大學經濟與管理學院，北京市 102206)

考慮新能源并網的能源結構與電源結構多情景優(yōu)化模型

何洋1，李歡歡2，尚金成1，譚忠富2

(1.河南電網電力交易中心，鄭州市 450052；2.華北電力大學經濟與管理學院，北京市 102206)

為綜合分析新能源發(fā)電并網對我國能源結構與電源結構的影響，將最小化發(fā)電成本與污染物排放量作為規(guī)劃目標函數，建立了新能源與能源結構優(yōu)化模型。該模型選取一次能源消費量和年新增發(fā)電裝機量為決策變量，從能源供需平衡、能源消費量、電力供需平衡、電力消費與需求量、裝機容量與增長率等多方面入手構建約束條件。通過測算參考情景、能源安全情景和低碳發(fā)展情景下我國最優(yōu)能源結構與新能源發(fā)展規(guī)模、裝機容量和建設時序，對比分析了不同情景下的發(fā)電成本效益，并對一次能源消費總量和非化石能源消費比例進行了敏感性分析。分析結果顯示，在污染稅、碳稅的支持下，新能源開發(fā)利用規(guī)模越大，資源環(huán)境效益越大，系統運行成本及能源對外依存度越低。此外，減少化石能源的消費比重，有利于降低能源系統運行成本。

能源結構；電源結構；能源安全；低碳發(fā)展；可再生能源

0 引 言

為應對能源可持續(xù)供應與環(huán)境保護壓力，我國政府提出了一系列節(jié)能減排政策，并明確指出“爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%”，新能源將在我國的能源及電力結構調整中發(fā)揮重要的作用[1]。

由于新能源發(fā)電出力具有隨機性、間歇性等特點，其大規(guī)模開發(fā)利用存在消納等諸多問題[2]。文獻[3-4]從法制的角度分析了新能源在立法、規(guī)劃調度、電網收購、補償費用等方面存在較大問題，指出了完善新立法的重要意義。然而，新能源的發(fā)展不應依賴于政府補償政策。合理規(guī)劃新能源發(fā)展時序、優(yōu)化新能源并網調度是妥善緩解新能源并網問題的重要途徑。在發(fā)展戰(zhàn)略與政策制定方面，文獻[5-6]通過分析全球新能源發(fā)展格局與模式，從規(guī)劃與發(fā)展的全局性和層次性、配額管理制度、綠色能源交易市場等角度對我國的新能源發(fā)展提出具體建議。文獻[7]通過對比德國，在風電并網政策、技術標準以及風電認證技術體系等方面提出了建議。在優(yōu)化調度方面的研究以節(jié)能和低碳為重點。文獻[8]首次提出了風火電聯合運營的觀點并分析了其影響因素，利用技術結構比例模型、經濟結構比例模型得出兩者聯合運營的比例。文獻[9]通過分析中國能源問題、能源資源分布特點，探討了大規(guī)模風電與火電聯合外送的經濟性、合理性，得出“風火”打捆外送是實現風電消納、節(jié)能減排的有效途徑。文獻[10]以火電機組發(fā)電燃煤成本與機組啟停成本最小化為目標構建了“風火”聯合運行優(yōu)化模型，并通過算例證實該模型可有效吸納棄風、增加風電的發(fā)電并網量、降低系統煤耗。文獻[11-12]在水-火調度模型的基礎上，結合風、火互補經濟調度模型構建了“風火水”聯合運行短期優(yōu)化調度模型，并仿真計算出不同置信度下的調度方案。文獻[13-14]則在經濟性目標的基礎上添加低碳優(yōu)化目標，分別建立含風電場多目標低碳電力系統調度模型、含風-水-火電的電力系統多目標節(jié)能調度模型。然而上述文獻要么僅從政策理論的角度探討，要么僅僅局限于機組間的協調調度優(yōu)化，并未將新能源裝機容量增量與機組組合調度同時進行優(yōu)化。

為綜合全面分析新能源并網對能源結構和電源結構的影響，本文應用多情景分析法，以能源消費成本最低為目標，構建考慮新能源并網的能源和電源結構多清凈優(yōu)化模型，設定3種模擬情景，對一次能源消費總量和非化石能源消費比例進行敏感性分析。

1 模型構建

1.1 目標函數

1.1.1 能源結構模型

本文采用線性函數表示能源投資成本和排放成本，并以能源投資最小和環(huán)境污染治理費用最小為目標函數，具體目標函數如下：

minF(X)=min[frest(Xrest)+fems(Xrest)+

felec(Xinv,Xacc)]

(1)

式中：frest(·)表示非發(fā)電能源的消費成本函數；fems(·)表示非發(fā)電資源的污染物排放成本函數；Xrest表示非發(fā)電能源的消費量；發(fā)電資源消費量與新增裝機和累計裝機有密切的關系，felec(·)表示發(fā)電資源的消費成本函數，包括投資成本和污染物排放成本。

(2)

(3)

1.1.2 電力結構模型

在電力結構優(yōu)化中，為配合總體優(yōu)化目標，仍以發(fā)電成本最低為目標函數。設1年為1個投資周期，期末裝機容量=上期末裝機容量+本期新增裝機量-本期退役裝機量，模型目標函數表達式：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

假定發(fā)電能源的累計裝機量與當年的發(fā)電能源消費量存在意義對應的關系，即：

(9)

1.2 約束條件

(1)能源供需平衡約束。

(10)

(11)

(2)能源消費量約束。

(12)

(13)

(3)電力供需平衡約束。

(14)

(4)當期裝機容量約束。

(15)

(5)裝機增長率約束。

(16)

(6)期末裝機總量約束。

(17)

1.3 電力需求量預測

在能源結構優(yōu)化模型中，可以獲得期末的電量需求，為了能夠得到決策期內每年的電量需求，本文將期初用電量與期末用電量進行線性分攤，具體為：

(18)

(19)

2 基本情景假定

2.1 參考情景

根據“十二五”規(guī)劃和中國對外承諾的能源發(fā)展目標，非化石能源占能源消費總量比重在2015年不低于11.4%，2020年不低于15%；2015年國內生產總值(gross domestic product, GDP) 為56.1萬億元，單位國內生產總值能源消耗比2010年降低16%；2015年單位GDP 碳排放比2010年降低17%，2020年比2005年降低40%～45%，該情景數據如表1所示。

表1 參考情景參數

2.2 能源安全情景

按照目前中國石油消費增速計算，2015年石油消費量將超過6億t，屆時石油對外依存度將超過67%。區(qū)別于參考情境，能源安全情景限制2012—2020年每年對外依存度僅提高0.5%，2020年石油對外依存度上限為60%。當對石油消費量進行限制時，石油替代能源消費量將會上升，將各水平年煤炭消費比例上限上調5%，電力消費量也相應上調。為滿足電力增長需求，假設各類能源裝機量上限上調增長10%，得到2015—2020年電力需求總量分別為6.60，8.78萬億kW·h。

2.3 低碳發(fā)展情景

隨著全球氣候變化越來越成為世界各國關注的焦點，中國未來在節(jié)能減排方面將承受更多的國際壓力，有必要對未來可能出現的低碳發(fā)展路線做出預判。本情景基于參考情況，將2020年非化石能源占一次能源消費的比重提高到17%，并相應調節(jié)非化石能源所能達到的裝機量上限，滿足非化石能源消費比例提高的目標要求。

3 算例分析

3.1 基礎數據

在研究能源結構和電源結構優(yōu)化時，主要考慮12種能源利用方式，各類能源消費價格預測具體如表2所示。由于水電和核電的發(fā)展技術已經相當成熟，成本下降空間有限，設投資和運維成本以2%的名義利率降低，能源發(fā)電成本與運維成本見表3。參照國網能源研究院建議，取SO2、NOx、煙塵的排污費用為8 000，6 000，5 000 元/t。

表2 能源消費價格預測

表3水電、核電及新能源發(fā)電成本

Tab.3Generationcostsofhydropower,nuclearpowerandnewenergy元/(kW·h)

為了確定模型約束條件的邊界值，需要合理確定未來能源消費結構和發(fā)電裝機容量，如表4、5所示。

3.2 算例結果

借助gams軟件求解本文所提模型，得到參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下的能源結構優(yōu)化模型和電力結構優(yōu)化模型結果，并將2010—2012年已有相關數據列出，以對比“十二五”和“十三五”期間的模型優(yōu)化結果。

表4 2015、2020年我國發(fā)電裝機容量

表52015、2020年我國一次能源消費結構

Tab.5PrimaryenergyconsumptionstructureinChinain2015and2020%

3.2.1 情景結果

參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景中，隨著非化石能源消費量的提高，化石能源消費增速均放緩，至2020年，煤炭消費量在一次能源消費比例最低下降到59.7%；原油消費量持續(xù)增長，若不對能源消費量進行限制，原油在一次能源中消費比重最高可達19%，對外依存度將超過70%，對比能源安全情景，若對原油對外依存度進行約束，比重將會下降到14.6%，對外依存度為60%；天然氣消費量持續(xù)增長，在一次能源中消費比重最高可達到6%；一次電力消費總量快速增長，在低碳發(fā)展情景中非化石能源消費比重可達到17%，超過規(guī)劃值1.1%，其中，水電由于開發(fā)規(guī)模已基本達到極限，消費量增速緩慢，消費比重持續(xù)下降，核電作為主要的化石能源替代能源，消費量迅速增加，增速最高可達25%；總體來說，在未來新能源消費量將會持續(xù)增加，在低碳發(fā)展情景中，年均增速最高可達29%，消費量最高可達2.15億t標煤，占能源消費總量的4.38%，比參考情景中提高1.1%。3種情景下2020年的能源結構如表6所示。

表7為參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下，2020年中國發(fā)電裝機容量。從各類能源發(fā)電裝機來看，3種情景下的水電裝機容量均已達到最大可開發(fā)規(guī)模，核電在“十二五”和“十三五”期間，裝機速度逐年加快，其中，低碳情景下核電新增裝機最高，分別達到1000萬kW和1400萬kW，高于參考情景；在能源安全情景下，核電新增裝機分別達到600萬kW和1200萬kW，略低于參考情景；新能源裝機容量在“十二五”和“十三五”末期均已達到設定的裝機規(guī)模上限，其中，能源安全情景和低碳發(fā)展情景中的新能源裝機容量均要高于參考情景，這是由于水電已達到最大開發(fā)規(guī)模，核電開發(fā)受周期長的限制，開發(fā)量存在極限，要降低原油對外依存度和低碳目標，只能依靠新能源發(fā)電。但新能源的能量密度低，發(fā)電設備利用小時數低，為了滿足發(fā)電量要求，需要通過大幅度增加新能源發(fā)電裝機。總的來說，隨著非化石能源比例的增高，發(fā)電裝機容量也會逐年增高。

表6 參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下2020年能源消費結構

表7參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下2020年發(fā)電裝機容量

Tab.7Generationcapacityinreferencescenario,energysecurityscenarioorlowcarbondevelopmentscenarioin2020×104kW

3.2.2 成本效益

(1)發(fā)電經濟成本。

從發(fā)電成本看，參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下10年總投資分別為8 500，8 232,1200億元。在能源安全情景中，“十二五”期間石油消費降低量主要由煤炭消費替代，新能源作用較小，新增裝機量較少，投資成本低，雖然在“十三五”期間，新能源消費量增加，超過參考情景，但建設時間晚，凈現值低，最終總成本小于參考情景。在低碳發(fā)展情景中非化石能源消費比例要求提高到17%，導致新能源建設量更大，投資成本增加。

從單位發(fā)電成本來看，參考情景和低碳發(fā)展情景處于下降趨勢，分別從“十二五”期間的0.471，0.478 元/(kW·h)下降到“十三五”期間的0.436，0.444元/(kW·h)；由于高成本的光伏和光熱發(fā)電裝機容量高于其他情景，能源安全情景從“十二五”期間的0.409元/(kW·h)上升到“十三五”期間的0.413元/(kW·h)。若考慮污染和排放成本，新能源發(fā)電相對燃煤發(fā)電已較有競爭優(yōu)勢。

從能源系統運行的總成本來看，參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下總成本逐年提高，在2020年分別達到12.8，11.8，12.3 萬元，基本可以比擬全國 GDP 統計中第二產業(yè)能源企業(yè)、采礦業(yè)以及發(fā)電設備制造業(yè)和建筑業(yè)之和，反映出模型計算基本正確。新能源投資領域僅占能源系統運行總成本的很小部分，平均占1%以下。表8為參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下種各類新能源的發(fā)電成本總量、年末度電成本及能源系統運行總成本。

(2) 發(fā)電環(huán)境效益。

在“十三五”期間，隨著累計裝機規(guī)模的擴大，新能源煤炭替代量和“收益率”遠大于“十二五”期間，說明新能源發(fā)展具有規(guī)模效益。值得注意的是，節(jié)約煤炭發(fā)電成本占總收益的80%以上，如果不考慮污染物排放成本和碳稅收益，新能源開發(fā)的總成本均大于節(jié)約煤炭的總收益，只有考慮環(huán)境成本下，新能源對傳統能源才有成本上的競爭力。表9為參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下新能源發(fā)展收益。

3.2.3 敏感性分析

參考情景中規(guī)劃我國2015、2020年的能源消費總量分別為42，49億t標煤，但實際發(fā)展過程中可能與設定有出入，本節(jié)調節(jié)一次能源消費量，分析其對能源結構、新能源裝機容量、成本與效益的影響。設定6個發(fā)展場景，其中GDP、CO2排放量上限和電力需求均與能源消費量相關，也在表中列出，具體見表10所示。

表8 參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下我國新能源發(fā)電成本

表9參考情景、能源安全情景、低碳發(fā)展情景下新能源發(fā)展收益

Tab.9newenergydevelopmentrevenueinthreescenarios

表10一次能源消費總量敏感性分析案例設定

Tab.10Casesetforasensitivityanalysisontotalprimaryenergyconsumption

(1) 一次能源消費總量的敏感性分析。

隨著一次能源消費量的增加，煤炭消費比例逐步下降，最低可降到58.5%，石油消費比例在19%左右波動，天然氣消費比例最高可達到6.9%；水電受開發(fā)總量限制，比例持續(xù)下降，最低占6.2%，核電比例大幅上升，是滿足非化石能源目標的主要能源。新能源裝機容量和新能源發(fā)電比例逐步提高，在能源消費量達到55億t標煤時，裝機容量將達到3億kW，發(fā)電比例達到5.5%，分別高出參考情景約20%和37.5%，具體見圖1(a)和圖1(b)。

由于平均發(fā)電成本與太陽能發(fā)電裝機容量有著正向關系，當太陽能裝機容量較高時，平均發(fā)電成本也相對較高，這使得新能源發(fā)電度電成本呈非線性變化趨勢，在0.435到0.455元/(kW·h)波動，為降低新能源發(fā)電成本，應優(yōu)先開發(fā)風電，等太陽能發(fā)電足夠成熟后再大規(guī)模發(fā)展，具體如圖1(c)。

隨著新能源發(fā)電量的增長，環(huán)境效益逐漸增加，最高達到10 000億元。節(jié)約煤炭消費量減少的機會成本占總效益的80%以上，減排污染物的效益次之。新能源發(fā)電設備的投資和運行成本與環(huán)境收益相當，若不考慮環(huán)境成本的內部化，則成本大于收益。在滿足非化石能源消費15%以及盡可能晚開發(fā)太陽能發(fā)電的前提下，能源消費總量的上升使得凈效益逐漸上升，但消費總量過大使得太陽能開發(fā)規(guī)模增加后，凈效益會降低。具體見圖1(d)。

(2)非化石能源消費比例的敏感性分析。

將2020年非化石能源占一次能源消費的比重逐步提高到19%進行敏感性分析。通過相應調節(jié)非化石能源所能達到的裝機量上限，以滿足非化石能源消費比例提高的目標要求，能源消費總量變化對各變量的影響如圖2所示。

圖1 一次能源消費總量敏感性分析結果

煤炭消費比例被限定在60%以內，受非化石能源替代效應影響，在非化石能源消費比例達到19%時，

圖2 非化石能源消費比例敏感性分析結果

煤炭消費比例下降到58.7%，石油消費比例受生產和進口量限制最終下降到16.5%，天然氣消費比例下降達到5.7%；水電消費比例基本不變，維持7%，核電比例有所上升，最終穩(wěn)定在5.6%；新能源比例增長較快，消費量達到6.5%，比15%的參考情景高出3.3%。非化石能源消費比例的上升，首先會降低石油消費比例，其次是天然氣和煤炭比例。

新能源消費比例的大幅提高導致裝機容量的同步增長。在非化石能源比例為15%時，新能源裝機總量只有3 億kW，當非化石能源比例達到19%時，新能源裝機總量達到5 億kW。 風電所占新能源裝機容量比重最大，超過80%；其次是生物質能，約占12%；太陽能發(fā)電由于成本較高，所占比例小于10%，具體見圖2(a)和圖2(b)所示。

隨著非化石能源消費比例的增加，新能源發(fā)電量占總發(fā)電量比例從4%提高到約9%，單位發(fā)電成本由0.44 元/(kW·h)逐步下降到在0.38元/(kW·h)。環(huán)境效益逐漸增加，在非化石能源比例為19%時，環(huán)境效益達到15 000億元，其中，節(jié)約煤炭消費量減少的機會成本占總效益的80%以上，減排污染物的效益次之。新能源發(fā)電設備的投資和運行成本與環(huán)境收益相當，若不考慮環(huán)境成本的內部化，則成本大于收益，非化石能源消費比例的上升使得凈效益逐漸上升，具體結果如圖2(c)和圖2(d)所示。

4 結 論

(1)“十二五”期間新能源發(fā)電成本較高，但隨著新能源規(guī)模的擴大，發(fā)電成本將下降。如果考慮傳統能源排放污染物的環(huán)境成本及化石燃料成本上升因素，新能源發(fā)電將是未來我國能源發(fā)展的必然選擇。

(2)“十二五”期間新能源發(fā)電成本與環(huán)保減排收益相當，未來新能源的環(huán)境收益將遠超過成本，未來10年的總收益將略大于開發(fā)利用成本。以10年作為一個整體來看，新能源的總收益大于總成本。

(3)出臺環(huán)保相關政策，有利于提高新能源發(fā)電相對傳統能源發(fā)電的競爭力。在考慮污染稅、碳稅等條件下，新能源發(fā)電的總體收益大于總發(fā)電成本；但如果沒有污染稅和碳稅等外部條件支持，新能源發(fā)電的成本將持平或大于燃煤發(fā)電成本，即在市場中表現缺乏競爭力。

(4)限制石油消費、提高清潔能源消費比重，有利于降低能源系統運行成本。參考情景中2015 、2020年的能源系統運行成本均大于能源安全情景和低碳發(fā)展情景，新能源開發(fā)利用成本快速下降的同時，能源對外依存度和整個能源系統運行成本也同步降低。

[1]張炫炫.“十二五”期間能源結構優(yōu)化及新能源發(fā)展對策研究[D].青島:山東科技大學, 2011.

[2]張麗英,葉廷路,辛耀中，等.大規(guī)模風電接入電網的相關問題及措施[J].中國電機工程學報,2010,30(25):1-9.

[3]唐敏,徐解憲.新能源與電網立法相關法律問題的探討[J].華東電力,2010,38(5):593-596.

[4]薛惠鋒.完善立法保障中國可再生能源發(fā)展[J].風能,2010(3):24-27.

[5]江凱,楊美英.全球新能源發(fā)展模式及對我國的啟示[J].水電能源科學,2010,28(1):151-154，53.

[6]王朝華.國際新能源發(fā)展的主要趨勢及對我國新能源發(fā)展的思考[J].經濟論壇,2011(10):84-89.

[7]董存,裴哲義,黃越輝.中德風電并網政策和技術標準的比較研究[J].中國電力,2013,46(5):83-89.

[8]Amjady N, Farrokhzad D, Modarres M.Optimal reliable operation of hydro thermal power systems with random unit outages [J].IEEE Transactions on Power Systems, 2003, 18(1): 279-289

[9]謝春瑰,高長征,李瑩瑩,等.風火電聯合運營優(yōu)化分析[J].煤炭技術,2011,30(12):275-277.

[10]汪寧渤,丁坤,陟晶,等.風電火電打捆聯合外送是解決風電市場瓶頸的有效途徑[J].電力技術,2010,19(13-14): 1-4，19.

[11]申楊碩,陳致宏,鞠立偉,等.節(jié)能調度環(huán)境下風、火電聯合運行優(yōu)化模型及其應用[J].水電能源科學,2013,31(5):235-238.

[12]龍軍,莫群芳,曾建.基于隨機規(guī)劃的含風電場的電力系統節(jié)能優(yōu)化調度策略[J].電網技術,2011,35(9): 133-138.

[13]孫元章,吳俊,李國杰,等.基于風速預測和隨機規(guī)劃的含風電場電力系統動態(tài)經濟調度[J].中國電機工程學報, 2009 ,29(4):41-47.

[14]呂清潔.含風/水/火電的電力系統動態(tài)經濟調度和節(jié)能調度[D].重慶:重慶大學, 2012.

[15]秦珍.多電源電力系統多目標優(yōu)化調度研究[D].廣西:廣西大學, 2012.

(編輯：蔣毅恒)

ScenarioOptimizationModelforEnergyandPowerStructureConsideringNewEnergyGrid

HE Yang1，LI Huanhuan2，SHANG Jincheng1，TAN Zhongfu2

(1 Henan Grid Power Exchange Center, Zhengzhou 450052, China；2 School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To comprehensively analyze the influence of new energy grid on the energy structure and power structure in China, taking the minimum power generation costs and pollutant emissions as the planning objective functions, this paper constructed an optimization model for new energy and power structure.This model selected the amount of primary energy consumption and new annual generating capacity as the decision variables, and constructed the constraint conditions from many aspects, such as the balance of energy supply and demand, the energy consumption, the balance of power supply and demand, the power consumption and demand, installed capacity and growth rate, etc.Through measuring the optimal energy structure and the scale of new energy development, installed capacity and construction sequence in reference scenario, energy security scenario or low carbon development scenario in China, this paper comparatively analyzed and compared the cost-effectiveness in three scenarios.Finally, a sensitivity analysis was carried out for the total primary energy consumption and the proportion of non-fossil energy consumption.The results show that, the greater the development and utilization of new energy scale are, the greater the resources and environmental benefits are, and the less the operation cost and the degree of dependence on foreign energy are.In addition, reducing the fossil energy consumption can be beneficial to reduce the operation cost of energy system

energy structure； power structure； energy security； low-carbon development； renewable energy

國家自然科學基金項目(71071053；71273090)。

TM 62；F 206

： A

： 1000-7229(2014)07-0026-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.07.005

2014-04-24

：2014-05-31

何洋(1974)，男，高級工程師，主要從事電力系統運行優(yōu)化方面的工作；

李歡歡(1991)，女，碩士研究生，研究方向為電力經濟及電力企業(yè)風險管理；

尚金成(1966)，男，高級工程師，主要從事電力系統運行優(yōu)化方面的工作；

譚忠富(1964)，男，博士，教授，研究方向為電力經濟和能源經濟，E-mail:tanzhongfu@sina.com。