分布式能源资源在电力系统中的应用及其优化策略

卢麒宇 姜圣贤 吴克强 王天奇 吴高鹏

【摘  要】 随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，能源消耗总量不断增加，能源危机和环境污染问题日益凸显，清洁、高效、低碳的能源利用方式成为未来社会发展的必然趋势。分布式能源（distributed energy resource，简称DER）作为一种新型清洁、高效、低碳的能源利用方式，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。文章通过分析分布式能源在电力系统中的应用现状和发展趋势，探讨了分布式能源资源优化配置的实现途径，并针对当前分布式能源资源应用中存在的问题，从政策机制、技术支持等方面提出了分布式能源资源优化配置策略，以促进分布式能源资源在电力系统中应用，保障电力系统安全稳定运行。

【关键词】 分布式能源；电力系统；资源应用

分布式能源是指分散式、就近使用、自供自用、自发自用、余电上网的能源利用形式，具有发电侧就地消纳、负荷侧灵活调控、能源供应多样化等优势。分布式能源资源主要包括光伏发电、风力发电、地热能发电、生物质发电等，其突出特点是具备较强的灵活性，可以根据系统运行的需要，合理安排，以最小化系统总成本。分布式能源具有规模小、布局分散和运行灵活等特点，在一定程度上可以解决集中式能源供应的瓶颈问题，提高可再生能源的比重和利用率，有利于实现节能减排。目前分布式能源在国内外得到了广泛的应用和发展，其技术也在不断进步，逐步走向成熟。随着可再生能源发电成本的逐步降低和分布式发电技术的不断进步，分布式能源在电力系统中的应用将逐渐增多。

分布式能源资源配置是指不同种类的分布式能源资源在不同环节、不同地域间合理进行优化配置。合理的配置方式对提高分布式能源资源利用率、保障电力系统安全稳定运行具有重要作用。近年来，国内外学者开展了大量分布式能源资源优化配置研究，提出了多种优化配置方法。如基于非合作博弈理论，采用变参数法建立了分布式储能系统动态优化调度模型；基于能量转移理论建立了以风电和光伏为主体的分布式电源协调控制模型；构建了考虑风电和光伏出力不确定性的多时间尺度多目标优化模型；基于负荷预测的分布式电源联合调度模型；基于随机潮流与最小二乘支持向量回归机的多能互补优化调度模型。上述研究成果为分布式能源资源在电力系统中应用提供了一定参考。

一、分布式能源发展现状

分布式能源资源是指能够独立或多点供应的能源形式，一般包括燃料电池、太阳能、生物质、地热能、生物质能、潮汐能、风能等。与传统的集中式能源利用方式相比，分布式能源具有发电容量小、设备安装灵活、供电可靠性高等特点，有利于实现供电的供需平衡和资源共享，提高能源利用效率。近年来，分布式能源发展迅速，得到世界各国的普遍重视和广泛应用。美国能源部早在2000年就提出了“分布式电源计划”，并于2002年在纽约建成首个大型分布式能源电站；英国政府于2005年颁布《可再生能源法》，将分布式能源作为电力系统的重要组成部分；德国政府制定了《可再生能源法》和《关于发展太阳能利用和热泵的指导意见》等一系列政策法规；日本政府自2008年起积极推广分布式发电技术；欧盟于2010年出台了《欧洲可再生能源路线图》，鼓励开发利用太阳能等可再生能源。

随着全球经济的快速发展和城市化进程的加速，我国面临的资源和环境压力不断加大，需要更加高效、清洁的能源供应方式。为了响应国家能源战略调整及节能减排政策，促进我国分布式能源产业发展，我国先后出台了一系列支持政策。2010年5月，国务院发布《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（国发〔2010〕12号）；2011年11月，国家发改委、工信部、科技部联合发布了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（发改能源〔2011〕863号）；2014年8月，国家能源局发布了《关于促进分布式发电规范健康发展的通知》（国能新能〔2014〕439号）；2015年5月，国家发改委、财政部、工信部等九部委联合发布《关于促进太阳能热利用产业发展的若干意见》（发改能源〔2015〕2061号）；2016年7月，国家发展改革委、国家能源局发布了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》（发改能源〔2016〕1611号）；2017年4月，国务院发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（国发〔2017〕22号）。截至2017年年底，我国累计并网装机容量超过11.3亿kW，约占全球总量的1/5。2017年全国发电装机容量达到18.7亿kW。目前分布式电源已广泛应用于交通、建筑、农业等各个领域，与传统集中式发电方式相比，分布式能源资源具有建设周期短、投资回报快、供电可靠性高、节能环保等优势。

二、优化配置的实现途径

（一）優化规划

分布式能源资源的优化配置需要对分布式能源资源在电力系统中的应用进行充分分析和研究，从其经济性、可靠性、环保性等方面入手，对其建设和运行进行合理规划，以确保分布式能源资源在电力系统中的高效应用。目前，我国已初步形成了一套较为完善的分布式能源资源在电力系统中的规划方法，如以可靠性为中心的规划方法、基于“源—网—荷”一体化调度的分布式能源资源优化配置方法等。

此外，在进行分布式能源资源规划时，还应充分考虑环境因素，如太阳能光伏发电、生物质能发电等具有一定间歇性和波动性的分布式能源资源在电力系统中的应用。此外，还应充分考虑经济性因素，如天然气价格、燃料费用等。综合考虑经济、环境和安全三个方面因素后，再进行合理规划是实现分布式能源资源在电力系统中高效利用的关键。在进行分布式能源资源优化配置时，需要充分考虑其经济性和可靠性因素，避免盲目进行建设和投入运行。只有这样，才能确保电力系统中分布式能源资源能够发挥出其最大的作用。

（二）合理选择技术水平较高的分布式能源资源

分布式能源资源在电力系统中的应用主要以电为中心，将电能作为生产、生活中的主要能量载体，但随着分布式能源资源技术水平的不断提高，其能量密度也在不断增加。因此，在分布式能源资源技术可实现的前提下，选择技术水平较高的分布式能源资源实现其高效利用。热电联产技术。热电联产技术是以天然气为燃料，将天然气和蒸汽或热水通过换热装置转换成热水或蒸汽，供给用户使用。与传统燃煤电厂相比，热电联产具有高效率、低排放的特点，在世界范围内得到了广泛应用。燃料电池。燃料电池是一种利用燃料电池为电源的发电装置，可作为电力系统中重要的电能转换装置和电能存储装置。燃料电池具有高效率、低污染、低排放等特点，但其燃料电池是一种“耗电大户”，需要消耗大量的电力才能获得相应的电量，并且由于燃料电池需要长期蓄电和放电才能维持其正常运行，使得燃料电池系统造价较高。太阳能和风能发电。太阳能和风能发电具有高效、清洁、可再生等特点，且具有建设成本低、运行维护成本低等优势。

（三）充分发挥市场机制的作用

在传统的电力系统中，分布式能源资源的市场定位是提供辅助服务，而在电力市场中，则是作为独立市场主体参与电力市场竞争。因此，在分布式能源资源的利用过程中，需要充分發挥市场机制的作用，以实现分布式能源资源与电力市场的有效衔接。同时，对于分布式能源资源的管理而言，也需要充分发挥市场机制的作用。

根据用户用能需求，充分利用分布式能源资源参与电力系统调度。在传统的电力系统中，用户需要承担发、输、配、用等各个环节的成本费用，而在分布式能源资源参与电力系统调度后，可以通过对用户用能需求以及供电可靠性等因素进行分析，实现多种分布式能源资源优化配置。在分布式能源资源接入后，通过市场机制对用户用能需求进行定价。对具备消纳条件的分布式能源资源接入到电网中后，可以通过市场机制对其进行定价，从而引导用户合理选择分布式能源资源的接入方式。在电力系统中引入竞争机制。引入竞争机制可以充分调动各主体参与分布式能源资源建设与利用的积极性，促进分布式能源资源在电力系统中的合理配置。

三、优化配置的相关研究

分布式能源资源的优化配置研究是一项复杂的系统工程，涉及电力系统多个方面，包括分布式能源资源规划与优化、分布式能源资源接入电力系统的规划与设计电力系统的技术经济评估等。在当前分布式能源资源配置中，为了解决多目标决策问题，通常将多个目标函数进行综合，以提高决策的合理性和科学性。在多目标规划问题中，分布式能源资源配置优化是指在考虑多种因素的情况下，寻求分布式能源资源规划与优化组合问题的最优解。从研究现状来看，多目标优化问题可以划分为确定性和随机性两类。在确定性模型中，主要考虑电源出力、负荷需求和电力网络结构等因素；在随机性模型中，主要考虑负荷、电力网络和电源的动态特性等因素。在确定性模型中，一般通过蒙特卡洛仿真技术求解最优解；而在随机性模型中，则通过智能优化算法求解。无论是确定性模型还是随机性模型，都需要对多个目标进行优化决策。

四、存在的主要问题及改进策略

（一）缺乏对分布式能源系统技术经济特性的深入研究

分布式能源系统具有很强的不确定性，其内部运行状态及外部环境因素对其运行特性有着重要影响。在分布式能源系统中，如何充分发挥不同形式分布式能源的优势，提高系统的经济效率，是当前分布式能源系统研究与应用中亟待解决的问题。

（二）缺乏对分布式能源资源优化配置的支持政策

国家出台了一系列政策措施鼓励分布式能源资源在电力系统中应用，但是缺乏相关配套措施和实施细则，相关政策法规也不够完善，不能充分发挥市场机制对资源配置的决定性作用，同时也制约了分布式能源资源在电力系统中的有效利用。

（三）缺少对分布式能源技术创新的激励机制

技术开发人员缺乏积极性，导致新型发电模式和高效能量转换装置不能在电力系统中推广应用。电力市场、输配电价及相关政策法规等还存在不完善、不合理等问题，也制约了分布式能源资源在电力系统中的应用。

（四）未形成集中式多能互补供能方式

分散式多能互补供能方式具有较强的分散性和不经济性，无法为用户提供高效、经济的能源服务，难以实现规模效应。而集中式多能互补供能方式由于涉及复杂的电源协调、电网接入等问题，且成本较高，难以实施。此外，我国对分散式多能互补供能技术、设备及系统集成等缺乏研究和应用，缺乏统一的管理、规划与协调机制。

针对上述问题，需要采取相应措施予以改进，如加强分布式能源资源优化配置相关政策法规建设和实施细则制定；研究建立分布式能源资源环境效益与经济效益综合评价指标体系；研究建立分布式能源资源优化配置平台；进一步完善电力市场运行机制；加快推动分布式能源资源与其他可再生能源等多种类型资源协同发展和互补利用。

五、结语

分布式能源作为一种清洁、高效、低碳的能源利用方式，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，在电力系统中的应用必将越来越广泛，其在未来电力系统中的地位也将越来越重要。然而，目前分布式能源资源优化配置仍然存在很多问题，主要表现在缺乏配套的政策机制和技术支持。因此，应建立健全分布式能源资源优化配置机制，推动分布式能源资源应用；加强政策引导，加快分布式能源发展；完善相关技术标准和规范，推进技术创新与进步；加强政策法规建设，完善相关法律法规体系；加强分布式能源资源并网运行管理及相关技术研究；优化配置策略，推进分布式能源资源在电力系统中应用。

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