可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性影響分析

張丹丹，婁婷婷，鄭天茹，王 然

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

隨著能源危機(jī)和氣候變化的加劇，能源結(jié)構(gòu)變革勢在必行［1］?？稍偕茉摧^傳統(tǒng)化石能源具有能源利用效率高、環(huán)境負(fù)面影響小等優(yōu)點［2］，被應(yīng)用于電力系統(tǒng)［3-4］。

隨著并網(wǎng)電量的不斷增加，可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性影響將越來越大。文獻(xiàn)［5］論述了可再生能源并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性，但未給出可再生能源詳細(xì)效益分析模型及量化計算。文獻(xiàn)［6-7］主要從優(yōu)化電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度出發(fā)，建立可再生能源并網(wǎng)多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)學(xué)模型，分析電網(wǎng)對微電網(wǎng)的接納能力?，F(xiàn)有可再生能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性研究多從電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度出發(fā)，研究均未計及可再生能源電網(wǎng)企業(yè)補(bǔ)貼，缺乏對可再生能源并網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)全面分析。

針對上述問題，在詳細(xì)分析可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響因素的基礎(chǔ)上，提出一種基于系統(tǒng)動力學(xué)的可再生能源發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益模型，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗證。

1 可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)影響因素分析

分布式發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，使得可再生能源發(fā)電量不斷增加，進(jìn)而對電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行產(chǎn)生重大影響。分布式發(fā)電并網(wǎng)運行對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

對網(wǎng)損的影響。分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與配電網(wǎng)負(fù)荷分布均發(fā)生改變，加之分布式電源選址、定容等因素均對系統(tǒng)損耗產(chǎn)生影響。

對系統(tǒng)潮流的影響。由于分布式電源具有隨機(jī)性，其并網(wǎng)發(fā)電后會使系統(tǒng)潮流存在隨機(jī)性，傳統(tǒng)潮流算法難以滿足計算需求。

對供電可靠性、故障電流、系統(tǒng)電壓和電能質(zhì)量均會產(chǎn)生一定的影響。

除上述影響外，可再生能源并網(wǎng)后，還存在配電系統(tǒng)供需平衡、配電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計等問題。

通過分析可知，可再生能源并網(wǎng)對電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性影響主要包括2 部分：可再生能源發(fā)電過程中會對電網(wǎng)造成不同程度地沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及電能質(zhì)量與發(fā)電計劃等，為了盡量避免這些影響，電力系統(tǒng)在頻率控制、電壓調(diào)節(jié)、備用容量和無功功率等方面的成本增加，導(dǎo)致電網(wǎng)企業(yè)收益下降，同時，可再生能源遠(yuǎn)距離輸電還會造成線損增加；國家為推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)變革，對可再生能源發(fā)電進(jìn)行電價補(bǔ)貼，降低其并網(wǎng)發(fā)電成本。

2 基于系統(tǒng)動力學(xué)的模型搭建

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)

系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics，SD）最早由Jay W.Forrester 教授提出，以反饋控制為理論基礎(chǔ)，用于研究復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)分析［8］。系統(tǒng)動力學(xué)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的整體性，主要從系統(tǒng)行為與內(nèi)在機(jī)制兩者的密切關(guān)系進(jìn)行分析，用數(shù)學(xué)方程來研究系統(tǒng)在各參數(shù)或不同輸入策略下的系統(tǒng)變化行為與變化趨勢。

研究可再生能源并網(wǎng)對電網(wǎng)企業(yè)經(jīng)營成本和收益變化，通過確定可再生能源發(fā)電引起的相關(guān)經(jīng)濟(jì)要素變化及相應(yīng)變化量，分析可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響，構(gòu)建基于系統(tǒng)動力學(xué)的可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響系統(tǒng)流如圖1 所示。

圖1 可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響系統(tǒng)流圖

2.2 模型搭建

分析可再生能源發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益包括3 部分，分別為可再生能源并網(wǎng)電量，電力系統(tǒng)運行成本與收入，電網(wǎng)企業(yè)收益。

可再生能源并網(wǎng)電量。研究基于可再生能源初始發(fā)電量與年增長量，計算可再生能量實際并網(wǎng)發(fā)電量。

可再生能源并網(wǎng)運行成本與收入。研究可再生能源發(fā)電后，為保證日常的電能生產(chǎn)經(jīng)營活動能夠正常運轉(zhuǎn)所投入的一些輔助成本，需要承擔(dān)的線路損耗成本以及售電收入。

可再生能源并網(wǎng)收益。研究可再生能源發(fā)電情況下增加的售電量及可再生能源的售電電價，其中考慮了可再生能源發(fā)電的電價補(bǔ)貼。

基于系統(tǒng)動力學(xué)建立可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響數(shù)學(xué)方程包括狀態(tài)方程，速率方程與輔助方程3 部分。

2.2.1 狀態(tài)方程

建立可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響的系統(tǒng)動力學(xué)狀態(tài)方程為

式中：QT為第T 年可再生能源發(fā)電量，kWh；Q0為可再生能源初始基準(zhǔn)年發(fā)電量，kWh；q（t）為可再生能源第t 年發(fā)電變化值，kWh／a。

2.2.2 速率方程

式中：Et為第t 年技術(shù)進(jìn)步因數(shù)；ω1為技術(shù)進(jìn)步因數(shù)權(quán)重；Yt為第t 年政策支持因數(shù)；ω2為政策支持因數(shù)權(quán)重；QT-1為第T-1 年可再生能源發(fā)電量，kWh。

2.2.3 輔助方程

可再生能源并網(wǎng)運行成本

可再生能源并網(wǎng)收入

可再生能源并網(wǎng)運行效益

3 實際系統(tǒng)仿真

針對某省2011—2020 年風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行仿真，分析其并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性影響。對模型中部分常數(shù)進(jìn)行賦值，如表1 所示，仿真所需其他參數(shù)參見文獻(xiàn)［9］。

表1 SD 模型的參數(shù)值

計及技術(shù)進(jìn)步增長特性，可再生能源技術(shù)改進(jìn)因數(shù)取值如圖2 所示。

圖2 技術(shù)進(jìn)步因數(shù)

基于Vensim 軟件進(jìn)行仿真，仿真求得可再生能源逐年并網(wǎng)發(fā)電量如圖3 所示，可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)性影響如圖4 所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電逐年發(fā)電量

圖4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)運行效益

從模擬結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與實際可再生能源并網(wǎng)運行情況相符，即隨著裝機(jī)容量的不斷增大，可再生能源效益顯著增加，且增長迅速，其在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行上的貢獻(xiàn)顯著。

4 結(jié)語

可再生能源發(fā)電相對于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)投資成本高，但隨著其發(fā)電、配電技術(shù)的日益成熟，其在資源消耗量等方面的優(yōu)勢不斷凸顯，可再生能源并網(wǎng)在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行方面會為電網(wǎng)企業(yè)帶來顯著的效益。因此，考慮電力系統(tǒng)中長期經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)積極發(fā)展可再生能源。