分布式能源系统的复杂性特征分析

侯健敏;周德群

【摘 要】在全球提倡节能减排的大环境下,分布式能源系统更凸显其优越性.全面深刻剖析其复杂性特征,将有助于促进分布式能源系统的发展.从动态性、系统性、不确定性等方面,分析了分布式能源系统在发电、提高能源效率、保护环境等方面的功能.以复杂系统理论为指导,将分布式能源系统、大电网、政府、市场等作为独立的主体,通过各主体间的交互作用来分析各因素对分布式能源的影响,为分布式能源系统提供一种新的研究视角. 【期刊名称】《中国矿业》 【年(卷),期】2010(019)002 【总页数】3页(P46-48)

【关键词】分布式能源系统;复杂性特征;复杂适应系统;影响因素 【作 者】侯健敏;周德群

【作者单位】南京航空航天大学,经济与管理学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,经济与管理学院,江苏,南京,210016 【正文语种】中 文 【中图分类】TK01+9

分布式能源系统是指分布在用户侧的能源梯级利用系统,能够减少中间输送环节的损耗,实现对资源利用的最大化。相对于集中发电、远距离输电和大电网互联,分布式能源系统能够解决大电网所面临的一些问题,如不能灵活跟踪负荷的变化;局部事

故极易扩散,导致大面积停电;环境污染严重,能源利用率不高等。随着传统能源资源的日渐紧张,用户对电能质量要求的日渐提高,以及世界各国对环保问题的日益重视,尤其是在节能减排的压力之下,分布式能源系统已经受到了世界各国的广泛关注,被认为是人类能源可持续发展的一个必经阶段。

分布式能源系统在发达国家已是一种比较成熟的技术。丹麦、日本、英国等利用分布式能源系统,在节约能源、减少污染、安全供电等方面取得了显著的效果。分布式能源系统在我国才刚刚起步,虽已在北京、上海、广东等地开展了若干试点工程,但有些效果不太理想,总体发展缓慢。在这样的背景下,加强对分布式能源系统的研究,显然具有极大的理论意义和现实意义。

国内外学者对分布式能源系统的作用分析及前景预测:Pepermans(2005)、Alanne(2006)、韩晓平 (2005)、徐建中 (2005)[1-4]等从定性的角度认为,分布式能源系统将会成为传统大电网的有益补充。Karl Magnus Maribu(2007)[5]通过建立市场分布模型,预测了分布式能源系统在美国各地区和各类建筑的发展潜力。 对分布式能源系统实施过程中涉及的具体问题,各学者展开了较多的研究。①系统规划问题。王成山 (2006)[6]以网络建设成本与运行费用最少为目标函数,采用遗传算法确定系统的最佳安装地点及容量大小。②电力系统建模。Yasud(2002) 和 Jarmo S˚derman(2006)[7-8]分别通过系统仿真和建立优化模型进行研究。③并网问题。陈琳 (2007)、肖鑫鑫 (2008)等提出不同的技术方案,以保持并网系统的电力稳定性和安全性。④经济性研究。胡骅 (2008)应用财务分析方法,指出售电电价模式对分布式能源系统的经济性影响较大。

已有的研究基本都是针对分布式能源系统的发电功能,而分布式能源系统的优势不仅在于提供灵活的电力供应,还有环境保护、电力安全、提高能源效率等多方面的功能。分布式能源系统与大电网相比,在电价上没有竞争优势。要想让更多的人接受分布式能源系统,必须客观全面地分析其复杂性特点,充分展现其优越性。因此,对

分布式能源系统的研究,除考查其发电能力外,也应综合考虑其能源效率、环境保护和电力安全等多方面的优点。基于复杂适应系统理论,将大电网、技术、市场和政策等作为重要影响因素,分析其相互制约和相互促进的复杂关系,使分布式能源能够从更广意义上被人们所接受,进而加速其在我国的发展进程。

分布式能源系统是一个开放的系统,是一个包含物理元素、社会元素和信息元素相互关联的网络。作为不断发展变化的复杂社会经济系统的一个子系统,分布式能源系统与其他子系统之间有着复杂的非线性关系,使得分布式能源系统具有动态性、系统性和不确定性等特征。 (1)分布式能源系统的动态性特征

分布式能源系统的动态性特征,是指分布式能源系统由来已久,但随着环境的变化和技术的进步,其形式和功能已发生了很大的变化。例如在我国过去几十年中,已有一些分布式能源系统的雏形。一些重要的部门或场所,自行安装小型发电设备,作为紧急备用电源。但这些技术性能差、效率低,污染大,已被逐渐淘汰。目前,在节能减排、提高能源利用效率的大环境下,分布式能源系统已超出了小火电的概念,多是指以天然气、煤层气或沼气等为燃料的燃气轮机、内燃机、微型气轮机发电,太阳能光伏发电,以天然气、氢气为燃料的燃料电池发电,生物质能发电,小型风力发电等,并且实现能源循环利用,利用余热制热或制冷,提高能源综合利用效率。由于其在能源多样化、效率、环保、节能等多方面的优越性,再加上电力市场化的快速发展,使分布式能源系统获得了更多的关注,涵盖了更多的技术环节和市场范围,已被陆续应用于医院、学校、办公楼、宾馆、边远地区等。 (2)分布式能源系统的系统性特征

分布式能源系统除了自身的各部分子系统之外,也和其上下游子系统具有耦合关系。只有各部分相互协调、密切配合,才能体现出分布式能源系统的整体优越性。 分布式能源系统内部,发电设备、制冷设备、制热设备、储能设备等,对分布式能源

系统的整体效率有着非常重要的影响。除此之外,各上游资源的开发利用情况,也对分布式能源系统的推广起到至关重要的作用。天然气的开发利用,生物质能的技术攻克,太阳能、风能的项目建设等,都会有力地推进分布式能源系统的发展。而大电网和分布式能源系统互为补充的关系,也决定了它们自身是处于同一复杂系统的。 (3)分布式能源系统的不确定特征

分布式能源系统受到诸多因素的影响,其发展过程具有不确定性。大电网、技术因素、市场因素、政策因素都会对分布式能源系统的发展产生影响。不同地区资源禀赋不同,区域规划不同,人员结构不同,都会导致分布式能源系统的模式有所差异。政策导向性直接决定了分布式能源系统发展的规模。如丹麦、芬兰、英国等对分布式能源系统的政策支持十分明显,因此,其发展相对较快。而我国在这方面尚没有明确的政策文件支持,因此发展起来阻力较大。

复杂适应系统理论的基本思想,是适应性造就复杂性。在复杂适应系统中,所有主体都处于一个共同的大环境中,为了生存的需要,根据它周围的局部小环境,不断地调整自己的行为,以更好地适应环境。各主体与环境及与其它主体间相互作用,在整体层次上涌现出新的现象和更复杂的行为。

分布式能源系统是一个复杂适应系统,其适应性主体不仅包括分布式能源系统,而且包括对其发展有重要影响的大电网、政府、技术、市场等主体。这些主体相互影响,共同发展,在不断协调中,保持电力市场和能源市场的合理稳定性。

分布式能源系统、传统大电网、政府、环境等主体之间,存在着复杂的相互联系,这其中有着繁杂的物质流、能量流和信息流。 (1)分布式能源系统与大电网

分布式能源系统与大电网不是互相排斥,而是互为补充的。直接安置在用户侧的分布式能源系统与大电网配合,可大大地提高供电可靠性,在电网崩溃和意外灾害 (例如地震、雪灾、人为破坏、战争)情况下,可维持重要用户的供电。在缺煤少电的危

机压力下,分布式能源系统可以作为有益的补充。同时,若分布式能源系统电力短缺,可向大电网购电。

但分布式能源系统的出现,会使传统电力系统的负荷预测、规划和运行,比之前有更大的不确定性。大电网向分布式能源系统设置的并网条件,收购和卖出电力的价格等,都成为二者协调发展必需要面对的问题。 (2)分布式能源系统与政府

政府在节能减排的压力下,出台相应的政策措施,如税收减免、财政补贴、信贷优惠等,促进分布式能源系统的发展。反过来,分布式能源系统也会在提高能源利用效率、保护环境、保障能源安全等方面做出应有的贡献。

此外,分布式能源系统能否纳入区域规划,关系到分布式能源系统项目建设和运行的许可审批。许多分布式能源系统项目,常由于保护生态、土地及历史遗迹等原因而造成选址困难。如果分布式能源系统的选址能尽早纳入区域规划中,就可缩短审批周期、减少选址成本 。 (3)分布式能源系统与技术因素

技术因素的影响包括分布式能源系统设备的技术性能,如发电机组、并网设施、输配电网的运行,以及电网安全、可靠及稳定运行的标准等。

分布式能源系统的各设备大多虽已实现国产化,但在能源转换效率、安全可靠性、维修周期等方面,仍有一定差距,这必然造成成本的增加。此外,分布式能源系统并网,将改变配电系统潮流的单向模式,这将带来电能质量和运行可靠性等问题。 (4)分布式能源系统与市场因素

从经济上考虑,分布式能源系统的投资吸引力不高。由于分布式能源系统带来的多为社会效益,如保护环境、节约能源等,而这部分成本效益无法在市场中充分体现,造成分布式能源系统初始投资大、投资吸引力差。因此,要促进分布式能源系统的发展,必须各方共同努力,减少其成本,增加其效益,如在天然气购买价格上的优惠、进口

设备的税费减免、考虑环境成本等。同时,也要通过大力宣传,让更多的用户和投资者了解和接受该技术,在系统的使用规模和数量上有所突破。

在节能减排、提高能源利用效率的大环境下,系统全面地分析分布式能源系统的特征,是正确引导其发展的有效途径。文章采用与以往不同的思路,跳出只关注其发电功能的研究框架,详细分析分布式能源系统的复杂性特征,从动态性、系统性和不确定性等方面,指出分布式能源系统的本质,不仅在于提供电力本身,还在于提高能源利用效率、保障电力安全和保护环境等方面的功能。而要促进分布式能源系统的发展,需要各方共同努力,克服各因素的影响。将这些方面综合考虑来,分析分布式能源系统在我国的发展,可能更具有实际指导意义,为分布式能源系统提供一种新的研究视角。

【相关文献】

[1] G.Pepermans,Distributed generation:definition,benefits and issues,Energy Policy 33(2005)(6):787-798.

[2] Kari Alanne,Arto Saari.Distributed energy generation and sustainable development[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2006,10(6):539-558. [3] 韩晓平.分布式能源政策导向和建议 [J].中国能源网www.China5e.com.2005-03-24. [4] 徐建中.科学用能与分布式能源系统 [J].中国能源,2005,27(8):10-13.

[5] Karl Magnus Maribua,Distributed energy resources market diffusion model. Energy Policy 2007;9 (35):4471-4484.

[6] 王成山,王守相.分布式发电供能系统若干问题研究 [J].电力系统自动化,2008,20(32):1-4. [7] Yasud A K,Analysis and Autonomous Distributed Control of Super Distributed Energy Systems.Proceedings of IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibi2 tion 2002,Asia Pacific,Vol 3,Yokohama(Japan).2002,1638-1631.

[8] Jarmo S˚derman,Structural and operational optimisation of distributed energy systems[J],Applied Thermal Engi2 neering,Volume 26,Issue 13,September 2006,26(13):1400-1408.