分布式能源系统的复杂性特征分析

侯健敏,周德群

(南京航空航天大学经济与管理学院,江苏南京210016)

分布式能源系统的复杂性特征分析

侯健敏,周德群

(南京航空航天大学经济与管理学院,江苏南京210016)

在全球提倡节能减排的大环境下,分布式能源系统更凸显其优越性。全面深刻剖析其复杂性特征,将有助于促进分布式能源系统的发展。从动态性、系统性、不确定性等方面,分析了分布式能源系统在发电、提高能源效率、保护环境等方面的功能。以复杂系统理论为指导,将分布式能源系统、大电网、政府、市场等作为独立的主体,通过各主体间的交互作用来分析各因素对分布式能源的影响,为分布式能源系统提供一种新的研究视角。

分布式能源系统;复杂性特征;复杂适应系统;影响因素

分布式能源系统是指分布在用户侧的能源梯级利用系统,能够减少中间输送环节的损耗,实现对资源利用的最大化。相对于集中发电、远距离输电和大电网互联,分布式能源系统能够解决大电网所面临的一些问题,如不能灵活跟踪负荷的变化;局部事故极易扩散,导致大面积停电;环境污染严重,能源利用率不高等。随着传统能源资源的日渐紧张,用户对电能质量要求的日渐提高,以及世界各国对环保问题的日益重视,尤其是在节能减排的压力之下,分布式能源系统已经受到了世界各国的广泛关注,被认为是人类能源可持续发展的一个必经阶段。

1 分布式能源系统研究的局限性

分布式能源系统在发达国家已是一种比较成熟的技术。丹麦、日本、英国等利用分布式能源系统,在节约能源、减少污染、安全供电等方面取得了显著的效果。分布式能源系统在我国才刚刚起步,虽已在北京、上海、广东等地开展了若干试点工程,但有些效果不太理想,总体发展缓慢。在这样的背景下,加强对分布式能源系统的研究,显然具有极大的理论意义和现实意义。

国内外学者对分布式能源系统的作用分析及前景预测:Pepermans(2005)、Alanne(2006)、韩晓平 (2005)、徐建中 (2005)[1-4]等从定性的角度认为,分布式能源系统将会成为传统大电网的有益补充。Karl Magnus Maribu(2007)[5]通过建立市场分布模型,预测了分布式能源系统在美国各地区和各类建筑的发展潜力。

对分布式能源系统实施过程中涉及的具体问题,各学者展开了较多的研究。①系统规划问题。王成山 (2006)[6]以网络建设成本与运行费用最少为目标函数,采用遗传算法确定系统的最佳安装地点及容量大小。②电力系统建模。Yasud(2002) 和 Jarmo S˚derman(2006)[7-8]分别通过系统仿真和建立优化模型进行研究。③并网问题。陈琳 (2007)、肖鑫鑫 (2008)等提出不同的技术方案,以保持并网系统的电力稳定性和安全性。④经济性研究。胡骅 (2008)应用财务分析方法,指出售电电价模式对分布式能源系统的经济性影响较大。

已有的研究基本都是针对分布式能源系统的发电功能,而分布式能源系统的优势不仅在于提供灵活的电力供应,还有环境保护、电力安全、提高能源效率等多方面的功能。分布式能源系统与大电网相比,在电价上没有竞争优势。要想让更多的人接受分布式能源系统,必须客观全面地分析其复杂性特点,充分展现其优越性。因此,对分布式能源系统的研究,除考查其发电能力外,也应综合考虑其能源效率、环境保护和电力安全等多方面的优点。基于复杂适应系统理论,将大电网、技术、市场和政策等作为重要影响因素,分析其相互制约和相互促进的复杂关系,使分布式能源能够从更广意义上被人们所接受,进而加速其在我国的发展进程。

2 分布式能源系统的复杂性特征

分布式能源系统是一个开放的系统,是一个包含物理元素、社会元素和信息元素相互关联的网络。作为不断发展变化的复杂社会经济系统的一个子系统,分布式能源系统与其他子系统之间有着复杂的非线性关系,使得分布式能源系统具有动态性、系统性和不确定性等特征。

(1)分布式能源系统的动态性特征

分布式能源系统的动态性特征,是指分布式能源系统由来已久,但随着环境的变化和技术的进步,其形式和功能已发生了很大的变化。例如在我国过去几十年中,已有一些分布式能源系统的雏形。一些重要的部门或场所,自行安装小型发电设备,作为紧急备用电源。但这些技术性能差、效率低,污染大,已被逐渐淘汰。目前,在节能减排、提高能源利用效率的大环境下,分布式能源系统已超出了小火电的概念,多是指以天然气、煤层气或沼气等为燃料的燃气轮机、内燃机、微型气轮机发电,太阳能光伏发电,以天然气、氢气为燃料的燃料电池发电,生物质能发电,小型风力发电等,并且实现能源循环利用,利用余热制热或制冷,提高能源综合利用效率。由于其在能源多样化、效率、环保、节能等多方面的优越性,再加上电力市场化的快速发展,使分布式能源系统获得了更多的关注,涵盖了更多的技术环节和市场范围,已被陆续应用于医院、学校、办公楼、宾馆、边远地区等。

(2)分布式能源系统的系统性特征

分布式能源系统除了自身的各部分子系统之外,也和其上下游子系统具有耦合关系。只有各部分相互协调、密切配合,才能体现出分布式能源系统的整体优越性。

分布式能源系统内部,发电设备、制冷设备、制热设备、储能设备等,对分布式能源系统的整体效率有着非常重要的影响。除此之外,各上游资源的开发利用情况,也对分布式能源系统的推广起到至关重要的作用。天然气的开发利用,生物质能的技术攻克,太阳能、风能的项目建设等,都会有力地推进分布式能源系统的发展。而大电网和分布式能源系统互为补充的关系,也决定了它们自身是处于同一复杂系统的。

(3)分布式能源系统的不确定特征

分布式能源系统受到诸多因素的影响,其发展过程具有不确定性。大电网、技术因素、市场因素、政策因素都会对分布式能源系统的发展产生影响。不同地区资源禀赋不同,区域规划不同,人员结构不同,都会导致分布式能源系统的模式有所差异。政策导向性直接决定了分布式能源系统发展的规模。如丹麦、芬兰、英国等对分布式能源系统的政策支持十分明显,因此,其发展相对较快。而我国在这方面尚没有明确的政策文件支持,因此发展起来阻力较大。

3 分布式能源系统各主体联系的复杂性

复杂适应系统理论的基本思想,是适应性造就复杂性。在复杂适应系统中,所有主体都处于一个共同的大环境中,为了生存的需要,根据它周围的局部小环境,不断地调整自己的行为,以更好地适应环境。各主体与环境及与其它主体间相互作用,在整体层次上涌现出新的现象和更复杂的行为。

分布式能源系统是一个复杂适应系统,其适应性主体不仅包括分布式能源系统,而且包括对其发展有重要影响的大电网、政府、技术、市场等主体。这些主体相互影响,共同发展,在不断协调中,保持电力市场和能源市场的合理稳定性。

分布式能源系统、传统大电网、政府、环境等主体之间,存在着复杂的相互联系,这其中有着繁杂的物质流、能量流和信息流。

(1)分布式能源系统与大电网

分布式能源系统与大电网不是互相排斥,而是互为补充的。直接安置在用户侧的分布式能源系统与大电网配合,可大大地提高供电可靠性,在电网崩溃和意外灾害 (例如地震、雪灾、人为破坏、战争)情况下,可维持重要用户的供电。在缺煤少电的危机压力下,分布式能源系统可以作为有益的补充。同时,若分布式能源系统电力短缺,可向大电网购电。

但分布式能源系统的出现,会使传统电力系统的负荷预测、规划和运行,比之前有更大的不确定性。大电网向分布式能源系统设置的并网条件,收购和卖出电力的价格等,都成为二者协调发展必需要面对的问题。

(2)分布式能源系统与政府

政府在节能减排的压力下,出台相应的政策措施,如税收减免、财政补贴、信贷优惠等,促进分布式能源系统的发展。反过来,分布式能源系统也会在提高能源利用效率、保护环境、保障能源安全等方面做出应有的贡献。

此外,分布式能源系统能否纳入区域规划,关系到分布式能源系统项目建设和运行的许可审批。许多分布式能源系统项目,常由于保护生态、土地及历史遗迹等原因而造成选址困难。如果分布式能源系统的选址能尽早纳入区域规划中,就可缩短审批周期、减少选址成本 。

(3)分布式能源系统与技术因素

技术因素的影响包括分布式能源系统设备的技术性能,如发电机组、并网设施、输配电网的运行,以及电网安全、可靠及稳定运行的标准等。

分布式能源系统的各设备大多虽已实现国产化,但在能源转换效率、安全可靠性、维修周期等方面,仍有一定差距,这必然造成成本的增加。此外,分布式能源系统并网,将改变配电系统潮流的单向模式,这将带来电能质量和运行可靠性等问题。

(4)分布式能源系统与市场因素

从经济上考虑,分布式能源系统的投资吸引力不高。由于分布式能源系统带来的多为社会效益,如保护环境、节约能源等,而这部分成本效益无法在市场中充分体现,造成分布式能源系统初始投资大、投资吸引力差。因此,要促进分布式能源系统的发展,必须各方共同努力,减少其成本,增加其效益,如在天然气购买价格上的优惠、进口设备的税费减免、考虑环境成本等。同时,也要通过大力宣传,让更多的用户和投资者了解和接受该技术,在系统的使用规模和数量上有所突破。

4 结 语

在节能减排、提高能源利用效率的大环境下,系统全面地分析分布式能源系统的特征,是正确引导其发展的有效途径。文章采用与以往不同的思路,跳出只关注其发电功能的研究框架,详细分析分布式能源系统的复杂性特征,从动态性、系统性和不确定性等方面,指出分布式能源系统的本质,不仅在于提供电力本身,还在于提高能源利用效率、保障电力安全和保护环境等方面的功能。而要促进分布式能源系统的发展,需要各方共同努力,克服各因素的影响。将这些方面综合考虑来,分析分布式能源系统在我国的发展,可能更具有实际指导意义,为分布式能源系统提供一种新的研究视角。

[1] G.Pepermans,Distributed generation:definition,benefits and issues,Energy Policy 33(2005)(6):787-798.

[2] Kari Alanne,Arto Saari.Distributed energy generation and sustainable development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2006,10(6):539-558.

[3] 韩晓平.分布式能源政策导向和建议 [J].中国能源网www.China5e.com.2005-03-24.

[4] 徐建中.科学用能与分布式能源系统 [J].中国能源,2005,27(8):10-13.

[5] Karl Magnus Maribua,Distributed energy resources market diffusion model. Energy Policy 2007;9 (35):4471-4484.

[6] 王成山,王守相.分布式发电供能系统若干问题研究 [J].电力系统自动化,2008,20(32):1-4.

[7] Yasud A K,Analysis and Autonomous Distributed Control of Super Distributed Energy Systems.Proceedings of IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibi2 tion 2002,Asia Pacific,Vol 3,Yokohama(Japan).2002,1638-1631.

[8] Jarmo S˚derman,Structural and operational optimisation of distributed energy systems[J],Applied Thermal Engi2 neering,Volume 26,Issue 13,September 2006,26(13):1400-1408.

A analysis of the complexity feature of decentralized energy systems

HOU Jian2min,ZHOU De2qun
(College of Economics and Management,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

It is useful to analyse the complexity feature of Decentralized Energy Systems in the environ2 ment of Energy2saving and emission reduction.It exhibits the function of power,energy efficiency and en2 vironment protection by the dynamic feature,the systemic feature and the uncertainty.The interaction of DES,grid,government and market is based on the theory of complex adaptive system.It offers a new re2 search way for distributed energy systems.

Decentralized Energy Systems;complexity feature;complex adaptive system;factors

TK01+9

B

1004-4051(2010)02-0046-03

2009-10-27

国家自然科学基金项目 (70873058)

侯健敏 (1978-),女,内蒙古呼和浩特人,讲师,博士生,研究方向为分布式能源系统;

周德群 (1963-),男,江苏建湖人,博士生导师,博士,研究方向为系统工程、能源经济。