胡競秋,張軒,嚴(yán)心然,侯慶峰,曾婧瑤,鄒莊磊
(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100000;2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510641)
經(jīng)濟(jì)與社會的快速發(fā)展推動著能源生產(chǎn)消費(fèi)革命,構(gòu)建安全、高效、清潔、低碳的能源體系,開展多能互補(bǔ)集成優(yōu)化工程,建立并開展多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)和綜合能源服務(wù)是我國《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的主要任務(wù)之一[1-2],也是新型電力系統(tǒng)建設(shè)中的重要內(nèi)容。
本研究面向多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益評估,建立以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境與低碳性、社會與技術(shù)性為基礎(chǔ)的綜合評價指標(biāo)體系,應(yīng)用層級分析法和反熵法確定主客觀相結(jié)合的指標(biāo)權(quán)重占比,既符合多目標(biāo)多層次的系統(tǒng)評價,又具備降低權(quán)重分配時可能出現(xiàn)的極端情況概率的能力。并通過指標(biāo)實際值與評估分?jǐn)?shù)的對應(yīng)關(guān)系,采用最小二乘擬合得到評分函數(shù),結(jié)合各項指標(biāo)的評分函數(shù)與其權(quán)重,由此建立完整的量化評估方法,實現(xiàn)多層次評價多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的綜合效益。最后以2個多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)評估為例,證明本文所提方法的有效性。
本文所分析的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)可分為儲能、可再生能源、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、用戶收益4種利益主體。通過計算綜合能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益,量化綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,為后續(xù)建立綜合能源系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)評估體系奠定基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)儲能:儲能在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中并不具備規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性,由于其在日內(nèi)未進(jìn)行充放電操作,不存在直接的經(jīng)濟(jì)收益CI,S,即
CI,S=0.
(1)
綜合能源系統(tǒng)內(nèi)儲能:收益為賺取峰谷價差,其計算式為
pPV(t)WPV,S(t)).
(2)
式中:CC,S為儲能主體的經(jīng)濟(jì)收益;pS(t)、pG(t)和pPV(t)分別為t時刻儲能、電網(wǎng)及光伏處售電電價;WS(t)為儲能處售電量;WG,S(t)、WPV,S(t)分別為儲能向電網(wǎng)、光伏購電量;T為時刻集合。
考慮到低壓側(cè)分布式可再生能源特點(diǎn),本研究以光伏主體收益為例。新能源平價上網(wǎng)政策發(fā)布后,在傳統(tǒng)供能模式下,光伏主體的收益來源于光伏全額上網(wǎng)的收益CI,PV,即
(3)
式中:pPV,G(t)為光伏上網(wǎng)電價;WPV,G(t)為光伏上網(wǎng)售電量。
綜合能源系統(tǒng)內(nèi)光伏收益:相比傳統(tǒng)供能模式,增加出售給儲能及用戶的經(jīng)濟(jì)收益部分,即
(4)
式中:CC,PV為綜合能源系統(tǒng)內(nèi)光伏的經(jīng)濟(jì)收益;pPV,U(t)、WPV,U(t)分別為用戶購光伏發(fā)電的電價與購電量。
傳統(tǒng)聯(lián)產(chǎn)機(jī)組收益來源為發(fā)電全額上網(wǎng),即
(5)
式中:CI,CHP為傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益;pCHP,G(t)為上網(wǎng)電價;WCHP,G(t)為機(jī)組的上網(wǎng)電量;pNG為天然氣價格;VNG為天然氣一日的使用量。
綜合能源系統(tǒng)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組收益:出售主體改變?yōu)橄到y(tǒng)內(nèi)用戶,即
pCHP,U(t)WCHP,U(t))-pNGVNG.
(6)
式中:CC,CHP為綜合能源系統(tǒng)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益;pCHP,U(t)、WCHP,U(t)分別為出售給系統(tǒng)用戶的電價及電量;pH,U(t)為用戶購熱價格;QH,U(t)為用戶的用熱量。
傳統(tǒng)的用戶主體支出主要與熱、電的價格和負(fù)荷直接相關(guān),即
(7)
式中:CI,U為傳統(tǒng)模式用戶的經(jīng)濟(jì)支出;pG,U(t)、WG,U(t)分別為用戶購電價格、用電量。
綜合能源系統(tǒng)內(nèi)用戶支出則為從熱電聯(lián)產(chǎn)的購電支出和從綜合能源系統(tǒng)的購電支出,即
pPV,U(t)WPV,U(t)+pS(t)WS(t)).
(8)
式中Wgrid(t)為系統(tǒng)用戶從網(wǎng)上購電量。
對多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)效益評估,按照指標(biāo)類型區(qū)分,主要包括直觀經(jīng)濟(jì)性、能效性、低碳性、技術(shù)性和社會性。本研究直接將經(jīng)濟(jì)性設(shè)置為2級指標(biāo),另外設(shè)置能效與低碳性、社會與技術(shù)性2個2級指標(biāo),分別代表系統(tǒng)利用能源的效率、系統(tǒng)的可靠性和社會服務(wù)能力,建立了包含3個2級指標(biāo)、9個3級指標(biāo)、18個4級指標(biāo)的評估指標(biāo)體系,如圖1所示。
圖1 綜合經(jīng)濟(jì)效益的多層次評估指標(biāo)Fig.1 Multi-level evaluation indicators of comprehensive economic benefit
2.1.1 全生命周期成本
全生命周期成本指系統(tǒng)從初建到報廢全生命周期內(nèi)的所有費(fèi)用,包括投資費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、購能費(fèi)用等[12]。綜合能源系統(tǒng)包含多種分布式發(fā)電系統(tǒng)及結(jié)構(gòu),其投資費(fèi)用與設(shè)計系統(tǒng)的容量有關(guān),計算式為
(9)
式中:Ccap為綜合能源系統(tǒng)投資支出;pinv,e為設(shè)備e單位容量的支出;Sequ,e為設(shè)備e最優(yōu)容量。
運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用Cop包括人員管理和維護(hù)設(shè)備費(fèi)用,
(10)
式中:Cre,e為設(shè)備e固定費(fèi)用;pva,e為設(shè)備e單位功率的維護(hù)費(fèi)用;Pd,e(t)為設(shè)備e運(yùn)行功率。
購能費(fèi)用Cfuel包括從電網(wǎng)購買電力和天然氣費(fèi)用,
(11)
式中Vg(t)為燃?xì)庀牧俊?/p>
2.1.2 投資回收期
投資回收期表征項目的經(jīng)濟(jì)收入可覆蓋投資的年份,分為動態(tài)、靜態(tài)投資回收期2項指標(biāo),計算式分別為:
(12)
(13)
式中:TDPP、TAPP分別為動態(tài)、靜態(tài)投資回收期;Acin(a)為第a年綜合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收入;Acout(a)為第a年總投資;r為年利率。
2.1.3 緩建效益能力
緩建效益能力是指通過多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)提高能源利用率,以延緩電網(wǎng)公司對系統(tǒng)線路升級的能力,用單位功率成本表示[18],即:
pb,P=Cb,P/ΔPb,
(14)
pb,Q=Cb,Q/ΔQb.
(15)
式中:pb,P、pb,Q分別為節(jié)點(diǎn)b有功、無功功率單位成本;Cb,P、Cb,Q分別為節(jié)點(diǎn)b有功、無功波動導(dǎo)致的費(fèi)用;ΔPb、ΔQb分別為節(jié)點(diǎn)b有功、無功波動值。
2.1.4 污染物排放環(huán)保稅
發(fā)電方產(chǎn)生污染物,就需要繳納相應(yīng)的環(huán)保稅。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的污染物排放系數(shù)和環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)見表1、表2。結(jié)合表內(nèi)各污染物的排放系數(shù)、環(huán)境價值與罰款金額,即為污染物排放環(huán)保稅
表1 各分布式能源設(shè)備的污染物排放系數(shù)Tab.1 Pollutant emission coefficient of distributed energy equipment
表2 電力行業(yè)污染物環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Environmental assessment standard for pollutants in power industry
(16)
式中:Pe為設(shè)備e的耗電功率;γc為第c類污染物的排放系數(shù);vc、φc分別為第c類污染物的環(huán)境價值、罰款金額。
2.2.1 綜合能源利用率
綜合能源利用率ηC表示多能源系統(tǒng)對多種能源的利用效率,
(17)
式中:EH、EC、EG分別為系統(tǒng)用熱、冷、電需求能量,E1為一次能源消耗的能量,這些能量單位統(tǒng)一為焦耳;τ為能量換算因數(shù),τ=3.6 MJ/kWh。
(18)
式中:Wnew為新能源發(fā)電量;Vgas為總購氣量;ε0、ε1、ε2分別為天然氣、供熱量及供冷量能質(zhì)系數(shù),電能的能質(zhì)系數(shù)為1;tOH、tOC分別為供熱和供冷時的環(huán)境溫度;tH、tC分別為供熱、供冷溫度。
2.2.3 新能源消納
本研究選取棄電率α、削減率ζ、滲透率δ這3個4級指標(biāo)來評估新能源消納狀況,計算式分別為:
(19)
ζ=(WRF-WR)/WRF,
(20)
δ=SRES/PL,m.
(21)
式中:Ptot(t)為可再生能源年度發(fā)電功率;Puse(t)為年度用戶使用的可再生能源功率;WRF、WR分別為理想、實際發(fā)電量;SRES為裝機(jī)容量;PL,m為負(fù)荷峰值功率。
2.2.4 碳排放
本研究將系統(tǒng)碳排放分為天然氣燃燒排放、小型發(fā)電機(jī)組發(fā)電排放和外購電排放3個部分,即
ECO2=∑(wgVg(t)+wfWf(t)+wgridWgrid(t)).
(22)
式中:ECO2為系統(tǒng)碳排放量;wg、wf分別為燃?xì)?、化石能源發(fā)電的碳排放系數(shù);wgrid為區(qū)域電網(wǎng)平均供電的碳排放因子;Wf為小型發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。
2.2.5 年二氧化碳排放減少量
年二氧化碳排放減少量
FCO2=FEsc.
(23)
式中:Esc為每噸標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電所產(chǎn)生的碳排放量;F為折算成標(biāo)準(zhǔn)煤的年化石能源節(jié)約量。
2.3.1 系統(tǒng)供能可靠性
系統(tǒng)供能可靠性從系統(tǒng)停供頻率fSIF、系統(tǒng)停供持續(xù)時間SSID、系統(tǒng)供能可靠性ASSA這3個維度考慮,分別為:
(24)
(25)
(26)
式中:E為電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)的集合;H為熱網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)的集合;Nd,e、Nd,h分別為電網(wǎng)、熱網(wǎng)中第d個負(fù)荷點(diǎn)的用戶數(shù),用下標(biāo)d表示第d個負(fù)荷點(diǎn),下標(biāo)e表示電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn),下標(biāo)h表示熱網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn),下同;λ為負(fù)荷點(diǎn)故障率;M為負(fù)荷點(diǎn)年停供時間;Y為1年的時長,Y=8 766 h。
2.3.2 年化石能源節(jié)約量
年化石能源節(jié)約量
F=Wnewbsc.
(27)
式中bsc為化石能源機(jī)組的供電煤耗。
2.3.3 網(wǎng)絡(luò)損耗
本研究將配電網(wǎng)網(wǎng)損率φ作為損耗指標(biāo),
φ=(Ws-Wr)/Ws.
(28)
式中:Wr為目標(biāo)系統(tǒng)實際使用的總電量;Ws為目標(biāo)系統(tǒng)外部供電量。
2.3.4 系統(tǒng)運(yùn)行靈活性
本研究將含儲能的系統(tǒng)運(yùn)行靈活性定義為電源容量、儲能容量和聯(lián)絡(luò)線最大可調(diào)節(jié)容量與全網(wǎng)最大負(fù)荷的比值。含儲能的系統(tǒng)運(yùn)行靈活性
K=(SP+SS+SW)/PL,max.
(29)
式中:SP為靈活調(diào)節(jié)電源容量;SS為儲能容量;SW為聯(lián)絡(luò)線最大可調(diào)節(jié)容量;PL,max為全網(wǎng)最大負(fù)荷。
本研究將所選指標(biāo)分為具體數(shù)值區(qū)間限制類指標(biāo)、固定下限無上限類指標(biāo)、有下限無上限最大尋優(yōu)飽和類指標(biāo)3種類型,并根據(jù)模糊集理論,將指標(biāo)分為成本型、收益型指標(biāo)2種類型。
有具體數(shù)值區(qū)間限制類指標(biāo)的取值在[0,1]之間,或存在具體的數(shù)值區(qū)間,在分類后無需做具體數(shù)值變化的處理。
固定下限無上限類指標(biāo)的取值無上限,下限固定為0。通過下列變換對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:
(30)
有下限無上限最大尋優(yōu)飽和類指標(biāo)的取值無理論上限,但大于1時應(yīng)飽和量化至1附近。采用分段函數(shù)對其進(jìn)行量化處理:
(31)
將所有4級指標(biāo)分為以上3種不同的類型并處理后,采用隸屬函數(shù)μ(x)來模糊化各指標(biāo),且μ(x)∈[0,1]。由于指標(biāo)包括成本型和收益型指標(biāo),當(dāng)指標(biāo)k為收益型指標(biāo)時,隸屬函數(shù)
(32)
當(dāng)指標(biāo)為成本型指標(biāo)時,隸屬函數(shù)
(33)
式(32)、(33)中fk為指標(biāo)k的取值,用下標(biāo)max、min分別表示其最大、最小值。
在求取各指標(biāo)的隸屬函數(shù)后,對各隸屬函數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和,得到綜合效益指標(biāo)優(yōu)化函數(shù)
(34)
本研究所考慮的綜合經(jīng)濟(jì)效益的多層次評價模型如圖2所示,通過選取指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值后,采用主客觀結(jié)合算法確定指標(biāo)權(quán)重,以全面評價多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)。
圖2 綜合經(jīng)濟(jì)效益的多層次評價模型Fig.2 Multi-level evaluation model of comprehensive economic benefit
層次分析法是系統(tǒng)性的分析方法,通過全面分析系統(tǒng)內(nèi)的綜合狀態(tài),將復(fù)雜的多目標(biāo)決策類型問題分解為多層次因素,屬于一種主觀賦值的賦權(quán)方法[20]。反熵法則通過對指標(biāo)進(jìn)行客觀的合理評價,降低出現(xiàn)極端情況的權(quán)重分配值,差異性越大時熵值越小,權(quán)重系數(shù)越大,屬于客觀賦值的賦權(quán)方法。
本研究將層次分析法與反熵法相結(jié)合,提出主客觀賦權(quán)法,既可以人為判定指標(biāo)的重要程度,也可實現(xiàn)客觀減小權(quán)值的極端性、波動性和不確定性,不易受主觀隨意性影響,也不刻意偏向主觀或客觀權(quán)重,能同時關(guān)聯(lián)主觀、客觀權(quán)重之間蘊(yùn)含的聯(lián)系,保證判定的合理性。計算步驟如下:
a)確定用于多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的綜合效益評估的指標(biāo)集U={u1,u2,…,un},并確定評語集V={v1,v2,…,vm}。
b)基于層次分析法的權(quán)重向量可由如下3個基本步驟確定:①構(gòu)造判斷矩陣P。由指標(biāo)集U中評估指標(biāo)ui與uj(i,j=1,2,…,n)的相對重要性關(guān)系uij,且uji=1/uij,可以得到判斷矩陣
(35)
②通過判斷矩陣P計算指標(biāo)集的權(quán)重向量。將判斷矩陣P的每一列歸一化,即
(36)
則指標(biāo)集的各個指標(biāo)的主觀權(quán)重
(37)
③進(jìn)行一致性檢驗。
c)反熵權(quán)法計算權(quán)重
采用計算指標(biāo)間熵值的方式計算權(quán)重值,計算式為:
(38)
式中:di、ωoi分別為反熵值和客觀權(quán)重。
d)計算權(quán)重關(guān)系系數(shù)
根據(jù)矩陣論的基本理論,本研究通過計算主客觀權(quán)見重值重要程度,得出最終的權(quán)重值。主客觀權(quán)重值重要程度計算式為:
(39)
式中εi、δi分別為最終第i個指標(biāo)的主、客觀權(quán)重關(guān)系系數(shù)。
e)計算最終權(quán)重值
結(jié)合計算得到的權(quán)重關(guān)系系數(shù),可得最終的組合權(quán)重
(40)
采用本文所提出的綜合經(jīng)濟(jì)效益的多層次評價模型進(jìn)行評分函數(shù)計算,結(jié)果見表3。
表3 采用主客觀賦權(quán)得出的指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Subjective and objective index weighs
本研究選取一家大型能源企業(yè)計劃在中國沿海某省2個園區(qū)建設(shè)的多能互補(bǔ)新能源項目。2個項目包含了光伏、風(fēng)電以及天然氣,地區(qū)年平均輻射強(qiáng)度均為1 200 W/m2,平均風(fēng)速均為4.7 m/s,園區(qū)面積分別約為6 400 m2、7 600 m2。設(shè)計用電負(fù)荷分別約為2.0 MW、2.2 MW,熱負(fù)荷分別約為1.2 MW、1.4 MW,冷負(fù)荷分別約為1.0 MW、0.9 MW,年用電量分別約為2 120 MWh、2 250 MWh,每年供暖、制冷的時間均為120 d。根據(jù)本文所提出的指標(biāo)歸一化計算后,數(shù)據(jù)見表4。
表4 歸一化后項目指標(biāo)值Tab.4 Normalized project index values
由表4計算出的各個方面的指標(biāo)值與權(quán)重乘積,計算出各個2級指標(biāo)(經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境與低碳性、社會與技術(shù)性)和1級指標(biāo)的取值(見表5),項目2的各項2級指標(biāo)值均略優(yōu)于項目1。計算2個項目的2級指標(biāo)值差值與項目1指標(biāo)值的比值,結(jié)果如圖3所示,反映出項目2在3個指標(biāo)方面的優(yōu)異程度。
表5 項目總指標(biāo)值Tab.5 Total index values of the project
圖3 項目指標(biāo)值對比Fig.3 Comparisons of two project index values
由圖3可知,項目2的經(jīng)濟(jì)性較為突出,雖然項目2由于投資分布式發(fā)電設(shè)備及儲能設(shè)備支出較大,但是后期發(fā)電成本較低且儲能利用率較高,盈利水平較高,因此經(jīng)濟(jì)型優(yōu)勢凸顯。在環(huán)境與低碳性方面,由于項目2分布式發(fā)電設(shè)備較多,節(jié)省的化石能源及降低的碳排放較多,因此項目略有優(yōu)勢。由于項目地理位置相同,新能源發(fā)電指標(biāo)值相差較小,響應(yīng)國家政策能力相似,所以環(huán)境與低碳性、社會與技術(shù)性指標(biāo)值優(yōu)勢均較經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)值優(yōu)勢略低。通過綜合分析,項目1現(xiàn)階段盈利能力較差,在不進(jìn)行重新規(guī)劃的前提下,應(yīng)該增加新能源分布式發(fā)電設(shè)備及儲能的建立與支出,并擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性,為國家達(dá)成“雙碳”長遠(yuǎn)目標(biāo)以及環(huán)境與社會做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
因此,無論從單獨(dú)的數(shù)據(jù)比較,或者是總體項目性能的對比,本文所提出的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的綜合效益評價方法都可以反映2個項目的優(yōu)劣程度,客觀分析多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境與低碳性、社會與技術(shù)性3個方面,計算共18個4級指標(biāo)的權(quán)重,提供基于歸類量化和模糊算法的指標(biāo)歸一化方法,歸納技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與政策3個方面影響因素,從微觀與宏觀、短期與長期效益、直接與間接經(jīng)濟(jì)效益3種不同的角度進(jìn)行分析,最終實現(xiàn)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)效益評估。
針對多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)存在的綜合經(jīng)濟(jì)效益問題,在考慮機(jī)會成本的基礎(chǔ)上,開展了對多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)創(chuàng)造價值和效益評估的研究。分析多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)和傳統(tǒng)單能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益,明確多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)收益上的優(yōu)勢與具體收益主體,為后續(xù)分析效益評估提供理論支持;建立適用于多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的效益評估模型和選取原則,針對經(jīng)濟(jì)、能效與低碳性、社會與技術(shù)性3個方面提出了層次分析法-反熵權(quán)法(主客觀賦權(quán)法)確定指標(biāo)的權(quán)重;針對多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)效益綜合評價中評價分量類型眾多、值域開放等特點(diǎn),根據(jù)不同特性的評價分量設(shè)計相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化策略(尤其是對于一些取值無上限的指標(biāo),引入反正切、分段函數(shù)等映射函數(shù)),實現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益評估算法。最后通過算例表明,本文所提的算法和模型可以有效、全面、多層次地評估多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)劣性,針對算例能夠提出合理的優(yōu)化建議。所研究內(nèi)容對綜合能源系統(tǒng)整體評估、投資決策具有重要的理論意義和實踐價值。