【论文】分布式发电的经济效益分析及其评价模型研究

分布式发电的经济效益分析及其评价模型研究ABSTRACT:Underthecircumstancesofdeliberatedelectricpowermarket,analysesonrelevanteconomiceffectsofdistributedgenerationweregivenonashort-termperiod.Basedonanalysesandcategorizationofthesebenefits,asystematicmodelwassuggested,includingalinelossesbenefitmodel,apricebenefitmodelandanenvironmentbenefitmodel.Then,byusingacomputingexample,benefitsfromthethreeaspectswerecounted.Resultsshowthatdistributedgeneration,whileinstalledintogridproperly,willeffectivelybringabouteconomicbenefitstothewholesystem.KEYWORDS:distributedgeneration，wholesalepricebenefit，linelossbenefit，environmentalbenefit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(distributedgeneration，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3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1DG经济效益分类表Tab.1benefitscategoriesofDGDG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PV，且吸收的视在功率为LLLSPjQ。接入DG后，DG注入系统的视在功率为DGDGDGSPjQ。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L的配电网馈线相连。线路单位长度电阻为0r，单位/km。线路单相电流（流入负荷端的电流）为LI。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DGI，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SI，SLDGIII。图1(a)系统中不接入DG的情形Fig.1(a)systemwithoutDG图1(b)系统中接入DG的情形Fig.1(b)systemwithDG无DG接入的简单系统中，流入负荷端的电流为：PLLLVjQPI3)(（1）从而，系统线损大小为，222003)(PLLVQPLrLoss（2）接入DG的系统中，DG注入电网的电流大小为：PDGDGDGVjQPI3)((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SLDGIII，因此集中电源端至DG接入点这段线路上的能量损耗为：2022222013)(23)(PDGLDGLPDGDGLLDGVQQPPKrVQPQPKrLoss(4)DG接入点到负荷端的能量损耗为：222023))((PLLDGVQPKLrLoss(5)由此可得，接入DG情况下的总线损为：)]()22([322222021LLDGLDGLDGDGPDGDGDGQPLQQPPQPKVrLossLossLoss(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：)22(322200DGDGDGLDGLPDGQPQQPPVKrLossLossLoss（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DGP，DGQ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5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t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：)}({max,tjtjUjtPfSMPton，，，t=1,2,…,T（8）tonjtjjUjtTotaltjUjPPPDLossPtston，，，，，，maxmin..（9）上述约束条件分别为有功功率平衡约