可再生能源发电对电网运行经济性影响分析

张丹丹，娄婷婷，郑天茹，王 然

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着能源危机和气候变化的加剧，能源结构变革势在必行［1］。可再生能源较传统化石能源具有能源利用效率高、环境负面影响小等优点［2］，被应用于电力系统［3-4］。

随着并网电量的不断增加，可再生能源发电对电网运行经济性影响将越来越大。文献［5］论述了可再生能源并网的经济可行性，但未给出可再生能源详细效益分析模型及量化计算。文献［6-7］主要从优化电网经济调度出发，建立可再生能源并网多目标经济调度数学模型，分析电网对微电网的接纳能力。现有可再生能源发电的经济性研究多从电网经济调度出发，研究均未计及可再生能源电网企业补贴，缺乏对可再生能源并网经济性的系统全面分析。

针对上述问题，在详细分析可再生能源发电对电网经济性影响因素的基础上，提出一种基于系统动力学的可再生能源发电经济效益模型，并进行系统仿真验证。

1 可再生能源发电对电网影响因素分析

分布式发电技术的快速发展，使得可再生能源发电量不断增加，进而对电网系统结构和电网经济运行产生重大影响。分布式发电并网运行对电网经济性影响主要表现在以下几个方面。

对网损的影响。分布式发电系统并网后，导致网络拓扑结构与配电网负荷分布均发生改变，加之分布式电源选址、定容等因素均对系统损耗产生影响。

对系统潮流的影响。由于分布式电源具有随机性，其并网发电后会使系统潮流存在随机性，传统潮流算法难以满足计算需求。

对供电可靠性、故障电流、系统电压和电能质量均会产生一定的影响。

除上述影响外，可再生能源并网后，还存在配电系统供需平衡、配电网规划和设计等问题。

通过分析可知，可再生能源并网对电网运行经济性影响主要包括2 部分：可再生能源发电过程中会对电网造成不同程度地冲击，影响系统的稳定性和可靠性，以及电能质量与发电计划等，为了尽量避免这些影响，电力系统在频率控制、电压调节、备用容量和无功功率等方面的成本增加，导致电网企业收益下降，同时，可再生能源远距离输电还会造成线损增加；国家为推进能源结构变革，对可再生能源发电进行电价补贴，降低其并网发电成本。

2 基于系统动力学的模型搭建

2.1 系统动力学

系统动力学（System Dynamics，SD）最早由Jay W.Forrester 教授提出，以反馈控制为理论基础，用于研究复杂系统的动态分析［8］。系统动力学强调系统的整体性，主要从系统行为与内在机制两者的密切关系进行分析，用数学方程来研究系统在各参数或不同输入策略下的系统变化行为与变化趋势。

研究可再生能源并网对电网企业经营成本和收益变化，通过确定可再生能源发电引起的相关经济要素变化及相应变化量，分析可再生能源发电对电网经济性的影响，构建基于系统动力学的可再生能源发电对电网经济性影响系统流如图1 所示。

图1 可再生能源发电对电网经济性影响系统流图

2.2 模型搭建

分析可再生能源发电经济效益包括3 部分，分别为可再生能源并网电量，电力系统运行成本与收入，电网企业收益。

可再生能源并网电量。研究基于可再生能源初始发电量与年增长量，计算可再生能量实际并网发电量。

可再生能源并网运行成本与收入。研究可再生能源发电后，为保证日常的电能生产经营活动能够正常运转所投入的一些辅助成本，需要承担的线路损耗成本以及售电收入。

可再生能源并网收益。研究可再生能源发电情况下增加的售电量及可再生能源的售电电价，其中考虑了可再生能源发电的电价补贴。

基于系统动力学建立可再生能源发电对电网经济性影响数学方程包括状态方程，速率方程与辅助方程3 部分。

2.2.1 状态方程

建立可再生能源发电对电网经济性影响的系统动力学状态方程为

式中：QT为第T 年可再生能源发电量，kWh；Q0为可再生能源初始基准年发电量，kWh；q（t）为可再生能源第t 年发电变化值，kWh／a。

2.2.2 速率方程

式中：Et为第t 年技术进步因数；ω1为技术进步因数权重；Yt为第t 年政策支持因数；ω2为政策支持因数权重；QT-1为第T-1 年可再生能源发电量，kWh。

2.2.3 辅助方程

可再生能源并网运行成本

可再生能源并网收入

可再生能源并网运行效益

3 实际系统仿真

针对某省2011—2020 年风力发电进行仿真，分析其并网发电对电网经济性影响。对模型中部分常数进行赋值，如表1 所示，仿真所需其他参数参见文献［9］。

表1 SD 模型的参数值

计及技术进步增长特性，可再生能源技术改进因数取值如图2 所示。

图2 技术进步因数

基于Vensim 软件进行仿真，仿真求得可再生能源逐年并网发电量如图3 所示，可再生能源发电对电网运行经济性影响如图4 所示。

图3 风力发电逐年发电量

图4 风力发电并网后电力系统运行效益

从模拟结果可以看出，仿真结果与实际可再生能源并网运行情况相符，即随着装机容量的不断增大，可再生能源效益显著增加，且增长迅速，其在电网经济运行上的贡献显著。

4 结语

可再生能源发电相对于传统发电技术投资成本高，但随着其发电、配电技术的日益成熟，其在资源消耗量等方面的优势不断凸显，可再生能源并网在电网经济运行方面会为电网企业带来显著的效益。因此，考虑电力系统中长期经济效益，应积极发展可再生能源。