清洁可再生能源节能潜力评估方法研究

潘金月，张维磊，鲁晓威，庞 丽，刘 涌

(1.国网滁州供电公司，安徽 滁州 239000； 2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240)

化石燃料在电力产业中占据主导地位，煤炭和天然气的消耗量很大，火力发电成为有害气体的主要排放源，对能源发展和生态环境造成威胁[1]。当前能源问题背景下，清洁可再生能源的开发得到重视，清洁可再生能源具有充分的能源供应，使用清洁可再生能源供电，替代化石燃料发电，可以减少化石燃料的环境污染，缓解能源供需矛盾，有效解决能源枯竭的问题[2]。分析清洁可再生能源节能潜力，是实施清洁可再生能源替代的前提条件，节能潜力代表清洁可再生能源能够提供的能源总量。因此，评估能源节能潜力，揭示新能源替代潜力具有重要意义[3-4]。

当前清洁可再生能源潜力评估相关研究已取得一定进展，国外针对不同情景，遵循指标选取原则，建立新能源项目量化评价体系，估算清洁可再生能源潜力，通过学习曲线分析，分析能源类型和分布情况，把清洁可再生能源的年产能折合标煤量，选择具有竞争力的发电类型[5]。国内从环境、经济、能源3个方面出发，分析减排约束下能源效益等对清洁可再生能源消纳的影响，以消纳量最大为目标，得到能源潜力评估模型[6]。结合以上理论，本文提出清洁可再生能源节能潜力评估方法，并通过仿真实验验证了本文方法在实际应用中的有效性和时效性，从而实现节能减排战略目标。

1 节能潜力评估技术手段和方法

由于清洁可再生能源具有波动性和间歇性特点，为此，应开展长时间尺度的新能源出力时序运行模拟，全面认识新能源机组的电力系统运行，得到新能源机组的供电运行状态。

1.1 时序运行模拟模型的目标函数构建

将最大化清洁可再生能源发电量、最小化发电成本作为目标函数。发电量A计算公式为：

(1)

(2)

式中，T为新能源机组出力时段；n为机组数量；Pi，t为t时刻机组i出力[7]；m为发电技术类型数目；D为评估周期内的年数；bj，l为技术j在第i年的新增装机容量；Cj，l为单位投资建设成本[8]；dj，l为技术j在l年初的已有装机容量；ej，l为技术j在第l年的退役装机容量；Ej，l为技术j单位运维成本[9]；Fj，l为技术j在第l年的发电量；gj，l为单位燃料成本[10]；G为储能技术类型数目；fo，l为新能源消纳技术o在第l年的新增容量；Ho，l为技术o单位成本[11]。

(3)

通过式(3)，实现新能源发电量最大化、新能源发电技术最小化。至此完成模型目标函数的构建。

1.2 模型约束条件设置

设置新能源出力时序运行模拟模型的约束条件，包括新能源机组出力约束、电力系统运行约束等。组成模型约束条件。其中，Ⅰ为约束火电机组和新能源机组出力，Ⅱ为约束清洁可再生能源出力，Ⅲ为约束电力系统功率平衡，Ⅳ为约束电力系统备用，Ⅴ为约束新能源机组的装机容量：

(4)

式中，PJ，t为火电机组J、新能源机组i发电功率；IJ，t、Ii，t分别为火电机组J、新能源机组i开机状态；maxPJ，t、minPJ，t分别为机组J上下限；maxPi，t、minPi，t分别为机组i上下限[12]；Ri，t为新能源机组在时刻的新能源可用发电功率[13]；at为t时刻负荷；K为火电机组数量；kt为电力系统t时刻备用需求[14]；Lj，l为技术j的装机容量系数；Ml为第l年的需求负荷[15]。

约束电力系统调峰能力，保证清洁可再生能源的消纳公式为：

(Nj，l-Oj，l)(bj，l+dj，l-ej，l)≤fo，l+po，l+qo，l

(5)

式中，Nj，l为技术在第l年的调峰需求系数；ej，l为调峰能力系数；po，l为消纳技术o在l年初的已有容量；qo，l为消纳技术o的退役容量[16]。

约束火电机组排污量公式为：

(6)

式中，RJ，t为火电机组J单位污染物排放系数；rJ，t为机组J度电能耗系数；QJ，t为火电机组J发电量；St为污染物排放上限。

约束新能源机组退役容量公式为：

(7)

式中，maxej，l、minej，l分别为新能源机组的退役容量上下限[17]。

至此完成模型约束条件的设置，结合目标函数和约束条件，得到清洁可再生能源时序运行模拟模型。

2 基于指标计算的清洁可再生能源节能潜力评估方法

(8)

式中，ut为t时刻负荷用电量[19]。

计算清洁可再生能源发电功率占比V，公式为：

(9)

计算新能源机组出力时的化石燃料耗率降低量W，W表示电力系统相同发电量下降低的化石燃料损耗，公式为：

(10)

将新能源发电量占比、发电功率占比、化石燃料耗率降低量，作为节能潜力评估指标，U值、V值、W值越大，判断节能潜力越大。至此完成节能潜力评估指标的计算，实现清洁可再生能源节能潜力评估方法设计。

3 清洁可再生能源节能潜力适宜性评估

3.1 研究区域概况

为了验证本文提出的清洁可再生能源节能潜力评估方法在实际应用中的有效性，以上海市可再生能源为实验对象，进行一次实验分析。上海地理上邻近中国等电力消费大国，可再生能源开发条件好，根据上海相关统计数据，上海发电装机95.5万kW其中可再生能源发电装机8.17万kW，仅占8%。发电量528亿kWh，可再生能源电量比例仅为2.23%。截至2013年底，上海风电装机5万kW，不到资源量的万分之一，开发潜力巨大。太阳能资源资源量约67万亿kWh，资源丰富地区每年晴天按320 d，发电量可达1 300 kWh/m2。

3.2 数据来源

本文选取2个型号相同、位置相邻的能源发电装置作为实验对象，清洁可再生能源应用发电装置如图1所示。

图1 清洁可再生能源应用发电装置Fig.1 Power generation device for clean renewable energy application

设置年最大负荷为36 946 MW，传统机组装机总容量为41 073 MW，传统机组类型包括煤电、油电、气电，清洁可再生能源装机总容量为22 836 MW，新能源机组类型包括光伏、风电、水电，光伏、风电、水电的装机容量和装机数目相同。机组参数如下：火电装机容量分别包括100、220、300、330、600、1 000 MW，机组数量分别为12、18、19、22、10、2，新能源装机容量包括20、50、80、100、250、300 MW，机组数量分别为12、15、19、13、9、8。

分别接入光伏机组、风电机组、水电机组，构建清洁可再生能源出力时序运行模拟模型，选取一典型日，将24 h划分为4个时段，分别为0：00—6：00、6：00—12：00、12：00—18：00、18：00—24：00，为新能源机组分配各个时段的最优功率，清洁可再生能源机组出力见表1。

表1 清洁可再生能源机组出力Tab.1 Clean renewable energy unit output MW

根据新能源机组出力，分配火电机组发电功率，得到典型日的机组出力累计电量，包括火电机组发电量、清洁可再生能源机组发电量，能源供电的累计电量如图2所示。

图2 能源供电累计电量Fig.2 Accumulative electric quantity of energy supply

由图2可以看出，电力系统通过清洁可再生能源供电，把火电机组出力压制至最小，但火电机组出力仍占据更大比例，以此满足电力系统负荷需求。风电机组、水电机组在典型日未停机，而光伏机组在凌晨时段未出力，仅依靠火电机组发电。

3.3 清洁可再生能源节能潜力评估

测试3种清洁可再生能源发电量占比，将图2数据代入式(8)，测试结果如图3所示。

图3 清洁可再生能源发电量占比统计结果Fig.3 Statistical results of clean renewable energy generation ratio

由图3可知，水电机组发电量占比最高，12：00左右新能源发电量占比可达54%。

将表1数据代入式(9)，得到发电功率占比测试结果如图4所示。

图4 清洁可再生能源发电功率占比统计结果Fig.4 Statistical results of power ratio of clean renewable energy generation

由图4可知，水电机组的发电功率占比最高，并且12：00左右发电功率占比可达58%。

记录新能源机组接入前后的化石燃料耗率，得到化石燃料耗率降低量测试结果如图5所示。

图5 化石燃料耗率降低量统计结果Fig.5 Statistical results of reduction of fossil fuel consumption rate

由图5可知，水电机组接入后，化石燃料耗率降低量最高，12：00左右化石燃料耗率降低量可达38%。综上所述，接入水电机组后，新能源发电量占比、发电功率占比、化石燃料耗率降低量最高，表明水电节能潜力最大，风电节能潜力次之，光伏节能潜力最小，电力系统应增加水电机组的接入，由水电能源替代化石燃料。

4 结语

此次研究设计了一种清洁可再生能源节能潜力评估方法，选择节能潜力大的清洁可再生能源替代化石能源，加快电力系统能源转型。但此次设计方法仍存在一定不足，在今后的研究中，会进一步细化新能源发电技术的约束条件，分析更多能源节能潜力影响因素，包括社会因素和经济因素。