胡開拓　柳瑞禹

摘要：基于分布式發(fā)電技術而形成的綜合能源系統(tǒng)，具有低碳、環(huán)保、能量利用效率高的特點，其產(chǎn)生的巨大的外部效益與社會影響卻鮮有規(guī)范的評價體系。因此本文從經(jīng)濟、環(huán)境和社會三個方面對綜合能源系統(tǒng)外部效應影響進行定性分析，通過層次分解的方法，構建綜合能源系統(tǒng)的三級評價指標體系，并將其外部效益內部化，成功運用于廣州知識城綜合能源系統(tǒng)的外部效益計算。

關鍵詞：綜合能源系統(tǒng)；外部效益；評價指標；內部化

1.引言

我國大型電網(wǎng)建設迅猛，極大緩解我國經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求。但日益苛刻的碳排放標準，用戶對電力服務需求的多樣化，部分偏遠地區(qū)或特殊區(qū)域對于綜合集成電力服務的渴求等等，已經(jīng)成為我國電力發(fā)展過程中不可忽視的制肋。

小型發(fā)電裝置（50MW以下）分散布置在用戶（負荷）現(xiàn)場或用戶附近對于傳統(tǒng)大型集中式的發(fā)電起來了補充與替代作用（魯宗相，2007）。這種分布式發(fā)電的主要特點包括：提高能量利用率，減少各種碳化物的排放，比較環(huán)保，提高電能質量和供電的可靠性，減少了由電能遠距離傳輸所帶來的線損和各種穩(wěn)定方面的問題，延緩負荷增長造成的電網(wǎng)膨脹（鄭漳華，2008）?？煽啃约夹g解決方案協(xié)會2002年在分布式發(fā)電的基礎上，較完整的提出了微電網(wǎng)的概念，闡述了其可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等得要求，并對其在可靠性、經(jīng)濟性及其對環(huán)境的影響等方面進行了研究（鄭漳華，2008）。盛鹍（2007）根據(jù)我國電網(wǎng)的實際情況，對微電網(wǎng)的基本要素進行了定義：能量來源為可再生能源，發(fā)電類型為微型燃氣輪機，內燃機，燃料電池，太陽能電池，風力發(fā)電，生物只能等，系統(tǒng)容量為20KW-10MW，網(wǎng)內的用戶配電電網(wǎng)等級為380V，或者包括10.5kV。曾鳴等（2010）從綜合能源系統(tǒng)線損效益、電價效益和環(huán)境效益三個方面分析了綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟效益，指出綜合能源系統(tǒng)能有效減少線損、降低系統(tǒng)中的環(huán)境污染和環(huán)保支出。從分布式發(fā)電到微電網(wǎng)，這種新型發(fā)電方式在理論研究與實際應用中內容不斷充實、完善和發(fā)展，經(jīng)驗不斷積累，最終形成了綜合能源系統(tǒng)成熟的概念模型。

綜合能源系統(tǒng)充分利用可再生能源、優(yōu)質清潔化石能源（主要是天然氣），在日益成熟的分布式能源發(fā)電技術及微電網(wǎng)的基礎上，集成智能控制系統(tǒng)、分布式能源、儲能裝置，并接入用戶荷載和大電網(wǎng)。既滿足區(qū)域內對于電力的多樣需求，同時兼顧低碳運行，必要時并入大電網(wǎng)提供支持，達到其內部經(jīng)濟性與外部經(jīng)濟性最優(yōu)平衡，成為我國智能電網(wǎng)發(fā)展中一個不可或缺的重要補充，其組織架構如下圖所示。

圖1綜合能源系統(tǒng)組成架構

2.綜合能源系統(tǒng)外部性評價指標構建的理論基礎——外部性理論

外部性，也稱外在效應或溢出效應，是指在實際經(jīng)濟活動中，生產(chǎn)者或消費者的活動對其他生產(chǎn)者或消費者帶來的非市場性的影響，而沒有得到懲罰或補償，使得價格機制不能有效的配置資源。

要充分評價綜合能源系統(tǒng)的外部性，無論是外部收益還是外部損失，必須參照一個正確的價值基準，即價值判斷與價值選擇的問題。綜合能源系統(tǒng)作為經(jīng)濟社會系統(tǒng)中的一部分，其發(fā)展的目標必須與人類社會的可持續(xù)發(fā)展的目標相一致。

3.綜合能源系統(tǒng)外部性指標體系構建

基于上述理論論述，綜合能源系統(tǒng)外部性主要從其經(jīng)濟外部性、環(huán)境外部性以及社會外部性構建其指標體系。

3.1 經(jīng)濟外部性。經(jīng)濟的外部性包括技術經(jīng)濟外部性和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟外部性兩個方面。

3.1.1 技術經(jīng)濟外部性。綜合能源系統(tǒng)利用新型發(fā)電技術，在并網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時，綜合能源系統(tǒng)的加入能給現(xiàn)有的電力系統(tǒng)提供電壓支持，減少遠距離輸電的線損，提高能源利用效率。

（1）電壓支持。綜合能源系統(tǒng)提供電壓支持，主要表現(xiàn)形式為：

第一，綜合能源系統(tǒng)提供的功率離負荷很近，容易改善電壓質量。即使系統(tǒng)中所使用的功率絕大部分由集中供電提供，綜合能源系統(tǒng)仍可以作為同步調相機運行，從而減少對配電系統(tǒng)中實現(xiàn)電壓支持的其他設備的需求。

第二，通過綜合能源系統(tǒng)提供自動電壓調節(jié)（VAR）支持。通過控制電力調節(jié)設備中的電力電子元件的運行狀態(tài)，使發(fā)電機母線電壓保持為常數(shù)。電力調節(jié)設備可為綜合能源系統(tǒng)提供超前或滯后的無功功率，可以改善局部無功功率的不平衡。

（2）能源利用效率提升。綜合能源系統(tǒng)對于能源利用效率的提升包括發(fā)電環(huán)節(jié)與供電環(huán)節(jié)兩個部分。

發(fā)電環(huán)節(jié)中，綜合能源系統(tǒng)能夠實現(xiàn)熱、電、冷能量的三級聯(lián)供，主要是利用燃氣輪機或燃氣內燃機燃燒潔凈的天然氣發(fā)電，對作功后的余熱進一步吸收，用來制冷、供暖和生活熱水。與傳統(tǒng)的集中式供電相比，可以使能源的綜合使用率提高到85%以上，一般情況可以節(jié)約能源成本30-50%以上。

輸電環(huán)節(jié)能源效率的提升則主要來自于輸變電過程網(wǎng)損的降低。綜合能源系統(tǒng)中的微電源由于就近靈活的分在用電負荷的附近，減小了輸電距離，輸電過程的線損必然減小，發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能通過中低壓的配電網(wǎng)進行運輸，無需通過變壓器的升降壓，也會減少供電過程中的電能損耗。

（3）信息的集成控制與智能管理。在已建立的配電和輸電系統(tǒng)中，對于電力市場驅動的運行模式的需要，僅僅采用統(tǒng)一的制度結構框架就能滿足要求。然而，隨著電能生產(chǎn)方面不斷增長的競爭，用戶電力需求的多樣性要求，需要對這一框架進行拓展，將小規(guī)模的發(fā)電機全部整合進市場中，同時納入用戶的需求特征信息。在這樣的市場中綜合能源系統(tǒng)可參與承擔基本負荷、批量銷售、電能規(guī)劃、短期負荷以及其他市場服務等任務。

3.1.2 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟外部性。硬件設備方面，綜合能源系統(tǒng)采用的分布式發(fā)電技術設備主要包括燃氣輪機，余熱鍋爐，蒸汽透平，壓縮式制冷，吸收式制冷，蓄冷、蓄熱設備，以及控制系統(tǒng)和設備?？梢灶A見，隨著綜合能源站大規(guī)模的興起，也會促進國內相應的設備制造業(yè)、硬件技術產(chǎn)業(yè)按照市場經(jīng)濟的規(guī)律和機制發(fā)展起來。

軟件技術方面包括兩類，一類是綜合能源系統(tǒng)的集成設計，綜合能源系統(tǒng)的配置與用戶所在地域的氣候，對供冷、供熱的需求以及天然氣、電力的供應條件和價格有非常密切的關系，絕對不可能是千篇一律的。第二類軟件技術是分布式能源站的運營管理和控制技術，當氣候條件、其他人為條件造成冷、熱負荷的變化，或者電、天然氣以及其他能源價格發(fā)生改變時，運營軟件都能使這個系統(tǒng)始終在高效率下運行。

3.2 環(huán)境外部性。環(huán)境的外部性表示經(jīng)濟主體對于其沒有直接的市場合約關系的人們的環(huán)境福利所產(chǎn)生的有害影響（孫鰲，2010），其后果主要體現(xiàn)在三個方面：對生態(tài)環(huán)境的損害、對人體健康的影響以及不可更新資源的損耗。

傳統(tǒng)供電系統(tǒng)對環(huán)境造成影響的來源包括三個：溫室氣體排放、污染物排放和資源消耗，影響方式包括直接影響和間接影響兩類。直接影響表示供電系統(tǒng)生產(chǎn)過程中直接消耗的資源與產(chǎn)生的排放，而間接的影響還考慮了投入要素生產(chǎn)過程中消耗的資源和產(chǎn)生的排放。

3.3 社會外部性。社會外部性包括對地區(qū)社會發(fā)展的促進、供電的可靠性以及供電自給率。

（1）促進地區(qū)發(fā)展指標。綜合能源系統(tǒng)對地區(qū)社會發(fā)展的促進可以從就業(yè)和用電支出占收入比的變化兩個方面考察。Kanase（2010）研究了綜合能源系統(tǒng)在偏遠、離網(wǎng)地區(qū)發(fā)展的可能性，結果表明：通過合理組合，能夠降低綜合能源系統(tǒng)的發(fā)電成本，促進可再生能源資源的利用，滿足偏遠地區(qū)的能源需求。綜合能源系統(tǒng)項目能夠促進不僅能夠帶動上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如設備制造、零部件供應、原材料生產(chǎn)等就業(yè)，也將促進配套的服務業(yè)發(fā)展，包括工程建設企業(yè)、工程咨詢公司、面向客戶的節(jié)能服務企業(yè)、技術研發(fā)企業(yè)等。

（2）供電可靠性。供電可靠性表示供電系統(tǒng)持續(xù)供電的能力，是考核供電系統(tǒng)電能質量的重要指標。綜合能源系統(tǒng)通過并網(wǎng)可與集中發(fā)電系統(tǒng)連接，通過PCC（point of common coupling）與大電網(wǎng)進行能量交換，大量現(xiàn)代化的電子電力設備保障系統(tǒng)能在短時間內恢復流暢穩(wěn)定的運行，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)之間、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間相互備份，能夠減少高峰負荷時期的輪流停電。常用的供電可靠性指標包括用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)、系統(tǒng)等效停電小時數(shù)、供電可靠率。

（3）供電自給率。我國區(qū)域能源供給與需求的分布存在顯著的差異，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的東部沿海地區(qū)是能源與電力的主要受端，包括廣東、江蘇、浙江和京、津、唐地區(qū)，而西部地區(qū)的貴州、云南、廣西、四川、內蒙和山西等省份的電力資源較為豐富，因此形成了以三條線路為代表的西電東送的電力供應格局。從地區(qū)的角度而言，跨區(qū)域運輸線路過長，一方面運輸過程的損耗也將增加，另一方面，自然災害、安全事故等也會增加供電的安全風險。提高區(qū)域的供電自給程度能有效降低地區(qū)長期缺電的可能性，增加抗風險能力，保障區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

3.4 本章小結。綜合能源系統(tǒng)外部效益的指標體系，從經(jīng)濟外部性、環(huán)境外部性、社會外部性三個方面構建指標體系。

4.綜合能源系統(tǒng)外部性指標內部化

為了評價和比較外部效應及其成本，有必要將其化為同一單位，比如貨幣單位就是較便利的選擇，這樣將外部效應轉化為貨幣單位就是外部成本。由于外部成本并不是決策者所依據(jù)的主要因素，因此需要使用合適的方法使其內部化（姜子英，2008）。

在對不同發(fā)電供應技術的外部成本進行計量時，需要遵循：（1）盡可能使用量化的數(shù)據(jù)和過程進行影響的評價和加權；（2）影響轉換的共同單位是貨幣；（3）以個人的偏好為基礎，通過個人的WTP和WTA轉換為貨幣形式；（4）計量損害比計量負擔或效應更重要；（5）大部分環(huán)境影響使用影響路徑法進行分析，并且能夠計量隨具體時間和地點的外部成本；（6）能夠計量平均或總的外部效應或成本。

4.1 技術經(jīng)濟外部性指標

（1）電壓分布改善指標（VPII）。綜合能源系統(tǒng)對于各種母線電壓分布的改善指標可用下式表示。

VPII=VPw/DG/VPWO/DG

VPII<1，分布式發(fā)電沒有改善系統(tǒng)電壓分布；

VPII=1，分布式發(fā)電對系統(tǒng)電壓分布沒有影響，

VPII>1，分布式發(fā)電能夠改善系統(tǒng)電壓分布。

VPW/DG和VPWO/DG分別表示使用和不使用分布式發(fā)電情況下輸電系統(tǒng)的電壓分布，其具體由下式計算得出：

VP=∑Ni=1ViLiKi

其中V表示母線i的電壓級別，L表示母線i的負荷，K表示母線i的權重。

（2）線路損失降低指標（LLRI）。由于綜合能源系統(tǒng)的發(fā)電源與負荷側的距離很近，能夠減少輸電線路中的潮流，從而降低線路的電能損耗。線路損耗降低指標（Line loss reduction index，LLRI）可用下式表達：

LLRI=（LLw/DG-LLWO/DG）ECarea/LLw/DG其中，ECarea表示項目區(qū)域的年供電量，LLW/DG和LLWO/DG分別表示使用和不使用分布式發(fā)電情況下輸電系統(tǒng)總的線路損耗，其具體由下式計算得出：

LLw/DG=3×∑Mi=1I2i×R×Di

其中I表示電流，R表示電阻，D表示輸電線路的長度，M表示輸電線路的數(shù)目。

因此使用項目區(qū)域年供電量乘以線路損失差額的百分比和電價即可以得到應用綜合能源系統(tǒng)獲得的降低線路損耗獲得的收益。

BLR=LLRI×Pc

（3）線路容量釋放指標（LCRI）。綜合能源系統(tǒng)可以減小配電網(wǎng)對電網(wǎng)輸送容量的需求，從而可以延遲電力系統(tǒng)網(wǎng)絡升級需要的成本與投資。綜合能源系統(tǒng)節(jié)約的配電網(wǎng)容量由下式計算得出：

ΔC=（1-u）r（1+r）Y（1+r）Y-1∑Ni=1Pixi

其中：u為電網(wǎng)對綜合能源系統(tǒng)的備用率，Y為延緩電網(wǎng)擴建的年數(shù)，r為折現(xiàn)率，xi為綜合能源系統(tǒng)中第i種電源，Pi為其裝機容量。節(jié)約的網(wǎng)絡升級容量ΔC乘以單位容量的投資成本即得到線路容量釋放指標（LCRI）。

LCRI=ΔC×Iac

（4）能源效率提升指標（EEPI）。節(jié)能率、總熱效率（一次能源利用率）是評價綜合能源系統(tǒng)技術方案優(yōu)劣的關鍵指標，綜合能源系統(tǒng)能源效率提升所節(jié)約的能源經(jīng)濟價值為：（綜合能源系統(tǒng)熱電冷聯(lián)產(chǎn)總熱效率-煤電的熱效率）*綜合能源系統(tǒng)的年發(fā)電量*發(fā)電平均煤耗*煤價。

4.2 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟外部性指標。本文借鑒投入-產(chǎn)出分析中的直接消耗與完全消耗的概念，使用單位投資的帶動的上下游年產(chǎn)值作為綜合能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟外部性指標。

IE=IiesEIC

經(jīng)濟外部性綜合指標為上述指標的加權之和：EEI=wLRBLR+wLCRILCRI+wEEPIEEPI+wIEIE式中：wi（i=LR，LCRI，EEPI，IE）分別表示各三級指標相應的權重。

4.3環(huán)境外部性指標的量化。環(huán)境外部性的量化方法主要可分為自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）兩種。自上而下的方法采用高度綜合的數(shù)據(jù)，來估算特定污染物的損害價值。自下而上的方法則使用具體位置和技術的排放數(shù)據(jù)、污染物擴散模式、接受體的詳細信息和劑量-響應函數(shù)等來計算整個生產(chǎn)鏈的活動造成的環(huán)境和社會影響，然后以貨幣單位來計量這些影響，也被稱為影響路徑法（Impact Pathway Analysis）。

（1）氣候變化指標的量化。對全球變暖有貢獻的氣體包括CO2、NOX、CO和CH4。依據(jù)國際環(huán)境毒理學與化學學會、IPCC和ISO14042建立的框架，可將全球氣候變暖的影響特征化，用全球變暖潛值表示（global warming potential， GWP）。各種物質的排放量乘以相應的當量因子可以轉換為標準的二氧化碳排放量。

δGW=ΣQj×δEFj

其中Qj表示第j種氣體排放量，δEFj表示第j種氣體轉化為二氧化碳的系數(shù)因子。

綜合能源系統(tǒng)單位發(fā)電量節(jié)約的溫室氣體排放量（用CO2表示）乘以碳交易價格。

（2）環(huán)境污染指標的量化。綜合能源系統(tǒng)節(jié)約排放的污染物的經(jīng)濟價值用下式表示：

PS=∑Ni=1∑Mj=1Vjδc，j-δi，jEe，ixi

其中：Vj表示第j種排放物的環(huán)境價值，Ee，i表示第i種分布式電源的年發(fā)電量，δc，j表示煤電單位發(fā)電量產(chǎn)生的第j種污染物的排放量，δi，j表示第i種分布式電源單位發(fā)電量產(chǎn)生的第j種污染物的排放量。

環(huán)境價值是較難確定的變量，主要與生態(tài)環(huán)境的治理與恢復以及對人身體健康效應的影響有關。

首先，建立每種污染物與健康效應之間的劑量-反應關系等式，如式所示：

HExrh=DRxh×Crx×POPr

式中：HExrh為r地區(qū)由于污染物x（SO2、NOx）導致的第h類型健康效應；DRxh表示污染物x與第h種健康效應的劑量-反應關系系數(shù)（即污染物濃度增加1μg/m3，每百萬人中發(fā)生特定健康問題的人數(shù)）；Crx為大氣中x的濃度，POPr為人口數(shù)。

在得到各種類型健康效應之后，使用支付意愿法（willing to pay， WTP），通過實際調查得到人們對于每種健康效應所愿意付出的金錢代價，進而估算得到各種類型健康效應的經(jīng)濟損失。

HEVxrh=Vxh×HExrh

最后通過加總就可以計算得到環(huán)境污染導致的健康效應總的經(jīng)濟成本。

THEV=∑r∑x∑hHEVxrh