大规模新能源接入电网后的能源效率评估研究

孙思培 苗福丰 马 杰

（国网河南省电力公司经济技术研究院，河南 郑州 450000）

大规模新能源接入电网后的能源效率评估研究

孙思培 苗福丰 马 杰

（国网河南省电力公司经济技术研究院，河南 郑州 450000）

在传统能源效率评估指标的基础上，给出电网能源效率评估指标，即标准煤耗率、输电线路损耗率、环境效益、单位投资成本、单位度电成本、机组利用小时数及社会效益七个指标，考虑电网的综合线损率、机组运行曲线和环境效益等因素对综合能源效率的影响，提出考虑新能源的电网能源效率评估方法。

新能源；能源效率；评估指标；环境效益

能源效率即单位能源能带来的经济效益。我国是一个能源大国，能源消耗总量居世界第二，但能源利用效率较低［1］。杨燕［2］认为，电力能源利用效率低下是导致“电荒”的一个重要原因。Maheswaran D等人［3］研究了电力系统中的能源效率问题，指出提高电力系统能源利用效率对社会发展具有重要意义。在利用能源的过程中，如何提高能源利用率，成为目前较为关注的问题。

目前，风力发电和光伏发电等新能源快速发展，成为优化调整能源结构、减轻环境污染、促进社会经济的可持续发展的重要途径。为研究新能源接入后的电网能源效率，本研究分析了新能源并网对能源效率的影响，建立了考虑新能源的电网能源效率评估方法，为电网能源效率提升提供了理论基础。

1 电网能源效率的评估指标

我国在较长一段时间内仍然以火力发电（主要是燃煤发电）为主，所以煤耗是评估电网能源效率的一个重要指标。王妍［4］指出，衡量我国电力行业能源效率和经济运行水平的主要指标是供电标准煤耗和输电线路损失率。发电厂的建设和运行维护也需要投入一定的成本，减少这些成本投入，也可提高电网能源效率，因此，电厂的投资运行成本也可作为电网能源效率的评估指标的一方面。此外，新能源的发展可以实现社会的可持续发展，提高环境效益，因此，电网能源效率指标还需增加环境效益和社会效益。因此，本研究将如图1所示的7个指标作为电网能源效率的评估指标。

1.1 标准煤耗率

火力发电能耗通常用标准煤耗率（g/kWh）来表示，可以分为供电标准煤耗率和发电标准煤耗率。标准煤耗率越低，说明对煤的利用效率越高。一般来说，大容量的火电机组效率更高，供电标准煤耗更小［5］。

1.2 输电线路损耗率

在电力网传输和分配过程中产生的有功功率损失和电能损失统称为线路损失，简称线损。电网线损率是线损电量与实际供电量之比，简称线损率。

图1 电网能源效率的评估指标

1.3 环境效益

环境效益是对人类社会活动的环境后果的衡量［6］。对于电网能源效率评估，每千瓦时的发电量所排放的污染物越少，则环境效益越好，能源效率也就越高。

1.4 单位投资成本

单位投资成本指每兆瓦机组的投资额，其是投资总额与机组装机容量的比值。一般情况下，装机容量越大，单位投资成本越小。

1.5 单位度电成本

单位度电成本是单位上网电量所产生的成本，主要包括投资成本、运行维护成本及财务成本。目前，燃煤发电成本低于风电、光伏等新能源，随着新能源的快速发展，技术的不断进步，风力和光伏发电单位度电成本正不断下降。

1.6 机组利用小时数

机组利用小时指发电机组在年内平均满负荷运行的时间。相对燃煤机组，风力和光伏发电受气象因素影响，出力具有较大的不确定性，其机组利用小时数一般较低。

1.7 社会效益

社会效益主要有社会经济影响和社会环境影响。社会经济影响主要包括土地增值效益、带动相关产业的发展、改善能源消费结构、对当地居民生活水平的影响；社会环境影响主要包括促进社会就业、改善投资环境、促进区域均衡发展。

2 新能源并网对能源效率的影响

新能源并网对能源效率带来了两方面的影响。第一，当前建设的新能源一般都是代替火电机组发电，因此新能源的出力增加会降低火电出力，减少电力系统燃煤量的使用。第二，由于新能源的出力具有随机性、波动性，为平衡其出力波动性，火电机组需要进行调峰。由于火电机组运行时其各项参数越接近或达到设计值，则机组的燃煤率越好，当火电机组为新能源并网发电降低出力时，其煤耗率将增加。经过火电厂实验证明，在调峰阶段，燃煤机组每压低出力10%会导致标准煤耗率增加3～6g/kWh，燃煤效率降低。

燃煤机组煤耗可以表示为与功率有关的二元一次方程，见式（1）：

其中，fi,t为在t时段，机组i运行所需要的煤耗，Pi,t为机组i输出的有功功率。

图2 火电机组出力度电成本曲线

图2中横坐标表示火电机组出力，纵坐标表示度电成本，当机组运行于额定功率（100%）附近时，单位度电成本最小；随着机组发电功率下降，其度电成本不断增加。

3 考虑新能源的电网能源效率评估方法

基于前文的分析，考虑电网的综合线损率、机组运行曲线和环境效益等因素对综合能源效率的影响。本研究提出考虑新能源的电网能源效率评估方法，其流程图如图3所示。该方法主要有以下步骤。

图3 考虑新能源的电网能源效率评价流程图

①根据用电量Ec、交换电量Ej和线损率τ，计算出供电量：Et=(Ec+Ej)/(1-τ)；②根据新能源装机PW和发电小时数TW，计算出新能源发电量：EW=PW×TW；同理，根据水电装机PH和发电小时数TH，计算出水电发电量：EH=PH×TH；③计算火电发电量：EM=Et-EW-EH；④根据火电机组装机PM，得到火电机组出力：ηM=EM/(PM×8 760)；⑤根据火电机组出力度电成本曲线ηM-cF，得到发电成本：CF=EM×cF；⑥根据单位度电排放成本cE，得到排放成本：CE=EM×cE；⑦最终求得，考虑新能源的电网综合能源效率：CEE=Et(CF+CE)。

4 算例分析

以A地区电网为例，开展算例分析。该地区电网数据如表1所示，火电机组类型及台数如表2所示。火电机组不同出力下度电成本函数如式（2）所示。

调研得到火电机组不同出力下度电函数的各项系数如表3所示。

本研究主要考虑大气污染物中的SO2、CO2及NOx的减排。

燃煤火电厂发电过程中，SO2是主要的污染物，煤电厂SO2的排放量可用公式（3）表示。

式中：SO2排放量（kg/t）；B为耗煤量（t）；燃煤应用基含硫率；燃煤硫向烟气硫的转化率；λSO2为SO2与S的摩尔质量比，约为2；η为脱硫效率。

如果取煤炭含硫率为1%，燃煤电厂平均烟气硫转化率为0.9，则常规燃煤电厂的SO2排放量为18kg/t。若电厂增加了脱硫装置，在脱硫效率为0.87时，SO2的排放率为2.34kg/t。

NOx是燃煤火电厂发电过程中产生的第二大污染物，燃烧过程排放出来的NOx主要是NO和NO2，其中NO占绝大部分，质量分数约占95%。可利用式（4）计算煤电NOx排放率。

式中：GNOx为NOx排放率（kg/t）；B为耗煤量（t）；Ny为燃煤中含氮质量分数；ηN为燃料氮的转换率；m为燃料氮生成的NOx占全部NOx排放量之比；λNOx为NOx与N的摩尔质量比；η为脱氮效率。

一般情况下，燃料氮转化率为25%；燃料氮生成的NOx占全部NOx排放量之比m为80%；NOx与N的摩尔质量比为2.2，可得出一吨燃煤大约会产生8kg的NOx。

CO2是燃煤发电过程中排放最多的污染物，是造成温室效应的主要气体，其排放率的计算公式如式（5）。

式中：CO2的排放率（kg/t）；B为耗煤量（kg）；Q为煤炭的单位热值（MJ/kg）；E为单位热值下潜在的碳排放量（kg/MJ）；Kco2为燃料中碳的氧化率；与C的摩尔质量比，约为3.667。

中国煤炭实测平均数值：单位热值Q为21.2MJ/kg，碳的潜在排放量E为24.74kg/MJ，C的氧化率为0.9。据此计算得出的碳排放率为1731kg/t。

我国目前这些污染物排放收费标准如表4所示［7］。

表1 A地区电网数

表2 A地区火电机组类型及台数

表3 火电机组压低出力调峰情况下资源消耗系数

表4 各种污染物的排放收费标准

根据上述分析，不同风电装机容量下A地区电网综合能源效率变化规律如图4所示。

图4 不同新能源装机容量下电网综合能源效率

由图4可知，随着风电装机不断增加，考虑新能源的电网综合能源效率不断提升；以新能源装机1740MW时为例，与不考虑新能源相比，新能源接入后综合能源效率提高了13.23%。

5 结语

本研究在传统能源效率评估指标的基础上，给出了电网能源效率评估指标，即标准煤耗率、输电线路损耗率、环境效益、单位投资成本、单位度电成本、机组利用小时数以及社会效益七个指标，考虑电网的综合线损率、机组运行曲线和环境效益等因素对综合能源效率的影响，提出了考虑新能源的电网能源效率评估方法。算例分析表明，新能源接入电网后会减少煤耗量和污染物排放量，单位成本明显下降，有利于提高电网的能源效率。

［1］汤春效.我国能源效率及其影响因素研究［D］.长沙：中南大学，2009.

［2］杨燕.全国电力利用效率比较及其影响因素分析［D］.北京：华北电力大学，2008.

［3］D Maheswaran，V Rangaraj，KKJ Kailas，et al.Energy efficiency in electrical systems[J].IEEE International Confer⁃ence on Power Electronics，2012（6）:1-6.

［4］王妍.中国电力工业能源效率分析［J］.经济师，2008（4）：58-59.

［5］陆国夫.电网企业能效评估指标体系研究［D］.广州：华南理工大学，2012.

［6］胡文培.我国主要能源发电效益的比较研究［D］.北京：华北电力大学，2011.

［7］吴宗香，陈文颖.以煤为主多元化的能源清洁战略［M］.北京：清华大学出版社，2001.

The Energy Efficiency Evaluation of the Large-scale New Energy Connected to Power Grid

Sun SipeiMiao Fufeng Ma Jie
（State Grid Henan Economic Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Based on the traditional energy efficiency evaluation index on the given grid energy efficiency evaluation index,namely the standard coal consumption rate,transmission line loss rate,environmental bene⁃fits,unit investment cost,unit cost of electricity,the unit utilization hours and the social benefits of seven indicators,considering factors of line loss comprehensive rate,unit operation curve and environmental bene⁃fits impact on energy efficiency,put forward an evaluation method considering the network energy efficiency of new energy.

new energy；energy efficiency；evaluation index；environmental benefits

TM715；TM61

A

1003-5168（2017）12-0137-04

2017-11-03

孙思培（1987-），男，硕士，工程师，研究方向：电力系统规划及新能源。