清潔可再生能源節能潛力評估方法研究

潘金月，張維磊，魯曉威，龐 麗，劉 涌

(1.國網滁州供電公司，安徽 滁州 239000； 2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240)

化石燃料在電力產業中占據主導地位，煤炭和天然氣的消耗量很大，火力發電成為有害氣體的主要排放源，對能源發展和生態環境造成威脅[1]。當前能源問題背景下，清潔可再生能源的開發得到重視，清潔可再生能源具有充分的能源供應，使用清潔可再生能源供電，替代化石燃料發電，可以減少化石燃料的環境污染，緩解能源供需矛盾，有效解決能源枯竭的問題[2]。分析清潔可再生能源節能潛力，是實施清潔可再生能源替代的前提條件，節能潛力代表清潔可再生能源能夠提供的能源總量。因此，評估能源節能潛力，揭示新能源替代潛力具有重要意義[3-4]。

當前清潔可再生能源潛力評估相關研究已取得一定進展，國外針對不同情景，遵循指標選取原則，建立新能源項目量化評價體系，估算清潔可再生能源潛力，通過學習曲線分析，分析能源類型和分布情況，把清潔可再生能源的年產能折合標煤量，選擇具有競爭力的發電類型[5]。國內從環境、經濟、能源3個方面出發，分析減排約束下能源效益等對清潔可再生能源消納的影響，以消納量最大為目標，得到能源潛力評估模型[6]。結合以上理論，本文提出清潔可再生能源節能潛力評估方法，并通過仿真實驗驗證了本文方法在實際應用中的有效性和時效性，從而實現節能減排戰略目標。

1 節能潛力評估技術手段和方法

由于清潔可再生能源具有波動性和間歇性特點，為此，應開展長時間尺度的新能源出力時序運行模擬，全面認識新能源機組的電力系統運行，得到新能源機組的供電運行狀態。

1.1 時序運行模擬模型的目標函數構建

將最大化清潔可再生能源發電量、最小化發電成本作為目標函數。發電量A計算公式為：

(1)

(2)

式中，T為新能源機組出力時段；n為機組數量；Pi，t為t時刻機組i出力[7]；m為發電技術類型數目；D為評估周期內的年數；bj，l為技術j在第i年的新增裝機容量；Cj，l為單位投資建設成本[8]；dj，l為技術j在l年初的已有裝機容量；ej，l為技術j在第l年的退役裝機容量；Ej，l為技術j單位運維成本[9]；Fj，l為技術j在第l年的發電量；gj，l為單位燃料成本[10]；G為儲能技術類型數目；fo，l為新能源消納技術o在第l年的新增容量；Ho，l為技術o單位成本[11]。

(3)

通過式(3)，實現新能源發電量最大化、新能源發電技術最小化。至此完成模型目標函數的構建。

1.2 模型約束條件設置

設置新能源出力時序運行模擬模型的約束條件，包括新能源機組出力約束、電力系統運行約束等。組成模型約束條件。其中，Ⅰ為約束火電機組和新能源機組出力，Ⅱ為約束清潔可再生能源出力，Ⅲ為約束電力系統功率平衡，Ⅳ為約束電力系統備用，Ⅴ為約束新能源機組的裝機容量：

(4)

式中，PJ，t為火電機組J、新能源機組i發電功率；IJ，t、Ii，t分別為火電機組J、新能源機組i開機狀態；maxPJ，t、minPJ，t分別為機組J上下限；maxPi，t、minPi，t分別為機組i上下限[12]；Ri，t為新能源機組在時刻的新能源可用發電功率[13]；at為t時刻負荷；K為火電機組數量；kt為電力系統t時刻備用需求[14]；Lj，l為技術j的裝機容量系數；Ml為第l年的需求負荷[15]。

約束電力系統調峰能力，保證清潔可再生能源的消納公式為：

(Nj，l-Oj，l)(bj，l+dj，l-ej，l)≤fo，l+po，l+qo，l

(5)

式中，Nj，l為技術在第l年的調峰需求系數；ej，l為調峰能力系數；po，l為消納技術o在l年初的已有容量；qo，l為消納技術o的退役容量[16]。

約束火電機組排污量公式為：

(6)

式中，RJ，t為火電機組J單位污染物排放系數；rJ，t為機組J度電能耗系數；QJ，t為火電機組J發電量；St為污染物排放上限。

約束新能源機組退役容量公式為：

(7)

式中，maxej，l、minej，l分別為新能源機組的退役容量上下限[17]。

至此完成模型約束條件的設置，結合目標函數和約束條件，得到清潔可再生能源時序運行模擬模型。

2 基于指標計算的清潔可再生能源節能潛力評估方法

(8)

式中，ut為t時刻負荷用電量[19]。

計算清潔可再生能源發電功率占比V，公式為：

(9)

計算新能源機組出力時的化石燃料耗率降低量W，W表示電力系統相同發電量下降低的化石燃料損耗，公式為：

(10)

將新能源發電量占比、發電功率占比、化石燃料耗率降低量，作為節能潛力評估指標，U值、V值、W值越大，判斷節能潛力越大。至此完成節能潛力評估指標的計算，實現清潔可再生能源節能潛力評估方法設計。

3 清潔可再生能源節能潛力適宜性評估

3.1 研究區域概況

為了驗證本文提出的清潔可再生能源節能潛力評估方法在實際應用中的有效性，以上海市可再生能源為實驗對象，進行一次實驗分析。上海地理上鄰近中國等電力消費大國，可再生能源開發條件好，根據上海相關統計數據，上海發電裝機95.5萬kW其中可再生能源發電裝機8.17萬kW，僅占8%。發電量528億kWh，可再生能源電量比例僅為2.23%。截至2013年底，上海風電裝機5萬kW，不到資源量的萬分之一，開發潛力巨大。太陽能資源資源量約67萬億kWh，資源豐富地區每年晴天按320 d，發電量可達1 300 kWh/m2。

3.2 數據來源

本文選取2個型號相同、位置相鄰的能源發電裝置作為實驗對象，清潔可再生能源應用發電裝置如圖1所示。

圖1 清潔可再生能源應用發電裝置Fig.1 Power generation device for clean renewable energy application

設置年最大負荷為36 946 MW，傳統機組裝機總容量為41 073 MW，傳統機組類型包括煤電、油電、氣電，清潔可再生能源裝機總容量為22 836 MW，新能源機組類型包括光伏、風電、水電，光伏、風電、水電的裝機容量和裝機數目相同。機組參數如下：火電裝機容量分別包括100、220、300、330、600、1 000 MW，機組數量分別為12、18、19、22、10、2，新能源裝機容量包括20、50、80、100、250、300 MW，機組數量分別為12、15、19、13、9、8。

分別接入光伏機組、風電機組、水電機組，構建清潔可再生能源出力時序運行模擬模型，選取一典型日，將24 h劃分為4個時段，分別為0：00—6：00、6：00—12：00、12：00—18：00、18：00—24：00，為新能源機組分配各個時段的最優功率，清潔可再生能源機組出力見表1。

表1 清潔可再生能源機組出力Tab.1 Clean renewable energy unit output MW

根據新能源機組出力，分配火電機組發電功率，得到典型日的機組出力累計電量，包括火電機組發電量、清潔可再生能源機組發電量，能源供電的累計電量如圖2所示。

圖2 能源供電累計電量Fig.2 Accumulative electric quantity of energy supply

由圖2可以看出，電力系統通過清潔可再生能源供電，把火電機組出力壓制至最小，但火電機組出力仍占據更大比例，以此滿足電力系統負荷需求。風電機組、水電機組在典型日未停機，而光伏機組在凌晨時段未出力，僅依靠火電機組發電。

3.3 清潔可再生能源節能潛力評估

測試3種清潔可再生能源發電量占比，將圖2數據代入式(8)，測試結果如圖3所示。

圖3 清潔可再生能源發電量占比統計結果Fig.3 Statistical results of clean renewable energy generation ratio

由圖3可知，水電機組發電量占比最高，12：00左右新能源發電量占比可達54%。

將表1數據代入式(9)，得到發電功率占比測試結果如圖4所示。

圖4 清潔可再生能源發電功率占比統計結果Fig.4 Statistical results of power ratio of clean renewable energy generation

由圖4可知，水電機組的發電功率占比最高，并且12：00左右發電功率占比可達58%。

記錄新能源機組接入前后的化石燃料耗率，得到化石燃料耗率降低量測試結果如圖5所示。

圖5 化石燃料耗率降低量統計結果Fig.5 Statistical results of reduction of fossil fuel consumption rate

由圖5可知，水電機組接入后，化石燃料耗率降低量最高，12：00左右化石燃料耗率降低量可達38%。綜上所述，接入水電機組后，新能源發電量占比、發電功率占比、化石燃料耗率降低量最高，表明水電節能潛力最大，風電節能潛力次之，光伏節能潛力最小，電力系統應增加水電機組的接入，由水電能源替代化石燃料。

4 結語

此次研究設計了一種清潔可再生能源節能潛力評估方法，選擇節能潛力大的清潔可再生能源替代化石能源，加快電力系統能源轉型。但此次設計方法仍存在一定不足，在今后的研究中，會進一步細化新能源發電技術的約束條件，分析更多能源節能潛力影響因素，包括社會因素和經濟因素。