基于可靠性成本—效益理论的分布式电源接入容量分析

刘传铨,梁 薇,汤晓伟,沈 良

(上海市电力公司松江供电公司,上海 201600)

在能源形势日趋严峻、传统能源日渐枯竭、环境污染日益严重的情况下,加大能源结构的多元化调整力度,推广与发展分布式电源,已经得到国内外的广泛重视。与传统燃煤发电厂相比,分布式电源有着发电方式灵活、能源利用效率高、环境污染小等优点。然而,在传统配电网可靠性经济评价中,通常只对环境问题做一个简单的定性分析,没有定量化,这样分布式电源所带来的环境价值并没有得到充分体现,很难发挥分布式电源所带来的经济优势。

本文将用停电损失和环境成本来定量描述可靠性效益,运用成本效益分析理论建立含分布式电源配电网可靠性经济评价的目标函数。该函数综合可以协调供电方和用户方双方利益,有效地将含分布式电源的配电网的经济性和可靠性结合起来,寻求分布式电源的最优接入容量,使相同的投资产生最大的效益,为智能电网大量接入分布式电源的可行性,提供有益的参考。

1 配电网的可靠性成本

近年来,随着用电负荷的大幅度增长和对可靠性要求的提高,电网公司通常采取本地区电厂建设或向大电网购电等方法,配合架设新的输配电线路、增加变电站数目或者变电站扩容等措施来满足用电需求。分布式发电作为灵巧的供电方式,以小容量、投资风险小、提高电网可靠性的优势,日益受到重视。通过并网运行,建立混合型配电网络,已经成为电网公司扩容的可选方案之一。

常见的分布式电源有太阳能发电、风力发电、燃料电池以及微型燃气轮机发电等。配电网的可靠性成本一般为新增设备的投资成本,与传统的发电厂相比,分布式电源的投资具有很多优点。

1)分布式电源采用可再生能源或清洁化石能源发电,燃料运行费用低,而燃煤的成本却在逐年上涨。2)分布式电源使用寿命结束后组件还有一定的残余价值,即替代费用。3)分布式电源并网运行,国家给予一定的上网补贴。4)分布式电源并网运行,能够降低网损。

将分布式电源配电网的可靠性成本定量化,需要考虑很多因素,这是因为分布式发电的投资成本与分布式发电的额定容量和年发电量是密不可分的。本文提出将分布式电源的投资成本R cost,折算成容量费用和电量费用之和,其表达式为:

式中:PDG为分布式电源的额定容量;αcn为单位容量成本,与分布式电源的投资成本有关;WDG为分布式电源年发电量;αen为单位电量成本,与分布式电源的维护费用有关。

2 配电网的可靠性效益

2.1 停电损失

在传统的配电网可靠性经济评价中,可靠性效益是用所有电力客户的年停电损失来表示的。分布式电源引入后,停电损失的减少也表示为配电网的可靠性效益。目前,适合我国的停电损失估算方法主要有平均电价折算倍数法、产电比法和总拥有费用法。

本文提出平均电价折算倍数法和产电比法的加权平均停电损失评估方法,停电损失C loss的关系式为:

式中:EENS为期望缺供电量;α1为产电比法的加权系数; α2为平均电价折算倍数法的加权系数;K为产电比;b为单位停电电量电价与平均电价的比值;d为平均电价。

我国在现阶段采用平均电价折算倍数法,以平均电价的25倍来估计停电损失是比较合理的,这与中国的经济状况相适应;产电比法适用于大面积的宏观估计,不适合对具体用户停电损失的估计。将这两种方法结合,可有效地评估当时当地的停电损失。

不同类型的分布式电源,其可靠性模型不同,倘若额定容量相同,采用不同类型的分布式电源引入,对配电网带来的停电损失是不同的。一般来说,对同一类型的分布式电源,额定容量越大,停电损失越小,但是投资费用相对就大,因此要寻求这种分布式电源的容量,使单位投资产生的效益最大。由式(2)可知,停电损失与配电系统缺供电量EENS成正比,由配电网可靠性评估的方法可得到EENS值,继而求出配电网停电损失值。

2.2 环境效益

由于传统发电方式对环境污染严重,对污染物排放实施罚款,在现阶段是促使其提高环保性的一种行之有效的手段,也是体现分布式发电环境效益的一种公正、公平的良好方式。本文在我国现有排污收费标准和美国环境价值标准的基础上对环境成本定量化,环境效益C e的关系式为:

式中:Vei为第i项污染物的环境价值;Ui为第i项污染物的排放量。

火力发电的污染物主要有SO2,NO x,CO2, CO,TSP,粉煤灰和炉渣等。

文献[1]给出了一些有关数据。①燃煤电厂的污染物排放率:SO2为18.00 kg/t;NO x为8.00 kg/t;CO2为1731.0 kg/t;CO为0.26 kg/t;TSP为0.40 kg/t;粉煤灰为110.00 kg/t;炉渣为30.00 kg/t。②火电污染物环境价值标准:SO2为6400元/t;NO x为8000元/t;CO2为44元/t;CO为1000元/t;TSP为2200元/t;粉煤灰为1200元/t;炉渣为100元/t。③火力发电污染物的罚款数量级:SO2为1000元/t;NOx为2000元/t;CO2为10元/t;CO为160元/t;TSP为40元/t;粉煤灰为30元/t;炉渣为20元/t。

假设传统发电的煤耗为0.36 kg/kWh,按文献[1]给出的污染物排放率、污染物环境价值标准、污染物的罚款数量级,通过式(3)计算,可以得到SO2,NOx,CO2,CO,TSP,粉煤灰和炉渣等污染物的环境成本:SO2为0.0480元/kWh;NO x为0.0288元/kWh;CO2为0.0337元/kWh;CO为0.0001元/kWh;TSP为0.0003元/kWh;粉煤灰为0.0049元/kWh;炉渣为0.0013元/kWh。计算结果表明,传统发电厂总的环境成本为0.1171元/kWh。

对太阳能发电和风力发电来说,几乎没有污染,其环境成本为0。而对燃料电池和微型燃气轮机发电来说,假如两者都是以天然气为原料,西气东输天然气的低位热值取36M J/m3,燃料电池的热效率取 64%,微型燃气轮机的热效率取50%,则燃料电池的耗气量为0.15625m3/kWh;微型燃气轮机组的耗气量为0.2m3/kWh。

文献[2]给出了天然气的污染物排放率: SO2为11.60m g/m3;NO x为6200 mg/m3;CO2为2010000 mg/m3;CO为0 m g/m3;TSP为238mg/m3;粉煤灰和炉渣的排放为0。同样,可由式(3)计算得到燃料电池总的环境成本为0.0267元/kWh;微型燃气轮机组发电总的环境成本为0.0342元/kWh。

通过以上分析和计算,说明分布式电源的发电量越大,分布式电源安装后的环境成本越小,环境效益越高。从而可以得到含分布式电源配电网的可靠性效益R benefit,其表达式为:

3 含分布式电源的配电网可靠性成本—效益分析模型

配电网可靠性的成本—效益分析的目标函数值表达式为:

式中:k为方案序号,k=1为太阳能发电;k=2为风力发电;k=3为燃料电池;k=4为微型燃汽轮机。Pmax为分布式电源的最大允许安装容量。

由于容量大的分布式电源投资费用大、可靠性高,产生的可靠性效益和环境效益也大;容量小的分布式电源投资费用小、可靠性低,产生的可靠性效益和环境效益较小。因此,合理选择分布式电源的容量,可以使相同的投资产生的效益为最大。针对接入不同类型的分布式电源,基于成本―效益理论,定量分析分布式电源接入电网带来的经济效益,使目标函数值为最小,即为最优容量解。

4 模型求解的流程图

采用二分法算法,对含分布式电源配电网的最优接入容量方案进行求解。二分法技术对于处理只有一个最小值的离散变量的优化问题是非常有效的。这里用于寻求分布式电源合适的容量进而得出目标函数最优解。假定分布式电源的最大额定容量为 P max,容量的变化范围为[Pe max, Pemin]。令:Pemin=0,Pemax=Pmax。二分法算法流程图如图1所示。

采用二分法无需依次计算容量从0到P max的目标函数值,只算其中一部分就可得出最优配置的总费用,计算量少,程序运行时间也短。

图1 二分法算法流程图

5 含分布式电源配电网的可靠性和经济性分析

通过一个含分布式电源配电网的算例,检验本文所提方法的有效性和实用性,并通过不同类型的分布式电源模型,比较分析分布式电源的引入对配电网所带来的可靠性和经济效益。

某配电网主馈线系统如图2所示,包括8条供电干线段,8个负荷点和1个分布式电源单元,该分布式电源单元安装在第6段供电干线上。表1给出了系统的供电干线参数和负荷数据。不同类型的分布式电源单位容量成本与单位电量成本见表2所示。产电比的加权系数α1取0.36;平均电价折算倍数法和α2取0.64;产电比取10元/kWh;电价倍数b取25;平均电价d为0.45元/kWh。

图2 含分布式电源的配电网接线图

表1 系统供电干线参数和负荷数据

表2 分布式电源单位容量成本与单位电量成本

根据给出的约束条件,假定额定容量的最大值为2 MW,根据传统配电网可靠性评估方法求出未加入分布式电源和容量为2 MW时配电系统负荷点的可靠性指标如表3和表4所示。

表3 未接入分布式电源时配电网负荷点的可靠性指标

表4 接入最大容量分布式电源下的配电网负荷点的可靠性指标

停电损失Closs与EENS的值成正比关系,而EENS的大小与分布式电源的容量密切相关。根据本文模型和求解步骤,可以得到该系统最佳目标函数值,其指标如表5所示。

从表5可以看出,太阳能发电、风力发电、燃料电池和微型燃气轮机发电的最优接入容量分别为:0.5 MW,1.882 MW,1.2 MW和2 MW。这些数据为配电网接入何种容量和类型的分布式电源提供了理论依据,也为配电网接入分布式电源能够发挥最大的经济效益。

由表5还可看出,未加入分布式电源时的目标函数值为293.8万元,而接入分布式电源的风力发电和微燃气轮机方案下的目标函数值分别为239.7万元和247.3万元,效益明显;而太阳能发电和燃料电池方案下的目标函数值分别为293.2万元和247.3万元,其接入配电网带来的经济效益并不明显。这主要是由于目前太阳能发电和燃料电池的安装成本较大,造成收益不明显。

表5 不同的分布式电源最佳投资方案

分布式电源的发电成本总体来说还比较高,但是,优化不同的分布式电源容量,可以明显推迟配电网线路的升级,提高配电网的可靠性,满足用户对电能质量的要求。随着科技的发展,分布式电源的成本会越来越低,含分布式电源的接入方案的经济优势会越来越明显,其经济价值也会得以充分体现。同时,考虑到分布式电源接入系统所带来的巨大的社会效应,尤其是面对全球能源紧缺的现状,在配电网中引入合适容量的分布式电源,具有非常重要的经济效益和社会效益。

6 结论

本文提出一种采用停电损失和环境成本来定量描述可靠性效益的方法,利用成本—效益法建立目标函数,并以1个简单的配电网为例,采用二分法算法求解出不同容量、不同类型的分布式电源接入方案下使目标函数值最小。从计算结果可以看出,分布式电源的引入使得传统的火力发电的年费用降低,风力发电方案效果最明显,其次是微型燃气轮机发电方案。这种方法为以后寻找配电网可靠性成本与收益之间的最优平衡和配置做了铺垫。

[1] 俞海淼,周海珠,裴晓梅.风力发电的环境价值与经济性分析[J].同济大学学报,2009,37(5):704-708.

[2] 周 浩,魏学好.天然气发电的环境价值[J].热力发电, 2003(5):2-5.