周鵬程,程怡心
(1.南方電網(wǎng)物資有限公司,廣東 廣州 510620;2.華北電力大學(xué),北京 102206)
能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題給京津冀協(xié)同發(fā)展帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)前,京津冀地區(qū)能源開(kāi)發(fā)利用面臨兩方面的矛盾:一是傳統(tǒng)能源日漸枯竭與能源利用效率低下的矛盾;二是以煤為主的能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力持續(xù)增大的矛盾。在大氣污染防治背景下,轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式,調(diào)整能源結(jié)構(gòu),提高能源利用效率,實(shí)現(xiàn)能源低碳利用已成為京津冀地區(qū)協(xié)同發(fā)展工作的重點(diǎn)[2-4]。
科學(xué)規(guī)劃和發(fā)展分布式能源是解決京津冀地區(qū)霧霾天氣的關(guān)鍵。一方面,分布式發(fā)電作為新興的能源利用方式,相對(duì)于集中式電源而言,具有靈活、高效、節(jié)能、低碳等優(yōu)勢(shì),可作為大電源和大型能源基地的良好補(bǔ)充;另一方面,京津冀地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)資源,在有效、合理規(guī)劃分布式電源方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
為解決京津冀地區(qū)霧霾天氣問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)能源的清潔、高效、低碳利用,對(duì)京津冀地區(qū)發(fā)展分布式電源的前提條件進(jìn)行了梳理分析,包括發(fā)展需求、扶持政策和資源開(kāi)發(fā)及利用現(xiàn)狀;分別考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等效益,構(gòu)建了分布式電源優(yōu)化配置指標(biāo);在此基礎(chǔ)上,建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件,并基于CO-EDO算法進(jìn)行分布式電源的優(yōu)化配置。選取京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程,以分布式冷-熱-電三聯(lián)供(Distributed Combined Cooling Heating and Power,DCCHP)系統(tǒng)為例進(jìn)行了算例分析,為有效解決京津冀地區(qū)大氣污染問(wèn)題、促進(jìn)分布式電源有序發(fā)展提供參考。
分布式電源的資源條件具有典型的地域性,而京津冀地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)資源,為有效解決大氣污染問(wèn)題,保障京津冀地區(qū)電力供應(yīng)穩(wěn)定,大力發(fā)展分布式電源項(xiàng)目創(chuàng)造了良好條件[5]。具體來(lái)說(shuō),分布式電源采用天然氣作為燃料,或以氫氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能為能源,減少SO2、NOx等有害物的排放量,有效緩解大氣污染;大規(guī)模的分布式電源就近供電,減少了大容量、遠(yuǎn)距離高壓輸電線的建設(shè)投資,且降低了高壓輸電線的電磁污染;分布式發(fā)電為用戶提供冷、熱、電等多種能源綜合利用,是解決能源危機(jī)、提高能源利用效率、保障能源安全的關(guān)鍵途徑;針對(duì)京津冀地區(qū)的某些偏遠(yuǎn)農(nóng)村,可利用風(fēng)電、光伏發(fā)電以及生物質(zhì)能發(fā)電實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”,有效推進(jìn)光伏扶貧。
開(kāi)發(fā)及利用分布式能源是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成部分,有效的政策指導(dǎo)是保障分布式能源有序發(fā)展的前提[6]。為促進(jìn)分布式能源的建設(shè)發(fā)展,北京市、天津市、河北省出臺(tái)了一系列扶持和補(bǔ)貼政策,具體如表1 所示。
京津冀地區(qū)風(fēng)能資源主要集中在北京昌平、房山、門(mén)頭溝,天津?yàn)I海新區(qū),河北張家口、承德等高海拔或沿海地區(qū);太陽(yáng)能主要集中在北京延慶、密云、懷柔,天津塘沽,河北承德、保定、石家莊等地區(qū);生物質(zhì)能主要來(lái)源于農(nóng)村地區(qū)作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾等。京津冀地區(qū)分布式能源分布及開(kāi)發(fā)情況如圖1 所示。
圖1 京津冀地區(qū)分布式能源分布及開(kāi)發(fā)情況
2.1.1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)
分布式電源優(yōu)化配置的經(jīng)濟(jì)效益可以通過(guò)單位電量成本指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。若分布式發(fā)電產(chǎn)生的社會(huì)利益大于社會(huì)成本,且在計(jì)算分布式電源的生產(chǎn)成本時(shí)僅考慮資金成本,單位電量成本C 可表示為
式中:r 為固定年利率;n 為投資償還期;k 為平均容量系數(shù),是一段時(shí)間內(nèi)分布式電源發(fā)電量與該時(shí)期內(nèi)發(fā)電小時(shí)數(shù)和裝機(jī)容量的比值;Cinv為分布式電源機(jī)組的安裝成本;Cope為分布式電源機(jī)組的運(yùn)維成本;Cful為分布式電源機(jī)組的燃料成本。
為提高電力系統(tǒng)運(yùn)行性能,通常將不同分布式電源機(jī)組組合成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)[7]。單位發(fā)電量成本Cunion可表示為
式中:m 為分布式電源機(jī)組總數(shù);ζi為所有電量成本的第i 種分布式電源的占比系數(shù);Cinv,i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的安裝成本;Cope,i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的運(yùn)維成本;Cful,i為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的單位燃料成本;ni、ki分別為第i 臺(tái)分布式電源機(jī)組的投資償還期和平均容量系數(shù)。
2.1.2 技術(shù)效益指標(biāo)
當(dāng)分布式電源接入電網(wǎng)后,會(huì)引起配電網(wǎng)潮流大小和方向的改變,進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。分布式電源優(yōu)化配置的技術(shù)效益可以通過(guò)幾種評(píng)估配電網(wǎng)電壓的指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。
1)綜合網(wǎng)損電壓指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)損耗Uloss和電壓質(zhì)量Uqual。綜合網(wǎng)損電壓Uwsdy可表示為
式中:T 為配電網(wǎng)總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);μ 為比例系數(shù);Utbus為節(jié)點(diǎn)t 處母線電壓幅值;Ij為支路j 的電流;Rj為支路j 的電阻;J 為總支路數(shù);Urat為額定電壓幅值。
2)靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)。該指標(biāo)是對(duì)分布式電源接入配網(wǎng)后改善電力系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性作用的量化。靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)Ujtdy可表示為
式中:δ=δt1-δt2為分布式電源接入支路的節(jié)點(diǎn)t1與節(jié)點(diǎn)t2的相位差;Ut1∠δt1和Ut2∠δt2分別為首、末 端電壓。
3)電壓改善指標(biāo)。該指標(biāo)是指分布式電源接入配網(wǎng)后電壓指標(biāo)與未接入分布式電源的電壓指標(biāo)之比。電壓改善指標(biāo)Uubt可表示為
式中:Uunot和Uuot分別為分布式電源接入前、接入后的電壓指標(biāo)Uut(若電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)為t,電壓幅值為Ut,節(jié)點(diǎn)負(fù)荷為L(zhǎng)t,各節(jié)點(diǎn)權(quán)重值為αt,則電壓指標(biāo)可表示為。
2.1.3 環(huán)境效益指標(biāo)
分布式電源優(yōu)化配置的環(huán)境效益可以通過(guò)環(huán)境改善指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。該指標(biāo)是指安裝分布式電源前、后的第b 種污染物排放量的比值。環(huán)境改善指標(biāo)EIRIb可表示為
2.2.1 目標(biāo)函數(shù)
分布式電源優(yōu)化配置模型的目標(biāo)函數(shù)表示為
式中:Fobj為分布式電源優(yōu)化配置的綜合效益。
2.2.2 約束條件
目標(biāo)函數(shù)需要滿足節(jié)點(diǎn)電壓約束、導(dǎo)線電流約束、分布式電源容量約束以及分布式電源接入總量約束等限制條件[8]。
1)分布式電源節(jié)點(diǎn)電壓約束。
式中:Ut、Utmax、Utmin分別為節(jié)點(diǎn)t 的電壓、電壓上限、電壓下限。
2)分布式電源導(dǎo)線電流約束。
式中:It和Itmax分別為節(jié)點(diǎn)t 的電流和電流上限。
3)分布式電源容量約束。
此外,以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行算例分析,系統(tǒng)也需要滿足自身的設(shè)備運(yùn)行約束和系統(tǒng)運(yùn)行約束。
將混沌優(yōu)化算法(Chaos Optimization,CO)和極值動(dòng)力學(xué)優(yōu)化算法(Extreme Dynamics Optimization,EDO)相結(jié)合,形成CO-EDO 算法優(yōu)化模型。COEDO 算法模型利用CO 算法全局搜索能力強(qiáng)、能夠快速逼近最優(yōu)解的特點(diǎn),彌補(bǔ)了EDO 算法容易陷入局部最優(yōu)的不足;同時(shí),EDO 算法具有強(qiáng)大的局部搜索能力,協(xié)助CO 算法跳出局部極值,避免CO算法過(guò)早收斂[9]。另外,EDO 算法會(huì)增加CO 算法計(jì)算的時(shí)間,減緩了算法的收斂速度,需要設(shè)定時(shí)間間隔(即設(shè)定W 代)以保證算法的快速收斂能力。采用自適應(yīng)Lévy 變異作為變異算子,其函數(shù)概率分布為
式中:y 為函數(shù)概率分布因變量;γ 為規(guī)模因子,且滿足γ>0;τ 為函數(shù)參數(shù),當(dāng)τ=1 時(shí)Lτ,γ(y)為Cauchy 分布,當(dāng)τ→2 時(shí)Lτ,γ(y)接近于Gaussian 分布。
選取京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程,以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行算例分析,算例的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 和表3 所示。
表2 DCCHP 系統(tǒng)能源價(jià)格
表3 DCCHP 設(shè)備技術(shù)參數(shù)
DCCHP 系統(tǒng)的夏、冬兩季典型日負(fù)荷曲線如圖2 和圖3 所示。從電力負(fù)荷分布上看,07∶00 后電力負(fù)荷逐漸上升,分別在08∶00—10∶00、18∶00—22∶00達(dá)到高峰期。此外,分布式示范工程屬于工業(yè)園區(qū),因此夜間時(shí)段的用電負(fù)荷也很穩(wěn)定。從冷負(fù)荷分布上看,需求主要集中在夏季,且12∶00—24∶00 的冷負(fù)荷需求高,00∶00—12∶00 的需求低。從熱負(fù)荷分布來(lái)看,冬季的用熱負(fù)荷量大,一方面用于采暖供需,一方面用于工業(yè)生產(chǎn)的熱水供應(yīng)。
結(jié)合DCCHP 系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和典型日負(fù)荷需求的特點(diǎn),借助CO-EDO 算法求解DCCHP 系統(tǒng)在夏、冬兩季的供能協(xié)同組合運(yùn)行結(jié)果,以此給出分布式電源的最優(yōu)配置方案,優(yōu)化結(jié)果如圖4—圖8 所示。
圖2 夏季典型日負(fù)荷需求
圖3 冬季典型日負(fù)荷需求
圖4 夏季冷負(fù)荷供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果
圖5 夏季電力供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果
由圖4 和圖5 可知,夏季電力負(fù)荷需求由燃?xì)廨啓C(jī)、光伏發(fā)電供應(yīng),若電力不足需要向電網(wǎng)購(gòu)電。由于22∶00—次日06∶00 為夏季電價(jià)的谷時(shí)段,此時(shí)段多向電網(wǎng)購(gòu)電以滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷需求。另外,07∶00—19∶00 光照條件較好,此時(shí)段的電力需求多由分布式光伏發(fā)電供應(yīng)。夏季冷負(fù)荷需求由電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)供應(yīng),07∶00—19∶00 的用電高峰時(shí)段主要由吸收式制冷機(jī)進(jìn)行冷負(fù)荷供應(yīng),電制冷機(jī)多在夜間的谷時(shí)段進(jìn)行冷負(fù)荷供應(yīng)。
圖6 冬季電力供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果
圖7 冬季采暖供應(yīng)優(yōu)化結(jié)果
由圖6—圖8 可知,冬季電負(fù)荷需求主要由燃?xì)廨啓C(jī)、分布式光伏發(fā)電供應(yīng),若電力不足也需向電網(wǎng)購(gòu)電。由于22∶00—次日06∶00 為冬季電價(jià)的谷時(shí)段,此時(shí)段多向電網(wǎng)購(gòu)電以滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷需求。另外,08∶00—17∶00 光照條件較好,此時(shí)段的電力需求多由分布式光伏供應(yīng)。冬季熱水需求由燃?xì)廨啓C(jī)、熱水器供應(yīng),采暖主要由燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)。08∶00—17∶00 為用熱高峰時(shí)段,熱水需求主要由熱水器供應(yīng),燃?xì)廨啓C(jī)用于滿足夜間需求。
借助CO-EDO 算法優(yōu)化得到系統(tǒng)年費(fèi)用、一次能耗節(jié)能率以及CO2減排率,如表4 所示。
表4 DCCHP 系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)化值
由表4 可知,相比分供系統(tǒng),DCCHP 系統(tǒng)在夏、冬兩季都達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行效益,同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。相比于夏季,冬季的優(yōu)化值無(wú)論是在系統(tǒng)費(fèi)用的減少比例、一次能耗節(jié)能率、CO2減排率等方面都要大于夏季的優(yōu)化值,主要是由于冬季外界氣溫低,相對(duì)來(lái)講熱效率較低,且光照強(qiáng)度相對(duì)較弱,一次能源消耗量較多,成本較高。
具體來(lái)說(shuō),DCCHP 系統(tǒng)利用了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂透邷責(zé)崴鳛殇寤嚈C(jī)組的熱源,實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用,相應(yīng)減少了系統(tǒng)一次能源的投入,降低了系統(tǒng)成本;DCCHP 系統(tǒng)利用分布式光伏為系統(tǒng)提供電力,同時(shí)借助熱水器實(shí)現(xiàn)熱水供給,降低了一次能源的投入,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
為解決大氣污染問(wèn)題,促進(jìn)京津冀地區(qū)分布式能源科學(xué)有效發(fā)展和規(guī)劃,提出一種基于CO-EDO算法的分布式電源優(yōu)化配置方法。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境等效益,構(gòu)建了分布式電源優(yōu)化配置指標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件,并基于CO-EDO 算法進(jìn)行分布式電源的優(yōu)化配置。針對(duì)京津冀地區(qū)某分布式能源示范工程,以DCCHP 系統(tǒng)為例進(jìn)行了分析,結(jié)果驗(yàn)證了所提模型算法是有效的。
基于研究結(jié)果,從宏觀和微觀層面對(duì)京津冀地區(qū)分布式電源發(fā)展提出建議。在宏觀層面,一是應(yīng)結(jié)合京津冀地區(qū)能源資源特點(diǎn),因地制宜發(fā)展分布式電源;二是優(yōu)化分布式電源配套政策,統(tǒng)一分布式電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;三是實(shí)施年度發(fā)展計(jì)劃,加快建立適應(yīng)分布式電源的項(xiàng)目全過(guò)程管理機(jī)制;四是加快推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè),保障分布式電源發(fā)展等。在微觀層面,一是應(yīng)借助科學(xué)的分布式電源評(píng)價(jià)工具,應(yīng)用差異化的項(xiàng)目發(fā)展策略;二是應(yīng)借助有效的分布式電源優(yōu)化工具,促進(jìn)分布式電源優(yōu)化配置。